试论华北型煤田立体充水地质结构理论

一、剖面上具有多层充水含水层组结构

华北型煤田从剖面上看,具有相互间水力联系密切的多层孔隙、裂隙和岩溶裂隙充水含水层组。一般可划分为3个主要充水含水层组。（1）煤系充水含水层组。（2）中奥陶统巨厚层碳酸岩充水含水层。（3）第四系松散孔隙充水含水层组。

㈠、煤系充水含水层组

在假整合于中奥陶统或寒武系巨厚层碳酸盐岩之上的石炭系海陆交互相煤系地层中，华北型煤田大部分均含有3～11层薄层石灰岩，总厚度一般为10～40m，为承压喀斯特—裂隙含水层。但真正对矿井充水有影响的含水层较少，并因地而异。在山东新汶、肥城煤田，主要是第四层灰岩；在兖州、济宁、滕县煤田，第十层灰岩是开采太原组下部煤层的主要直接充水含水层；在太行山东南麓的焦作煤田，第八层和第二层灰岩分别是开采山西组大煤层和太原组下部煤层的主要直接充水含水层。

由于薄层灰岩含水层厚度有限，且常被断层切割成较封闭的各种有限规模的断块，故影响矿床充水的严重程度主要取决于是否得到下伏中奥陶统灰岩水或浅部隐伏露头部位第四系强含水层的补给。当它们无水力联系时，矿床充水来源主要以消耗薄层灰岩静储量为主，对矿井安全生产威胁不大。但当薄层灰岩含水层通过垂向导水内边界与奥灰含水层或者通过越流于松散孔隙含水层发生水力联系时，一般造成矿坑涌水量明显增大且稳定。前者水力联系的密切程度取决于薄层灰岩与奥灰含水层之间的隔水层厚度和岩性。在焦作、峰峰、平顶山等煤田，断层切割严重，主要薄层灰岩（L₂或大青灰岩）距中奥陶统灰岩含水层只有25～40m，中奥陶统灰岩水对其有强烈的补给，单位降深涌水量一般在11 L/s·m以上；在淄博、肥城、淮北等煤田，虽然断层切割严重，但由于主要薄层灰岩与中奥陶统灰岩的距离为35～60m，中奥陶统灰岩水对其的补给能力相对上述要弱得多，其单位降深涌水量仅为5L/s·m左右。后者的水力联系密切程度则与隐伏露头部位的弱透水层厚度和基岩风化带的风化程度及风化深度有关。

由于薄层灰岩在整个煤田的出露条件、埋藏条件、构造条件，特别是地下水的补给条件不尽相同，故各矿区薄层灰岩的喀斯特发育程度差异较大。一般地表露头区多为发育溶沟和溶槽，在井下或钻孔中可见到溶洞和溶蚀裂隙等喀斯特现象。

地处太行山东南麓转折部位的焦作矿区，由于构造复杂，地层破碎，地下水补给条件好，其地下喀斯特发育。在焦作东部矿区勘探钻孔中，从蜂窝状小溶孔至0.1～5m直径的大溶洞均有发现，一般见直径2～5m大小的溶洞的钻孔占总钻孔数的50%以上。钻孔所见大溶洞之多的现象是其他矿区所不及的，这是造成焦作矿区突水频繁的一个重要原因。

峰峰矿区共沉积有5层薄层灰岩发育稳定且充水性较强的为伏青灰岩（厚4m）和大青灰岩（厚7m）。根据钻孔岩心资料统计，大量溶洞多发育在标高+100～-100m之间，两层薄层灰岩所见喀斯特大部分未溶孔机直径0.02～0.1m的小型溶洞，大者甚少。显然，薄层灰岩的喀斯特发育程度与焦作相比相差甚大。

其他矿区，如鹤壁、淮南、新汶、淄博、和平顶山等，薄层灰岩虽沉积8层或更多，但由于构造条件、补给条件和水动力条件均不利于喀斯特发育，故钻孔在各层薄层灰岩中很少遇到较大溶洞，钻孔抽水试验的单位涌水量仅在0.03～1L/s·m之间，极少数钻孔单位涌水量达到5～10L/s·m。

根据前述的华北型煤田矿床水文地质沉积环境分析，在华北型煤田北部一带，特别是北带东部地区，假整合于中奥陶统巨厚层碳酸盐岩之上的石炭系含煤岩系统中，薄层灰岩所占沉积比例极小，主要煤系含水层为巨厚层状的砂岩裂隙充水含水层组，这些砂岩含水层组中垂直裂隙极为发育，而且在平面基本上均匀分布，水力联系密切，具有统一的承压含水头，主要以中、细砂岩为主，间夹有粗砂岩沉积。一般可划分为2～3个砂岩裂隙含水层，其单位厚度一般为40～60m。这些砂岩裂隙含水层常因各种内边界沟通，与下伏巨厚层的中奥陶统灰岩含水层发生水力联系，严重威胁着上覆可采煤层的安全开采。如开滦范各庄矿于1984年发生的世界采矿史上特大型的突水淹井事故就是其中一例。

（二）、中奥陶统碳酸盐岩充水含水层组

作为含煤岩系基底，且厚度多为200~800m的中奥陶统碳酸盐岩含水层，补给水源丰沛，富水性强。大型群孔抽水试验显示出其水量大且稳定，连通性好，压力传递快，水位降低少，形成的降落漏斗平缓且扩展范围大，一般在每个水文地质单元内均形成统一的喀斯特水渗流场。该巨厚、高水头承压含水层是上覆煤层开采最危险的底板突水水源，奥灰参与的突水，一般具有发生突然，来势迅猛、涌水量大、持续时间长和造成损失严重等特点。

  应该指出，中奥陶统碳酸盐岩的沉积厚度在区域上是变化的，其总体规律为中间厚、南北薄。这除了与原始沉积厚度有关外，后期的剥蚀作用亦有教大影响。在豫西新密、义马等地，其厚度为40~230m；在临汝、禹县、平顶山、登封，则全部消失，煤系基底直接为下奥陶统白云质灰岩或厚度达200~300m的寒武系碳酸盐岩。

  中奥陶统碳酸盐岩本身也是一个复杂的多层含水层组结构体。按沉积旋回可划分为峰峰组、上马家沟组和下马家沟组。根据各地区岩相特征及岩性和生物化石组合。每组又可划分为2~3段。相对渗透性较差的角砾岩或角砾状灰岩层分别位于每层的底部，各组上部多为质纯的厚层灰岩。

 溶沟、溶槽是中奥陶统碳酸盐岩露头区常见的一种地表喀斯特现象，它们是大气降水渗入补给地下水的良好通道。沟槽发育的方向多受地表裂缝展布方向控制，其发育宽度各地不同，一般为0.1~0.8m，大者可达1.5m。

 溶蚀裂隙是北方喀斯特地下水的主要赋存介质和渗透通道，地表和井下十分常见。由不同展布方向的多组溶蚀裂隙交织构成的喀斯特裂隙网络是华北型煤田中奥陶统碳酸盐岩中地下水赋存和渗透的主要空间结构，也是所有以多空介质渗流理论为基础的矿井水文地质计算方法应用于该类型煤田的一个前提条件。当然，这种喀斯特裂隙网络由于受不均匀的构造和水动力条件等影响，在网络的局部地段可能叠加发育了规模较大的断裂系统，但赋存喀斯特地下水的背景介质还主要以喀斯特裂隙网络为主。对于较大规模的断裂系统，不适合继续应用多空介质的渗流理论加以计算，因为赋存与它们的喀斯特地下水的运动已经远远超出渗流范畴，科学地处理方法应该是建立能够反映它们自己运动特征的独立数学模型。这样，把真实描述喀斯特裂隙网络和局部断裂系统各自特征的数学模型耦合起来，就是北方喀斯特裂隙网络地下水的较理想的渗流模型。

 华北型煤田各矿区中中奥陶统碳酸盐岩中的溶洞，大部分是在质纯的厚层状灰岩中顺序发育起来的，仅少数例外。

 由于中奥陶统碳酸盐岩的喀斯特发育具有明显的非均匀和各向异性特征，这决定了

赋存于其中的喀斯特地下水径流也表现出类似的特点。即在厚层的碳酸岩径流区，存在着强径流，弱径流和几乎无径流区之差异。在这些区段中，特别是强径流区段，往往成不规则的带状展布，故称之为强径流带或集中径流带。强径流带的展布方向是喀斯特水系统的补给区指向排泄区，它的发育规模与喀斯特大泉的天然泉的排泄成密切的正比关系，即泉排泄量越大，强径流带的发育规模也越大，反之亦然。

   强径流带一般具有以下特点：①强径流带的空间展布位置与碳酸盐岩的喀斯特发育部位相一致，如中奥陶统碳酸盐岩于石岩-二叠系煤系地层或火成岩体接触部位、褶曲构造轴部、断裂构造和急倾斜变缓带及河流带的线状泄漏或溢出排泄带等；②强径流带的喀斯特介质主要以溶蚀裂隙网络为主，特别在径流带的中、上游，喀斯特地下水在其中的运动符合渗透定律；③强径流带是喀斯特富水带，其钻孔单位涌水量在整个喀斯特系统最大；④强径流带喀斯特地下水位呈槽谷型，纵向水流坡降小，其地下水动态具有反映灵敏但相对稳定的特征，如矿井突水，其地下水位首先迅速波及强径流带，但其变化幅度不大；⑤强径流带地下水的水质较喀斯特水系统其他部位明显要好；⑥强径流带地下水多以喀斯特大泉形式排泄；⑦位于强径流带的矿山，突水次数频繁，突水水量大，它是北方喀斯特充水矿山遭受水害的真正水源通道。

（三）、第四系松散空隙充水含水层组

部分华北型煤田，第四系含水层组不整合覆盖于煤系和奥灰之上，形成了特殊的矿床水文地质条件。我国东部的开滦、两淮、济宁等矿区有厚达百米到数百米的第四系覆盖层，这些地区第四系底部是否存在厚层隔水层是决定其矿床水文地质条件复杂程度的重要因素之一。如开滦东欢坨矿，第四系底部拈土隔水层沉积很薄，局部地段完全缺失，松散空隙含水层直接覆盖于煤系含水层和中奥陶统灰岩含水层隐伏露头之上，形成了矿区充水的另一个主要水源。

二、华北型煤田内边界的水文地质特征

   沟通多层充水含水层组彼此间水力联系的内边界类型颇多，其影响因素也较为复杂，不同类型内边界在矿坑涌水量预测计算方法选择和防治水工程布设等方面存在较大差异，它是建立立体充水地质结构理论的核心内容。因此，非常必要对水力内边界进行系统完整的类型划分根据不同的划分依据，内边界存在着两种不同的划分方案。

2．1 根据内边界展布的空间几何形态特征划分

  根据空间几何形态，内边界可划分为以下四种基本类型：a。点状岩溶陷落柱型内边界；b。线状断裂（带）、裂隙型内边界；c。窄条状隐伏露头型内边界；d。面状裂隙网络（局部面状隔水层变薄区）型内边界。

2．1．1 点状岩溶陷落柱型内边界

  陷落柱的导水形式多种多样，有时陷落柱柱体本身导水。有的柱体是阻水的，但陷落柱四周或局部由于受塌陷作用影响形成较为密集的次生带，从而沟通多层含水层组之间地下水的水力联系。还有的陷落柱柱体内部分导水，部分阻水。影响岩溶陷落柱分布的因素较为复杂，其展布规律至今研究不够。但根据目前研究成果，我们认为，地质构造是控制岩溶陷落柱分布规律的主要因素之一。

2．1．2 线状断裂（带）、裂隙型内边界

  华北型煤田在大地构造单元上基本属于中朝准地台，由于其长期相对稳定，构造运动主要以平缓褶曲和断裂为主。其些导水断裂（带）错开石炭系薄层灰岩含水层或厚层砂岩裂隙含水层，使其直接或间接对接中奥陶统巨厚灰岩含水层，造成二者不同程度的水力联系。这种导水断裂（带）的导水作用，一方面可能是断裂（带）本身导水，而另一方面可能是由于大型断裂（带）的相互错动，在其影响带形成了比较发育的裂隙网络，这些裂隙网络成为沟通多层充水含水层组水力联系的通道。

  由于北方各矿区经历多次地壳运动，地质构造复杂，特别在构造复合部位，如太行山东南麓，地处两大构造单元交接部位，断裂密集，十分发育，造成了该区域各矿山多次恶性突水淹井事故。根据统计资料，井胫矿区发生与断裂带内边界有关的突水占总突水次数的97%。峰峰矿区占90%以上，焦作矿区占80%，淄博矿区占76%。上述数据足以说明，断裂带内边界与突水事故发生存在着密切的因果关系。

2．1．3 窄条状隐伏露头型内边界

  在华北型煤田的大部分矿山，煤系薄层灰岩含水层和中厚层砂岩裂隙含水层以及巨厚层的中奥陶统碳酸盐岩含水层多呈窄条状的隐伏露头形式与上覆第四系松散沉积物不整合接触。影响隐伏露头部位多层充水含水层组地下水垂向间水力交替的因素主要有两个：（1）隐伏露头部位基岩风化带的渗透能力大小；（2）上覆第四系下部卵砾石孔隙含水层组底部是否存在较厚的粘性土隔水层。

2．1．4 面状裂隙网络（局部面状隔水层变薄区）型内边界

  在华北型煤田的北部一带、煤系含水层组主要以厚层状砂岩含水层组为主，薄层灰岩沉积较少。在厚层砂岩含水层组之间沉积了以细砂岩、粉细砂岩和泥岩为主的隔水层组。在地质历史的多期构造应力作用下，脆性的隔水岩层受力后以破裂形式释放应力，致使隔水岩层产生了不同方向的较为密集的裂隙和节理，形成了较为发育的呈整体面状展布的裂隙网络。这种面状展布的裂隙网络随着上、下充水含水层组地下水水头增大，以面状越流形式的垂向水交换量也将增加。

开平煤田东欢坨矿位于车轴山向斜收敛翘起部位，西北翼陡立，东南翼舒缓，这种构造形态反映了不对称力源强度的不对称性，使得受力较小的东南翼层间滑动速率和错动距离增大，即在平行层面的力偶作用下，形成了垂直层面的共轭剪切破裂面。这种呈面状分布的垂直裂隙网络系统已被矿山大量地质勘探钻孔和井下采掘工程所证实。

以上4种类型的水文地质内边界是华北型煤田目前发现的最基本类型。在实际的矿井水文地质模型中，可能会遇到这四种基本类型的任意组合类型（见表1）。

表1  不同空间展布形态的内边界组合类型表

Table 1  Types of inner boundary associations with various spatial distribution patterns

AB型为点状和线状水力内边界的组合类型。这两种内边界多分布在井田的中、深部。内边界的垂向导通能力好，造成多层含水层组地下水垂向间的水力交替强度大。但这两种内边界的分布规模大部分较小，特别是一些导水小断层，在矿区勘探和开采过程中极易被疏忽，因而这两种内边界的组合类型容易引起恶性突水灾害事故。

AC型为点状和窄条状水力内边界的组合类型。一般点状陷落柱内边界多分布于井田中、深部，窄条状隐伏露头内边界则多分布于井田的浅部。这种组合型内边界在华北型煤田较为常见。一般对其有效的防治措施是采取浅截深堵。开滦范各庄矿的立体水文地质概念模型就属于此种组合型。

BC型为线状和窄条状水力内边界的组合类型。线状断裂（带）内边界多分布于井田中、深部，窄条状多分布于井田浅部。这种组合型内边界在华北型煤田最为常见。一般具有这种组合型内边界的矿井水文地质条件较为复杂由于矿井水水源多，充水通道畅通，充水强度必然较强，因而矿井涌水量一般较大，突水灾害事件也频繁出现。一般其水害防治方法也是浅截深堵。焦作九里山矿的立体水文地质概念模型就属于此种组合型。

BD型为线状和面状水力内边界的组合类型。这种类型多出现于华北型煤田北部矿区。

CD型为窄条状和面状水力内边界的组合类型。这种类型也多出现于华北型煤田的北部矿区。在整体构造运动作用下，呈脆性的相对隔水岩层受力后以大面积破裂形式释放应力，因而形成呈面状整体展布的裂隙网络，为多层含水层组地下水之间的面状流量提供了通道条件。同时，第四系含水层在各种基岩含水层的浅部隐伏露头处与其形成了垂向间的水力交替。开滦东欢砣矿的立体水文地质概念模型就属于此种组合型。

DA型为面状和点状水力内边界的组合类型。这种类型目前发现较少。

ABC、BCD、CDA和DAB三种组合型内边界和ABCD四种组合型的内边界在目前发现建立的立体矿井水文地质概念模型中较为少见。

2．2 根据内边界中地下水渗流的水动力特征划分

根据水动力特征，内边界可划分为以下两种基本类型：a.渗滤式内边界；b.管道式内边界。

2． 2。1渗滤式内边界

地下水在此类内边界中的基本符合线形渗透定律,渗透介质性质类似松散多孔介质由此内边界所诱发的各充水含水层地下水涌入矿井的过程往往是渐变的，而不是突发性的。因而此内边界一般对矿井直接形成的水害威胁相对比较小，但对矿井直接充水水源的充水强度却有比较大的影响。

2.2.2 管道式内边界

管道式内边界中的地下水流多呈管流，水力条件极为复杂。由管道式内边界所形成的矿井充水通道较为畅通，充水强度比较强，一般容易造成生产矿井的突水灾害，甚至恶性突水淹井事故。

上述水力内边界的两种划分方案，虽然依据不同，但相互之间存在一定的关系。一般点状岩溶陷落柱型和线状断裂（带）型内边界由于其介质破碎严重，通道较为畅通，地下水在其中的流动形式多为管道流，故多为管道式内边界。窄条状隐伏露头型和面状裂隙网络型内边界多为渗滤式内边界，地下水在其中的渗透基本符合线性渗透定律。