煤田水文地质与工程地质浅析

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［摘要］河南省通柘煤田地层从老到新有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界，不同岩性差异很大，含水层与隔水层呈交错分布。依据含水层岩性特征、孔隙性质、埋藏条件及地质时代等,自上而下划分为新生界松散岩类孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。煤田二叠系山西组二1煤层大部可采，其充水通道主要为裂隙导水、断层导水、井筒导水。煤层顶底板是以泥岩、砂质泥岩为主的泥岩类岩石，可能出现片帮、冒顶、底鼓、支柱滑沉等不良工程地质现象，工程地质性质较差。煤田水文地质与工程地质是矿井开采的基础性工作，在矿井开采过程中，需不断进行资料动态综合分析，才能提交出更优质的勘察报告。

［关键词］通柘煤田；水文地质；工程地质；含水层；充水通道

1区域水文地质概况

通柘煤田是河南省迄今为止发现的最大煤田，主要可采煤层为二叠系山西组二11、二12煤层。其煤炭资源蕴藏量约282亿t，现已初步查明22.5亿t。该煤田处于豫东黄淮冲积平原，地跨开封、周口、商丘三市，面积约8000km2。地势平坦，交通便利，一般海拔50~60m，属半干旱、半湿润温带大陆季风气候，一年四季分明［1-3］。区域上地层从老到新有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界，不同岩性差异很大，含水层与隔水层呈交错分布。新生界含水层以砂岩为主，隔水层以粘土为主；二叠系含水层以砂岩为主，隔水层以泥岩为主；石炭系含水层岩性以灰岩和细粒砂岩为主，隔水层岩性以泥岩为主；奥陶系岩性以灰岩为主，是区内煤层的主要含水层岩段。新生界松散岩类孔隙含水层中，浅层地下水补给以大气降水渗入为主，其次是侧向径流和河渠侧渗入补给，径流方向基本上同现在地形倾斜方向一致，由西北流向东南。排泄方式以蒸发和工农业生产为主。

2煤田水文地质条件

2.1煤田浅层水特征

通拓煤田为第四系全覆盖区,地势平坦,属淮河水系。浅层地下水循环条件良好,垂直交替强烈，补给以大气降水为主，主要呈渗入-蒸发型动态变化特征，与地表水有一定的水力联系；枯水期浅层地下水补给地表水,丰水期地表水短暂补给浅层地下水。

2.2煤田含水层、隔水层特征

依据含水层岩性特征、孔隙性质、埋藏条件及地质时代等，自上而下划分为新生界松散岩类孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层［4］。

2.2.1新生界松散岩类孔隙含水层

钻孔揭露新生界厚度为650~1800m，该含水层主要岩性为交互沉积的粘土、粉质粘土、粉土、粉砂、细砂和中砂。松散沉积层结构复杂,受古地形、地质等因素的影响，含（隔）水层相互交错，呈尖灭状或透镜体状沉积，含水砂层沿水平方向连续性较差,分布不稳定，厚度差异大。埋深70m以浅的潜水，单位涌水量为0.06~2.41L/（s•m），为弱富水-中等富水性含水段。水化学类型以HC03-Mg•Ca型水为主，矿化度为0.5~0.94g/L，总硬度为129.30~560.50mg/L，属极硬水。70~350m为中等富水性承压含水段，单位涌水量平均为1.39L/（s•m）。水化学类型以Cl•HC03-Na型水为主，矿化度为1.7~3.5g/L，属微咸水。350~600m深层含水段,单位涌水量为2.85~3.61L/（s•m），为极强富水性承压含水段。水化学类型以HC03-Na型水为主，矿化度为0.56~0.7g/L，为低矿化度淡水，总硬度为14.1mg/L，属极软水。600m以深，超深层含水段单位涌水量为0.5~0.69L/（s•m），水化学类型属HC03-Na型。

2.2.2新生界松散岩类孔隙隔水层

新生界各含水段之间普遍发育连续稳定的粘土、砂质粘土层,含水层之间一般不存在水力联系。新生界底部普遍有巨厚粘性土层,阻隔了与下伏基岩的水力联系，所以新生界孔隙含水层对矿床的开采影响不大。

2.2.3新生界地下水的补给、径流与排泄

浅层地下水的补给来源以大气降水渗入、灌溉水回渗为主,其次是河水侧向径流补给；径流方向自西北向东南，水力坡度约1/6000。排泄途径主要为蒸发和工农业生产。中、深层地下水埋藏深，它与上部水层的水力联系很弱，天然状态下近似处于静止的封闭水状态，补给迟缓，径流缓慢。近年来，人工开采逐步成为深层地下水的主要排泄方式，致使地下水位逐年下降，局部形成了降落漏斗。超深层地下水与上部分布稳定的隔水层总体由北西向南东径流，局部因基底控制发生变化，向下游侧向径流和人工开采为其主要排泄方式。

2.2.4二叠系砂岩裂隙含水层

二叠系岩石致密完整隔水性能好，阻隔了新生界含水层与山西组二1煤层顶板含水层的水力联系，是良好的隔水层段。二1煤层底板岩性主要为湖相泥岩、砂质泥岩，分布基本稳定，较致密、完整，裂隙相对不发育，隔水性能好，若无断层切割等地质作用影响，能够阻挡太原组灰岩水溃入矿床。

2.2.5石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层

石炭系含水层主要赋存于石炭系上统太原组，含水岩性为灰岩、细粒砂岩。灰岩分布较稳定，裂隙岩溶较发育，但不均一，且多被方解石脉及钙质膜充填，岩层受裂隙、构造等因素的影响，富水性较强但不均一，水力性质为强承压水。太原组灰岩水为二12煤层底板直接充水含水层，对开采二12煤层影响较大。另外受断层影响，太原组灰岩与二12煤层有对接的可能，应加强对断层位置、性质等要素的控制，避免或减少石炭系灰岩水对采矿的危害。

2.2.6奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层

该含水层为中奥陶统马家沟组灰岩，奥陶系灰岩水在与新生界不整合接触地带接受补给。奥陶系顶面上距二12煤层底板124~160.68m，为二煤组底板间接充水含水层。其上有太原组、山西组的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩相阻隔，一般不会对二煤组开采造成影响。在断层导通及二煤组与奥陶系对接部位，该含水层对开采煤层影响较大。

3充水通道

通柘煤田二叠系山西组二11、二12煤层大部及局部可采，煤层埋藏深度大，其充水通道主要为以下几类：（1）裂隙导水。该区煤层顶底板含水层岩性以泥质胶结细粒砂岩为主，过水通道以裂隙为主，具不均一性，连通性一般较差，水头压力大，采煤“三带”及底鼓位置裂隙发育，尤其煤层隐伏露头附近上覆基岩厚度较薄，同新生界底部“天窗”相互作用，成为矿坑突水的一个重要充水通道。（2）断层导水。通拓煤田断层比较发育，断距在0~700m均为高角度正断层，断层以压性或压扭性闭合型断层为主，破碎带内多为角砾、泥质充填，胶结致密，一般富水性弱，导水能力差，但也不可忽视断层对煤层开采的影响。（3）井筒导水。煤矿的各类井筒施工中，井筒砌筑质量不好也会导致地下水沿缝隙以淋水方式进入巷道，对矿井及巷道安全造成威胁。因此，建井时应确保井筒质量，避免井筒外部地下水联通及导水。通拓煤田构造特点是次级褶皱、断层发育中等；煤层位于侵蚀基准面以下，被巨厚的新生界松散沉积物覆盖，地表水远离煤层，对矿床开采无影响。煤层顶底板砂岩裂隙水富水性弱，补给不充分，渗透性不强，径流条件差，易于疏干，若无导水断层连通，对煤层开采影响不大。煤层底部太原组上段灰岩含水层虽是间接充水含水层，但富水性较强，水头压力大，开采过程中岩层受地层应力作用和构造破坏时，该灰岩水将会直接充入矿坑，成为矿床充水的主要水源。奥陶系灰岩水富水性强，水头高，压力大，断距较大的正断层有可能使奥陶系灰岩直接与煤层对接或与矿床形成水力联系，容易造成突水事故。

4工程地质条件评价

该煤田主要可采煤层为二11、二12煤层，煤层顶底板是以泥岩、砂质泥岩为主的泥岩类岩石，质量等级为劣-中等，岩体完整性为差-中等，岩石强度为半坚硬。泥质岩石遇水易变形，可能出现片帮、冒顶、底鼓、支柱滑沉等不良工程地质现象，工程地质性质差。煤层围岩以泥岩、细-粗粒砂岩为主的沉积岩类，岩体具各向异性，强度变化较大，裂隙较不发育，断裂构造使局部岩体遭受破坏而强度降低，工程地质问题以顶板冒落为主，底板稳定性相对较好。根据力学测试可知，砂岩类平均抗压强度为88.62MPa，岩石强度属于坚硬；泥岩类平均抗压强度为45.2MPa，岩石强度属于半坚硬。根据通拓煤田地形地貌、地层岩性、地质构造、新生界厚度、地下水特征等因素分析，依据《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》，工程地质勘查类型为第三类，即层状岩类，复杂程度为中等-复杂型。

5结语

煤田水文地质与工程地质的勘察是矿井开采的基础性工作，是矿井安全生产的保障。由于受地层岩性、断层发育、煤层变化等地质因素影响，对煤田水文地质与工程地质的分析评价存在不足与片面，在开采过程中需采用三维物探、井下物探、钻探、巷道钎探等工作，并不断进行资料动态综合分析，才能提交出更优质的勘察报告。

［参考文献］

［1］李骏.阳城县龙山井田矿区水文地质条件浅析［J］.山西煤炭，2010，30（2）：47-48.

［2］刘秀波.浅谈我国煤田水文地质矿区安全的影响及新的勘探技术［J］.科学与财富，2014（10）：226

［3］罗岚.浅谈矿区水文地质勘探的技术要求［J］.安徽地质，2011，21（4）：296-298.

［4］牛志刚.河南省通柘煤田的发现与地质特征［M］.北京：煤炭工业出版社，2018.

作者:陈华涛 单位:河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心