淺談韓城礦區水文地質條件和煤礦水害

樓偉昆

（樂礦能源集團，江西 景德鎮 333000）

樂礦能源（原樂平礦務局，簡稱樂礦）地處贛東北景德鎮市境內，其下屬的煤礦均分布在萍樂坳陷東北端，多在20 世紀50、60 年代建設。樂平礦區所屬煤礦煤炭資源分布不均，開采條件相對較差，礦井規模都比較小，而且煤層瓦斯含量高、災害嚴重，礦區礦井水文地質條件也較復雜。樂平礦區所屬礦井接續資源越往深部，投資效益越低，按照現行的國家、地方和行業政策，屬于加快煤礦關閉退出的區域?！睹禾抗I發展“十三五”規劃》指出：“全國煤炭開發總體布局是壓縮東部、限制中部和東北、優化西部。東部地區煤炭資源枯竭，開采條件復雜，生產成本高，逐步壓縮生產規模；中部和東北地區現有開發強度大，接續資源多在深部，投資效益降低，西部地區資源豐富，開采條件好……”[1]?；谇笆鲈?，截至2021 年末，樂礦所屬的沿溝、涌山、仙槎、東方紅等煤礦已相繼關閉，目前只保留了鳴西礦未關閉。樂礦為了圖生存發展，將煤炭開采主業轉向資源豐富的西部地區，主要從事托管陜西韓城礦區民營煤礦等業務。

由于陜西韓城區域屬于半干旱氣候條件，降雨量小，蒸發量大，日常生活、工業用水緊缺，導致礦區日常安全生產管理中普遍對該區水文地質特征、水害的認識存在偏差，沒有充分認識到奧陶紀灰巖水等水害對礦井安全生產的嚴重威脅，對治理奧陶紀灰巖水等水害的復雜性認識不足。

1 韓城礦區基本概況

渭北煤田，俗稱“渭北黑腰帶”，位于關中盆地渭河以北，往陜北黃土高原過渡的中低山地帶。是2009 年國家規劃的13 個大型煤炭基地黃隴基地中的一部分，自西向東分為銅川、蒲白、澄合、韓城四個礦區，是陜西省開采最早的煤田，自1970 年開始國家大規模開發、開采，1990 年進入鼎盛時期。

韓城礦區位于渭北煤田的東北端，韓城市區西北部，東以黃河為界與山西河東煤田毗鄰，走向長約56 km，傾向寬約20 km，面積1 100 km2，礦區總資源量約93 億噸[2]，礦區位置如圖1 所示。

圖1 韓城礦區交通位置

礦區地貌為受多次構造影響和控制的復雜形態，以韓城大斷層為界，西北側屬于構造剝蝕中、低山丘陵區，東南側屬山前沖積平原。中、低山區因剝蝕和侵蝕作用，溝谷極為發育，多呈“V”型，溝內基巖出露，延至山腰，頂部覆蓋的是黃土層，呈黃土高原的峁、梁、塬獨特地貌，植被稀少。

礦區屬華北氣候區，為暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，年平均相對濕度68%，年平均降雨量530 mm，年平均蒸發量1 790 mm。

2 礦區地層、主要地質構造

2.1 地層

韓城礦區地層由老至新有： 奧陶系中統下馬家溝組（O2x）、上馬家溝組（O2s）、峰峰組（O2f）、石炭系中統本溪組（C2b）、石炭系上統太原組（C3t）、二疊系下統山西組（P1s）、二疊系下統下石盒子組（P1sh）、二疊系上統上石盒子組（P2sh）、二疊系上統孫家溝組（P2s）、三疊系（T）和第四系（Q）。地表大部被第四系黃土層覆蓋，石炭系（C）、二疊系（P）巖石順序出露于溝谷、山腰。

2.2 煤系地層

韓城礦區屬華北型石炭—二疊（C-P）系、掩蓋式煤田。煤系地層全區發育穩定，沉積基底為奧陶系灰巖。礦區地層大致走向北北東，主要含煤巖系有上石炭統太原組（C3t）和下二疊系山西組（P1s），其中山西組含煤3 層（可采或局部可采煤層3#、2#、1#），太原組含煤9 層（可采或局部可采煤層有11#、6#、5#），2#、3#、5#、11#煤層為本礦區的主要目標層。

2.3 主要地質構造

韓城礦區位于鄂爾多斯盆地的南緣東部，祁呂賀山字形構造的前弧東翼內側，秦嶺、陰山兩個大型緯向構造帶之間（如圖2 所示）?？傮w構造框架為一寬緩地向西北方向緩傾的單斜構造，主要構造變形帶集中在礦區東南邊緣地帶，延伸100 km，控制汾渭盆地、河津拗陷的韓城斷裂即發育于此。淺部受褶斷構造影響，地層傾角陡，甚至直立倒轉，但沿傾斜方向煤層露頭不遠，傾角就急劇變緩至15°以下，中深部地層傾角一般5°～10°[3]。

圖2 渭北煤田大地構造和位置

由于受區域地質構造的控制，韓城礦區地質構造總體呈現出南強北弱、東強西弱、邊淺部復雜、中深部簡單、南北分區性明顯的特點。其北部區域受擠壓構造發育較多，南部區域拉伸構造占主導，全礦區主要構造變形帶集中發育在礦區東南邊緣地帶（如圖3 所示）[4]。

圖3 韓城礦區主要構造分布

3 礦區水文地質概況

3.1 自然地理及水文概況

韓城礦區主要地貌單元有兩個：由于F1斷層牽引造成東南部地層下陷，形成寬闊平坦的黃河沖積平原，呈北東向延伸；F1斷層西北部是礦區煤炭資源的開發區，主要是由寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及第四系地層組成的低山丘陵區。

本區屬大陸暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，年平均相對濕度68%，年平均降雨量530 mm，年平均蒸發量1 790 mm。最高氣溫42.6℃，最低氣溫-14.8℃，最大風力10 級，風向以東北向為主。

礦區位于黃河中上游，區域內常年性的河流主要有黃河、鑿開河、盤河、涺水河等。

除上述河流之外，尚有多條季節性河流，如馬莊河、白帆河等，并建有多座小型蓄水水庫。

3.2 礦區水文地質單元劃分

依據1992 年煤炭科學研究總院西安研究院所完成的 《韓城礦區南部奧陶系石灰巖巖溶水水文地質研究報告》中的資料，韓城礦區由一個獨立的水文地質單元（如圖4 所示）構成，水源在平面上有獨立的補給、徑流、排泄系統，其邊界為：東南邊淺部以F1大斷層為弱透水水文邊界； 西南以愛帖溝逆斷層（F14）為奧灰水阻水邊界；東北以黃河谷地為奧灰水徑流排泄邊界； 奧灰水深循環滯流帶作為西北自然邊界[5]。

圖4 韓城礦區水文地質單元分區

礦區以F2斷層尖滅端附近—盤河河谷口為界，分隔為水力聯系較差的南、北兩區，北區奧灰水位高出南區15～20 m，水力坡度相差近10 倍。

3.3 含隔水層

韓城礦區地下水可分為： 第四系松散巖類孔隙水，石炭—二疊系砂巖灰巖裂隙水，奧陶系石灰巖巖溶裂隙水等三種。根據含水層巖性、結構及其富水性的變化，礦區含水層劃分如表1 所示。

表1 韓城礦區含水層劃分

根據巖性特征和抽水試驗成果，參考含水層劃分情況，礦區可劃分四個隔水層段，具體如表2所示。

表2 韓城礦區隔水層劃分

由表1、表2 可以看出，總體上看礦區的地表水不太發育，地下水的主要控制因素為構造、巖性及地形地貌。礦區地層中第四系松散巖類地層含水較少。煤系及上覆地層（石炭—二疊系）各含水層（主要為砂巖和灰巖）充水空間不太發育，受沉積作用的控制，含水層與隔水層相間存在，由于有隔水層相隔，各含水層之間多無水力聯系。煤系基底的奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層在礦區邊、淺部十分發育，且縱向分布不均一，其巖溶水富水性、透水性強，水文地質條件復雜，主要為多層段結構的復合承壓含水體，對礦區內各煤層開采有不同程度的影響。

3.4 礦區主要構造及其控水作用

韓城礦區地質構造主要有張扭性斷層、壓扭性斷層兩類大型斷層，高角度、延伸遠（幾公里至幾十公里）、斷距大（一般達百米以上）是其共同特征。此兩類構造影響著地下水的透水性和富水性，也對地下水的徑流條件及運動方向起控制作用。

構造的控水作用主要作用表現為： 斷層的阻（導）水作用，構造控制垂直方向上的巖溶發育等兩個方面。

（1）斷裂構造（帶）的阻（導）水作用

①韓城正斷層（F1）

F1正斷層是礦區弱透水的水文地質邊界線之一。該斷層下盤地層走向北東，傾向北西，主要由寒武系、奧陶系、石炭二疊系地層所組成；斷層上盤被厚度500 m 以上的第四系松散沉積物覆蓋。斷層下盤的奧灰巖斷層節理發育，裂隙形成網絡系統，裂隙率達3.6%，成為礦區邊淺部徑流帶，鉆孔單位涌水量達64 L/s.m；奧灰水與潛水位二者之間沒有直接水力聯系。

②龍亭斷層組（龍亭構造帶）

以愛貼村逆斷層（F14）為代表的龍亭構造帶為礦區的南部阻水邊界。F14斷層走向80°，傾角50°，傾向東南，延伸12 km，斷距450 m。

③楊山莊正斷層（F7）

礦區阻水邊界之一，斷層兩側水位、水質不同。F7斷層位于礦區中部楊山莊—燎原礦一帶，走向北東，傾向南東，傾角60°，斷距300～500 m。

④F9張扭性斷層

F9張扭性斷層屬于F1斷層的次一級斷層，性質為一張扭性斷層，展布于馬溝渠至文家嶺一線，延展長9 km 左右，斷于寒武系與奧陶系石灰巖中，消失于馬溝渠礦+240 石門突水地帶。受該斷層牽引，其附近小褶曲、垂直節理、小斷層裂隙發育，形成富水帶。

⑤蓮花山逆斷層（F5）

蓮花山逆斷層（F5）走向長7 km，分布于象山至蓋兒嶺之間，其走向北40°～60°東，傾向北西，傾角20°～45°，斷距沿走向60～180 m 不等，斷層兩側小型褶曲十分發育，對淺部煤層有一定的破壞作用。該斷層在天然狀態下有隔水作用。但是，在采掘擾動、地應力和水頭壓力的作用下，斷層也會活化透水。象山礦+280 石門中突水就是佐證。

（2）垂直方向上巖溶發育的構造控制

在奧灰巖地層中垂直方向上占統治地位的控水因素主要是構造裂隙通道，其次為巖溶通道。一系列北升南降，向汾渭地塹中心依次跌落的正、逆斷層組控制了巖溶裂隙發育深度，是巖溶垂向發育深度的主導因素。在奧灰巖地層中：高程380～300 m 區段為富水帶，礦井涌水量180～240 m3/h；高程300 ～200 m 區段為強富水帶，其中的253.34～295.08 m 高程間均見溶洞，礦井涌水量最高達1.2 萬m3/h；高程200 m 以下為含水帶，溶洞、裂隙發育程度下降。

4 韓城礦區煤礦主要水害

韓城礦區煤礦開采歷史上發生過多次水害事故，且有多起為大型、特大型突水事故。以其中的星火煤業（原韓城礦務局馬溝渠煤礦）為例，建礦以來共發生井下出水與突水事件26 次，特大型突水1 次，瞬時突水量最高達1.2 萬m3/h[6]。

總的來看，其水害類型按水源可劃分為：煤層底板奧灰巖水、頂板砂（灰）巖水、老空積水、地表水等。按導水通道可劃分為：斷層水、封閉不良鉆孔水、陷落柱水、采掘擾動冒裂裂隙水等。

4.1 煤層底板灰巖水害

煤層底板奧灰水是韓城礦區煤礦面臨的最為嚴重的水害類型，其特點是水壓高、水量大、破壞性強，一旦發生，往往是災難性的。礦區內的象山、馬溝渠、桑樹坪等煤礦均發生過大型、特大型奧灰突水事故，導致了淹井、人員傷亡，給礦井建設和安全生產都造成過巨大損失。

礦區的奧陶灰巖在地表均有出露，巖溶裂隙在邊部、淺部十分發育，巖溶水富水性、透水性強，與黃河等各主要地表河流、水體均有水力聯系和通道，是本區域內的承壓強含水層。

煤層底板奧灰水突水除受采動礦山壓力決定性因素影響外，還受奧灰水水壓、富水性、隔水層、地質構造、開采條件等重要因素的影響。

本礦區奧灰水的統一區域水位為+380 m，礦區內各煤礦現在的開采標高均在+380 m 以下，處于承壓開采狀態。在開采2#、3#、5#煤層時，因煤層底板距奧灰水之間的距離大，隔水層厚度大，突水系數一般都小于0.06 MPa/m，威脅較小。但由于導水斷裂構造、封閉不良鉆孔、巖溶陷落柱等的導水通道的存在，也會引發奧灰水突水事故。通過對韓城礦區各礦奧灰水突水事故的統計、研究可知，斷裂構造控制井下突水點的大致規律如下：

象山煤礦的付斜井、+280 排矸石門、溝外排矸斜井（3 次見構造）共發生突水5 次，馬溝渠礦井筒、井底車場及+240 石門（7 次見構造）共出現涌水13 次，施工井巷所通過的構造裂隙均為斷層破碎帶。

桑樹坪礦井下發生的八個奧灰水突水點，有六個是直接遇上斷層而發生的突水，突水量在l00～1 530 m3/h 之間。

根據勘探資料，煤系地層最底部的11#煤與奧灰巖層頂部的距離為5.87～88 m，一般為20～30 m，隔水層大部分厚度較小，且奧灰水頭壓力大，突水系數往往大于0.06 MPa/m，突水威脅大。

4.2 采空區水害

韓城礦區歷史上小窯眾多，小窯停產后在漫長的歲月里積水連成一片，在煤層淺部開采時，威脅較大。隨著開采深度增加和不斷采取治理措施，其威脅逐步減小。但由于導水斷裂構造、封閉不良鉆孔等導水通道的存在，也可能導致發生采空區積水突水事故。采空區水害具有隱蔽性、突發性、涌水量大、破壞力強等特征。如1974 年原馬溝渠煤礦曾經發生過在11#煤層工作面鉆孔附近生產時，由于鉆孔封閉不良，導致上部2#、3#煤層老窯水導通到下部開采的11#煤層而發生突水事故，使礦井停產長達一周；1997 年原馬溝渠煤礦開采11#煤層時1111 工作面由于516 鉆孔封閉不良而造成突水事故等。

除淺部小窯采空區積水外，還有本礦形成的老空區積水及相鄰礦井采空區在底凹地帶的積水，這些積水對本煤層的鄰近工作面其下伏煤層開采都構成重要威脅。

4.3 煤系及上覆含水層及地表水水害

煤系地層及上覆含水層的弱—中等含水層包括：第四系松散巖類孔隙含水層組、二疊系砂巖層裂隙承壓弱、弱～中等含水層組、石炭系砂巖（灰巖）裂隙承壓含水層組等。這些含水層以靜儲量為主，含水量小，補給不足，各含水層水力聯系差，由于礦井的長期開采，處于長期疏放狀態，一般情況下，對礦井采掘影響較小。但由于其富水性不均一，頂板含水層動儲量隨季節產生變化，在雨季受到降雨、地表松散層水、河流水的間接補給，水量增加，影響礦井正常采掘活動。

在煤層埋深淺，開采煤層層數多、厚度大的情況下，開采所形成的冒落帶和導水裂隙帶連通各含水層、各層采空區和淺部小煤礦采空區，并導通地表，地表水可能通過采動裂隙、老空區而涌入礦井，造成礦井突水事故。礦區內的燎原礦井就發生過在雨季期間，季節性河流水通過導通冒落帶裂隙及老空區等通道涌入采煤工作面的采空區的突水事故案例。

5 結語

綜上所述，韓城礦區煤礦水害類型復雜多樣，隨著開采深度的增加，煤系地層底板的奧陶系灰巖承壓巖溶裂隙水威脅增大，礦井水文地質類型也逐步趨于復雜、極復雜。奧灰水是礦區最大的水害威脅，其水頭壓力大，富水性強，破壞力大，且水文地質條件復雜，其巖溶發育規律還沒有得到全面深入研究、掌握，也尚未形成適合本區域奧灰水防治的綜合技術體系。同時，還不可忽視煤系地層上覆的弱—中等含水層及地表水的危害，應充分認識到礦區水害的嚴重性、復雜性和綜合防治的緊迫性、艱巨性。因此，對于樂礦能源主要從事托管陜西韓城礦區民營煤礦等業務的工程技術人員和安全生產管理人員來說，應充分認識到韓城礦區礦井水害的嚴重性、復雜性和綜合防治的緊迫性、艱巨性，需采取多種技術手段對所托管的煤礦水害威脅進行調查、普查和技術論證，深入分析、研究水患成因和對策，并制定礦井水患治理措施，為托管煤礦的安全生產提供可靠的技術保障。