唐庄矿水文地质特征研究

唐庄矿水文地质特征研究
冀明君1，2 姜波1史向明2 金法礼1
1. 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 (221008)
2. 江苏宏安集团有限公司，江苏徐州（221137)
E-mail：jiangbo@
摘要:在唐庄井田水文地质条件分析的基础上，深入研究了边界断层的导水性以及太原组灰岩充涌水性等特征。

结果表明井田北界的F29断层是隔水的，南界F5断层带既不含水也不导水，-225m水平近南北向展布的唐F1逆断层与唐F2正断层相交切，两断层带不导水，使地下水运动受阻，并将唐庄矿分为西区水文地质条件复杂区和东区为水文地质条件简单区；太原组灰岩岩溶裂隙由浅至深发育程度逐渐减弱，具有明显的垂直分带性。

关键词:唐庄矿；水文地质；断裂；岩溶
水害事故是煤矿安全生产的重大隐患之一，已引起人们的高度重视，并从不同的角度进行了有益的探讨和研究［1，2］。

根据对华北型煤田剖面、平面和水力内边界的水文地质特征的系统综合分析，武强等（2000）提出了煤矿井立体充水地质结构理论，指出内边界是煤矿井立体充水地质结构理论的核心［3］，并根据空间几何形态，划分了点状岩溶陷落柱型内边界、线状断裂(带)和裂隙型、窄条状隐伏露头型及面状裂隙网络(局部面状隔水层变薄区)型四种内边界基木类型；牛森营（2006）对焦作矿区水文地质内边界特征进行了研究，并依此提出焦作矿区矿井防治水对策[4]。

唐庄井田位于徐州复背斜的贾汪—潘家庵含煤盆地的北西翼，本区属南温带的鲁淮区, 且有长江流域与黄河流域气候的过渡性, 年降雨量比较充沛, 年平均降雨为869.9mm , 最高年降雨量为1559.1mm , 降雨集中在每年的7 、8 月，占年降雨量的60 %左右。

区内总体构造形态为一单斜构造，地层平缓，倾角10～41º，一般15～20º，并发育有次级向斜、背斜各一个，区内断裂构造较为发育,井田南、北两翼分别被F5、F29断层切割，西为太原组煤层露头, 东为F29 和F5 断层交汇处, 形如一个三角形, 东西长约3.5km , 南北宽约1.2km。

矿井水文地质条件主要受边界断裂、太原组岩溶裂隙的控制和石炭系、奥陶系隐伏露头区的控制，矿井水的补给主要来源于大气降水。

1. 井田边界断裂及其导水性
1.1 边界断裂
唐庄矿北边界为F29正断层，断层走向NW75～85º，倾向SW，倾角70～76º，落差6～150m，由于落差变化大，剖面上显示上盘太原组煤层与下盘太原组和奥陶系灰岩对接；南边界为F5断层，断层走向70º～75º，倾向SE，倾角55º～85º，落差410～700m，是一条区域性的大型张扭性断层，由于落差大，剖面上显示下盘太原组煤层与上盘的上、下石盒子组对接；东边界为F5和F29断层的交切带；西边界为石炭系、奥陶系隐伏地层露头区，呈一向SE倾斜的单斜构造（图1）。

图1 唐庄矿区地质构造图
Fig.1 Structural Map of Tangzhuang Minefield
1.2 断裂导水性
F29和F5断裂构造是影响井田水文地质条件的重要因素，为了矿井的安全生产，对它们
进行了较为大量的探测和研究工作，白集一井-78m两条太原组越界石门、青山泉乡四矿四
条太原组巷道穿过F29时，断层无出水现象，说明该断层是隔水的；F5断裂带既不含水也不
导水，主要依据为：①物探显示断层带宽度约50m，但无水，并且被孔深700m的钻孔所验证；②白集煤矿副斜井、白集五井-80m、白集七井-130m、鹿庄煤矿-175m水平巷道和韩桥
煤矿潘家庵井-200m运输石门穿过F5，断层带均无水；③1970年前，沿F5断层带下盘的罗
围子—泉河村一带地面出露泉群，形成泉河，表明断层具有隔（阻）水性。

通过钻探、物探、巷探等手段，基本查明井田边界条件，宏观分析可视为半封闭式的水
文地质单元。

该井田-225m水平展布近南北向的唐F1逆断层与唐F2正断层交切，两断层带
不导水，使地下水交替运动受阻，因此，唐F1、唐F2断层东区水文地质条件较为简单，可
视为封闭的水文地质单元（图1）。

2. 太原组灰岩岩溶及其富水性
2.1岩溶发育规律
太原组含有13层石灰岩，因灰岩岩性、厚度不同，各层灰岩岩溶发育存在差异性，L2、L3、L4、L10、L12厚度相对较大、质地较纯、裂隙也较发育，因而岩溶较为发育，富水性好；L1、L11、L13厚度小，含泥质较多，岩溶裂隙不发育，富水性弱；其它各层灰岩处于中间状态。

勘探钻孔揭露各层灰岩溶洞裂隙情况和井下实际均反映了上述规律（表1）。

表1 钻孔揭露各层灰岩溶洞裂隙统计表
Table. 1 Statistics of karst fissure of each layer limestone uncapped by drills
灰岩编号L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13
溶洞裂隙
2 14 8 12 5 5 5 4 2 6 0 6 0 （次）
2.2 岩溶发育垂直分带性
岩溶是地下水沿灰岩露头和其中的裂隙由浅入深地进行交替中产生的。

由于水的侵蚀性及交替强度随渗透距离增大而减弱，且又有侵蚀基准面的限制，因此导致岩溶的垂直分带性
及岩溶发育的终止深度。

太原组的补给水源主要为地表水，矿井的西翼为一单斜构造，灰岩
水的进出水口只能并存于露头带，也只能由西部的高处向东部低处进行局部交替运动。

由于
受唐F1、唐F2断层切割，地下水受阻，因此强度有限，范围不大，岩溶裂隙发育的深度在
-225m水平以上。

唐F1、唐F2断层东部由于太原组灰岩埋藏深，且受F29、F5断层切割呈一
封闭状态，灰岩水的进出条件极差，水的交替活动微弱，故太原组灰岩岩溶不发育或岩溶弱
化。

勘探钻孔资料证实，岩溶裂隙发育深度由浅入深逐步减弱，具有明显的垂直分带性。

-110m水平以上见溶洞裂隙44次，占统计层数的63.8%，-110～-225m只有20次，占28.9%，
而-225m水平以下仅有5次，占7.3%（表2）。

太原组灰岩岩溶发育垂直分带性，在唐庄煤
矿的开采过程也得到验证，该煤矿南翼-225m水平以上20、21煤回采时，其顶板L10、L12
溶隙多为黄泥充填呈泥状，俗称“黄泥顶”，水平愈高黄泥顶愈严重，说明该区地下水交替活
动强烈；而-225m水平下则未见黄泥顶，地下水交替活动相对较弱。

表2 分水平溶洞裂隙统计表
Table 2 Statistics of karst fissure on different lever
水平(m) -45以上 -45～-80 -82～-110 -110～-150 -150～-225 -225以下
19 14 11 9 11
溶洞裂隙
5 次44 20
3. 充涌水特征
太原组煤系总体为一向SE倾斜的单斜构造，具有单面充水特征，各灰岩含水层露头直接接受第四系孔隙水和间接接受地表水垂向入渗补给，灰岩露头为矿井充水的进水通道口。

矿井的充水水源主要是大气降水、地表水，其次是奥灰水和太原组开采煤层顶、底板及波及
的灰岩水。

3.1 大气降水
徐州地区汛期一般始于6月下旬，至9月中旬结束，降水主要集中在七、八两个月，因此矿井涌水量呈现周期性变化规律，大体可分为7～9月丰水期，10～翌年1月平水期和2～
6月枯水期（图2）。

汛期矿井涌水量的特点是来得快，去得快，浅部水平（-145m水平上）
大雨后6～8h可见黄浑水，矿井总涌水量比正常涌水量增加1～3倍，天晴三至五日不雨，
涌水量又迅速衰减平稳。

深部水平，由于地下水运移距离拉长，因此-145～-225m水平最大
涌水量出现滞后2～3d（图3），延续的时间也较浅部水平长。

井下突水点涌水量也表现了同
样的特点，为矿井防治水工作带来一定的难度，但也为矿井水疏干创造了条件。

图2 矿井涌水量与降水量关系曲线图（1990～1997年）
Fig.2 Relation curve of mine flowing yield and amount precipitation (years 1990-1997)
图3 矿井涌水量与降水量关系曲线图（2005年6～9月）
Fig.3 Relation curve of mine flowing yield and amount precipitation (Jun.-Sept, 2005)
3.2太原组灰岩水
由于太原组灰岩岩溶裂隙发育，含水层内赋存大量的静水储量，水压较大，当巷探、钻探或采掘破坏波及灰岩含水层时，则容易导致涌突水事故的发生。

如1987年10月，-183m 水平21煤南巷初见小型断层引起L12突水，最大突水量为600m3/h，2h后水量减少到240m3/h，12h后减少到24m3/h，而后变为淋水，一周后基本消失；1992年7月，-225m南翼718回采工作面，初次来压后，L9灰突然涌突水，最大突水量384m3/h，3.5h后降到174m3/h，12h 后水量衰减至42m3/h。

太原组涌水量大于30m3/h涌（突）水点统计资料（表3）表明，本矿井太原组不同灰岩的富水性存在较大差异。

L13无出水点，钻孔无岩溶裂隙层（次）；L12出水点19个，水点水量48～600m3/h，钻孔岩溶裂隙6层（次）；L11无出水点，钻孔无岩溶裂隙层（次）；L10出水点3个，水点水量90.0～
表3 唐庄煤矿太原组突（涌）水点统计表
Table 3 Statistics of points of water bursting and gushing
序号地点时间标高(m) 类型含水层最大涌（突）水量(m3/h)
1 -145北翼下山85.6 -155
灰岩水L10 60.0
2 -110北翼石门86.2 -110
灰岩水L12 72.0 3 1001工作面86 -105
灰岩水L12 60.0 4 723工作面86.5 -140
灰岩水L9 120.0
5 -145北石门86.5.24 -145 灰岩水L12 297.0
6 -183石门87.22 -183
灰岩水L10 163.8 7 -183石门87.10 -183
断层水L12 600.0
8 716工作面88.4.24 -183 灰岩水L9 402.0
9 729工作面89.2.4 -170
灰岩水L9 300.0 10 -225南石门90.7 -225
灰岩水L12 60.0 11 731工作面90.8.2 -190
灰岩水L9 150.0
12 -225南巷21石门90.9.30 -225 断层水L12 48.0
13 -225南巷Ⅹ～Ⅶ石门90.11 -225
灰层水L10 90.0 14 -225井底车场91.8 -220
断层水L12、C2b54.0
15 718工作面92.6 -211
灰岩水L9 384.0 16 718工作面92.7.1 -210
钻孔水/ 30.0
17 东一采区上山93.7.18 -150 老空水青山泉乡四矿老塘
水
300.0
18 东二采区煤巷94.5.12 -272 灰岩水L12 60.6
19 737工作面94.10.24 -237 钻孔水/ 72.0
20 -330探煤石门95.3 -330
灰岩水L9 78.0
21 17煤探巷95.3.19 -330 灰岩水L9 36.6
22 12煤探巷95.4.20 -183 灰岩水L6 48.0
23 17煤探巷95.7.16 -330 灰岩水L9 69.0
24 -183m11煤探巷96.7 -180
灰岩水L6 60.0
25 -225m南巷14煤石门98.5.15 -225 灰岩水L8 90.0
26 747工作面98.8.29 -320 灰岩水L9 49.8
27 -145m20煤采面切眼98.11.10 -110 老空水/ 54.0
28 -225m南巷上山2005.8.3 -183 地面水/ 520.2
注：①本表统计≥30m3/h的突水点，②19突水点在地面采取封堵措施
163.8m3/h，钻孔岩溶裂隙6层（次）；L9出水点9个，水点水量36.6～402.0m3/h，钻孔岩溶
裂隙2层（次）；L8出水点1个，水点水量90.0m3/h，钻孔岩溶裂隙2层（次）；L7无出水
点，钻孔岩溶裂隙5层（次）；L6出水点2个，水点水量48～60m3/h，钻孔岩溶裂隙5层（次）。

按出水点次数、水点水量大小，并参考钻孔统计的岩溶裂隙层（次），对L6～L13含水层富
水性的排序为L12>L9>L10>L8>L6>L7>L11。

另外，井下还揭露L5出水点1个，水点水量6m3/h。

依据以上两个突水实例和太原组灰岩涌出水特征分析，可见唐庄矿具有如下突（涌）水
特征：①突水点瞬时水量大，水量衰减幅度快，说明消耗水量以静储量为主，动水补给来
源不丰富；②断裂带、构造裂隙带发生的突水点，有明显的出水征兆，出水点水量大，来
势猛；③深部出水点比浅部出水点涌水量小；④南翼出水点比北翼出水点涌水量大；⑤ 21
煤、17煤回采出水点比20煤回采出水点涌水量大，且延续时间长。

4. 矿井水文地质分区
依据矿井水补给条件、受地表水影响程度、含水层及富水性、出水点及其涌水量和构造
特征的综合分析，唐庄煤矿以唐F1、唐F2断层为界，可以分为西区水文地质条件复杂区和
东区为水文地质条件简单区（表4）。

并依据不同采区的水文地质条件制定了相应的防治水措施，为矿井的安全生产提供了有力保障。

表4 唐庄矿水文地质分区表
Table 4 Hydrogeologic subdivision of Tangzhuang Mine
分区依据
西区
（唐F1、唐F2断层以西地区）
东区
（唐F1、唐F2断层以东地区）
补给条件
太原组地层直接与冲积层底板接触，垂向与
侧向补给条件好。

太原组地层上覆山西组、下石盒子组弱含水的盖
层，补给条件差。

受地面水影响程度
地面有屯头河、塌陷区，受地面水的影响较
大。

因太原组地层上覆盖山西组、下石盒子组地层，
受屯头河、塌陷区水影响较小。

含水层及富
水性
浅部水平各灰岩含水层溶隙比较发育，富水
性较强。

受唐F1、唐F2断层切割影响，地下水交替受阻，
深部水平各灰岩含水层溶隙发育较差，富水性较
弱。

水点、涌水量涌（突）水点多，涌水量大。

涌（突）水点少，涌水量小。

构造形态
井田的北、东、南边界分别被两条隔水断层
交切，西边界有隐伏露头区，呈一向SE倾斜
的单斜构造。

该区呈三角形，均被断层切割，可视为断块构造。

水文地质单
元
该区呈向SE倾斜的单斜构造，为半封闭的
水文地质单元。

因断层切割，为封闭的水文地质单元。

5. 结论
通过唐庄矿水文地质条件的综合研究，可以得出如下结论：
（1）矿井边界断裂F29和F5既不含水也不导水，近南北向的唐F1逆断层、唐F2正断层为不导水断层，使地下水交替运动受阻，并将矿井分为西区水文地质条件复杂区和东区为水文地质条件简单区两个区域；
（2）矿井水的补给主要来源于大气降水，矿井涌水量随降雨量呈现周期性变化，汛期矿井涌水量的特点是来得快，去得也快；
（3）本矿井太原组不同灰岩的富水性存在较大差异，岩溶裂隙发育深度由浅入深逐步减弱，具有明显的垂直分带性，对L6～L13灰岩含水层富水性的排序为L12>L9>L10>L8>L6>L7>L11。

参考文献
[1] 梁秀娟，林学钰，于军. 虚拟现实技术在水文地质研究中的应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2005, 35（5）：636－640.
[2] 刘国林. 加强煤矿水害防治工作的法规依据和对策建议[J]. 中国煤田地质，2006，18（6）：40－42.
[3] 武强，董东林，钱增江，等. 试论华北型煤田立体充水地质结构理论[J]. 水文地质工程地质，2000，（2）：47－49.
[4] 牛森营. 焦作矿区水文地质内边界特征研究[J]. 煤炭工程，2006，（8）：66－68.
Research on Hydrogeologic Feature of Tangzhuang Mine,
Xuzhou
Jin Mingjun1，2 , Jiang Bo1, Shi Xiangming2 , Jin Fali1
1. College of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou,
Jiangsu (221008)
2. Hongan Group Ltd. of Jiangsu, Xuzhou, Jiangsu （221137)
Abstract
Based on analysis of hydrogenologic conditions of Tangzhuang Mine, characteristic of water conductiveity of boundary faults and water fulling and gushing of Taiyuan Formation limestone has been studied. The result shows that the northern boundary fault F29 is watertight, and the southern boundary fault F5 is not containing waster and transmissibility. Reverse fault Tang F1 striking near NS intercepted normal fault Tang F2 on lever -225m. The both faults are not transmissibility and arrest groundwater movement. Tangzhuang Mine may be divided into western complex area and eastern simple area of hydrogenologic conditions taking Tang F1 and Tang F2 as a borderline. Development of Karst fissure of Taiyuan Formation limestone has an obvious vertical zonality and density of fracture reduced gradually.
Keywords: Tangzhuang Mine; Hydrogeologic; fault; carst。