越层水文地质现象及对煤矿防治水的影响研究.pdf

第 ４８ 卷第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４８ Ｎｏ􀆱 ８ ２０２０ 年８ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｇ.２０２０ 地球科学与测绘 移动扫码阅读 王 新ꎬ郭小铭.越层水文地质现象及对煤矿防治水的影响研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８８１５０－ １５６􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ０１９ ＷＡＮＧ ＸｉｎꎬＧＵＯ Ｘｉａｏｍｉｎｇ.Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｏｆ ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｐｒｅ￣ ｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ[Ｊ]. Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４８８１５０ － １５６􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ０１９ 越层水文地质现象及对煤矿防治水的影响研究 王 新１ꎬ２ꎬ郭小铭１ꎬ２ꎬ３ １.中煤科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西 西安 ７１００７７ꎻ２.陕西省煤矿水害防治重点实验室ꎬ陕西 西安 ７１００７７ꎻ ３.煤炭科学研究总院ꎬ北京 １０００１３ 摘 要地层沉积作用直接影响地下含水层的发育条件ꎬ尤其是不整合接触地层界面含隔水层特 征会发生差异性变化ꎻ通过对地层不整合接触面处发育的风化带、古河床性质分析ꎬ利用沉积规律与 水文地质结构概化和水文地质勘探方法ꎬ提出了地层不整合界面易造成地层界线与水文地质边界不 重合的越层水文地质现象ꎬ即含水层跨过地层界限同时发育于不同地层之中ꎮ 对不同类型的越层水 文地质现象进行了分类分析ꎬ概化出“平行－减薄”型、“平行－增厚”型和“侵蚀－增厚”型 ３ 种主要的 越层水文地质结构模型ꎮ 结合我国现阶段主要产煤区的沉积地质及水文地质条件进行分析ꎬ研究了 鄂尔多斯盆地侏罗系煤田顶板直罗组砂岩含水层和华北地区石炭－二叠系煤田底板奥陶系灰岩含水 层存在的越层水文地质现象及其对煤层开采的影响ꎬ并提出了考虑越层水文地质现象时矿井综合防 治水措施ꎮ 研究表明侏罗系煤田开采顶板延安－直罗组地层间越层水文地质现象使得隔水层厚度 减小ꎬ矿井水文地质条件更加复杂ꎻ石炭－二叠系煤层开采过程中ꎬ由于底板奥灰顶部的越层水文地 质现象ꎬ使得底板隔水层厚度增加ꎬ可将部分奥灰地层作为隔水层进行利用ꎬ有助于煤层开采过程中 的底板奥灰水害防治ꎮ 关键词不整合接触面ꎻ越层水文地质现象ꎻ矿井防治水ꎻ风化带 中图分类号Ｐ６４１ꎻＴＤ７４１ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０２００８－０１５０－０７ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｏｆ ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ＷＡＮＧ Ｘｉｎ１ꎬ２ꎬＧＵＯ Ｘｉａｏｍｉｎｇ１ꎬ２ꎬ３ １.Ｘｉ’ａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ ＣｏｒｐꎬＸｉ’ａｎ ７１００７７ꎬＣｈｉｎａꎻ２.Ｓｈａａｎｘｉ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｗａｔｅｒ Ｈａｚａｒｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ＣｏｎｔｒｏｌꎬＸｉ’ａｎ ７１００７７ꎬＣｈｉｎａꎻ３.Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａ 收稿日期２０２０－０１－１８ꎻ责任编辑曾康生 基金项目国家重点研发计划资助项目２０１７ＹＦＣ０８０４１００ꎻ国家自然科学基金青年基金资助项目４１８０７２２１ 作者简介王 新１９６３ꎬ男ꎬ陕西西安人ꎬ 研究员ꎮ Ｔｅｌ０２９－８１７７８３２８ꎬＥ－ｍａｉｌｗａｎｇｘｉｎ＠ ｃｃｔｅｇｘｉａｎ.ｃｏｍ ＡｂｓｔｒａｃｔＳｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ａｑｕｉｆｅｒꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅꎬｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｑｕｉｆｅｒ ａｎｄ ａｑｕｉｃｌｕｄｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｃｈａｎｇｅｄ.Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｌｅｏ－ｂｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｕｍꎬｔｈｅｎ ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ ｌａｗｓ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｈｙｄｒｏ￣ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｑｕｉｆｅｒｓ ａｎｄ ａｑｕｉｆｕｇｅｓꎬｉｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｕｎｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｕｍ ｅａｓｉｌｙ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａꎬｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｄｏ ｎｏｔ ｃｏｉｎｃｉｄｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏ￣ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｏｕｎｄａｒｙ.Ｉｔ ｉｓ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｑｕｉｆｅｒ ｉｓ ｆｏｒｃｅｄ ｔｏ ｃｒｏｓｓ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒａｔａ.Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄꎬｔｈｅｎ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｃｒｏｓｓ－ｌａｙｅｒ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄꎬｎａｍｅｌｙ “ｐａｒａｌｌｅｌ－ｔｈｉｎｎｉｎｇ” ｔｙｐｅꎬ“ｐａｒａｌｌｅｌ－ｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇ” ｔｙｐｅ ａｎｄ “ｅｒｏｓｉｏｎ－ｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇ” ｔｙｐｅ.Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏａｌ－ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａꎬｔｈｅｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｉｙ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅ￣ ０５１ 王 新等越层水文地质现象及对煤矿防治水的影响研究２０２０ 年第 ８ 期 ｎｏｍｅｎａ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｚｈｉｌｕｏ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ａｑｕｉｆｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ Ｏｒｄｏｖｉｃｉａｎ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ａｑｕｉｆｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｉｎ Ｊｕｒａｓｓｉｃ ｃｏａｌｆｉｅｌｄｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｏｒｄｏｓ Ｂａｓｉｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎｉｆｅｒｏｕｓ－Ｐｅｒｍｉａｎ ｃｏａｌｆｉｅｌｄｓ ｉｎ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａꎬａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ.Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｏｆ Ｙａｎａｎ－Ｚｈｉｌｕｏ Ｆｏｒ￣ ｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｊｕｒａｓｓｉｃ ｃｏａｌｆｉｅｌｄ ｍｉｎｉｎｇ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｑｕｉｃｌｕｄｅ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄꎬｓｏ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ.Ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｒｄｏｖｉｃｉａｎ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｃａｒｂｏｎｉｆｅｒｏｕｓ－Ｐｅｒｍｉａｎ ｃｏａｌｆｉｅｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｑｕｉｃｌｕｄｅꎬｓｏ ｐａｒｔ ｏｆ Ｏｒｄｏｖｉｃｉａｎ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｌａｙｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ａｑｕｉｃｌｕｄｅꎬｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｆｒｏｍ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｆｌｏｏｒ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｕｎｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅꎻｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｏｆ ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙꎻｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｉｎｅ ｗａ￣ ｔｅｒꎻｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｚｏｎｅ ０ 引 言 我国是世界上煤矿开采水文地质条件最为复杂 的国家ꎬ其矿床水文地质条件的研究是煤矿开采过 程中最主要的研究内容之一[１]ꎮ 矿床水文地质条 件的研究任务就是查明井田范围内含水层、隔水层 分布以及地下水的运动特征和物理化学性质等ꎮ 其 中ꎬ含水层和隔水层分布特征及性质受到地层沉积 条件和后期构造作用影响最为显著ꎮ 国内外在沉积条件对水文地质特征的影响方面 开展了部分研究工作ꎮ 早在 ２０ 世纪 ９０ 年代ꎬ王祯 伟[２]通过分析孔隙含水层的沉积特征与水文地质 条件的关联机理ꎬ提出沉积建造作用影响孔隙含水 层的分布范围、厚度、宏观结构、碎屑粒度组分等ꎬ从 而影响矿井的水文地质特征ꎻ谢渊等[３]分析了鄂尔 多斯盆地白垩系旱谷、沙丘、丘间及沙漠湖等多类型 沙漠亚相碎屑岩沉积形成的砂岩地层结构特征ꎬ研 究了地层结构的水文地质意义ꎻ陈晨[４]从沉积作 用、成岩作用角度剖析了水文地质结构的层序地层 控制、岩相古地理面貌及富水性的沉积控制机理与 规律ꎬ分析了含水层富水性ꎻ楼章华[５]认为地层的 沉积和演化决定了不同地层的空间关系ꎬ进而决定 了地下水动力场分布特征ꎻＪＡＹＡＳＩＮＧＨＡ 等[６]通过 对河流相的研究提出含水层系统演化受到沉积相的 影响ꎮ 由此可见ꎬ国内外在沉积相对水文地质条件 的影响研究方面已经取得了一定成果ꎬ沉积相对含 水介质和隔水层特征的空间分布、结构特征有较大 的控制作用ꎮ 但是ꎬ目前的研究成果多针对沉积对 介质的含水性能影响方面ꎬ主要为沉积体本身的水 文地质特征ꎮ 对于沉积界面由于不整合接触造成的 水文地质差异变化未开展专项研究ꎮ 因此ꎬ尚未有 对跨越不同时代地层水文地质条件延续性或差异性 的深入研究成果ꎮ 大量的煤矿开采揭露资料表明ꎬ在一些地质界 面附近同一地质年代的地层水文地质条件存在明显 差异ꎬ造成含隔水层界面与地层年代及岩性界面 有较大不同ꎬ从而使得防治水工作的目标层位发生 垂向移动ꎬ极有可能造成未预料到的矿井水害发生ꎮ 在煤矿防治水领域ꎬ需准确掌握这种水文地质现象ꎬ 根据其水文地质特征制定科学的防治水措施ꎬ以保 障矿井防治水安全ꎮ 通过分析地层沉积动态过程与水文地质条件的 关系ꎬ提出不同年代地层之间由于地层不整合面而 出现的“越层水文地质现象”ꎮ 结合我国主要产煤 区的华北石炭－二叠系煤田和西北侏罗系煤田开采 过程中主要影响含水层的沉积特征ꎬ研究了奥陶系 灰岩含水层和直罗组砂岩含水层的越层水文地质现 象ꎬ并结合现场揭露的实际含水层分布特点ꎬ提出该 类条件下的防治水技术措施ꎮ １ 不整合地质界面及越层水文地质现象 不整合地质界面指沉积遭受区域抬升后发生沉 积间断－剥蚀ꎬ后期又沉降发生沉积的作用面ꎬ代表 了地层记录的间断或缺失ꎮ 现有研究成果表明ꎬ不 整合面常常伴随着岩层的次生储集空间ꎬ对地下水 赋存及油气储藏有一定影响[７]ꎮ 部分区域由于不整合面的存在ꎬ尤其是顺层滑动、 构造、风化剥蚀、古河床冲刷等作用造成的地层界面附 近形成具有一定厚度的风化壳或破碎带ꎬ其含隔水 性能与自身所在层位岩层有所不同ꎮ 将这种由于不整 合面影响而造成的含隔水层边界与地层边界不一致 的现象称为“越层水文地质现象”图１ꎮ 图 １ 越层水文地质现象示意 Ｆｉｇ.１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｏｆ ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｉｙ １５１ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 根据不整合面的形态和含隔水性能ꎬ结合含 隔水地层的空间组合形态ꎬ概化出煤矿区常见的 ３ 种由于不整合面造成的越层水文地质模型ꎮ １平行不整合接触地层界面ꎬ下部地层在构造 运动过程中受到长期风化形成风化裂隙ꎬ若后续地 层沉积前风化裂隙得到较好充填与压实ꎬ可形成较 好的隔水层段ꎮ 该越层水文地质模型使得下部含水 层厚度减薄ꎬ含隔水层界线向下部含水层移动ꎬ 为“平行－减薄”型图 ２ａꎮ ２平行不整合接触界面下部地层形成风化裂 隙未得到充填ꎬ风化带受上部含水层补给而成为含 水段ꎮ 该越层水文地质模型使得上部含水层厚度增 加ꎬ含隔水层界线向下部隔水层移动ꎬ为“平行－ 增厚”型图 ２ｂꎮ ３古河床冲刷造成河床下侵蚀ꎬ形成的侵蚀不 整合面ꎮ 尤其是辫状河的砂砾岩快速沉积地层中ꎬ 图 ２ 越层水文地质现象类型 Ｆｉｇ.２ Ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｉｙ 古河床位置会形成胶结程度较差的砂体ꎬ受上部含 水层补给成为富水层段ꎮ 该越层水文地质模型使得 局部区域上部含水层厚度增加ꎬ含隔水层界线向 下部隔水层移动ꎬ为“侵蚀－增厚”型图 ２ｃꎮ 由于 区域侵蚀基准面不同ꎬ形成了不规则的不整合接触 面ꎬ侵蚀基准面越深ꎬ砂岩厚度越大ꎬ使得上覆含水 层的厚度、富水性等方面呈现较大差异ꎮ 不整合面造成的“越层水文地质现象”对煤炭 开采过程中水害防治有较大影响ꎬ直接关系到矿井 防治水目标层位的确定ꎮ 水文地质边界跨越地层边 界时可造成隔水层厚度增加或减小ꎬ从而减弱或增 强含水层的水害威胁与影响ꎬ防治水工作的开展需 加强该方面的研究ꎮ 通过总结提出的 ３ 种越层水文地质模型在我国 主要产煤区西北侏罗系煤田和华北石炭－二叠系 煤田较为普遍ꎬ造成矿井实际水文地质条件与预测 情况有所偏差ꎬ从而影响矿井水文地质条件ꎮ ２ 侏罗系煤层顶板越层水文地质现象 随着我国煤炭资源的开发向西部转移ꎬ鄂尔多 斯盆地侏罗系煤田成为我国煤炭的主要开采区域ꎮ 盆地内煤层开采过程中主要面临顶板砂岩含水层水 害影响ꎬ尤其是直罗组砂岩含水层对其影响最为显 著[８]ꎮ 深入探讨研究侏罗系煤层开采顶板的含水 层越层现象对侏罗系煤田开发过程中水文地质条件 的认识有重要意义ꎮ ２.１ 平行不整合接触面越层水文地质现象 侏罗纪延安组地层沉积末期ꎬ鄂尔多斯盆地整 体抬升ꎬ沉积间断ꎬ使得延安组地层顶部遭受到了不 同程度的剥蚀、风化ꎬ与上覆直罗组地层形成平行不 整合接触关系ꎮ 在没有风化剥蚀的条件下延安组地 层上段多以泥岩和粉砂岩为主ꎬ富水性普遍较弱ꎬ属 于隔水层或弱富水含水层ꎮ 直罗组地层下段多以灰 白、灰绿色中粗粒砂岩为主ꎬ底部普遍发育一套厚层 含砾中粗粒砂岩ꎬ属于直罗组较为普遍发育的含水 地层ꎬ是侏罗系煤田开采的主要充水含水层ꎮ 但是ꎬ 由于延安组地层顶部长期的风化剥蚀作用ꎬ使得延 安组顶部具备一定的富水性而出现越层水文地质 现象ꎮ 通过对鄂尔多斯盆地多对矿井水文地质勘探成 果的总结ꎬ在区域内发现大量延安组顶部风化形成 的含水层越层现象ꎮ 地处鄂尔多斯盆地中南部黄陇 煤田的黄陵一号煤矿某工作面 Ｔ５ 钻孔探放水成果 如图 ３ 所示ꎮ 在井下钻孔未进入直罗组地层时即表 现出明显的涌水现象ꎬ到进入直罗组地层底界时水 ２５１ 王 新等越层水文地质现象及对煤矿防治水的影响研究２０２０ 年第 ８ 期 量可达 ６０ ｍ３/ ｈꎬ与后续直罗组含水层涌水量近似ꎬ 表明在孔深 ５１７４ ｍ 间的 ２３ ｍ 厚度延安组泥岩段 存在明显的富水现象ꎬ延安组上段与直罗组下段成 为统一的含水层ꎮ 旬耀矿区照金煤矿、陈家山煤矿 等井下探放水钻孔均发现类似现象ꎮ 图 ３ Ｔ５ 钻孔孔深与涌水量关系 Ｆｉｇ.３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈｏｌｅ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｎｆｌｏｗ ｏｆ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｈｏｌｅ Ｔ５ 大量探查与研究成果表明ꎬ延安组地层顶部存 在明显的风化带富水层位ꎬ厚度可达 １５３０ ｍꎬ造成 含水层底界面下移ꎬ减小了煤层到含水层的距离ꎮ 鄂尔多斯盆地侏罗系煤层开采过程中顶板延安组与 直罗组地层之间的不整合面属于典型的“平行－增 厚”型越层水文地质现象ꎬ煤层与不整合面水文地 质结构模型如图 ４ 所示ꎮ 图 ４ 侏罗系煤层“平行－增厚”型结构模型 Ｆｉｇ.４ “Ｐａｒａｌｌｅｌ－ｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇ” ｔｙｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｊｕｒａｓｓｉｃ ｃｏａｌ ｓｅａｍ 由图 ４ 可知ꎬ原始沉积条件下ꎬ按照地层界线划 分煤层与含水层间距为 ｈ１ꎮ 由于延安组顶界面存 在风化带造成含水层底界面下移 ｈ′ꎬ使得煤层与含 水层间距减小ꎬ即 ｈ２ ＝ ｈ １ － ｈ′ １ 式中ｈ２为煤层到实际含水层距离ꎬｍꎻｈ１为煤层到 直罗组距离ꎬｍꎻｈ′为延安组越层含水层厚度ꎬｍꎮ 由此可知ꎬ侏罗系煤层开采过程中ꎬ越地层界线 的含水层底界面下移现象使得矿井水文地质条件较 初始预测更加复杂ꎮ ２.２ 侵蚀不整合越层水文地质现象 侵蚀不整合源于层序地层学中由于古河床下侵 蚀作用造成的河床与上覆地层的局部不整合现象ꎮ 受沉积时期区域侵蚀基准面控制ꎬ古河床冲刷基底 地层形成河谷并堆积了胶结较差的砂体ꎬ上覆地层 覆盖后形成不整合面ꎮ 鄂尔多斯盆地直罗组沉积时期水体较浅ꎬ早 期以辫状河沉积为主ꎬ后逐渐过渡为曲流河ꎬ晚期 发育河漫湖泊[９]ꎮ 直罗组早期辫状河沉积过程 中ꎬ部分古河床沉积砂体胶结程度较差ꎬ使得河道 砂岩具有良好的渗透性和连通性ꎬ受上覆直罗组含 水层补给成为良好的局部含水体ꎮ 由于不同地区不 同时间段侵蚀基准面各不相同ꎬ形成深度不一、规模 差异的侵蚀河道砂体堆积ꎬ侵蚀基准面越深ꎬ砂岩厚 度越大ꎬ直罗组含水层厚度、富水性等均呈现出较大 差异ꎮ 对于区域的层序地层ꎬ层序地层界面为地层主 要沉积界面[１０]ꎮ 古河床下侵蚀位置河床砂体底界 向下移动ꎬ造成实际含水层边界与层序地层界线不 同ꎮ 在煤田地质勘探中ꎬ由于实际勘探钻孔控制精 度有限ꎬ加之古河床侵蚀范围小ꎬ探查地层界线与层 序地层界线一致ꎮ 古河床位置由于砂体堆积ꎬ在上 覆直罗组含水层补给作用下成为富水体ꎬ局部范围 内直罗组含水层界线下移ꎮ 由于直罗组地层沉积时 期古河床侵蚀造成的侵蚀不整合面属于“侵蚀－下 移”型越层水文地质现象ꎬ煤层与不整合面水文地 质结构模型如图 ５ 所示ꎮ 图 ５ 侏罗系煤层“侵蚀－下移”型结构模型 Ｆｉｇ.５ “Ｅｒｏｓｉｏｎ－ｄｏｗｎｗａｒｄ” ｔｙｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｊｕｒａｓｓｉｃ ｃｏａｌ ｓｅａｍ 由图 ５ 可知ꎬ在原始地层沉积条件下ꎬ按照区 域钻孔勘探得出的地层界线划分煤层与含水层间 距为 ｈ１ꎮ 由于局部古河床造成的下侵蚀现象ꎬ在 古河床影响范围内造成直罗组含水层向下移动ꎬ最 大下移厚度 ｈ′ꎬ煤层与直罗组含水层实际间距同样 可以用式１表示ꎬ式中 ｈ′即表示古河床侵蚀向下 的厚度ꎮ 由此可知ꎬ“侵蚀－下移”型越地层界线的水文 ３５１ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 地质现象使得矿井局部范围内水文地质条件较初 始预测条件更加复杂ꎮ 该类型越层水文地质现象 造成的水害事故在鄂尔多斯盆地近年来时有发 生ꎮ 内蒙古某煤矿由于古河床侵蚀砂体堆积造成 最大水量２ ０００ ｍ３/ ｈ的溃水溃砂事故ꎮ 此外ꎬ在陕 西彬长、铜川、黄陵等矿区部分煤层顶板延安组较 薄区域甚至有古河床直接下侵蚀造成煤层缺失的 现象ꎮ ２.３ 越层水文地质现象对矿井防治水影响 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤层开采过程中受到越层 水文地质现象影响ꎬ使得矿井开采水文地质条件趋 于复杂ꎬ甚至造成较为严重的水害和溃水溃砂事故ꎮ 越层水文地质现象对侏罗系煤层开采的影响主要表 现在 ２ 个方面ꎮ １延安组与直罗组地层界面“平行－增厚”型越 层水文地质现象ꎬ使得延安组风化裂隙带成为富水 性相对较好的含水层ꎬ含水层厚度增加且延安组隔 水层厚度减小ꎮ 按照地层界线间距留设防水煤柱会 造成顶板含水层涌水ꎮ ２“侵蚀－增厚”型越层水文地质现象ꎬ造成古 河床侵蚀和砂体堆积ꎬ加之河床规模小ꎬ隐蔽性强ꎬ 古河床位置含水层底界下移ꎬ含水层厚度增加ꎮ 煤 层开采裂隙带波及到古河床时造成含水层涌水ꎬ垮 落带波及到古河床位置时甚至发生严重的溃水溃砂 事故图 ６ꎮ 图 ６ 越层水文地质现象对矿井水害影响示意 Ｆｉｇ.６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｏｆ ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ｏｎ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ 侏罗系煤层开采过程中需对煤层顶板不整合面 造成的越层水文地质现象重视ꎬ制定合理的防治水 措施ꎬ避免造成顶板涌水事故ꎮ 防治措施主要从 ３ 方面开展①通过井上下物探和水文地质勘探ꎬ查明 井田区域风化带发育范围、厚度ꎬ查明风化带与正常 地层的富水性差异、岩性变化等ꎻ②合理调整工作面 开采参数与煤层厚度ꎬ控制导水裂隙带发育高度保 证其不会波及到水文地质边界底部[１１]ꎻ③采用井下 物探、钻探联合探查手段ꎬ查明工作面范围内延安组 顶部富水异常区并进行超前疏放ꎮ ３ 石炭－二叠系煤田底板越层水文地质现象 ３.１ 奥陶系顶部越层水文地质现象 华北煤系地层基底为巨厚奥陶系灰岩地层ꎬ沉 积环境总体为海相沉积ꎮ 华北地区在早奥陶世发生 海侵ꎬ沉积了厚层的碳酸盐岩ꎬ中奥陶世之后发生海 退ꎬ华北陆表海上升为陆ꎬ使得上奥陶统地层被剥 蚀ꎬ并发生强烈的风化作用[１２]ꎮ 从晚奥陶世至下石 炭世ꎬ区域内中奥陶统长期遭受风化剥蚀ꎬ风化裂隙 被石炭系泥质物充填并压实形成具有一定隔水性能 的古风化壳ꎮ 我国华北型煤田开采过程中主要面临底板太原 组灰岩和奥陶系灰岩含水层水害影响ꎬ其中奥灰含 水层水害威胁最为严重[１３]ꎮ 地层沉积环境和后期 大量研究表明ꎬ奥陶系与上覆石炭系地层之间存在 明显的不整合接触关系ꎬ奥陶系地层顶部普遍存在 一定厚度的古风化壳ꎬ同样形成越层水文地质现象ꎬ 从而影响矿井防治水工作[１４]ꎮ 国内外大量学者研究成果表明ꎬ奥陶系灰岩含 水层顶部古风化壳裂隙充填率高ꎬ致密性好ꎬ具备一 定的隔水性能[１５]ꎮ 该现象同样是由于奥陶系和石 炭系地层之间的不整合面造成的越层水文地质现 象ꎬ造成底板含水层顶界面下移ꎬ奥陶系地层界线与 含隔水层界线不一致ꎮ 因此ꎬ由于奥陶系地层顶 部风化壳造成的平行不整合面属于“平行－减薄”型 越层水文地质现象ꎬ煤层与不整合面水文地质结构 模型如图 ７ 所示ꎮ 图 ７ 奥灰顶部越层水文地质现象 Ｆｉｇ.７ Ａｃｒｏｓｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｉｙｓ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｔ ｔｏｐ ｏｆ Ｏｒｄｏｖｉｃｉａｎ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ 由图 ７ 可知ꎬ原始沉积条件下ꎬ按照地层界线划 分煤层与含水层间距为 ｈ１ꎮ 由于峰峰组顶界面存 在风化壳ꎬ造成含水层顶界面下移 ｈ′ꎬ使得煤层与 含水层间距增大ꎬ即 ｈ２ ＝ ｈ １ ＋ ｈ′ ２ 由此可知ꎬ石炭－二叠系煤层开采过程中ꎬ越地 ４５１ 王 新等越层水文地质现象及对煤矿防治水的影响研究２０２０ 年第 ８ 期 层界线的含水层顶界面下移现象使得矿井水文地质 条件较初始预测相对简单ꎮ ３.２ 矿井水害形成条件的影响及利用 奥陶系地层顶部不整合面造成的越层水文地质 现象使得煤层底板隔水层厚度增加ꎮ 采用突水系数 法和其他评价方法对奥灰含水层水害威胁评价时ꎬ 需充分考虑越层水文地质现象对矿井水害形成的影 响ꎬ其修正后的突水系数公式如下[１６] Ｔ ＝ Ｐ ＋ ｈ′/１００ ｈ１ ＋ ｈ′ ３ 式中Ｔ 为突水系数ꎬＭＰ/ ｍꎻＰ 为底板本溪组隔水层 承受的实际水压ꎬＭＰａꎮ 华北型煤田下组煤开采过程中ꎬ需充分考虑该 类越层水文地质现象造成的含水层厚度减小ꎬ煤层 到含水层距离增大的现象ꎬ采用式３进行突水系 数值计算ꎬ合理评价煤层底板奥灰含水层水害威胁ꎮ 但是ꎬ由于古风化壳部分区域由于未受到完整充填ꎬ 或者受到后期断裂构造或陷落柱发育影响ꎬ存在一 定的导水风险ꎮ 煤矿开采过程中需系统研究井田古 风化壳厚度及阻水能力ꎬ结合超前区域治理方式加 固风化壳的薄弱区段ꎬ有效增加隔水层厚度[１７]ꎮ 华北石炭－二叠系煤层开采过程中可充分利用 奥灰含水层顶部越层水文地质现象ꎬ科学分析底板 奥水含水层水害威胁ꎬ做好带压开采区域煤层底板 水害突水威胁评价ꎮ 底板奥灰水害防治主要从几方 面开展①通过井上下物探和水文地质勘探ꎬ查明井 田奥灰顶部古风化壳发育厚度ꎬ查明风化壳阻水性 能、渗透性变化等特征ꎻ②结合煤层开采底板破坏深 度、古风化壳厚度等因素ꎬ合理确定隔水层和有效隔 水层厚度[１８]ꎻ③综合含水层水压、新确定的隔水层 厚度ꎬ评价水害危险性并采取相应的防治水措施ꎻ④ 做好风化壳范围内断裂构造、陷落柱发育等探查、治 理工作ꎬ可采用超前区域治理技术加固古风化壳薄 弱区段[１９－２０]ꎮ ４ 结 论 １地层沉积不整合面常会形成地层界线与水 文地质边界不一致的越层水文地质现象ꎮ 根据风化 带性质、含隔水层位置ꎬ概化出“平行－增厚”型、 “平行－减薄”型和“侵蚀－增厚”型 ３ 种越层水文地 质模型ꎮ ２鄂尔多斯盆地侏罗系煤田ꎬ延安组与直罗组 地层之间的平行不整合面符合“平行－增厚”型越层 水文地质模型ꎬ侵蚀不整合面符合“侵蚀－增厚”型 越层水文地质模型ꎬ直罗组含水层底界面均不同程 度的下移ꎬ矿井水文地质条件趋于复杂ꎮ ３华北石炭－二叠系煤田开采过程中ꎬ底板奥 陶系峰峰组顶部均在古风化壳ꎬ符合“侵蚀－减薄” 型越层水文地质模型ꎬ造成含水层顶界面下移ꎬ增加 了隔水层厚度ꎬ在一定程度上减小了奥陶系灰岩含 水层对矿井水害威胁ꎮ ４矿井防治水工作中需分析不整合面造成的 越层水文地质现象对矿井水文地质条件的影响ꎬ布 设探查工程界定实际含隔水层边界ꎬ合理布设防 治水工程ꎮ 参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ [１] 虎维岳ꎬ周建军. 煤矿水害防治技术工作中几个易混淆概念的 分析[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ ２０１７ꎬ４５８６０－６５. 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