中國煤田水文地質(zhì)基本特征及主要水文地質(zhì)問題.doc

中國煤田水文地質(zhì)基本特征及主要水文地質(zhì)問題 中 國 煤 田 水文地質(zhì)基本特征及主要水文地質(zhì)問題作者介紹：王夢玉，1932年11月30日生于江蘇南京，原籍山西沁縣烏孫村，1955年7月畢業(yè)于南京大學地質(zhì)系本科，畢業(yè)后在北京煤炭科學研究院地質(zhì)所工作，1965年至今在中煤科工集團西安研究院工作，從事礦井水文地質(zhì)研究工作50余年，是我國礦山防治水工作開拓者之一。教授級高級工程師，曾任煤炭工業(yè)部技術委員會，國際水文地質(zhì)學會會員及礦山水協(xié)會委員，1932年起享受政府津貼。中國煤炭資源豐富，從寒武紀石煤至第四紀泥炭沉積，共有十個聚煤期，其中，以石炭二疊紀和侏羅紀為主要的聚煤期。大地構造控制了煤田的分布、成煤時期、沉積環(huán)境、構造特征，也形成了不同的水文地質(zhì)條件。天山陰山緯向構造帶以北的東北和內(nèi)蒙東部沉積早侏羅紀晚白堊紀含煤地層；以南至昆侖山祁連山緯向構造帶以北，賀蘭山經(jīng)向構造帶以東的廣闊地區(qū)，沉積了海陸交互相的石炭二疊紀含煤地層；昆侖山祁連山緯向構造帶以南，康黔古陸以東則沉積了晚二疊紀含煤地層；西北地區(qū)則在侏羅紀形成了一些大型陸相煤盆地；此外，云南西藏及臺灣地區(qū)在中生代和新生代分別沉積了含煤地層。以上聚煤區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件各不相同，在此基礎上，結合礦井防治水的需要，可以將中國煤田劃分為六個水文地質(zhì)類型區(qū)，即東北侏羅紀孔隙裂隙水類型區(qū)，華北石炭二疊紀孔隙巖溶水類型區(qū)，西北侏羅紀裂隙水類型區(qū)，華南晚二疊紀巖溶水類型區(qū)，云南西藏中生代裂隙水類型區(qū)及臺灣第三紀裂隙孔隙水類型區(qū)（圖1）。其中，以華北石炭二疊紀煤田和華南晚二疊紀煤田的水文地質(zhì)條件最為復雜，礦井水害嚴重。主要的水文地質(zhì)問題有三個。即：華北煤系底盤中奧陶統(tǒng)馬家溝灰?guī)r水害問題；黃淮平原新生界松散層水害問題；華南煤系底盤下二疊統(tǒng)茅口灰?guī)r水害問題及頂板上二疊統(tǒng)長興灰?guī)r水害問題。圖1 中國煤田水文地質(zhì)類型區(qū)劃分圖華北石炭二疊紀煤田主要可采煤層賦存于海陸交互相的太原統(tǒng)和陸相的山西統(tǒng)中，其底盤為中奧陶統(tǒng)馬家溝灰?guī)r。太原統(tǒng)中的夾層灰?guī)r在華北煤田有廣泛的分布（圖2），總的趨勢是，由西北向東南，海水逐漸加深，灰?guī)r層數(shù)由23層，增加到14層以上，灰?guī)r總厚度由5m以下，增加到60m以上，皖北可達70m。夾層灰?guī)r的富水性除與厚度、巖溶等因素有關外，主要決定于與中奧陶統(tǒng)灰?guī)r的水力聯(lián)系程度，從單位涌水量q分布可以看出，峰峰至焦作這一條帶在20L/s.m以上，這是由于這兩個礦區(qū)的主要夾層灰?guī)r大青灰?guī)r（峰峰）、L2灰?guī)r（焦作）距中奧陶統(tǒng)灰?guī)r垂距僅2540m，可通過斷層側向補給或越流補給，兩者水力聯(lián)系密切所致。圖2 華北石炭二迭紀煤田夾層灰?guī)r分布圖中奧陶統(tǒng)灰?guī)r的厚度（圖3）由東而西逐漸變薄，由魯中的700800m，至太行山東麓及蘇北、魯南的600m，晉中、京西、豫中的400m，淮南、豫西的200300m。從區(qū)域沉積規(guī)律來看，在河北曲陽以北，開灤、京西、軒崗等煤田，中奧陶統(tǒng)灰?guī)r最上部的峰峰組缺失，石炭二疊紀煤系沉積在上馬家溝組灰?guī)r之上。太行山區(qū)、晉中、魯中、蘇北、皖北的峰峰組，由北而南變薄，至太行山南麓的焦作煤田缺失，至豫西的登封以南，奧陶紀灰?guī)r已無沉積，平頂山、禹縣、臨汝等煤田煤系地層直接沉積在寒武系地層之上。海水入侵由東而西，在關中地區(qū)形成一個走廊，海水退卻的比較晚，沉積了上奧陶統(tǒng)灰?guī)r地層， 圖3 華北石炭二迭紀煤田中奧陶統(tǒng)灰?guī)r分布圖底部主采煤層距中奧陶統(tǒng)灰?guī)r頂面之間隔水層厚度小于50m的地區(qū)在北京西山淄博濟寧徐州一線以西，以太行山東、南麓及霍縣、韓城等礦區(qū)最薄。焦作礦區(qū)最底部的煤層為局部可采，如以主要開采層大煤至中奧陶統(tǒng)灰?guī)r頂面計算，則隔水層在100m以上。因此，底板隔水層厚度小于20m的礦區(qū)，主要為峰峰、霍縣、韓城礦區(qū)。對北方煤礦1207次底板突水資料分析表明，以太行山東、南麓各礦區(qū)突水情況最為嚴重，計870次，占統(tǒng)計次數(shù)的71.4；其次，為魯中、徐淮各礦區(qū)，計295次，占17.5。晉中、晉東南各礦區(qū)突水次數(shù)最少，僅發(fā)生19次，占1.5。最大突水量的分布情況與突水頻率分布情況一致，亦主要分布在太行山東、南麓及開灤至魯中各礦區(qū)，礦井一次最大突水量皆在100m3/min以上。第三紀以來，黃淮地區(qū)急劇下降，形成了許多湖盆，其中沉積了很厚的第三紀地層。第四紀晚期，黃河及其它河系把流經(jīng)太行山、燕山、黃土高原及晉蒙山地的物質(zhì)攜帶至平原地區(qū)，在山系谷口形成了一系列洪積沖積扇。平原部分、主要為河流沖積物所覆蓋。搬運和沉積的單元有黃河、海河、淮河等水系。黃淮平原曾多次遭受海浸，例如7400年前的海浸線，深入到了平原的西部邊緣。新生界的沉積厚度，主要受地殼運動所控制。本區(qū)位于新華夏第二沉降帶，由于郯廬斷裂以東的新華夏第一隆起帶向北運動，太行山斷裂以西的新華夏第二隆起帶向南運動，使黃淮平原第一序次的構造線呈NNE向，新生界沉積厚度的總趨勢與此一致。天津交河臨清一帶，厚度在2000m以上，往東、西逐漸變薄。鄭州商丘一帶，可能受緯向構造的影響，沉積方向變?yōu)闁|西，厚度在4000m以上，這種沉積方向的變化，在黃淮平原的南北兩端都有所顯現(xiàn)。（圖4）圖4 黃淮平原新生界等厚線圖新生界的巖性組合，根據(jù)各地區(qū)的巖性資料，歸納如表1?？梢钥闯?，第三紀始新世上新世的沉積是以陸相紅色地層為主。第四紀更新世全新世的沉積則是河漫相、河床相、湖相、沼澤相、殘積相。各煤田的大致平均厚度如表2。表1地區(qū)地層魯西冀西冀北蘇北淮南淮北河南全新統(tǒng)亞粘土、亞沙土、砂礫石亞沙土、粉砂黃灰色砂質(zhì)粘土、粉砂、細砂粘土、亞粘土、砂礫石更新統(tǒng)紅色亞粘土、亞砂土、粉砂、砂礫石粘土、砂質(zhì)粘土夾砂礫石亞粘土、底部加砂礫層紅土及砂礫層砂礫石上新統(tǒng)玄武巖粘土、砂、礫石、泥灰?guī)r、砂礫石玄武巖玄武巖、紫紅色砂礫層紫紅色砂礫層中新統(tǒng)漸新統(tǒng)紅色砂礫層玄武巖頁巖、砂質(zhì)頁巖、細砂巖紫紅色砂礫層紫紅色砂礫層始新統(tǒng)表2煤 田平均厚度（m）煤 田平均厚度（m）煤 田平均厚度（m）黃河北100肥城65濟寧200兗州180官橋30滕縣80棗莊10徐州200沛縣200大屯150宿縣100淮北70淮南100北京200開灤200邢臺200焦作20平頂山30第四系具有多旋回性，可以劃分為四個旋回。每個旋回的底部為砂礫層或粘土層夾礫石層，向上沉積物變細。第四系中的砂層和礫石層的厚度，在各煤田約占第四系厚度的3555，第四系的富水性，一般情況下，上部最強，下部次之，中部又次之。例如，兗州煤田上部65m鉆孔單位涌水量為12升/秒.米，農(nóng)業(yè)用水主要來自本含水層組。中部47米鉆孔單位用水量為0.0450.2升/秒.米。下部45米鉆孔單位涌水量為0.21.44升/秒.米。黃淮平原煤田在開發(fā)過程中，第四系流砂層水潰入井下的事例很多。解放后，在水文地質(zhì)勘探和第四系含水層下采煤方面，進行了大量的工作，積累了一定的經(jīng)驗。但隨著黃淮平原煤炭工業(yè)的大規(guī)模建設，工農(nóng)業(yè)基地迅速發(fā)展的形勢下，有兩個水文地質(zhì)問題必須進一步解決。一是如何保證礦井及礦工的安全；同時，減少頂板防水煤柱，提高資源回收問題。二是如何解決礦井排水與工農(nóng)業(yè)用水之間的矛盾，同時，為工農(nóng)業(yè)建設提供更多的水源問題。長江以南浙、閩、粵、湘、干、桂及蘇、鄂、皖南部以晚二疊世煤系沉積為主，礦井充水的主要含水層是龍?zhí)睹合档装宓南露B統(tǒng)茅口灰?guī)r和頂板的上二疊統(tǒng)長興灰?guī)r。煤系底板直接為茅口灰?guī)r的沉積地區(qū)（圖1），大致在巢縣蕪湖南昌萍鄉(xiāng)湘鄉(xiāng)武崗嘉禾連陽羅定一線以西。此線以東至金華寧都武平一線之間，浙西、贛南、湘南等地，茅口灰?guī)r之上有孤峰頁巖的沉積；蘇南、皖東南一帶可能由于相變關系，孤峰頁巖之下的茅口灰?guī)r不復存在。此外，湘、贛地區(qū)的當沖層或鳴山層的層位皆與孤峰層相當；不過巖性變化為硅質(zhì)層。金華寧都武平一線以東，茅口灰?guī)r相變?yōu)槲墓P山頁巖（圖5）。煤系底板直接為茅口灰?guī)r的沉積地區(qū)，主要可采煤層或煤系最下部的可采煤層與茅口灰?guī)r之間的隔水層，一般超不過10米，最薄的地區(qū)如湘中煤田僅有0.10.3米的粘土，茅口灰?guī)r地下水害，主要圖5 華南晚二迭世煤田茅口灰?guī)r分布圖發(fā)生在這個地區(qū)。煤系之下有鳴山硅質(zhì)頁巖或文筆山頁巖沉積的地區(qū)，隔水層厚達100400米，一般不會有茅口灰?guī)r的突水危險。茅口灰?guī)r相變?yōu)楣栀|(zhì)層的地區(qū)，由于富水性很弱，一般亦不會構成對礦井的威脅。茅口灰?guī)r為厚層純灰?guī)r，在鄂中地區(qū)厚約200400米，鄂東南地區(qū)厚約100120米，湘中地區(qū)厚約400600米，贛中地區(qū)厚度大于130米，贛北地區(qū)厚約200米，桂中及桂西地區(qū)厚約150300米。茅口灰?guī)r巖溶發(fā)育，富水性極強。各煤田皆有流量很大的茅口灰?guī)r泉群出露。例如，恩口煤田的溫塘泉最大流量達910米3/時；斗笠山煤田泉水排多年平均流量達154米3/時。煤田勘探、基建及生產(chǎn)過程中，茅口灰?guī)r的水量都相當可觀。例如，云湖橋煤田1969年8月勘探抽水，降深僅6.92米，水量即達2382.72米3/時；煤炭壩煤礦5畝沖井1972年2月突水量達6400米3/時；橋頭河煤礦青山井1971年6月突水量達27000米3/時。煤系頂板直接為長興灰?guī)r地區(qū)（圖6），大致分布在宜興廣德休寧德安常德一線以南，福州大田將樂新余萍鄉(xiāng)湘鄉(xiāng)安化武崗連陽以北的地區(qū)。根據(jù)目前的資料，僅太湖流域、萍樂凹陷帶、湘贛邊區(qū)及福建大田四個地區(qū)比較標準，屬淺海相沉積，為深灰色較厚層灰?guī)r。其余地區(qū)，相當于該層位沉積了海相泥巖及硅質(zhì)巖的互層，即所謂大隆組。圖6 華南晚二迭世煤田長興灰?guī)r分布圖在長興灰?guī)r沉積的地區(qū)，含水層下距煤系上部可采煤層之間的隔水層，一般都很薄。例如，寧鄉(xiāng)株洲地區(qū)約為1525米，萍樂凹陷帶一般在10米以下，太湖南部及東部約為15米，鎮(zhèn)江蕪湖地區(qū)及黃石一帶，一般在25米以下。這類地區(qū)的煤田在開采上部煤層時，經(jīng)常發(fā)生長興灰?guī)r的水害事故。而煤系頂板為大隆組沉積的地區(qū)，隔水層的厚度都在50米以上，或不存在強含水層；所以，一般不會構成對礦井的威脅。長興灰?guī)r的厚度，在太湖流域約為50100米，萍樂凹陷帶約為50250米，湘中地區(qū)約為50100米，湘西地區(qū)約為50200米。長興灰?guī)r巖溶發(fā)育，水量豐沛。例如，煤炭壩煤田躍進井50米標高，長340米的長興灰?guī)r巷道中，有95條溶蝕裂縫；1972年7月五畝沖井長興灰?guī)r突水量達2700米3/時。豐城煤田鉆探時曾發(fā)現(xiàn)高達121米的溶蝕裂縫；1974年7月云莊井60米標高長興灰?guī)r突水量達10000米3/時以上。除以上討論的幾個主要水文地質(zhì)問題外，還有西北干旱、半干旱地區(qū)煤礦企業(yè)供水，煤炭開采與環(huán)境保護，東北及內(nèi)蒙地區(qū)露天煤礦地面防水等問題。這些問題將在另文中作詳細討論。參考文獻：1.王夢玉：中國巖溶型煤田水文地質(zhì)問題 “煤炭科學與技術”1981.122.王夢玉：煤層底板突水機理與預測方法探討 “煤炭科學與技術”1979.93.劉剛峰、王夢玉：黃淮平原新生界水文地質(zhì)問題 “煤田地質(zhì)與勘探”1983.44.王夢玉：華南晚二疊紀煤田水文地質(zhì)特征和控制礦井涌水量問題 “煤炭科學與技術”1977.115.Wang mengyu:The elemental hydrogeological characteristics of coalfields in china the problems of protecting against mine waterInternational mine water association,granda espana,19856.Wang 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