柳林礦區(qū)水文地質(zhì)特征及礦井充水因素分析

楊延文

(山西省煤炭地質(zhì)148勘查院，山西 太原 030053)

河東煤田中部柳林礦區(qū)是我國重要的焦煤基地，目前正處于大規(guī)模的開發(fā)階段。柳林礦區(qū)屬國家規(guī)劃礦區(qū)，礦區(qū)位置關系圖見圖1。

圖1 礦區(qū)位置關系圖

柳林礦區(qū)煤炭資源豐富，查明保有資源儲量150億t，僅9萬t/a以上的礦井規(guī)模達3 320萬t/a。主要可采煤層 4#、5#、8#、9#煤層均屬主焦煤，煤質(zhì)優(yōu)良，為國內(nèi)外奇缺煤種，煤層埋藏深度適中，開采技術條件比較簡單。近年來，鐵路及公路的修建更為煤炭運輸提供了便利條件。但隨著煤礦床的開采，礦井充水成了影響煤礦生產(chǎn)的突出問題。因此，研究礦區(qū)水文地質(zhì)條件具有重要意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

柳林國家規(guī)劃礦區(qū)位于山西省臨縣—柳林縣，處于河東煤田中部，礦區(qū)面積約960 km2。

河東煤田處于黃河東岸，呂梁山西翼的南北向構造帶上，煤田總體上是一個基本向西傾斜的單斜構造，屬于呂梁復背斜西翼的一部分，在單斜上又發(fā)育了次一級的褶曲和經(jīng)向或新華夏系的斷裂構造。新華夏系的斷裂構造主要發(fā)育于煤田東緣以外。位于河東煤田中部的柳林礦區(qū)，在單斜上又產(chǎn)生了幅度較大的寬緩褶曲，成為礦區(qū)的控制性構造。柳林礦區(qū)為臨縣—柳林緩傾斜的單斜含煤區(qū)。

礦區(qū)地層主要有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚組、中統(tǒng)二馬營組、銅川組，第三系上新統(tǒng)，第四系中、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。含煤地層為山西組、太原組，含煤17層，其中主要可采煤層4#、5#煤層產(chǎn)于山西組，為上組煤，8#、9#煤層產(chǎn)于太原組，為下組煤。4#、5#、8#、9#煤層以焦煤為主，可作為煉焦用煤及配煤和動力用煤。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

礦區(qū)位于黃河東岸，屬呂梁山系，為典型的黃土高原地貌。礦區(qū)河流屬黃河水系，較大支流有湫水河、三川河。本區(qū)屬半干旱大陸性氣候。礦區(qū)處于山西省著名巖溶大泉柳林泉域。

2．1 水文地質(zhì)分區(qū)

礦區(qū)以東外圍出露奧陶系地層，礦區(qū)多為黃土覆蓋。礦區(qū)內(nèi)河流、溝谷切割地表，構成以黃河為主干的地表水系。礦區(qū)內(nèi)石炭、二疊、三疊系含水層構成承壓水斜地，其富水性較弱。奧陶系巖溶含水層富水性較強，其地下水在礦區(qū)東側巖層露頭接受補給后，分別由北、東、南等方向排向柳林泉，構成一個完整的水文地質(zhì)單元—柳林泉域。小范圍分布于溝谷中的第四系沖積層，構成孔隙潛水系統(tǒng)。

2．2 含水層

1)碳酸鹽巖類巖溶含水層組。本組主要為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層。奧陶系中統(tǒng)厚400 m左右，巖性以石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖為主，在臨縣—柳林間礦區(qū)東側外圍出露。本組由于其巖性和出露面積較大等優(yōu)越條件，含有豐富的巖溶水，成為區(qū)域最主要的含水巖系，是構成柳林泉的含水巖系。據(jù)現(xiàn)有資料本統(tǒng)在自下而上劃分的下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)和峰峰組(O2f)中，以上馬家溝組巖溶發(fā)育程度最高，富水性最強，峰峰組其次。對于礦區(qū)水文地質(zhì)條件來說，有研究意義的主要為上馬家溝組和峰峰組。礦區(qū)奧灰在平面上的巖溶發(fā)育規(guī)律一般為東部淺埋區(qū)巖溶較發(fā)育，富水性強，向西部深埋區(qū)巖溶發(fā)育程度逐漸減弱，富水性減弱。但局部巖溶發(fā)育不均勻，在深埋區(qū)巖溶依然發(fā)育。例如，三交詳查區(qū)78#孔，奧灰埋深600 m，而上馬家溝組單位涌水量為0．556 L/s·m。礦區(qū)奧灰?guī)r溶含水層鉆孔單位涌水量峰峰組為0．003～0．082 L/s·m，上馬家溝組為 0．021 ～0．98 L/s·m，水位標高 796 ～

806 m。

2)石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r溶蝕裂隙含水層組。石炭系上統(tǒng)太原組含有穩(wěn)定的石灰?guī)r5層，間夾于碎屑巖中，其單層厚度約3～7 m，石灰?guī)r賦存段距40 m左右。本組出露范圍很小，只有在位于河谷一帶的淺部補給條件較好，富水性較強，但其范圍有限，其余大面積富水性弱，甚至不含水，富水性差異很大。本組含水層鉆孔單位涌水量為 0．000 8～0．83 L/s·m，水位標高750～850 m。本組石灰?guī)r含水層為下組煤的主要充水含水層。

3)二疊系下統(tǒng)砂巖裂隙含水層組。本統(tǒng)包括山西組、下石盒子組，含 K3、S4—S8、K4、K5等中粗粒砂巖，砂巖巖性和厚度變化均較大。在淺部及河谷、溝谷中有零星出露，由于出露范圍很小，且砂巖穩(wěn)定性差，所以富水性很弱。本組含水層鉆孔單位涌水量為0．000 05～0．051 L/s·m，水位標高740 ～822 m。本組砂巖裂隙含水層為上組煤的主要充水含水層。

4)二疊系上統(tǒng)砂巖裂隙含水層組。本統(tǒng)在較大溝谷中有出露，包括上石盒子組、石千峰組，含K6、K7、K8、K9、K10、K12等中粗粒砂巖，砂巖厚度較大，分布也較廣，近地表裂隙較發(fā)育，易于接受大氣降水補給。淺部含水層富水性較強，溝谷中有泉水出露。深部裂隙不發(fā)育，富水性弱。本組含水層鉆孔單位涌水量為0．005 ～0．12 L/s·m，水位標高 750 ～915 m。本組砂巖裂隙含水層對煤層開采影響較小。

5)第四系松散巖類孔隙含水層。松散巖類主要分布于河谷和溝谷中，地下水賦存于砂、礫石層孔隙中。可接受大氣降水補給和地表水補給。因其分布范圍的限制，對煤層開采的影響僅限于河谷、溝谷中的淺部。

2．3 隔水層

奧陶系頂面至下組煤底板間厚50～60 m，巖性主要為泥質(zhì)巖類，具有較好的隔水性能，對奧灰水起到隔水作用。石炭、二疊系的含水層間的泥質(zhì)巖類，為隔水層。

2．4 地下水補給、徑流及排泄條件

礦區(qū)內(nèi)地下水類型主要為承壓水。承壓水主要靠在含水層露頭區(qū)接受大氣降水補給，受出露條件限制，承壓水的補給條件除奧灰較好外，其余含水層均不好。

礦區(qū)總體為一向西緩傾的單斜構造，隨著向西巖層埋深的加大，除上馬家溝組含水層的巖溶裂隙發(fā)育程度及富水性差異性小外，其它各含水層的巖溶裂隙發(fā)育程度及富水性隨之減弱。在這種情況下，地下水徑流強度越來越小，最后幾乎達到停滯狀態(tài)。

地下水的排泄途徑有三種情況：一是石盒子組及其以上地層淺部以小泉或滲流的方式泄出;二是沿著地層弱帶如斷層或裂隙帶補給其它含水層;三是通過礦井、水井等人工排泄點泄出。

3 礦井充水因素

柳林礦區(qū)由北至南分為臨縣南區(qū)、柳林北區(qū)、柳林南區(qū)，已開發(fā)的大型井田主要有三交北井田、三交三號井田、沙曲井田等。中小型煤礦遍布煤層淺部。根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，依據(jù)以往勘查及煤礦開采成果資料，對礦區(qū)礦井充水因素做如下分析。

礦區(qū)的氣候、植被、地貌、地質(zhì)構造、巖層出露范圍以及地表水體等條件，都不利于地下水的補給，因此，煤礦床直接充水含水層除奧灰外，一般富水性弱。

東部煤系地層的露頭和淺埋地段，是大氣降水對煤系含水層的補給區(qū)，煤礦床直接充水含水層易于接受補給，富水性較強。位于深埋區(qū)的煤礦床，其直接充水含水層富水性弱。從縱向上看，基巖含水層中，奧陶系含水層富水性最強，太原組次之，石盒子組次于太原組，山西組最弱。

上組煤的直接充水含水層以山西組、石盒子組砂巖裂隙含水層為主，太原組石灰?guī)r溶蝕裂隙含水層也可以成為它的直接充水含水層，因為這些含水層的地下水可以通過冒裂帶和底鼓等途徑，直接向礦井進水。下組煤的直接充水含水層以太原組石灰?guī)r溶蝕裂隙含水層為主。當然，隨著煤層與其上下含水層間距的變化以及開采方法、開采階段的不同，冒裂帶或底鼓的影響范圍也相應改變，從而直接充水含水層的范疇也要變動。

據(jù)以上分析，開采下組煤的礦井水應大于上組煤。從平面上看，淺部大于深部。

第四系潛水對煤層開采的影響僅限于河谷、溝谷中的淺部。