山西煤炭资源丰富

第20卷1期2008年1月

文章编号:1674-1803(2008)01-0037-04

中国煤炭地质

COALGEOLOGYOFCHINA

Vol.20No.1Jan.2008

山西省煤矿水害事故形成原因及防治措施

杨展

(山西省煤炭地质水文勘查研究院,山西太原030006)

摘含水层与隔水层的相互组合关系,山西省六大煤田与煤田开采有关的上覆要:在详细论述山西省各时代代煤层、

与下伏各含水层的发育特征及水动力特征的基础上,指出目前山西省煤矿水害防治的重点是煤层下伏中奥陶统岩溶裂隙水、老空水及老窑水。

关键词:矿井水害;岩溶水;老窑水;形成原因;山西省煤矿图分类号:TD745

文献标识码:A

山西煤炭资源丰富,全省39%的面积地下有煤层分布,截至1995年全国第三次煤田预测结果,现有煤炭资源总量为6400亿吨(2000m以浅),自北向南分布有大同、宁武、河东、西山、霍西及沁水六大煤田和浑源、繁峙、五台、平陆、垣曲等煤产地。

山西的煤主要形成在古生代的石炭纪,二叠纪和中生代的侏罗纪,以烟煤和无烟煤为主,其中焦煤、肥煤、气煤、瘦煤占58%,无烟煤占25%。离石、柳林、乡宁产的主焦煤属国家保护性开采的煤种,晋城的白煤(又名兰花煤)和大同的烟煤驰名中外。

煤层主要赋存在山西组和太原组地层中,遍布于6大煤田,主要可采煤层有4~6层,其次为侏罗系大同组,主要分布于大同煤田,可采煤层达14层以上。山西煤田具有地质构造简单,煤层倾向平缓的,水文地质条件相对简单,埋藏特点,一般5°~10°浅,有些地方具有露天开采的条件,因而开发山西煤炭还有投资少,见效快,建设周期短的特点。建国以来至2006年,全省共生产原煤80亿t左右,占全国产量的四分之一,随着煤炭开采量的增加,煤炭资源在逐渐地减少。

1.1大同组

厚度80~240m,为陆相含煤地层,岩性为砂岩、泥岩和煤互层,煤系地层180m左右,含煤20多层,可采14层以上,煤层总厚16~20m,含煤系数10%左右。含水层为砂岩裂隙水,主要为底部K1砂砾岩

(厚8~20m),3号煤顶部砂岩,厚12~20m,节理裂隙

发育,隔水层为砂质泥岩、泥岩与煤互层。其隔水层多,含水层少,含水性较弱。

1.2山西组

一般厚度为40~60m,以浅水三角洲相沉积为主,岩性以深灰色泥岩、砂质泥岩及灰色中粗粒砂岩为主,中下部含煤8~9层,可采1~3层,总厚北部

10~15m,南部3~6m。含水层为砂岩裂隙水,主要为

底板K3砂岩,厚3~6m,上覆K4砂岩节理裂隙发育,

胶结疏松,隔水层为砂质泥岩、泥岩和煤互层。其隔水层多于含水层,含水性弱。

1.3太原组

太原组含煤地层,自北而南沉积环境不同,由陆相滨海相过渡到海陆交互相,北部大同煤田为陆相沉积,全厚为90~110m,含煤12层,主要可采2~3层。煤层总厚北部15~20m,南部5~10m。岩性为砂岩、泥岩和煤组成,含水层为上下两组煤间砂岩,含水性弱,宁武煤田北部与大同煤田相同。自轩岗向南逐步过渡为海陆交互相沉积,南部沁水、西山和河东煤田大部分均为海陆交互相沉积。岩性为砂岩、砂质泥岩、泥岩、石灰岩和煤组成,含水层主要为石灰岩和顶部砂岩,为层间裂隙岩溶水,K2灰岩含水层为下组煤直接顶板,是下组煤主要充水来源。由于隔水层多而厚,又位于含水层上下,含水层少而薄,含水性差,所以一般不发生水力联系。

综合上述特征,可以认为,煤层、含水层、隔水层均为交互相沉积,煤层夹于含水层中,其顶底板均有含水层和隔水层,所以煤层开采时,在采区范围内,

1煤田煤层、含水层、隔水层的组合特征

①煤层、含水层与隔水层三者共同赋存于一个

地质体中,一般为同期沉积。

②三者具有独立的成层特征,但又有互层关系。③三者受沉积环境影响,在层厚上有厚薄和尖

灭的变化规律。

④三者都受后期构造的影响,被断层切割成块

状和被褶皱挤压成厚薄不一的特征。

作者简介:杨展(1972—),男,水文地质工程师,1994年毕业于太原

工业大学水利系地下水专业。

收稿日期:2007-11-29葛晓云责任编辑:

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中国煤炭地质

第20卷

含水层要受到影响,地下水天然条件下的补、径、排关系也要发生变化。

岩,胶结疏松,节理裂隙较发育,在构造或地形条件有利地段,有小泉出露。据钻孔抽水试验,单位涌水・在平朔平凡城一带,钻孔量为0.0014~0.009L/(sm)。曾有自流现象,但涌水量小,其它地区,大部位于侵蚀面以上,基本不含水。

2煤田各含水岩组特征

根据煤层与含水层的组合关系和几十年来煤田勘探、生产、研究成果,将与煤田开采有关的含水层组划分为煤系上覆含水组,煤系含水组和煤系底部下伏含水组。平面上又可以划分为南北两部分。

2.1.5山西组砂岩裂隙含水层

主要为底部砂岩,岩性为砂质泥岩、砂岩和含砾砂岩,为4号煤顶板,其间有3~18m砂岩,据大同矿区钻孔抽水含水层厚5~14m,单位涌水量为・0.00087L/(sm),含水性弱,平朔矿区钻孔单位涌水

量0.005~0.104L/(s・m),局部水位高出地面,单位涌

・水量为0.84L/(sm)。

2.1.6太原组砂岩裂隙含水层

岩性以中砂岩、粗砂岩和砂砾岩为主,厚度为

2.1北部含水层

主要为大同、宁武煤田、河东煤田北部,即阳曲、朔州、大孟县、东西构造带以北,按行政区分为雁北、山西组同市和忻州广大地区,煤系含水层有大同组、和太原组砂岩裂隙含水层,其上覆为云岗组、石盒子组砂岩裂隙含水层、下伏为奥陶系岩溶含水层。

2.1.1云岗组裂隙含水层

位于大同组煤系顶部,为灰白、黄色厚层状中粗粒砂岩组成,局部含砾石、泥质胶结,易风化,表面常见风蚀溶洞,节理裂隙较发育,交错层理明显。底部为含石英鹅卵石粗砂岩,厚度一般为15~20m,为大同组三号煤直接顶板,由于位于侵蚀面以上,含水性极弱。

13~43m,据大同矿区钻孔抽水,单位涌水量为

0.00019L/(s・m),平朔矿区钻孔,单位涌水量为

・0.0034~0.0053L/(sm)。

2.1.7岩溶裂隙含水层

主要为煤系基底奥陶系灰岩,大同煤田北部位下马家沟组也不全,南于沉积边缘,缺失峰峰组,上、

部沉积较全。由于位于煤系底部,埋藏深,出露少,水位深,补给条件差,含水性小,中间又有本溪组隔水层,除边山构造断裂带外,煤层开采没有水力联系。

北部含水性极小,钻孔及泉水流量仅0.29~

2.1.2大同组裂隙含水层

全厚80~细砂岩、粉砂岩互250m,以砂质泥岩、

层为其特征,交错层理,裂隙发育,根据煤系岩性特下两段。征和煤层关系,含水层可分为上、

上段岩性以粉砂岩为主,其次为中细砂岩,含水层有2层,上层厚度8~25m,位于3号煤以上,下层位于3—7号煤之间,厚8~35m,钻孔单位耗水量为

0.01~0.5m3/h,乡镇小煤矿大多开采3号煤,矿井排水量为15~300m3/h。

下段含水层有2层,岩性以粉砂岩为主,局部为中细砂岩。上层厚度7~25m,单位耗水量为0.005~0.62m3/h;下层厚度为5~49m,单位耗水量为0.005~0.02m3/h。

2.1.3永定庄组砂岩裂隙含水层

位于大同组煤系底部,岩性为中粗砂岩,含砾粗砂岩为主夹细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩,全厚140~下211m,胶结疏松,节理裂隙发育,含水层可分上、两层,上层厚度为16m左右,单位涌水量为

・0.00076L/(sm),含水性极弱,下层厚度为5~73m,岩性以厚层含砾粗砂岩为主,中砂岩为次,据大同矿区

2.55m3/h,王坪煤矿井筒距井口2000m,掘进O2地层

过程中,遇5处裂隙涌水量最大达576m3/h,平均为383m3/h。出水点标高为1170~1172m。2.2南部煤田含水层特征

以38°断裂带为界即盂县—娄烦—临县一线以

南,主要为西山、霍西、沁水煤田、河东煤田南部等,含煤地层主要为山西组、太原组,上覆含水层为石盒子组砂岩裂隙水,下伏为奥陶系岩溶裂隙水。

2.2.1石盒子组砂岩裂隙含水层

为山西组煤层上覆含水层,主要为底部(K8)中粗粒砂岩,层位稳定,厚度为4~14m,节理裂隙发育,含水性较弱,在沟谷和构造有利地段有小泉出露,流量小于0.5L/s,局部可达1~4L/s,但季节性变化大。据西山煤田钻孔抽水试验,单位涌水量为0.0019~・晋城矿区单位涌水量为0.0005~0.087L/(sm),潞安、・0.002L/(sm),武乡矿区单位涌水量为0.009~0.017~・・0.5L/(sm),霍县矿区单位涌水量达1~6.96L/(sm)。在构造有利地段,钻孔有自流现象,如太原东山一带,水量小,属弱含水层。

J34孔抽水资料,含水层厚度为44.5m,涌水量为

8.3~10L/s。

2.1.4石盒子组砂岩裂隙含水层

位于山西组煤层顶部,为煤系上覆主要含水层,含水层厚度为28~粗砂岩,含粗砾砂69m,主要为中、

2.2.2山西组砂岩裂隙含水层

主要为3号煤顶板砂岩,含水层厚10~20m,顶板砂岩层位稳定,厚度1.2~13m,一般6m左右,为上

1期

杨展:山西省煤矿水害事故形成原因及防治措施

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组煤开采主要充水水源之一。在基岩裸露区有泉出露,流量为0.1~1L/s。据潞安矿区钻孔抽水,单位涌水量为0.0022~・0.017L/(sm)。太原西山一带,单位涌水量为0.0013L/(s・m),晋城矿区单位涌水量为・0.0004L/(sm),矿井排水量为83~117万m3/a。霍县矿区,单位涌水量为0.02~0.63L/(s・m),矿井排水量为51~250万m3/a。

理裂隙发育,多为溶孔,溶隙和蜂窝状溶洞,局部可见大溶洞,全层厚度170~300m,一般230m左右,含水层为2、3段灰岩,厚度为20~40m,据长治地区水源井资料,单井出水量为1000~2000m3/d,水位埋深

2.2.3太原组灰岩裂隙岩溶含水层

主要有四层石灰岩,层位稳定,分布广泛,因埋深和所处构造位置不同,含水性差别大,一般是埋深浅,含水性强,愈深愈差。K2灰岩为15号煤直接顶板,厚度一般4~9m,K4灰岩厚1~5.5m,K5灰岩厚一般1~3.5m。K2灰岩为下组煤主要充水来源。此外砂・岩中有泉水出露,流量小于1L/(sm)。据武乡矿区抽水试验,单位涌水量为0.02L/(s・m),潞安区为・0.0026~0.35L/(sm),阳泉矿区单位涌水量为0.006~

・0.41L/(sm),西山矿区单位涌水量为0.043~0.0216L/・・(sm),东山矿区,单位涌水量为0.003~0.044L/(sm),晋城矿区单位涌水量为0.056~・3.73L/(sm),霍县矿区钻孔单位涌水量为0.079~・3.16L/(sm)。2.2.4中奥陶统岩溶裂隙含水组

为煤系基底,主要为奥陶系中统峰峰组灰岩,其次为上马家沟组灰岩,下马家沟组,在大断裂带也可能局部有水力联系。

250~300m;霍县矿区钻孔抽水单位涌水量为3.28~

・・77.63L/(sm);晋城矿区单位涌水量为6.41L/(sm),

阳泉矿区单位涌水量为1.62~・21.03L/(sm);西山矿区单位涌水量为0.67~・2.94L/(sm);东山矿区单位涌

・・水量为1.29~77.23L/(sm),一般为2~25L/(sm)。

③下马家沟组岩溶裂隙含水组。岩性为灰黑色

巨厚层状质纯石灰岩,局部夹薄层泥质灰岩,下部夹有角砾状灰岩,顶部层理明显,中下部岩溶裂隙发育,并有小溶洞裂隙宽2~5mm,一般呈半充填状态,充填物为肉红色粘土和灰岩碎屑、方解石脉。经薄片鉴定为泥质结构,方解石含量90%以上,CaO占

51.35%~54.13%,SiO2为2.10%~4.92%,MgO为0.75%~1.25%,具微层理结构,微裂隙较发育,宽0.02~0.08mm,虫迹构造亦较发育,直径0.3~0.5mm,

上述微裂隙、微层理和虫穴相互切穿,形成了微观的网络状通道,在地下水的循环溶蚀作用下,裂隙溶洞加宽为地下水的储存与运动创造了有利条件,成为主要含水层之一。据潞安钻孔抽水试验,辛安泉排泄・区单位涌水量为0.46~29.5L/(sm);霍县郭庄泉排泄区为56L/(s・m);西山矿区兰村单位涌水量为

①峰峰组岩溶裂隙含水组。岩性为灰黑色中厚

层状灰岩,全厚90~170m,一般120m左右。含水层为第二段灰岩,厚为30~岩溶裂隙比较发育,主50m、

要为溶孔溶隙和峰窝状溶洞,在河谷及裸露地段可见大溶洞,但顶部由于长期风化溶蚀,裂隙大部被充填,含水性差。

含水层段主要位于二段中下部,特别一、二段接触带。据钻孔统计,西山矿区岩溶裂隙率可达2.1%~

13.74L/(s・m);东山矿区枣沟区单位涌水量为52~

277L/(s・m);阳泉娘子关泉单位涌水量为5.03~

・32.8L/(sm)。

3煤田地下水补给、径流、排泄关系

受地质构造、水文地质和自然条件的控制影响,

煤田地下水有各自相对独立的补给、径流、排泄途径。

煤田地下水补给,主要为大气降水入渗,其次在不同地段局局部地段有河水渗漏补给,在不同地层、

部还有侧向补给。垂直方向上一般是浅部含水层补给深部含水层,在一定深度内含水层埋藏愈深,水位愈深,但在构造破坏地带,局部也有深部含水层补给浅部含水层(向斜、断裂构造带),则补给关系可能局部发生不同变化。

天然条件下,地下水的排泄有三种情况:①在河流沟谷切割地段形成小泉,排向河谷;②侧向排泄平原区,如大同、西山煤田;③向深层排泄,通过断裂带排泄下伏岩溶含水层成为岩溶泉水的组成部分。如宁武煤田排向下马圈和神头泉,西山煤田排向汾河龙子祠、广胜兰村、晋祠泉等,霍西煤田排向郭庄泉、寺等、沁水煤田排向娘子关泉、辛安泉、三姑泉和延

18.54%,抽水试验西山矿区单位涌水量为0.084~

・・1.11L/(sm),东山矿区为0.024~46L/(sm),潞安为

・0.27~37.06L/(sm)。

阳泉矿区钻孔岩溶发育有呈蜂窝状小溶洞,孔在径流区和隙率达25%~30%,溶洞率为10%~20%。排泄区溶孔溶隙发育,局部地面可见溶洞,洞高为

0.5~2m,最大达2.7m。在补给山区可见2~10m的溶

洞。钻孔单位涌水量为1~・5L/(sm),在构造有利地

段,含水性强,单位涌水量达到22.69L/(s・m)。

霍县矿区钻孔单位涌水量1.69~・19.24L/(sm)。

②上马家沟组岩溶裂隙含水组。岩性以灰黑色

厚层石灰岩为主,夹有灰色条纹,故名花斑状灰岩,夹有5~6层白云质薄板状灰岩,层理明显,岩溶节

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中国煤炭地质

径流区位于补给—排泄区之间,其径流方式为裂

第20卷

河泉等,河东煤田排向黄河天桥泉、柳林泉等。隙网络式,主要为层流运动。在煤田范围内为典型的层间裂隙水,但在构造带,特别是大断裂带,则可切穿各含水层,形成较强径流带,导致各含水层发生水力联系。

大,所以底部岩溶水突水的可能性越来越大。

4.4老空、老窑区积水

老空、老窑水积存于生产、开拓水平以上,一旦揭露,迅猛异常,具有很大的冲击力和破坏力。山西省发生的大多数透水事故多属于该了类。如2002年晋中市寿阳县段王煤化有限公司“重大透水12.10”事故,2003年大同鹊山精煤有限责任公司“重2.20”大透水事故,2006年3月18日临县胜利煤焦有限公司樊家山坑口及5月18日左云新井发生的重大透水事故均属于该类型。山西省煤炭开采历史悠久,古代开采的区域无记录,留下了情况不明的积有大量水的老空区,这些老空区分布无规律,地表无痕迹,积水范围、积水量不清楚,无据可查。现在一些个体煤矿开采也很不规范,越层越界现象严重,给防治水工作带来了极大的困难。

4山西省煤矿水害类型及其防治措施

随着矿井生产向深部和底层发展,以及大面积的开发,水害威胁将越来越严重,在五大灾害中仅次于瓦斯事故,位居第二。根据山西煤炭分布特征及水文地质条件,煤矿开采有四种类型的水容易形成矿井水害。

4.1地表水

当采煤活动进行到水体底下且采煤引起的塌陷到达水体底部或煤矿的井口位于河流的最高洪水位线以下,地表水将会进入矿井内形成水害。如2001年忻州市宁武县新堡乡旧堡村周张保私开矿“8.26”洪水淹井事故,2003年临汾市古县古阳镇江水坪煤矿“特大洪水淹井事故等。4.17”

5结语

山西省煤矿的水害受煤炭开采历史悠久、煤系

地层与各含水层的组合关系以及地理水文等因素的制约。地表水及煤层上覆含水层水易于防治,重点是防治煤层下伏含水层(岩溶水含水层)水及老空、老窑水。一定要坚持“查明条件、查治结合、预防为主、探、防、堵、截、排”及“预测预报、有疑必探、先探后科学化管掘、先治后采”的防治水原则;实行规范化、理,严格报批制度和各项规章制度;要全面规划,把防治水与矿井的长远发展、采掘安排等作为一个整体来考虑,进行统筹安排;依靠科技进步,把水害事故消灭在萌芽状态。

4.2煤层上覆含水层水

根据统计资料,这种来于煤层顶板直接充水含水层中的水,一般是随着煤层埋藏深度的增加而减少,当开采深度在200m以下时,水量逐渐较弱。

4.3煤层下伏含水层水

山西六大煤田含煤地层底部均分布有巨厚的碳酸盐岩,在其内储藏有丰富的地下水(岩溶水)。如果煤层与含水层之间的隔水层不能抵抗水压与矿山压力或有导水通道时,底部含水层中的水就会进入矿井形成底板出水。这种水害事故一旦发生,很难治理。如太原东山煤矿1982年发生底板突水,当时突水量达12000m/d,花费了大量的时间、资金和人

参考文献:

[1]山西省煤炭工业局.山西省煤炭志[M].山西太原:山西省煤炭工业局1985.

[2]山西省煤炭工业局.山西省煤炭统计年鉴(1990-2005)[M].山西太原:山西省煤炭工业局,2006.

力,但未能治理好,目前突水量仍有7000m/d。今年

3月霍州白龙矿由于陷落柱导水发生突水,目前出水量达1200m3/h。

山西目前煤矿的开采深度在逐渐加深,带压开采的面积越来越大,煤层底板承受的压力也越来越

[3]山西煤田地质局.山西省煤炭资源评价[M].山西太原:山西煤田地质局,1995.

[4]牛仁亮,李振拴,等.山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评价[M].北京:中国科学技术出版社,2003.

ShanxiCoalmineWaterDisasterCausationandControlMeasures

YangZhan

(ShanxiProvincialCoalHydrogeologicalExplorationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006)

Abstract:Basedondetaileddiscussionofcoalseamsofvariousage,aquiferandconfiningbedscompositerelation,overlyingandun-derlyingaquifersdevelopingcharacteristicsandhydrodynamicfeaturesrelatedtocoalminingin6majorcoalfieldsinShanxiProvince,pointedoutShanxicoalminewaterdisastercontrolfocalpointsarecoalseamunderlyingMiddleOrdoviciankarsticfissurewater,gobwaterandabandonedminewateratpresent.

Keywords:minewaterdisaster;karsticwater;formingcausation;controlmeasures;ShanxiProvincecoalmine

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文章编号:1674-1803(2008)01-0037-04

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山西省煤矿水害事故形成原因及防治措施

杨展

(山西省煤炭地质水文勘查研究院,山西太原030006)

摘含水层与隔水层的相互组合关系,山西省六大煤田与煤田开采有关的上覆要:在详细论述山西省各时代代煤层、

与下伏各含水层的发育特征及水动力特征的基础上,指出目前山西省煤矿水害防治的重点是煤层下伏中奥陶统岩溶裂隙水、老空水及老窑水。

关键词:矿井水害;岩溶水;老窑水;形成原因;山西省煤矿图分类号:TD745

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山西煤炭资源丰富,全省39%的面积地下有煤层分布,截至1995年全国第三次煤田预测结果,现有煤炭资源总量为6400亿吨(2000m以浅),自北向南分布有大同、宁武、河东、西山、霍西及沁水六大煤田和浑源、繁峙、五台、平陆、垣曲等煤产地。

山西的煤主要形成在古生代的石炭纪,二叠纪和中生代的侏罗纪,以烟煤和无烟煤为主,其中焦煤、肥煤、气煤、瘦煤占58%,无烟煤占25%。离石、柳林、乡宁产的主焦煤属国家保护性开采的煤种,晋城的白煤(又名兰花煤)和大同的烟煤驰名中外。

煤层主要赋存在山西组和太原组地层中,遍布于6大煤田,主要可采煤层有4~6层,其次为侏罗系大同组,主要分布于大同煤田,可采煤层达14层以上。山西煤田具有地质构造简单,煤层倾向平缓的,水文地质条件相对简单,埋藏特点,一般5°~10°浅,有些地方具有露天开采的条件,因而开发山西煤炭还有投资少,见效快,建设周期短的特点。建国以来至2006年,全省共生产原煤80亿t左右,占全国产量的四分之一,随着煤炭开采量的增加,煤炭资源在逐渐地减少。

1.1大同组

厚度80~240m,为陆相含煤地层,岩性为砂岩、泥岩和煤互层,煤系地层180m左右,含煤20多层,可采14层以上,煤层总厚16~20m,含煤系数10%左右。含水层为砂岩裂隙水,主要为底部K1砂砾岩

(厚8~20m),3号煤顶部砂岩,厚12~20m,节理裂隙

发育,隔水层为砂质泥岩、泥岩与煤互层。其隔水层多,含水层少,含水性较弱。

1.2山西组

一般厚度为40~60m,以浅水三角洲相沉积为主,岩性以深灰色泥岩、砂质泥岩及灰色中粗粒砂岩为主,中下部含煤8~9层,可采1~3层,总厚北部

10~15m,南部3~6m。含水层为砂岩裂隙水,主要为

底板K3砂岩,厚3~6m,上覆K4砂岩节理裂隙发育,

胶结疏松,隔水层为砂质泥岩、泥岩和煤互层。其隔水层多于含水层,含水性弱。

1.3太原组

太原组含煤地层,自北而南沉积环境不同,由陆相滨海相过渡到海陆交互相,北部大同煤田为陆相沉积,全厚为90~110m,含煤12层,主要可采2~3层。煤层总厚北部15~20m,南部5~10m。岩性为砂岩、泥岩和煤组成,含水层为上下两组煤间砂岩,含水性弱,宁武煤田北部与大同煤田相同。自轩岗向南逐步过渡为海陆交互相沉积,南部沁水、西山和河东煤田大部分均为海陆交互相沉积。岩性为砂岩、砂质泥岩、泥岩、石灰岩和煤组成,含水层主要为石灰岩和顶部砂岩,为层间裂隙岩溶水,K2灰岩含水层为下组煤直接顶板,是下组煤主要充水来源。由于隔水层多而厚,又位于含水层上下,含水层少而薄,含水性差,所以一般不发生水力联系。

综合上述特征,可以认为,煤层、含水层、隔水层均为交互相沉积,煤层夹于含水层中,其顶底板均有含水层和隔水层,所以煤层开采时,在采区范围内,

1煤田煤层、含水层、隔水层的组合特征

①煤层、含水层与隔水层三者共同赋存于一个

地质体中,一般为同期沉积。

②三者具有独立的成层特征,但又有互层关系。③三者受沉积环境影响,在层厚上有厚薄和尖

灭的变化规律。

④三者都受后期构造的影响,被断层切割成块

状和被褶皱挤压成厚薄不一的特征。

作者简介:杨展(1972—),男,水文地质工程师,1994年毕业于太原

工业大学水利系地下水专业。

收稿日期:2007-11-29葛晓云责任编辑:

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中国煤炭地质

第20卷

含水层要受到影响,地下水天然条件下的补、径、排关系也要发生变化。

岩,胶结疏松,节理裂隙较发育,在构造或地形条件有利地段,有小泉出露。据钻孔抽水试验,单位涌水・在平朔平凡城一带,钻孔量为0.0014~0.009L/(sm)。曾有自流现象,但涌水量小,其它地区,大部位于侵蚀面以上,基本不含水。

2煤田各含水岩组特征

根据煤层与含水层的组合关系和几十年来煤田勘探、生产、研究成果,将与煤田开采有关的含水层组划分为煤系上覆含水组,煤系含水组和煤系底部下伏含水组。平面上又可以划分为南北两部分。

2.1.5山西组砂岩裂隙含水层

主要为底部砂岩,岩性为砂质泥岩、砂岩和含砾砂岩,为4号煤顶板,其间有3~18m砂岩,据大同矿区钻孔抽水含水层厚5~14m,单位涌水量为・0.00087L/(sm),含水性弱,平朔矿区钻孔单位涌水

量0.005~0.104L/(s・m),局部水位高出地面,单位涌

・水量为0.84L/(sm)。

2.1.6太原组砂岩裂隙含水层

岩性以中砂岩、粗砂岩和砂砾岩为主,厚度为

2.1北部含水层

主要为大同、宁武煤田、河东煤田北部,即阳曲、朔州、大孟县、东西构造带以北,按行政区分为雁北、山西组同市和忻州广大地区,煤系含水层有大同组、和太原组砂岩裂隙含水层,其上覆为云岗组、石盒子组砂岩裂隙含水层、下伏为奥陶系岩溶含水层。

2.1.1云岗组裂隙含水层

位于大同组煤系顶部,为灰白、黄色厚层状中粗粒砂岩组成,局部含砾石、泥质胶结,易风化,表面常见风蚀溶洞,节理裂隙较发育,交错层理明显。底部为含石英鹅卵石粗砂岩,厚度一般为15~20m,为大同组三号煤直接顶板,由于位于侵蚀面以上,含水性极弱。

13~43m,据大同矿区钻孔抽水,单位涌水量为

0.00019L/(s・m),平朔矿区钻孔,单位涌水量为

・0.0034~0.0053L/(sm)。

2.1.7岩溶裂隙含水层

主要为煤系基底奥陶系灰岩,大同煤田北部位下马家沟组也不全,南于沉积边缘,缺失峰峰组,上、

部沉积较全。由于位于煤系底部,埋藏深,出露少,水位深,补给条件差,含水性小,中间又有本溪组隔水层,除边山构造断裂带外,煤层开采没有水力联系。

北部含水性极小,钻孔及泉水流量仅0.29~

2.1.2大同组裂隙含水层

全厚80~细砂岩、粉砂岩互250m,以砂质泥岩、

层为其特征,交错层理,裂隙发育,根据煤系岩性特下两段。征和煤层关系,含水层可分为上、

上段岩性以粉砂岩为主,其次为中细砂岩,含水层有2层,上层厚度8~25m,位于3号煤以上,下层位于3—7号煤之间,厚8~35m,钻孔单位耗水量为

0.01~0.5m3/h,乡镇小煤矿大多开采3号煤,矿井排水量为15~300m3/h。

下段含水层有2层,岩性以粉砂岩为主,局部为中细砂岩。上层厚度7~25m,单位耗水量为0.005~0.62m3/h;下层厚度为5~49m,单位耗水量为0.005~0.02m3/h。

2.1.3永定庄组砂岩裂隙含水层

位于大同组煤系底部,岩性为中粗砂岩,含砾粗砂岩为主夹细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩,全厚140~下211m,胶结疏松,节理裂隙发育,含水层可分上、两层,上层厚度为16m左右,单位涌水量为

・0.00076L/(sm),含水性极弱,下层厚度为5~73m,岩性以厚层含砾粗砂岩为主,中砂岩为次,据大同矿区

2.55m3/h,王坪煤矿井筒距井口2000m,掘进O2地层

过程中,遇5处裂隙涌水量最大达576m3/h,平均为383m3/h。出水点标高为1170~1172m。2.2南部煤田含水层特征

以38°断裂带为界即盂县—娄烦—临县一线以

南,主要为西山、霍西、沁水煤田、河东煤田南部等,含煤地层主要为山西组、太原组,上覆含水层为石盒子组砂岩裂隙水,下伏为奥陶系岩溶裂隙水。

2.2.1石盒子组砂岩裂隙含水层

为山西组煤层上覆含水层,主要为底部(K8)中粗粒砂岩,层位稳定,厚度为4~14m,节理裂隙发育,含水性较弱,在沟谷和构造有利地段有小泉出露,流量小于0.5L/s,局部可达1~4L/s,但季节性变化大。据西山煤田钻孔抽水试验,单位涌水量为0.0019~・晋城矿区单位涌水量为0.0005~0.087L/(sm),潞安、・0.002L/(sm),武乡矿区单位涌水量为0.009~0.017~・・0.5L/(sm),霍县矿区单位涌水量达1~6.96L/(sm)。在构造有利地段,钻孔有自流现象,如太原东山一带,水量小,属弱含水层。

J34孔抽水资料,含水层厚度为44.5m,涌水量为

8.3~10L/s。

2.1.4石盒子组砂岩裂隙含水层

位于山西组煤层顶部,为煤系上覆主要含水层,含水层厚度为28~粗砂岩,含粗砾砂69m,主要为中、

2.2.2山西组砂岩裂隙含水层

主要为3号煤顶板砂岩,含水层厚10~20m,顶板砂岩层位稳定,厚度1.2~13m,一般6m左右,为上

1期

杨展:山西省煤矿水害事故形成原因及防治措施

39

组煤开采主要充水水源之一。在基岩裸露区有泉出露,流量为0.1~1L/s。据潞安矿区钻孔抽水,单位涌水量为0.0022~・0.017L/(sm)。太原西山一带,单位涌水量为0.0013L/(s・m),晋城矿区单位涌水量为・0.0004L/(sm),矿井排水量为83~117万m3/a。霍县矿区,单位涌水量为0.02~0.63L/(s・m),矿井排水量为51~250万m3/a。

理裂隙发育,多为溶孔,溶隙和蜂窝状溶洞,局部可见大溶洞,全层厚度170~300m,一般230m左右,含水层为2、3段灰岩,厚度为20~40m,据长治地区水源井资料,单井出水量为1000~2000m3/d,水位埋深

2.2.3太原组灰岩裂隙岩溶含水层

主要有四层石灰岩,层位稳定,分布广泛,因埋深和所处构造位置不同,含水性差别大,一般是埋深浅,含水性强,愈深愈差。K2灰岩为15号煤直接顶板,厚度一般4~9m,K4灰岩厚1~5.5m,K5灰岩厚一般1~3.5m。K2灰岩为下组煤主要充水来源。此外砂・岩中有泉水出露,流量小于1L/(sm)。据武乡矿区抽水试验,单位涌水量为0.02L/(s・m),潞安区为・0.0026~0.35L/(sm),阳泉矿区单位涌水量为0.006~

・0.41L/(sm),西山矿区单位涌水量为0.043~0.0216L/・・(sm),东山矿区,单位涌水量为0.003~0.044L/(sm),晋城矿区单位涌水量为0.056~・3.73L/(sm),霍县矿区钻孔单位涌水量为0.079~・3.16L/(sm)。2.2.4中奥陶统岩溶裂隙含水组

为煤系基底,主要为奥陶系中统峰峰组灰岩,其次为上马家沟组灰岩,下马家沟组,在大断裂带也可能局部有水力联系。

250~300m;霍县矿区钻孔抽水单位涌水量为3.28~

・・77.63L/(sm);晋城矿区单位涌水量为6.41L/(sm),

阳泉矿区单位涌水量为1.62~・21.03L/(sm);西山矿区单位涌水量为0.67~・2.94L/(sm);东山矿区单位涌

・・水量为1.29~77.23L/(sm),一般为2~25L/(sm)。

③下马家沟组岩溶裂隙含水组。岩性为灰黑色

巨厚层状质纯石灰岩,局部夹薄层泥质灰岩,下部夹有角砾状灰岩,顶部层理明显,中下部岩溶裂隙发育,并有小溶洞裂隙宽2~5mm,一般呈半充填状态,充填物为肉红色粘土和灰岩碎屑、方解石脉。经薄片鉴定为泥质结构,方解石含量90%以上,CaO占

51.35%~54.13%,SiO2为2.10%~4.92%,MgO为0.75%~1.25%,具微层理结构,微裂隙较发育,宽0.02~0.08mm,虫迹构造亦较发育,直径0.3~0.5mm,

上述微裂隙、微层理和虫穴相互切穿,形成了微观的网络状通道,在地下水的循环溶蚀作用下,裂隙溶洞加宽为地下水的储存与运动创造了有利条件,成为主要含水层之一。据潞安钻孔抽水试验,辛安泉排泄・区单位涌水量为0.46~29.5L/(sm);霍县郭庄泉排泄区为56L/(s・m);西山矿区兰村单位涌水量为

①峰峰组岩溶裂隙含水组。岩性为灰黑色中厚

层状灰岩,全厚90~170m,一般120m左右。含水层为第二段灰岩,厚为30~岩溶裂隙比较发育,主50m、

要为溶孔溶隙和峰窝状溶洞,在河谷及裸露地段可见大溶洞,但顶部由于长期风化溶蚀,裂隙大部被充填,含水性差。

含水层段主要位于二段中下部,特别一、二段接触带。据钻孔统计,西山矿区岩溶裂隙率可达2.1%~

13.74L/(s・m);东山矿区枣沟区单位涌水量为52~

277L/(s・m);阳泉娘子关泉单位涌水量为5.03~

・32.8L/(sm)。

3煤田地下水补给、径流、排泄关系

受地质构造、水文地质和自然条件的控制影响,

煤田地下水有各自相对独立的补给、径流、排泄途径。

煤田地下水补给,主要为大气降水入渗,其次在不同地段局局部地段有河水渗漏补给,在不同地层、

部还有侧向补给。垂直方向上一般是浅部含水层补给深部含水层,在一定深度内含水层埋藏愈深,水位愈深,但在构造破坏地带,局部也有深部含水层补给浅部含水层(向斜、断裂构造带),则补给关系可能局部发生不同变化。

天然条件下,地下水的排泄有三种情况:①在河流沟谷切割地段形成小泉,排向河谷;②侧向排泄平原区,如大同、西山煤田;③向深层排泄,通过断裂带排泄下伏岩溶含水层成为岩溶泉水的组成部分。如宁武煤田排向下马圈和神头泉,西山煤田排向汾河龙子祠、广胜兰村、晋祠泉等,霍西煤田排向郭庄泉、寺等、沁水煤田排向娘子关泉、辛安泉、三姑泉和延

18.54%,抽水试验西山矿区单位涌水量为0.084~

・・1.11L/(sm),东山矿区为0.024~46L/(sm),潞安为

・0.27~37.06L/(sm)。

阳泉矿区钻孔岩溶发育有呈蜂窝状小溶洞,孔在径流区和隙率达25%~30%,溶洞率为10%~20%。排泄区溶孔溶隙发育,局部地面可见溶洞,洞高为

0.5~2m,最大达2.7m。在补给山区可见2~10m的溶

洞。钻孔单位涌水量为1~・5L/(sm),在构造有利地

段,含水性强,单位涌水量达到22.69L/(s・m)。

霍县矿区钻孔单位涌水量1.69~・19.24L/(sm)。

②上马家沟组岩溶裂隙含水组。岩性以灰黑色

厚层石灰岩为主,夹有灰色条纹,故名花斑状灰岩,夹有5~6层白云质薄板状灰岩,层理明显,岩溶节

40

中国煤炭地质

径流区位于补给—排泄区之间,其径流方式为裂

第20卷

河泉等,河东煤田排向黄河天桥泉、柳林泉等。隙网络式,主要为层流运动。在煤田范围内为典型的层间裂隙水,但在构造带,特别是大断裂带,则可切穿各含水层,形成较强径流带,导致各含水层发生水力联系。

大,所以底部岩溶水突水的可能性越来越大。

4.4老空、老窑区积水

老空、老窑水积存于生产、开拓水平以上,一旦揭露,迅猛异常,具有很大的冲击力和破坏力。山西省发生的大多数透水事故多属于该了类。如2002年晋中市寿阳县段王煤化有限公司“重大透水12.10”事故,2003年大同鹊山精煤有限责任公司“重2.20”大透水事故,2006年3月18日临县胜利煤焦有限公司樊家山坑口及5月18日左云新井发生的重大透水事故均属于该类型。山西省煤炭开采历史悠久,古代开采的区域无记录,留下了情况不明的积有大量水的老空区,这些老空区分布无规律,地表无痕迹,积水范围、积水量不清楚,无据可查。现在一些个体煤矿开采也很不规范,越层越界现象严重,给防治水工作带来了极大的困难。

4山西省煤矿水害类型及其防治措施

随着矿井生产向深部和底层发展,以及大面积的开发,水害威胁将越来越严重,在五大灾害中仅次于瓦斯事故,位居第二。根据山西煤炭分布特征及水文地质条件,煤矿开采有四种类型的水容易形成矿井水害。

4.1地表水

当采煤活动进行到水体底下且采煤引起的塌陷到达水体底部或煤矿的井口位于河流的最高洪水位线以下,地表水将会进入矿井内形成水害。如2001年忻州市宁武县新堡乡旧堡村周张保私开矿“8.26”洪水淹井事故,2003年临汾市古县古阳镇江水坪煤矿“特大洪水淹井事故等。4.17”

5结语

山西省煤矿的水害受煤炭开采历史悠久、煤系

地层与各含水层的组合关系以及地理水文等因素的制约。地表水及煤层上覆含水层水易于防治,重点是防治煤层下伏含水层(岩溶水含水层)水及老空、老窑水。一定要坚持“查明条件、查治结合、预防为主、探、防、堵、截、排”及“预测预报、有疑必探、先探后科学化管掘、先治后采”的防治水原则;实行规范化、理,严格报批制度和各项规章制度;要全面规划,把防治水与矿井的长远发展、采掘安排等作为一个整体来考虑,进行统筹安排;依靠科技进步,把水害事故消灭在萌芽状态。

4.2煤层上覆含水层水

根据统计资料,这种来于煤层顶板直接充水含水层中的水,一般是随着煤层埋藏深度的增加而减少,当开采深度在200m以下时,水量逐渐较弱。

4.3煤层下伏含水层水

山西六大煤田含煤地层底部均分布有巨厚的碳酸盐岩,在其内储藏有丰富的地下水(岩溶水)。如果煤层与含水层之间的隔水层不能抵抗水压与矿山压力或有导水通道时,底部含水层中的水就会进入矿井形成底板出水。这种水害事故一旦发生,很难治理。如太原东山煤矿1982年发生底板突水,当时突水量达12000m/d,花费了大量的时间、资金和人

参考文献:

[1]山西省煤炭工业局.山西省煤炭志[M].山西太原:山西省煤炭工业局1985.

[2]山西省煤炭工业局.山西省煤炭统计年鉴(1990-2005)[M].山西太原:山西省煤炭工业局,2006.

力,但未能治理好,目前突水量仍有7000m/d。今年

3月霍州白龙矿由于陷落柱导水发生突水,目前出水量达1200m3/h。

山西目前煤矿的开采深度在逐渐加深,带压开采的面积越来越大,煤层底板承受的压力也越来越

[3]山西煤田地质局.山西省煤炭资源评价[M].山西太原:山西煤田地质局,1995.

[4]牛仁亮,李振拴,等.山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评价[M].北京:中国科学技术出版社,2003.

ShanxiCoalmineWaterDisasterCausationandControlMeasures

YangZhan

(ShanxiProvincialCoalHydrogeologicalExplorationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006)

Abstract:Basedondetaileddiscussionofcoalseamsofvariousage,aquiferandconfiningbedscompositerelation,overlyingandun-derlyingaquifersdevelopingcharacteristicsandhydrodynamicfeaturesrelatedtocoalminingin6majorcoalfieldsinShanxiProvince,pointedoutShanxicoalminewaterdisastercontrolfocalpointsarecoalseamunderlyingMiddleOrdoviciankarsticfissurewater,gobwaterandabandonedminewateratpresent.

Keywords:minewaterdisaster;karsticwater;formingcausation;controlmeasures;ShanxiProvincecoalmine


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