柳林矿区水文地质特征及矿井充水因素分析

杨延文

(山西省煤炭地质148勘查院，山西 太原 030053)

河东煤田中部柳林矿区是我国重要的焦煤基地，目前正处于大规模的开发阶段。柳林矿区属国家规划矿区，矿区位置关系图见图1。

图1 矿区位置关系图

柳林矿区煤炭资源丰富，查明保有资源储量150亿t，仅9万t/a以上的矿井规模达3 320万t/a。主要可采煤层 4#、5#、8#、9#煤层均属主焦煤，煤质优良，为国内外奇缺煤种，煤层埋藏深度适中，开采技术条件比较简单。近年来，铁路及公路的修建更为煤炭运输提供了便利条件。但随着煤矿床的开采，矿井充水成了影响煤矿生产的突出问题。因此，研究矿区水文地质条件具有重要意义。

1 矿区地质概况

柳林国家规划矿区位于山西省临县—柳林县，处于河东煤田中部，矿区面积约960 km2。

河东煤田处于黄河东岸，吕梁山西翼的南北向构造带上，煤田总体上是一个基本向西倾斜的单斜构造，属于吕梁复背斜西翼的一部分，在单斜上又发育了次一级的褶曲和经向或新华夏系的断裂构造。新华夏系的断裂构造主要发育于煤田东缘以外。位于河东煤田中部的柳林矿区，在单斜上又产生了幅度较大的宽缓褶曲，成为矿区的控制性构造。柳林矿区为临县—柳林缓倾斜的单斜含煤区。

矿区地层主要有奥陶系中统上马家沟组、峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组、和尚组、中统二马营组、铜川组，第三系上新统，第四系中、上更新统、全新统。含煤地层为山西组、太原组，含煤17层，其中主要可采煤层4#、5#煤层产于山西组，为上组煤，8#、9#煤层产于太原组，为下组煤。4#、5#、8#、9#煤层以焦煤为主，可作为炼焦用煤及配煤和动力用煤。

2 矿区水文地质特征

矿区位于黄河东岸，属吕梁山系，为典型的黄土高原地貌。矿区河流属黄河水系，较大支流有湫水河、三川河。本区属半干旱大陆性气候。矿区处于山西省著名岩溶大泉柳林泉域。

2．1 水文地质分区

矿区以东外围出露奥陶系地层，矿区多为黄土覆盖。矿区内河流、沟谷切割地表，构成以黄河为主干的地表水系。矿区内石炭、二叠、三叠系含水层构成承压水斜地，其富水性较弱。奥陶系岩溶含水层富水性较强，其地下水在矿区东侧岩层露头接受补给后，分别由北、东、南等方向排向柳林泉，构成一个完整的水文地质单元—柳林泉域。小范围分布于沟谷中的第四系冲积层，构成孔隙潜水系统。

2．2 含水层

1)碳酸盐岩类岩溶含水层组。本组主要为奥陶系中统石灰岩含水层。奥陶系中统厚400 m左右，岩性以石灰岩、泥灰岩、白云岩等碳酸盐岩为主，在临县—柳林间矿区东侧外围出露。本组由于其岩性和出露面积较大等优越条件，含有丰富的岩溶水，成为区域最主要的含水岩系，是构成柳林泉的含水岩系。据现有资料本统在自下而上划分的下马家沟组(O2x)、上马家沟组(O2s)和峰峰组(O2f)中，以上马家沟组岩溶发育程度最高，富水性最强，峰峰组其次。对于矿区水文地质条件来说，有研究意义的主要为上马家沟组和峰峰组。矿区奥灰在平面上的岩溶发育规律一般为东部浅埋区岩溶较发育，富水性强，向西部深埋区岩溶发育程度逐渐减弱，富水性减弱。但局部岩溶发育不均匀，在深埋区岩溶依然发育。例如，三交详查区78#孔，奥灰埋深600 m，而上马家沟组单位涌水量为0．556 L/s·m。矿区奥灰岩溶含水层钻孔单位涌水量峰峰组为0．003～0．082 L/s·m，上马家沟组为 0．021 ～0．98 L/s·m，水位标高 796 ～

806 m。

2)石炭系上统太原组石灰岩溶蚀裂隙含水层组。石炭系上统太原组含有稳定的石灰岩5层，间夹于碎屑岩中，其单层厚度约3～7 m，石灰岩赋存段距40 m左右。本组出露范围很小，只有在位于河谷一带的浅部补给条件较好，富水性较强，但其范围有限，其余大面积富水性弱，甚至不含水，富水性差异很大。本组含水层钻孔单位涌水量为 0．000 8～0．83 L/s·m，水位标高750～850 m。本组石灰岩含水层为下组煤的主要充水含水层。

3)二叠系下统砂岩裂隙含水层组。本统包括山西组、下石盒子组，含 K3、S4—S8、K4、K5等中粗粒砂岩，砂岩岩性和厚度变化均较大。在浅部及河谷、沟谷中有零星出露，由于出露范围很小，且砂岩稳定性差，所以富水性很弱。本组含水层钻孔单位涌水量为0．000 05～0．051 L/s·m，水位标高740 ～822 m。本组砂岩裂隙含水层为上组煤的主要充水含水层。

4)二叠系上统砂岩裂隙含水层组。本统在较大沟谷中有出露，包括上石盒子组、石千峰组，含K6、K7、K8、K9、K10、K12等中粗粒砂岩，砂岩厚度较大，分布也较广，近地表裂隙较发育，易于接受大气降水补给。浅部含水层富水性较强，沟谷中有泉水出露。深部裂隙不发育，富水性弱。本组含水层钻孔单位涌水量为0．005 ～0．12 L/s·m，水位标高 750 ～915 m。本组砂岩裂隙含水层对煤层开采影响较小。

5)第四系松散岩类孔隙含水层。松散岩类主要分布于河谷和沟谷中，地下水赋存于砂、砾石层孔隙中。可接受大气降水补给和地表水补给。因其分布范围的限制，对煤层开采的影响仅限于河谷、沟谷中的浅部。

2．3 隔水层

奥陶系顶面至下组煤底板间厚50～60 m，岩性主要为泥质岩类，具有较好的隔水性能，对奥灰水起到隔水作用。石炭、二叠系的含水层间的泥质岩类，为隔水层。

2．4 地下水补给、径流及排泄条件

矿区内地下水类型主要为承压水。承压水主要靠在含水层露头区接受大气降水补给，受出露条件限制，承压水的补给条件除奥灰较好外，其余含水层均不好。

矿区总体为一向西缓倾的单斜构造，随着向西岩层埋深的加大，除上马家沟组含水层的岩溶裂隙发育程度及富水性差异性小外，其它各含水层的岩溶裂隙发育程度及富水性随之减弱。在这种情况下，地下水径流强度越来越小，最后几乎达到停滞状态。

地下水的排泄途径有三种情况：一是石盒子组及其以上地层浅部以小泉或渗流的方式泄出;二是沿着地层弱带如断层或裂隙带补给其它含水层;三是通过矿井、水井等人工排泄点泄出。

3 矿井充水因素

柳林矿区由北至南分为临县南区、柳林北区、柳林南区，已开发的大型井田主要有三交北井田、三交三号井田、沙曲井田等。中小型煤矿遍布煤层浅部。根据矿区水文地质条件，依据以往勘查及煤矿开采成果资料，对矿区矿井充水因素做如下分析。

矿区的气候、植被、地貌、地质构造、岩层出露范围以及地表水体等条件，都不利于地下水的补给，因此，煤矿床直接充水含水层除奥灰外，一般富水性弱。

东部煤系地层的露头和浅埋地段，是大气降水对煤系含水层的补给区，煤矿床直接充水含水层易于接受补给，富水性较强。位于深埋区的煤矿床，其直接充水含水层富水性弱。从纵向上看，基岩含水层中，奥陶系含水层富水性最强，太原组次之，石盒子组次于太原组，山西组最弱。

上组煤的直接充水含水层以山西组、石盒子组砂岩裂隙含水层为主，太原组石灰岩溶蚀裂隙含水层也可以成为它的直接充水含水层，因为这些含水层的地下水可以通过冒裂带和底鼓等途径，直接向矿井进水。下组煤的直接充水含水层以太原组石灰岩溶蚀裂隙含水层为主。当然，随着煤层与其上下含水层间距的变化以及开采方法、开采阶段的不同，冒裂带或底鼓的影响范围也相应改变，从而直接充水含水层的范畴也要变动。

据以上分析，开采下组煤的矿井水应大于上组煤。从平面上看，浅部大于深部。

第四系潜水对煤层开采的影响仅限于河谷、沟谷中的浅部。