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1、中国煤田 水文地质基本特征及主要水文地质问题 作者介绍：王梦玉， 1932 年 11 月 30 日生于江苏南京，原籍山 西沁县乌孙村， 1955 年 7 月毕业于南京大学地质系本科，毕业后在 北京煤炭科学研究院地质所工作，1965 年至今在中煤科工集团西安 研究院工作，从事矿井水文地质研究工作50 余年，是我国矿山防治 水工作开拓者之一。教授级高级工程师， 曾任煤炭工业部技术委员会， 国际水文地质学会会员及矿山水协会委员，1932 年起享受政府津贴。 中国煤炭资源丰富， 从寒武纪石煤至第四纪泥炭沉积，共有十个 聚煤期，其中， 以石炭二叠纪和侏罗纪为主要的聚煤期。大地构造控 制了煤田的分布、成煤
2、时期、沉积环境、构造特征，也形成了不同的 水文地质条件。天山阴山纬向构造带以北的东北和内蒙东部沉积 早侏罗纪晚白垩纪含煤地层； 以南至昆仑山祁连山纬向构造 带以北，贺兰山经向构造带以东的广阔地区，沉积了海陆交互相的石 炭二叠纪含煤地层； 昆仑山祁连山纬向构造带以南，康黔古 陆以东则沉积了晚二叠纪含煤地层；西北地区则在侏罗纪形成了一些 大型陆相煤盆地； 此外，云南西藏及台湾地区在中生代和新生代 分别沉积了含煤地层。以上聚煤区的地质和水文地质条件各不相同， 在此基础上， 结合矿井防治水的需要， 可以将中国煤田划分为六个水 文地质类型区， 即东北侏罗纪孔隙裂隙水类型区，华北石炭二叠 纪孔隙岩溶水类型
3、区， 西北侏罗纪裂隙水类型区， 华南晚二叠纪 岩溶水类型区，云南西藏中生代裂隙水类型区及台湾第三纪裂隙 孔隙水类型区（图1） 。 其中，以华北石炭二叠纪煤田和华南晚二叠纪煤田的水文地质条 件最为复杂，矿井水害严重。主要的水文地质问题有三个。即：华北 煤系底盘中奥陶统马家沟灰岩水害问题；黄淮平原新生界松散层水害 问题；华南煤系底盘下二叠统茅口灰岩水害问题及顶板上二叠统长兴 灰岩水害问题。 西北侏罗纪裂隙水类型区 纬向构造带 华南晚二迭纪岩溶水类型区 昆仑山 祁连山 云南西藏中生代 裂隙水类型区 天山阴 山纬 向构造带 东北侏罗纪孔隙 裂隙水类型区 华北石炭二迭纪 孔隙岩溶水类 型区 贺 兰 山
4、经 向 构 造 带 康 滇 古 陆 台湾第三纪裂隙 孔隙水类型区 图1 中国煤田水文地质类型区划分图图 1 中国煤田水文地质类型区划分图 华北石炭二叠纪煤田主要可采煤层赋存于海陆交互相的太 原统和陆相的山西统中，其底盘为中奥陶统马家沟灰岩。 太原统中的夹层灰岩在华北煤田有广泛的分布（图2） ，总的趋 势是，由西北向东南，海水逐渐加深，灰岩层数由23 层，增加到 14 层以上，灰岩总厚度由5m以下，增加到 60m以上，皖北可达 70m 。 夹层灰岩的富水性除与厚度、 岩溶等因素有关外， 主要决定于与中奥 陶统灰岩的水力联系程度， 从单位涌水量 q 分布可以看出， 峰峰至焦 作这一条带在 20L/
5、s.m 以上，这是由于这两个矿区的主要夹层灰岩大 青灰岩（峰峰）、L2灰岩（焦作）距中奥陶统灰岩垂距仅2540m ，可 通过断层侧向补给或越流补给，两者水力联系密切所致。 图 2 华北石炭二迭纪煤田夹层灰岩分布图 中奥陶统灰岩的厚度 （图 3） 由东而西逐渐变薄， 由鲁中的 700 800m ， 至太行山东麓及苏北、 鲁南的 600m ，晋中、京西、豫中的 400m ， 淮南、豫西的 200300m 。从区域沉积规律来看，在河北曲阳以北， 开滦、京西、轩岗等煤田，中奥陶统灰岩最上部的峰峰组缺失，石炭 二叠纪煤系沉积在上马家沟组灰岩之上。太行山区、晋中、鲁中、苏 北、皖北的峰峰组，由北而南变薄，
6、至太行山南麓的焦作煤田缺失， 至豫西的登封以南，奥陶纪灰岩已无沉积，平顶山、禹县、临汝等煤 田煤系地层直接沉积在寒武系地层之上。海水入侵由东而西， 在关中 地区形成一个走廊，海水退却的比较晚，沉积了上奥陶统灰岩地层， 1.浅海碳酸盐岩 （以钙质为主）组合 2.浅海碳酸盐3.石膏4.中奥陶统等厚线5.峰峰组北界 6. 岩相界线 7. 海进方向 8. 古陆 9. 断裂 600 500 400 300 20 0 500 500 500 500 400 400 400 600 600 500 400 300 20 0 600 7 0 0 400 300 200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 北京
7、 廊坊市 保定市 涿州市 大同市 155 456 563 403 346 208 400 497 502 沧州市 德州市 衡水市 685 太原市 济南市 邯郸市 642 265 577 687 358 453 480 482 590 355 419 315 216 214 410 135 356 648 488 安阳市 长治市 开封市 郑州市 侯马市 济宁市 徐州市 淮北市 宿州市 淮南市 扬州市 镇江市 400 357 包头市 110112114116118120122124 42 40 38 36 34 40 38 36 110112114116118 图 3 华北石炭二迭纪煤田中奥陶统灰
8、岩分布图 底部主采煤层距中奥陶统灰岩顶面之间隔水层厚度小于50m的地区 在北京西山淄博济宁徐州一线以西，以太行山东、 南麓及霍县、韩城等矿区最薄。焦作矿区最底部的煤层为局部可采， 如以主要开采层大煤至中奥陶统灰岩顶面计算，则隔水层在100m以 上。因此，底板隔水层厚度小于20m的矿区，主要为峰峰、霍县、韩 城矿区。 对北方煤矿 1207 次底板突水资料分析表明，以太行山东、南麓 各矿区突水情况最为严重，计870 次，占统计次数的71.4；其次， 为鲁中、徐淮各矿区，计295 次，占 17.5。晋中、晋东南各矿区 突水次数最少，仅发生19 次，占 1.5 。最大突水量的分布情况与 突水频率分布情
9、况一致， 亦主要分布在太行山东、 南麓及开滦至鲁中 各矿区，矿井一次最大突水量皆在100m 3/min 以上。 第三纪以来， 黄淮地区急剧下降，形成了许多湖盆，其中沉积了 很厚的第三纪地层。第四纪晚期，黄河及其它河系把流经太行山、燕 山、黄土高原及晋蒙山地的物质携带至平原地区，在山系谷口形成了 一系列洪积冲积扇。平原部分、主要为河流冲积物所覆盖。搬运 和沉积的单元有黄河、 海河、淮河等水系。黄淮平原曾多次遭受海浸， 例如 7400年前的海浸线，深入到了平原的西部边缘。 新生界的沉积厚度， 主要受地壳运动所控制。 本区位于新华夏第 二沉降带，由于郯庐断裂以东的新华夏第一隆起带向北运动，太行山 断
10、裂以西的新华夏第二隆起带向南运动，使黄淮平原第一序次的构造 线呈 NNE 向，新生界沉积厚度的总趋势与此一致。天津交河 临清一带，厚度在 2000m以上，往东、西逐渐变薄。郑州商丘一 带，可能受纬向构造的影响， 沉积方向变为东西， 厚度在 4000m以上， 这种沉积方向的变化，在黄淮平原的南北两端都有所显现。（图 4） 图 4 黄淮平原新生界等厚线图 新生界的岩性组合，根据各地区的岩性资料，归纳如表1。可以 看出，第三纪始新世上新世的沉积是以陆相红色地层为主。第四 纪更新世全新世的沉积则是河漫相、河床相、湖相、沼泽相、残 积相。各煤田的大致平均厚度如表2。 表 1 地区 地层 鲁西冀西冀北苏北
11、淮南淮北河南 全新统 亚粘土、亚沙 土、砂砾石 亚沙土、 粉砂黄 灰 色 砂 质 粘土、粉砂、 细砂 粘 土 、 亚 粘 土、砂砾石 更新统 红色亚粘土、 亚 砂 土 、 粉 砂、砂砾石 粘土、砂质粘 土夹砂砾石 亚粘土、 底部 加砂砾层 红 土 及 砂 砾 层 砂砾石 上新统玄武岩粘土、 砂、砾 石、泥灰岩、 砂砾石 玄武岩玄武岩、 紫红 色砂砾层 紫 红 色 砂 砾 层 中新统 渐新统红色砂砾层玄武岩页岩、砂质页 岩、细砂岩 紫 红 色 砂 砾 层 紫 红 色 砂 砾 层始新统 表 2 煤田 平均厚度 （m ） 煤田 平均厚度 （m ） 煤田 平均厚度 （m ） 黄河北100 肥城65 济
12、宁200 兖州180 官桥30 滕县80 枣庄10 徐州200 沛县200 大屯150 宿县100 淮北70 淮南100 北京200 开滦200 邢台200 焦作20 平顶山30 第四系具有多旋回性， 可以划分为四个旋回。 每个旋回的底部为 砂砾层或粘土层夹砾石层，向上沉积物变细。 第四系中的砂层和砾石层的厚度，在各煤田约占第四系厚度的 3555，第四系的富水性，一般情况下，上部最强，下部次之，中 部又次之。例如，兖州煤田上部65m钻孔单位涌水量为12 升/秒. 米，农业用水主要来自本含水层组。中部47 米钻孔单位用水量为 0.0450.2 升/ 秒. 米。下部 45 米钻孔单位涌水量为0.2
13、1.44 升/ 秒. 米。 黄淮平原煤田在开发过程中， 第四系流砂层水溃入井下的事例很 多。解放后，在水文地质勘探和第四系含水层下采煤方面，进行了大 量的工作，积累了一定的经验。 但随着黄淮平原煤炭工业的大规模建 设，工农业基地迅速发展的形势下，有两个水文地质问题必须进一步 解决。一是如何保证矿井及矿工的安全；同时，减少顶板防水煤柱， 提高资源回收问题。二是如何解决矿井排水与工农业用水之间的矛 盾，同时，为工农业建设提供更多的水源问题。 长江以南浙、闽、粤、湘、干、桂及苏、鄂、皖南部以晚二叠世 煤系沉积为主，矿井充水的主要含水层是龙潭煤系底板的下二叠统茅 口灰岩和顶板的上二叠统长兴灰岩。 煤系
14、底板直接为茅口灰岩的沉积地区（图1） ，大致在巢县 芜湖南昌萍乡湘乡武岗嘉禾连阳罗 定一线以西。此线以东至金华宁都武平一线之间，浙西、赣 南、湘南等地，茅口灰岩之上有孤峰页岩的沉积；苏南、皖东南一带 可能由于相变关系，孤峰页岩之下的茅口灰岩不复存在。此外，湘、 赣地区的当冲层或鸣山层的层位皆与孤峰层相当；不过岩性变化为硅 质层。金华宁都武平一线以东，茅口灰岩相变为文笔山页岩 （图 5） 。 煤系底板直接为茅口灰岩的沉积地区，主要可采煤层或煤系最下 部的可采煤层与茅口灰岩之间的隔水层，一般超不过10 米，最薄的 地区如湘中煤田仅有0.1 0.3 米的粘土，茅口灰岩地下水害，主要 图 5 华南晚二
15、迭世煤田茅口灰岩分布图 发生在这个地区。煤系之下有鸣山硅质页岩或文笔山页岩沉积的地 区，隔水层厚达100400 米，一般不会有茅口灰岩的突水危险。茅 口灰岩相变为硅质层的地区， 由于富水性很弱， 一般亦不会构成对矿 井的威胁。 茅口灰岩为厚层纯灰岩，在鄂中地区厚约200400 米，鄂东南 地区厚约 100120米，湘中地区厚约 400600 米，赣中地区厚度大 于 130 米，赣北地区厚约 200 米，桂中及桂西地区厚约150300米。 茅口灰岩岩溶发育， 富水性极强。 各煤田皆有流量很大的茅口灰岩泉 群出露。例如， 恩口煤田的温塘泉最大流量达910 米 3/ 时；斗笠山煤 田泉水排多年平均流
16、量达154米 3/ 时。 煤田勘探、基建及生产过程中， 茅口灰岩的水量都相当可观。例如，云湖桥煤田1969 年 8 月勘探抽 水，降深仅 6.92 米，水量即达 2382.72 米 3/ 时；煤炭坝煤矿 5 亩冲 井 1972 年 2 月突水量达 6400 米 3/ 时；桥头河煤矿青山井 1971 年 6 月突水量达 27000 米 3/ 时。 煤系顶板直接为长兴灰岩地区（图6） ，大致分布在宜兴广 德休宁德安常德一线以南，福州大田将乐 新余萍乡湘乡安化武岗连阳以北的地区。根据 目前的资料，仅太湖流域、 萍乐凹陷带、湘赣边区及福建大田四个地 区比较标准，属浅海相沉积，为深灰色较厚层灰岩。其余地
17、区，相当 于该层位沉积了海相泥岩及硅质岩的互层，即所谓大隆组。 图 6 华南晚二迭世煤田长兴灰岩分布图 在长兴灰岩沉积的地区， 含水层下距煤系上部可采煤层之间的隔 水层，一般都很薄。例如，宁乡株洲地区约为1525 米，萍乐 凹陷带一般在 10 米以下，太湖南部及东部约为15 米，镇江芜湖 地区及黄石一带，一般在25 米以下。这类地区的煤田在开采上部煤 层时，经常发生长兴灰岩的水害事故。而煤系顶板为大隆组沉积的地 区，隔水层的厚度都在50 米以上，或不存在强含水层；所以，一般 不会构成对矿井的威胁。 长兴灰岩的厚度， 在太湖流域约为 50100米，萍乐凹陷带约为 50250米，湘中地区约为501
18、00米，湘西地区约为50200 米。 长兴灰岩岩溶发育，水量丰沛。例如，煤炭坝煤田跃进井50 米标高，长 340 米的长兴灰岩巷道中，有95 条溶蚀裂缝； 1972 年 7 月五亩冲井长兴灰岩突水量达2700 米 3/ 时。丰城煤田钻探时曾发现 高达 121 米的溶蚀裂缝； 1974 年 7 月云庄井 60 米标高长兴灰岩突 水量达 10000 米 3/ 时以上。 除以上讨论的几个主要水文地质问题外，还有西北干旱、 半干旱 地区煤矿企业供水， 煤炭开采与环境保护， 东北及内蒙地区露天煤矿 地面防水等问题。这些问题将在另文中作详细讨论。 参考文献： 1. 王梦玉： 中国岩溶型煤田水文地质问题“煤
19、炭科学与技术” 1981.12 2. 王梦玉： 煤层底板突水机理与预测方法探讨“煤炭科学与技术” 1979.9 3. 刘刚峰、王梦玉：黄淮平原新生界水文地质问题“煤田地质与勘探” 1983.4 4. 王梦玉： 华南晚二叠纪煤田水文地质特征和控制矿井涌水量问题“煤炭科 学与技术” 1977.11 5. Wang mengyu:The elemental hydrogeological characteristics of coalfields in china the problems of protecting against mine water International mine wat
20、er association,granda espana,1985 6. Wang mengyu,Zhang zhijie:karst water systems cola deposit water charge in the north of china,xxlll congress “Aquifer orerexploilatin” -canary island Spain.1991 7. 王梦玉 林曾平 王琦： 华北煤矿区含水层及隔水层研究“煤田地质与勘探” 1992.2 8. Wang mengyu: Coal mine water control in big-discharge coal regions in china Proc.30th intl pp.53-58 USP 1997