浅谈韩城矿区水文地质条件和煤矿水害

楼伟昆

（乐矿能源集团，江西 景德镇 333000）

乐矿能源（原乐平矿务局，简称乐矿）地处赣东北景德镇市境内，其下属的煤矿均分布在萍乐坳陷东北端，多在20 世纪50、60 年代建设。乐平矿区所属煤矿煤炭资源分布不均，开采条件相对较差，矿井规模都比较小，而且煤层瓦斯含量高、灾害严重，矿区矿井水文地质条件也较复杂。乐平矿区所属矿井接续资源越往深部，投资效益越低，按照现行的国家、地方和行业政策，属于加快煤矿关闭退出的区域。《煤炭工业发展“十三五”规划》指出：“全国煤炭开发总体布局是压缩东部、限制中部和东北、优化西部。东部地区煤炭资源枯竭，开采条件复杂，生产成本高，逐步压缩生产规模；中部和东北地区现有开发强度大，接续资源多在深部，投资效益降低，西部地区资源丰富，开采条件好……”[1]。基于前述原因，截至2021 年末，乐矿所属的沿沟、涌山、仙槎、东方红等煤矿已相继关闭，目前只保留了鸣西矿未关闭。乐矿为了图生存发展，将煤炭开采主业转向资源丰富的西部地区，主要从事托管陕西韩城矿区民营煤矿等业务。

由于陕西韩城区域属于半干旱气候条件，降雨量小，蒸发量大，日常生活、工业用水紧缺，导致矿区日常安全生产管理中普遍对该区水文地质特征、水害的认识存在偏差，没有充分认识到奥陶纪灰岩水等水害对矿井安全生产的严重威胁，对治理奥陶纪灰岩水等水害的复杂性认识不足。

1 韩城矿区基本概况

渭北煤田，俗称“渭北黑腰带”，位于关中盆地渭河以北，往陕北黄土高原过渡的中低山地带。是2009 年国家规划的13 个大型煤炭基地黄陇基地中的一部分，自西向东分为铜川、蒲白、澄合、韩城四个矿区，是陕西省开采最早的煤田，自1970 年开始国家大规模开发、开采，1990 年进入鼎盛时期。

韩城矿区位于渭北煤田的东北端，韩城市区西北部，东以黄河为界与山西河东煤田毗邻，走向长约56 km，倾向宽约20 km，面积1 100 km2，矿区总资源量约93 亿吨[2]，矿区位置如图1 所示。

图1 韩城矿区交通位置

矿区地貌为受多次构造影响和控制的复杂形态，以韩城大断层为界，西北侧属于构造剥蚀中、低山丘陵区，东南侧属山前冲积平原。中、低山区因剥蚀和侵蚀作用，沟谷极为发育，多呈“V”型，沟内基岩出露，延至山腰，顶部覆盖的是黄土层，呈黄土高原的峁、梁、塬独特地貌，植被稀少。

矿区属华北气候区，为暖温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，年平均相对湿度68%，年平均降雨量530 mm，年平均蒸发量1 790 mm。

2 矿区地层、主要地质构造

2.1 地层

韩城矿区地层由老至新有： 奥陶系中统下马家沟组（O2x）、上马家沟组（O2s）、峰峰组（O2f）、石炭系中统本溪组（C2b）、石炭系上统太原组（C3t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下统下石盒子组（P1sh）、二叠系上统上石盒子组（P2sh）、二叠系上统孙家沟组（P2s）、三叠系（T）和第四系（Q）。地表大部被第四系黄土层覆盖，石炭系（C）、二叠系（P）岩石顺序出露于沟谷、山腰。

2.2 煤系地层

韩城矿区属华北型石炭—二叠（C-P）系、掩盖式煤田。煤系地层全区发育稳定，沉积基底为奥陶系灰岩。矿区地层大致走向北北东，主要含煤岩系有上石炭统太原组（C3t）和下二叠系山西组（P1s），其中山西组含煤3 层（可采或局部可采煤层3#、2#、1#），太原组含煤9 层（可采或局部可采煤层有11#、6#、5#），2#、3#、5#、11#煤层为本矿区的主要目标层。

2.3 主要地质构造

韩城矿区位于鄂尔多斯盆地的南缘东部，祁吕贺山字形构造的前弧东翼内侧，秦岭、阴山两个大型纬向构造带之间（如图2 所示）。总体构造框架为一宽缓地向西北方向缓倾的单斜构造，主要构造变形带集中在矿区东南边缘地带，延伸100 km，控制汾渭盆地、河津拗陷的韩城断裂即发育于此。浅部受褶断构造影响，地层倾角陡，甚至直立倒转，但沿倾斜方向煤层露头不远，倾角就急剧变缓至15°以下，中深部地层倾角一般5°～10°[3]。

图2 渭北煤田大地构造和位置

由于受区域地质构造的控制，韩城矿区地质构造总体呈现出南强北弱、东强西弱、边浅部复杂、中深部简单、南北分区性明显的特点。其北部区域受挤压构造发育较多，南部区域拉伸构造占主导，全矿区主要构造变形带集中发育在矿区东南边缘地带（如图3 所示）[4]。

图3 韩城矿区主要构造分布

3 矿区水文地质概况

3.1 自然地理及水文概况

韩城矿区主要地貌单元有两个：由于F1断层牵引造成东南部地层下陷，形成宽阔平坦的黄河冲积平原，呈北东向延伸；F1断层西北部是矿区煤炭资源的开发区，主要是由寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及第四系地层组成的低山丘陵区。

本区属大陆暖温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，年平均相对湿度68%，年平均降雨量530 mm，年平均蒸发量1 790 mm。最高气温42.6℃，最低气温-14.8℃，最大风力10 级，风向以东北向为主。

矿区位于黄河中上游，区域内常年性的河流主要有黄河、凿开河、盘河、涺水河等。

除上述河流之外，尚有多条季节性河流，如马庄河、白帆河等，并建有多座小型蓄水水库。

3.2 矿区水文地质单元划分

依据1992 年煤炭科学研究总院西安研究院所完成的 《韩城矿区南部奥陶系石灰岩岩溶水水文地质研究报告》中的资料，韩城矿区由一个独立的水文地质单元（如图4 所示）构成，水源在平面上有独立的补给、径流、排泄系统，其边界为：东南边浅部以F1大断层为弱透水水文边界； 西南以爱帖沟逆断层（F14）为奥灰水阻水边界；东北以黄河谷地为奥灰水径流排泄边界； 奥灰水深循环滞流带作为西北自然边界[5]。

图4 韩城矿区水文地质单元分区

矿区以F2断层尖灭端附近—盘河河谷口为界，分隔为水力联系较差的南、北两区，北区奥灰水位高出南区15～20 m，水力坡度相差近10 倍。

3.3 含隔水层

韩城矿区地下水可分为： 第四系松散岩类孔隙水，石炭—二叠系砂岩灰岩裂隙水，奥陶系石灰岩岩溶裂隙水等三种。根据含水层岩性、结构及其富水性的变化，矿区含水层划分如表1 所示。

表1 韩城矿区含水层划分

根据岩性特征和抽水试验成果，参考含水层划分情况，矿区可划分四个隔水层段，具体如表2所示。

表2 韩城矿区隔水层划分

由表1、表2 可以看出，总体上看矿区的地表水不太发育，地下水的主要控制因素为构造、岩性及地形地貌。矿区地层中第四系松散岩类地层含水较少。煤系及上覆地层（石炭—二叠系）各含水层（主要为砂岩和灰岩）充水空间不太发育，受沉积作用的控制，含水层与隔水层相间存在，由于有隔水层相隔，各含水层之间多无水力联系。煤系基底的奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层在矿区边、浅部十分发育，且纵向分布不均一，其岩溶水富水性、透水性强，水文地质条件复杂，主要为多层段结构的复合承压含水体，对矿区内各煤层开采有不同程度的影响。

3.4 矿区主要构造及其控水作用

韩城矿区地质构造主要有张扭性断层、压扭性断层两类大型断层，高角度、延伸远（几公里至几十公里）、断距大（一般达百米以上）是其共同特征。此两类构造影响着地下水的透水性和富水性，也对地下水的径流条件及运动方向起控制作用。

构造的控水作用主要作用表现为： 断层的阻（导）水作用，构造控制垂直方向上的岩溶发育等两个方面。

（1）断裂构造（带）的阻（导）水作用

①韩城正断层（F1）

F1正断层是矿区弱透水的水文地质边界线之一。该断层下盘地层走向北东，倾向北西，主要由寒武系、奥陶系、石炭二叠系地层所组成；断层上盘被厚度500 m 以上的第四系松散沉积物覆盖。断层下盘的奥灰岩断层节理发育，裂隙形成网络系统，裂隙率达3.6%，成为矿区边浅部径流带，钻孔单位涌水量达64 L/s.m；奥灰水与潜水位二者之间没有直接水力联系。

②龙亭断层组（龙亭构造带）

以爱贴村逆断层（F14）为代表的龙亭构造带为矿区的南部阻水边界。F14断层走向80°，倾角50°，倾向东南，延伸12 km，断距450 m。

③杨山庄正断层（F7）

矿区阻水边界之一，断层两侧水位、水质不同。F7断层位于矿区中部杨山庄—燎原矿一带，走向北东，倾向南东，倾角60°，断距300～500 m。

④F9张扭性断层

F9张扭性断层属于F1断层的次一级断层，性质为一张扭性断层，展布于马沟渠至文家岭一线，延展长9 km 左右，断于寒武系与奥陶系石灰岩中，消失于马沟渠矿+240 石门突水地带。受该断层牵引，其附近小褶曲、垂直节理、小断层裂隙发育，形成富水带。

⑤莲花山逆断层（F5）

莲花山逆断层（F5）走向长7 km，分布于象山至盖儿岭之间，其走向北40°～60°东，倾向北西，倾角20°～45°，断距沿走向60～180 m 不等，断层两侧小型褶曲十分发育，对浅部煤层有一定的破坏作用。该断层在天然状态下有隔水作用。但是，在采掘扰动、地应力和水头压力的作用下，断层也会活化透水。象山矿+280 石门中突水就是佐证。

（2）垂直方向上岩溶发育的构造控制

在奥灰岩地层中垂直方向上占统治地位的控水因素主要是构造裂隙通道，其次为岩溶通道。一系列北升南降，向汾渭地堑中心依次跌落的正、逆断层组控制了岩溶裂隙发育深度，是岩溶垂向发育深度的主导因素。在奥灰岩地层中：高程380～300 m 区段为富水带，矿井涌水量180～240 m3/h；高程300 ～200 m 区段为强富水带，其中的253.34～295.08 m 高程间均见溶洞，矿井涌水量最高达1.2 万m3/h；高程200 m 以下为含水带，溶洞、裂隙发育程度下降。

4 韩城矿区煤矿主要水害

韩城矿区煤矿开采历史上发生过多次水害事故，且有多起为大型、特大型突水事故。以其中的星火煤业（原韩城矿务局马沟渠煤矿）为例，建矿以来共发生井下出水与突水事件26 次，特大型突水1 次，瞬时突水量最高达1.2 万m3/h[6]。

总的来看，其水害类型按水源可划分为：煤层底板奥灰岩水、顶板砂（灰）岩水、老空积水、地表水等。按导水通道可划分为：断层水、封闭不良钻孔水、陷落柱水、采掘扰动冒裂裂隙水等。

4.1 煤层底板灰岩水害

煤层底板奥灰水是韩城矿区煤矿面临的最为严重的水害类型，其特点是水压高、水量大、破坏性强，一旦发生，往往是灾难性的。矿区内的象山、马沟渠、桑树坪等煤矿均发生过大型、特大型奥灰突水事故，导致了淹井、人员伤亡，给矿井建设和安全生产都造成过巨大损失。

矿区的奥陶灰岩在地表均有出露，岩溶裂隙在边部、浅部十分发育，岩溶水富水性、透水性强，与黄河等各主要地表河流、水体均有水力联系和通道，是本区域内的承压强含水层。

煤层底板奥灰水突水除受采动矿山压力决定性因素影响外，还受奥灰水水压、富水性、隔水层、地质构造、开采条件等重要因素的影响。

本矿区奥灰水的统一区域水位为+380 m，矿区内各煤矿现在的开采标高均在+380 m 以下，处于承压开采状态。在开采2#、3#、5#煤层时，因煤层底板距奥灰水之间的距离大，隔水层厚度大，突水系数一般都小于0.06 MPa/m，威胁较小。但由于导水断裂构造、封闭不良钻孔、岩溶陷落柱等的导水通道的存在，也会引发奥灰水突水事故。通过对韩城矿区各矿奥灰水突水事故的统计、研究可知，断裂构造控制井下突水点的大致规律如下：

象山煤矿的付斜井、+280 排矸石门、沟外排矸斜井（3 次见构造）共发生突水5 次，马沟渠矿井筒、井底车场及+240 石门（7 次见构造）共出现涌水13 次，施工井巷所通过的构造裂隙均为断层破碎带。

桑树坪矿井下发生的八个奥灰水突水点，有六个是直接遇上断层而发生的突水，突水量在l00～1 530 m3/h 之间。

根据勘探资料，煤系地层最底部的11#煤与奥灰岩层顶部的距离为5.87～88 m，一般为20～30 m，隔水层大部分厚度较小，且奥灰水头压力大，突水系数往往大于0.06 MPa/m，突水威胁大。

4.2 采空区水害

韩城矿区历史上小窑众多，小窑停产后在漫长的岁月里积水连成一片，在煤层浅部开采时，威胁较大。随着开采深度增加和不断采取治理措施，其威胁逐步减小。但由于导水断裂构造、封闭不良钻孔等导水通道的存在，也可能导致发生采空区积水突水事故。采空区水害具有隐蔽性、突发性、涌水量大、破坏力强等特征。如1974 年原马沟渠煤矿曾经发生过在11#煤层工作面钻孔附近生产时，由于钻孔封闭不良，导致上部2#、3#煤层老窑水导通到下部开采的11#煤层而发生突水事故，使矿井停产长达一周；1997 年原马沟渠煤矿开采11#煤层时1111 工作面由于516 钻孔封闭不良而造成突水事故等。

除浅部小窑采空区积水外，还有本矿形成的老空区积水及相邻矿井采空区在底凹地带的积水，这些积水对本煤层的邻近工作面其下伏煤层开采都构成重要威胁。

4.3 煤系及上覆含水层及地表水水害

煤系地层及上覆含水层的弱—中等含水层包括：第四系松散岩类孔隙含水层组、二叠系砂岩层裂隙承压弱、弱～中等含水层组、石炭系砂岩（灰岩）裂隙承压含水层组等。这些含水层以静储量为主，含水量小，补给不足，各含水层水力联系差，由于矿井的长期开采，处于长期疏放状态，一般情况下，对矿井采掘影响较小。但由于其富水性不均一，顶板含水层动储量随季节产生变化，在雨季受到降雨、地表松散层水、河流水的间接补给，水量增加，影响矿井正常采掘活动。

在煤层埋深浅，开采煤层层数多、厚度大的情况下，开采所形成的冒落带和导水裂隙带连通各含水层、各层采空区和浅部小煤矿采空区，并导通地表，地表水可能通过采动裂隙、老空区而涌入矿井，造成矿井突水事故。矿区内的燎原矿井就发生过在雨季期间，季节性河流水通过导通冒落带裂隙及老空区等通道涌入采煤工作面的采空区的突水事故案例。

5 结语

综上所述，韩城矿区煤矿水害类型复杂多样，随着开采深度的增加，煤系地层底板的奥陶系灰岩承压岩溶裂隙水威胁增大，矿井水文地质类型也逐步趋于复杂、极复杂。奥灰水是矿区最大的水害威胁，其水头压力大，富水性强，破坏力大，且水文地质条件复杂，其岩溶发育规律还没有得到全面深入研究、掌握，也尚未形成适合本区域奥灰水防治的综合技术体系。同时，还不可忽视煤系地层上覆的弱—中等含水层及地表水的危害，应充分认识到矿区水害的严重性、复杂性和综合防治的紧迫性、艰巨性。因此，对于乐矿能源主要从事托管陕西韩城矿区民营煤矿等业务的工程技术人员和安全生产管理人员来说，应充分认识到韩城矿区矿井水害的严重性、复杂性和综合防治的紧迫性、艰巨性，需采取多种技术手段对所托管的煤矿水害威胁进行调查、普查和技术论证，深入分析、研究水患成因和对策，并制定矿井水患治理措施，为托管煤矿的安全生产提供可靠的技术保障。