淺談韓城礦區(qū)水文地質(zhì)條件和煤礦水害

樓偉昆

（樂礦能源集團(tuán)，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

樂礦能源（原樂平礦務(wù)局，簡稱樂礦）地處贛東北景德鎮(zhèn)市境內(nèi)，其下屬的煤礦均分布在萍樂坳陷東北端，多在20 世紀(jì)50、60 年代建設(shè)。樂平礦區(qū)所屬煤礦煤炭資源分布不均，開采條件相對較差，礦井規(guī)模都比較小，而且煤層瓦斯含量高、災(zāi)害嚴(yán)重，礦區(qū)礦井水文地質(zhì)條件也較復(fù)雜。樂平礦區(qū)所屬礦井接續(xù)資源越往深部，投資效益越低，按照現(xiàn)行的國家、地方和行業(yè)政策，屬于加快煤礦關(guān)閉退出的區(qū)域。《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出：“全國煤炭開發(fā)總體布局是壓縮東部、限制中部和東北、優(yōu)化西部。東部地區(qū)煤炭資源枯竭，開采條件復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，逐步壓縮生產(chǎn)規(guī)模；中部和東北地區(qū)現(xiàn)有開發(fā)強(qiáng)度大，接續(xù)資源多在深部，投資效益降低，西部地區(qū)資源豐富，開采條件好……”[1]。基于前述原因，截至2021 年末，樂礦所屬的沿溝、涌山、仙槎、東方紅等煤礦已相繼關(guān)閉，目前只保留了鳴西礦未關(guān)閉。樂礦為了圖生存發(fā)展，將煤炭開采主業(yè)轉(zhuǎn)向資源豐富的西部地區(qū)，主要從事托管陜西韓城礦區(qū)民營煤礦等業(yè)務(wù)。

由于陜西韓城區(qū)域?qū)儆诎敫珊禋夂驐l件，降雨量小，蒸發(fā)量大，日常生活、工業(yè)用水緊缺，導(dǎo)致礦區(qū)日常安全生產(chǎn)管理中普遍對該區(qū)水文地質(zhì)特征、水害的認(rèn)識存在偏差，沒有充分認(rèn)識到奧陶紀(jì)灰?guī)r水等水害對礦井安全生產(chǎn)的嚴(yán)重威脅，對治理奧陶紀(jì)灰?guī)r水等水害的復(fù)雜性認(rèn)識不足。

1 韓城礦區(qū)基本概況

渭北煤田，俗稱“渭北黑腰帶”，位于關(guān)中盆地渭河以北，往陜北黃土高原過渡的中低山地帶。是2009 年國家規(guī)劃的13 個大型煤炭基地黃隴基地中的一部分，自西向東分為銅川、蒲白、澄合、韓城四個礦區(qū)，是陜西省開采最早的煤田，自1970 年開始國家大規(guī)模開發(fā)、開采，1990 年進(jìn)入鼎盛時期。

韓城礦區(qū)位于渭北煤田的東北端，韓城市區(qū)西北部，東以黃河為界與山西河?xùn)|煤田毗鄰，走向長約56 km，傾向?qū)捈s20 km，面積1 100 km2，礦區(qū)總資源量約93 億噸[2]，礦區(qū)位置如圖1 所示。

圖1 韓城礦區(qū)交通位置

礦區(qū)地貌為受多次構(gòu)造影響和控制的復(fù)雜形態(tài)，以韓城大斷層為界，西北側(cè)屬于構(gòu)造剝蝕中、低山丘陵區(qū)，東南側(cè)屬山前沖積平原。中、低山區(qū)因剝蝕和侵蝕作用，溝谷極為發(fā)育，多呈“V”型，溝內(nèi)基巖出露，延至山腰，頂部覆蓋的是黃土層，呈黃土高原的峁、梁、塬獨(dú)特地貌，植被稀少。

礦區(qū)屬華北氣候區(qū)，為暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均相對濕度68%，年平均降雨量530 mm，年平均蒸發(fā)量1 790 mm。

2 礦區(qū)地層、主要地質(zhì)構(gòu)造

2.1 地層

韓城礦區(qū)地層由老至新有： 奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組（O2x）、上馬家溝組（O2s）、峰峰組（O2f）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1sh）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2sh）、二疊系上統(tǒng)孫家溝組（P2s）、三疊系（T）和第四系（Q）。地表大部被第四系黃土層覆蓋，石炭系（C）、二疊系（P）巖石順序出露于溝谷、山腰。

2.2 煤系地層

韓城礦區(qū)屬華北型石炭—二疊（C-P）系、掩蓋式煤田。煤系地層全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定，沉積基底為奧陶系灰?guī)r。礦區(qū)地層大致走向北北東，主要含煤巖系有上石炭統(tǒng)太原組（C3t）和下二疊系山西組（P1s），其中山西組含煤3 層（可采或局部可采煤層3#、2#、1#），太原組含煤9 層（可采或局部可采煤層有11#、6#、5#），2#、3#、5#、11#煤層為本礦區(qū)的主要目標(biāo)層。

2.3 主要地質(zhì)構(gòu)造

韓城礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地的南緣東部，祁呂賀山字形構(gòu)造的前弧東翼內(nèi)側(cè)，秦嶺、陰山兩個大型緯向構(gòu)造帶之間（如圖2 所示）。總體構(gòu)造框架為一寬緩地向西北方向緩傾的單斜構(gòu)造，主要構(gòu)造變形帶集中在礦區(qū)東南邊緣地帶，延伸100 km，控制汾渭盆地、河津拗陷的韓城斷裂即發(fā)育于此。淺部受褶斷構(gòu)造影響，地層傾角陡，甚至直立倒轉(zhuǎn)，但沿傾斜方向煤層露頭不遠(yuǎn)，傾角就急劇變緩至15°以下，中深部地層傾角一般5°～10°[3]。

圖2 渭北煤田大地構(gòu)造和位置

由于受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的控制，韓城礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造總體呈現(xiàn)出南強(qiáng)北弱、東強(qiáng)西弱、邊淺部復(fù)雜、中深部簡單、南北分區(qū)性明顯的特點(diǎn)。其北部區(qū)域受擠壓構(gòu)造發(fā)育較多，南部區(qū)域拉伸構(gòu)造占主導(dǎo)，全礦區(qū)主要構(gòu)造變形帶集中發(fā)育在礦區(qū)東南邊緣地帶（如圖3 所示）[4]。

圖3 韓城礦區(qū)主要構(gòu)造分布

3 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

3.1 自然地理及水文概況

韓城礦區(qū)主要地貌單元有兩個：由于F1斷層牽引造成東南部地層下陷，形成寬闊平坦的黃河沖積平原，呈北東向延伸；F1斷層西北部是礦區(qū)煤炭資源的開發(fā)區(qū)，主要是由寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及第四系地層組成的低山丘陵區(qū)。

本區(qū)屬大陸暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均相對濕度68%，年平均降雨量530 mm，年平均蒸發(fā)量1 790 mm。最高氣溫42.6℃，最低氣溫-14.8℃，最大風(fēng)力10 級，風(fēng)向以東北向為主。

礦區(qū)位于黃河中上游，區(qū)域內(nèi)常年性的河流主要有黃河、鑿開河、盤河、涺水河等。

除上述河流之外，尚有多條季節(jié)性河流，如馬莊河、白帆河等，并建有多座小型蓄水水庫。

3.2 礦區(qū)水文地質(zhì)單元劃分

依據(jù)1992 年煤炭科學(xué)研究總院西安研究院所完成的 《韓城礦區(qū)南部奧陶系石灰?guī)r巖溶水水文地質(zhì)研究報告》中的資料，韓城礦區(qū)由一個獨(dú)立的水文地質(zhì)單元（如圖4 所示）構(gòu)成，水源在平面上有獨(dú)立的補(bǔ)給、徑流、排泄系統(tǒng)，其邊界為：東南邊淺部以F1大斷層為弱透水水文邊界； 西南以愛帖溝逆斷層（F14）為奧灰水阻水邊界；東北以黃河谷地為奧灰水徑流排泄邊界； 奧灰水深循環(huán)滯流帶作為西北自然邊界[5]。

圖4 韓城礦區(qū)水文地質(zhì)單元分區(qū)

礦區(qū)以F2斷層尖滅端附近—盤河河谷口為界，分隔為水力聯(lián)系較差的南、北兩區(qū)，北區(qū)奧灰水位高出南區(qū)15～20 m，水力坡度相差近10 倍。

3.3 含隔水層

韓城礦區(qū)地下水可分為： 第四系松散巖類孔隙水，石炭—二疊系砂巖灰?guī)r裂隙水，奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水等三種。根據(jù)含水層巖性、結(jié)構(gòu)及其富水性的變化，礦區(qū)含水層劃分如表1 所示。

表1 韓城礦區(qū)含水層劃分

根據(jù)巖性特征和抽水試驗成果，參考含水層劃分情況，礦區(qū)可劃分四個隔水層段，具體如表2所示。

表2 韓城礦區(qū)隔水層劃分

由表1、表2 可以看出，總體上看礦區(qū)的地表水不太發(fā)育，地下水的主要控制因素為構(gòu)造、巖性及地形地貌。礦區(qū)地層中第四系松散巖類地層含水較少。煤系及上覆地層（石炭—二疊系）各含水層（主要為砂巖和灰?guī)r）充水空間不太發(fā)育，受沉積作用的控制，含水層與隔水層相間存在，由于有隔水層相隔，各含水層之間多無水力聯(lián)系。煤系基底的奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層在礦區(qū)邊、淺部十分發(fā)育，且縱向分布不均一，其巖溶水富水性、透水性強(qiáng)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要為多層段結(jié)構(gòu)的復(fù)合承壓含水體，對礦區(qū)內(nèi)各煤層開采有不同程度的影響。

3.4 礦區(qū)主要構(gòu)造及其控水作用

韓城礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要有張扭性斷層、壓扭性斷層兩類大型斷層，高角度、延伸遠(yuǎn)（幾公里至幾十公里）、斷距大（一般達(dá)百米以上）是其共同特征。此兩類構(gòu)造影響著地下水的透水性和富水性，也對地下水的徑流條件及運(yùn)動方向起控制作用。

構(gòu)造的控水作用主要作用表現(xiàn)為： 斷層的阻（導(dǎo)）水作用，構(gòu)造控制垂直方向上的巖溶發(fā)育等兩個方面。

（1）斷裂構(gòu)造（帶）的阻（導(dǎo)）水作用

①韓城正斷層（F1）

F1正斷層是礦區(qū)弱透水的水文地質(zhì)邊界線之一。該斷層下盤地層走向北東，傾向北西，主要由寒武系、奧陶系、石炭二疊系地層所組成；斷層上盤被厚度500 m 以上的第四系松散沉積物覆蓋。斷層下盤的奧灰?guī)r斷層節(jié)理發(fā)育，裂隙形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，裂隙率達(dá)3.6%，成為礦區(qū)邊淺部徑流帶，鉆孔單位涌水量達(dá)64 L/s.m；奧灰水與潛水位二者之間沒有直接水力聯(lián)系。

②龍亭斷層組（龍亭構(gòu)造帶）

以愛貼村逆斷層（F14）為代表的龍亭構(gòu)造帶為礦區(qū)的南部阻水邊界。F14斷層走向80°，傾角50°，傾向東南，延伸12 km，斷距450 m。

③楊山莊正斷層（F7）

礦區(qū)阻水邊界之一，斷層兩側(cè)水位、水質(zhì)不同。F7斷層位于礦區(qū)中部楊山莊—燎原礦一帶，走向北東，傾向南東，傾角60°，斷距300～500 m。

④F9張扭性斷層

F9張扭性斷層屬于F1斷層的次一級斷層，性質(zhì)為一張扭性斷層，展布于馬溝渠至文家?guī)X一線，延展長9 km 左右，斷于寒武系與奧陶系石灰?guī)r中，消失于馬溝渠礦+240 石門突水地帶。受該斷層牽引，其附近小褶曲、垂直節(jié)理、小斷層裂隙發(fā)育，形成富水帶。

⑤蓮花山逆斷層（F5）

蓮花山逆斷層（F5）走向長7 km，分布于象山至蓋兒嶺之間，其走向北40°～60°東，傾向北西，傾角20°～45°，斷距沿走向60～180 m 不等，斷層兩側(cè)小型褶曲十分發(fā)育，對淺部煤層有一定的破壞作用。該斷層在天然狀態(tài)下有隔水作用。但是，在采掘擾動、地應(yīng)力和水頭壓力的作用下，斷層也會活化透水。象山礦+280 石門中突水就是佐證。

（2）垂直方向上巖溶發(fā)育的構(gòu)造控制

在奧灰?guī)r地層中垂直方向上占統(tǒng)治地位的控水因素主要是構(gòu)造裂隙通道，其次為巖溶通道。一系列北升南降，向汾渭地塹中心依次跌落的正、逆斷層組控制了巖溶裂隙發(fā)育深度，是巖溶垂向發(fā)育深度的主導(dǎo)因素。在奧灰?guī)r地層中：高程380～300 m 區(qū)段為富水帶，礦井涌水量180～240 m3/h；高程300 ～200 m 區(qū)段為強(qiáng)富水帶，其中的253.34～295.08 m 高程間均見溶洞，礦井涌水量最高達(dá)1.2 萬m3/h；高程200 m 以下為含水帶，溶洞、裂隙發(fā)育程度下降。

4 韓城礦區(qū)煤礦主要水害

韓城礦區(qū)煤礦開采歷史上發(fā)生過多次水害事故，且有多起為大型、特大型突水事故。以其中的星火煤業(yè)（原韓城礦務(wù)局馬溝渠煤礦）為例，建礦以來共發(fā)生井下出水與突水事件26 次，特大型突水1 次，瞬時突水量最高達(dá)1.2 萬m3/h[6]。

總的來看，其水害類型按水源可劃分為：煤層底板奧灰?guī)r水、頂板砂（灰）巖水、老空積水、地表水等。按導(dǎo)水通道可劃分為：斷層水、封閉不良鉆孔水、陷落柱水、采掘擾動冒裂裂隙水等。

4.1 煤層底板灰?guī)r水害

煤層底板奧灰水是韓城礦區(qū)煤礦面臨的最為嚴(yán)重的水害類型，其特點(diǎn)是水壓高、水量大、破壞性強(qiáng)，一旦發(fā)生，往往是災(zāi)難性的。礦區(qū)內(nèi)的象山、馬溝渠、桑樹坪等煤礦均發(fā)生過大型、特大型奧灰突水事故，導(dǎo)致了淹井、人員傷亡，給礦井建設(shè)和安全生產(chǎn)都造成過巨大損失。

礦區(qū)的奧陶灰?guī)r在地表均有出露，巖溶裂隙在邊部、淺部十分發(fā)育，巖溶水富水性、透水性強(qiáng)，與黃河等各主要地表河流、水體均有水力聯(lián)系和通道，是本區(qū)域內(nèi)的承壓強(qiáng)含水層。

煤層底板奧灰水突水除受采動礦山壓力決定性因素影響外，還受奧灰水水壓、富水性、隔水層、地質(zhì)構(gòu)造、開采條件等重要因素的影響。

本礦區(qū)奧灰水的統(tǒng)一區(qū)域水位為+380 m，礦區(qū)內(nèi)各煤礦現(xiàn)在的開采標(biāo)高均在+380 m 以下，處于承壓開采狀態(tài)。在開采2#、3#、5#煤層時，因煤層底板距奧灰水之間的距離大，隔水層厚度大，突水系數(shù)一般都小于0.06 MPa/m，威脅較小。但由于導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造、封閉不良鉆孔、巖溶陷落柱等的導(dǎo)水通道的存在，也會引發(fā)奧灰水突水事故。通過對韓城礦區(qū)各礦奧灰水突水事故的統(tǒng)計、研究可知，斷裂構(gòu)造控制井下突水點(diǎn)的大致規(guī)律如下：

象山煤礦的付斜井、+280 排矸石門、溝外排矸斜井（3 次見構(gòu)造）共發(fā)生突水5 次，馬溝渠礦井筒、井底車場及+240 石門（7 次見構(gòu)造）共出現(xiàn)涌水13 次，施工井巷所通過的構(gòu)造裂隙均為斷層破碎帶。

桑樹坪礦井下發(fā)生的八個奧灰水突水點(diǎn)，有六個是直接遇上斷層而發(fā)生的突水，突水量在l00～1 530 m3/h 之間。

根據(jù)勘探資料，煤系地層最底部的11#煤與奧灰?guī)r層頂部的距離為5.87～88 m，一般為20～30 m，隔水層大部分厚度較小，且奧灰水頭壓力大，突水系數(shù)往往大于0.06 MPa/m，突水威脅大。

4.2 采空區(qū)水害

韓城礦區(qū)歷史上小窯眾多，小窯停產(chǎn)后在漫長的歲月里積水連成一片，在煤層淺部開采時，威脅較大。隨著開采深度增加和不斷采取治理措施，其威脅逐步減小。但由于導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造、封閉不良鉆孔等導(dǎo)水通道的存在，也可能導(dǎo)致發(fā)生采空區(qū)積水突水事故。采空區(qū)水害具有隱蔽性、突發(fā)性、涌水量大、破壞力強(qiáng)等特征。如1974 年原馬溝渠煤礦曾經(jīng)發(fā)生過在11#煤層工作面鉆孔附近生產(chǎn)時，由于鉆孔封閉不良，導(dǎo)致上部2#、3#煤層老窯水導(dǎo)通到下部開采的11#煤層而發(fā)生突水事故，使礦井停產(chǎn)長達(dá)一周；1997 年原馬溝渠煤礦開采11#煤層時1111 工作面由于516 鉆孔封閉不良而造成突水事故等。

除淺部小窯采空區(qū)積水外，還有本礦形成的老空區(qū)積水及相鄰礦井采空區(qū)在底凹地帶的積水，這些積水對本煤層的鄰近工作面其下伏煤層開采都構(gòu)成重要威脅。

4.3 煤系及上覆含水層及地表水水害

煤系地層及上覆含水層的弱—中等含水層包括：第四系松散巖類孔隙含水層組、二疊系砂巖層裂隙承壓弱、弱～中等含水層組、石炭系砂巖（灰?guī)r）裂隙承壓含水層組等。這些含水層以靜儲量為主，含水量小，補(bǔ)給不足，各含水層水力聯(lián)系差，由于礦井的長期開采，處于長期疏放狀態(tài)，一般情況下，對礦井采掘影響較小。但由于其富水性不均一，頂板含水層動儲量隨季節(jié)產(chǎn)生變化，在雨季受到降雨、地表松散層水、河流水的間接補(bǔ)給，水量增加，影響礦井正常采掘活動。

在煤層埋深淺，開采煤層層數(shù)多、厚度大的情況下，開采所形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶連通各含水層、各層采空區(qū)和淺部小煤礦采空區(qū)，并導(dǎo)通地表，地表水可能通過采動裂隙、老空區(qū)而涌入礦井，造成礦井突水事故。礦區(qū)內(nèi)的燎原礦井就發(fā)生過在雨季期間，季節(jié)性河流水通過導(dǎo)通冒落帶裂隙及老空區(qū)等通道涌入采煤工作面的采空區(qū)的突水事故案例。

5 結(jié)語

綜上所述，韓城礦區(qū)煤礦水害類型復(fù)雜多樣，隨著開采深度的增加，煤系地層底板的奧陶系灰?guī)r承壓巖溶裂隙水威脅增大，礦井水文地質(zhì)類型也逐步趨于復(fù)雜、極復(fù)雜。奧灰水是礦區(qū)最大的水害威脅，其水頭壓力大，富水性強(qiáng)，破壞力大，且水文地質(zhì)條件復(fù)雜，其巖溶發(fā)育規(guī)律還沒有得到全面深入研究、掌握，也尚未形成適合本區(qū)域奧灰水防治的綜合技術(shù)體系。同時，還不可忽視煤系地層上覆的弱—中等含水層及地表水的危害，應(yīng)充分認(rèn)識到礦區(qū)水害的嚴(yán)重性、復(fù)雜性和綜合防治的緊迫性、艱巨性。因此，對于樂礦能源主要從事托管陜西韓城礦區(qū)民營煤礦等業(yè)務(wù)的工程技術(shù)人員和安全生產(chǎn)管理人員來說，應(yīng)充分認(rèn)識到韓城礦區(qū)礦井水害的嚴(yán)重性、復(fù)雜性和綜合防治的緊迫性、艱巨性，需采取多種技術(shù)手段對所托管的煤礦水害威脅進(jìn)行調(diào)查、普查和技術(shù)論證，深入分析、研究水患成因和對策，并制定礦井水患治理措施，為托管煤礦的安全生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)保障。