华北煤田水文地质基本特征分类与研究

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摘要： 联通含水层之间水力联系类型颇多，不同类型的水量预测计算方法和探测技术存在较大的差异。对华北煤系地层水文地质特征的分析，依据富水构造几何形态特征将其划分为4种基本类型。提出了依据这4种基本类型对实际出水情况进行分析的新思路，对认识矿井水文地质条件和采取合理的防治水措施具有极其重要的理论意义和实用价值。

Abstract： There are quite a lot of hydraulic connection types between the aquifers， and there are great differences between the calculation method and the detection technology of the same type of water quantity prediction. Based on the analysis of the hydrogeological characteristics of the coal bearing strata in North China， it is divided into 4 basic types according to the geometry characteristics of the water rich structure. A new idea is put forward to analyze the actual situation of the water production according to the 4 basic types， which has great theoretical significance and practical value to understand the hydrogeological conditions and take reasonable measures to prevent and control water.

关键词： 煤田水文地质；充水；几何形态

Key words： coalfield hydro geology；water filling；geometric shape

中图分类号：P641.134 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）01-0205-02

0 引言

华北煤田分布广、煤层多、储量大，矿床水文地质条件复杂。不同地区开采不同时代煤层所遏到的地质灾害问题和复杂程度亦不同，严重时可能会威胁着矿井安全生产，造成井田防治突水灾害的费用逐年增加，生产效益不断下降，使国家和人民生命财产蒙受巨大损失。基于此，对华北煤田水文地质特征的研究，对于科学有效的预测和防治煤矿突水，保证矿井安全生产具有重要意义。

1 华北煤田水文地质特征

华北煤田西以贺兰山—六盘山一线与西北为邻，南以秦岭—大别山一线与华南分界，东濒黄海，北以阴山—燕山—辉南—和龙一线与东北相接，华北煤田主要聚煤期为石炭二叠纪，早中侏罗世和第三纪煤田较少。

①含煤地层基底水文地质条件。

华北石炭二叠纪含煤地层基底大部分是奥陶纪灰岩，仅在个别地区是寒武纪或震旦亚界灰岩。

②含煤地层内部水文地质条件。

1）上石盒子组含煤地层。

上石盒子组岩性为砾岩和砂岩泥岩为主，地层厚度最小120m，最大可达700m，主要在华北的南部地区。

2）下石盒子组含煤地层。

下石盒子组的岩性以粗碎屑岩、粉砂岩、泥岩和煤等为主，地层厚度变化大。

3）山西组含煤地层。

下二叠统山西组的岩相以陆相为主，主要分为三种类型：山前冲击平原型、滨海冲击平原及滨海平原型和泻湖海湾型

4）太原组含煤地层。

上石炭统太原组主要以砂岩、泥岩、灰岩、煤层和少量砾岩为主，岩相局部为陆相，其余为海陆交替沉积。

③含煤地层盖层的水文地质条件。

在大部分平原地区，煤系地层上覆巨厚的第四系松散层，含水性强弱不一。第四系底部附近的松散含水层对矿井充水有直接影响，其中粗砂砾岩含水丰富，含泥质较多的松散层含水性弱。

在大部分丘陵地区，煤系地层上覆第四系盖层很薄，基岩风化裂隙发育，渗水性较好。这些地区煤系地层的充水水源是松散层孔隙水、风化带裂隙水、大气降水和地表水。

2 华北煤田导水构造的水文地质特征

2.1 根据导水构造几何形态特征的划分

沟通充水含水层之间水力联系的几何形态类型颇多，不同类型在涌水量计算和防治水设计等方面存在较大的差异。因此对导水构造的几何形态进行系统完整的类型划分是很有必要的。

根据几何形态可划分为以下4种类型：岩溶陷落柱、隐伏露头、条带裂隙、网状裂隙。

2.1.1 岩溶陷落柱

陷落柱本身条件复杂，分为导水陷落柱和阻水陷落柱。陷落柱边界受塌陷作用影响形成次生裂隙，易于联通上下含水层。岩溶陷落柱的分布规律不清，至今仍是研究的重点。

2.1.2 隐伏露头

煤系地层灰岩含水层、砂岩裂隙含水层和中奥陶统灰岩含水层呈隐伏露头形式与上覆第四系松散层不整合接触。隐伏露头地下水力交替的影响因素主要有隐伏露头基岩风化带的渗透能力和上覆第四系孔隙含水层底部粘性土隔水层的厚度。

2.1.3 条带裂隙

华北煤田基本上属于中朝准地台，构造相对稳定，主要以褶曲和断裂为主。导水断裂使煤层直接或间接对接中奥陶统灰岩含水层，形成不同程度的水力联系。大型断裂易于形成比较发育的裂隙网络，形成沟通上下含水层之间的水力联系通道。

2.1.4 网状裂隙

在华北煤田北部主要以砂岩含水层为主。在多次构造应力作用下，脆性的隔水层不断受力后，以断裂形式释放压力，使本来隔水的泥岩层形成了不同方向的断裂和节理，发育成比较发育网状裂隙。

以上4种类型是华北煤田所发现的最基本类型，在实际生产中可能会遇到这4种类型的不同组合形式。表1即为4种类型的组合表。

岩溶陷落柱和条带裂隙的组合类型，多分布在地层的中深部，垂向导通能力好，水力交替强度大。但大部分分布规律不清并且规模较小，是实际生产中极易忽视，从而引起威胁极大的恶性突水事故。

岩溶陷落柱和隐伏露头的组合类型，隐伏露头多分布于地层的浅部，岩溶陷落柱多分布于地层的中深部，在华北煤系地层中较为常见的一种组合类型。对其组合一般最为有效的防治水措施是采取浅截深堵，对其进行治理。

隐伏露头和条带裂隙的组合类型，隐伏露头多分布于地层的浅部，条带裂隙多分布于地层的深部，这一组合在华北煤系地层中也较为常见。这种组合的矿井水文地质条件一般较为复杂，充水水源多、通道畅通，矿井涌水量一般较大，突水灾害事件繁现。

隐伏露头和网状裂隙的组合类型。在构造运动作用下，呈脆性的相对隔水岩层不断受力，脆性地层以大面积破裂形式释放应力，形成大范围裂隙网络。

其余的两种、三种和四种组合形式在实际的煤系地层中发现不多。

2.2 根据地下水渗流的水动力特征划分

根据水动力特征可分为2种基本类型：管道式和渗滤式。

2.2.1 管道式

地下径流多呈管流状，水力条件极其复杂。其中管道式的导水通道较为畅通，充水强度一般较强，容易对矿井造成灾害性的突水事故。

2.2.2 渗滤式

地下水的运动基本符合线性渗透定律，渗流介质类似松散多孔介质性质。由此类所诱发的地下水涌入矿井的过程往往是渐变的。因而此类一般对矿井直接形成的水害威胁相对较小。

上述两种划分方案依据不同，但存在一定的联系。一般陷落柱和条带裂隙由于其介质破碎严重，通道较为畅通，地下水的流动形式多为管道流。隐伏露头和网状裂隙多为渗滤式，地下水符合线性渗透定律。

3 结论

各种类型的水力联系是建立华北煤田充水水文地质模型的基础和核心。沟通充水含水层之间水力联系的几何形态类型颇多，不同类型在水力特征模拟与水量预测的计算方法和空间展布位置的探测技术存在较大的差异。在空间展布的几何形态特征所划分的4种基本类型和各种组合类型，对认识矿井水文地质条件和采取合理的防治水措施具有极其重要的理论意义和实用价值。

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