潞安矿区古城煤矿首采区中部安昌—中华大断裂导水性研究

孟彩萍，陈光平

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，太原　030006)

0　前言

古城煤矿是潞安矿区总体规划接替井，煤矿面积157.299 3km2，设计生产规模800万t/a，2010年开始建设，属基建矿井。首采区位于煤矿中东部，面积19.8km2，以安昌—中华地堑为界分为北一盘区、南一盘区。古城煤矿3号煤层达到勘探程度，首采区进行了三维地震勘探、地面瞬变电磁勘探、水文地质补充勘查工作，基本控制了构造形态，查明了矿井水文地质条件。目前南翼辅运大巷、胶带大巷已穿过安昌—中华断裂带。通过勘探及井巷工程基本控制了首采区内安昌—中华大断裂及其伴生断层特征，但由于断层带岩石破碎、裂隙发育，可能使奥灰(“奥陶系灰岩”的简称)岩溶水与太灰(“太原组灰岩”的简称)岩溶水通过断层带产生一定水力联系，给矿井大巷掘进造成隐患，因此，根据勘探及矿井资料，对该断裂的导水性进行研究就显得尤为必要。

1　地质及水文地质条件

古城煤矿位于太行山中段西侧上党盆地西部，地表被第四系黄土覆盖，总的趋势为西高东低，属低山丘陵平原区。局部黄土冲沟发育，属高原盆地内的河谷平原区。煤矿东部外为漳泽水库，西南边界有岚水河，东北边界有降河，煤矿内两条河流河床平缓开阔，属海河水系。本区属温带大陆性季风气候，年平均降水量593.9mm。

1.1　地层及构造

古城煤矿首采区内无基岩出露，勘探钻孔揭露基岩最下部为奥陶系中统上马家沟组，最上部为三叠系下统刘家沟组。主要含煤地层为石炭系上统太原组及二叠系下统山西组。3号煤层位于山西组下部，平均厚6.28m，厚度大且稳定，是矿井的主采煤层。

据地质及三维地震勘探成果，首采区北一盘区总体为走向SN，南一盘区总体为走向NNE，倾向S，倾角4°～6°的单斜构造，但波状起伏普遍发育，并伴有宽缓褶曲；中部断裂构造附近及褶皱轴部，地层起伏较大，地层倾角大于15°，局部达37°。断裂构造以NEE向张扭性断裂为主(图1)。

安昌—中华大断裂位于古城煤矿首采区中部，形成一地堑构造。

1.2　水文地质条件

古城煤矿位于辛安泉域南流泉组子系统，以中部安昌-中华地堑为界，首采区南一盘区处于长治断陷盆地径流带，北一盘区处于襄垣单斜径流带。各含水层由于岩性、埋藏条件及所处位置不同而发生变化。

1.2.1第四系松散层孔隙及基岩风化裂隙含水层

该含水层组受大气降水影响明显，水量丰富。基岩风化裂隙发育深度一般在基岩面以下50～80m，总体上富水性中等—强。

图1　首采区构造纲要图Figure 1　Structural outline map of initial mining area

1.2.2二叠系砂岩裂隙含水层

上石盒子组+下石盒子组+山西组水位标高907.15～914.10m，单位涌水量0.009～0.043L/(s·m)，总体富水性弱，局部富水性较好。下石盒子组+山西组水位标高689.87～769.56m，单位涌水量0.000 4～0.011 2L/(s·m)，富水性弱。由于各组含水层富水性弱，很难形成统一的地下水流场。

1.2.3石炭系砂岩夹薄层灰岩裂隙含水层

水位标高648.99～665.89m，单位涌水量0.000 8～0.008 2L/(s·m)。以安昌-中华地堑为界，含水层富水性北一盘区明显强于中部断裂带及南一盘区，含水层富水性弱且不均一。

1.2.4奥陶系石灰岩溶裂隙含水层

1)含水层岩溶发育特征及流场。据钻探、测井、简易水文观测资料，首采区内以安昌—中华断裂地堑为界，南一盘区与北一盘区峰峰组厚度及下段岩性特征有明显差别。如GS-1、0707号孔位于北一盘区，峰峰组厚度200.34～241.58m，下段硬石膏岩、膏溶角砾岩段厚度大，但岩溶裂隙不发育，未见钻井液漏失；而位于南一盘区GS-3号孔峰峰组厚度171.70m，峰峰组下段两层膏溶角砾岩之间发育一层12.69m厚石灰岩，溶隙、溶孔发育，钻井液全漏，为峰峰组含水层。

据抽水试验资料，峰峰组含水层水位标高634.76～635.87m， 见图2， 但北一盘区含水层单位涌水量为0.000 4～0.003L/(s.m)，弱富水区； 而南一盘区单位涌水量为0.127～0.813L/(s.m)，中等富水区。以中部安昌—中华断裂地堑为界，峰峰组含水层富水性明显不同，说明南、北两盘区分属于不同的水文地质单元，北一盘区处于襄垣单斜径流带，南一盘区处于长治断陷盆地径流带。

图2　奥灰含水层等水位线及富水性分区Figure 2　Ordovician limestone aquifer water level contour map and water yield property division

2)3号煤层奥灰水带压开采分析。矿井主采3号煤层位于山西组下部，在北一盘区3号煤层底板标高为280～464m，安昌-中华地堑构造带内底板标高为-20～350m，南一盘区为230～416m。而奥灰含水层水位标高在634～636m，可见3号煤层全部位于奥灰水水位标高以下，属奥灰水带压开采，具有底板突水的危险。

根据《煤矿防治水规定》，计算3号煤层底板突水系数：北一盘区为0.024～0.034MPa/m，南一盘区为0.024～0.035MPa/m，安昌-中华地堑范围内为0.036～0.056MPa/m，均小于受构造破坏块段突水系数0.06 MPa/m，矿井带压开采危险性小。但由于采掘活动形成矿压影响，断裂构造所受应力状态发生变化，具有滞后突水的可能性，因此，在断裂破碎带采掘时做好超前探测工作。

2　首采区安昌—中华大断裂控制情况

安昌—中华大断裂西起煤矿南二盘区的艾庄，东至东一盘区崔邵村中华正断层尖灭处，处在煤矿中部，全部被第四系黄土覆盖。据地质及三维地震勘探资料，安昌断层、中华断层及其伴生断层形成一地堑，地表宽度约为500m，其断层走向及落差已基本控制(图3)。

2.1　安昌断层及其伴生断层

该断层群以安昌断层(DF43)为主，位于首采区中部偏北，垂直和水平断距均远大于其伴生断层。伴生断层的倾角跟安昌断层有高度的一致性，走向N55°E，倾向S35°E，倾角为75°，破碎带较宽，在10～50m(图3)。三维地震勘探解释断层在3号煤层中最大落差240m，区内延展长度为3 930m；15号煤层最大落差193m。

2.2　中华断层及其伴生断层

该断层群以中华断层(DF24)为主，位于首采区中部偏南，垂直断距和水平断距均远大于其伴生断层。其断层均为正断层，走向N55°E，倾向S35°E，倾角75°，破碎带较宽，在10～50m。三维地震勘探解释断层在3号煤层中最大落差128m，区内延展长度为3 250m；15号煤层最大落差124m。GS-2号孔揭露中华断层(DF24)，钻孔两次遇断层破碎带，上部断失山西组3号煤层，揭露太原组94.70m及奥陶系峰峰组47.9m后，在孔深720～851m又遇断层破碎带，孔深851m见上马家沟组灰岩。断层破碎带呈碎块状、斑块或团块状结构，局部呈角砾状，泥质胶结，擦痕、滑面多见，夹6层薄层石灰岩及15号煤层， 由于受构造应力挤压， 该断层破碎带呈弯曲形态。据岩性及标志层推断GS-2孔附近中华断层落差在117m 左右，与三维地震勘探解释中华DF24断层在3号煤层中落差基本一致。

图3　安昌-中华断裂地堑剖面Figure 3　Anchang-Zhonghua graben section

3　安昌—中华大断裂导水性研究

3.1　地面瞬变电磁勘探

根据首采区瞬变电磁勘探报告，将二叠系砂岩K10、K8、3号煤底板及K7富水性分区图进行叠合，可以显示3号煤回采时大部分区域隔水性较好，不利于水力上下联系。矿井南翼三条大巷穿越断裂构造时整体富水性差，仅安昌、中华-1、中华断层破碎带中局部富水性较强，推断为砂岩裂隙渗漏积水。砂岩裂隙水是断层的主要充水水源，断层一般不导通奥灰水含水层，断层整体富水性差。

3.2　矿井大巷掘进

目前，古城煤矿南翼胶带大巷、辅运大巷在穿过安昌-中华断层时均进行了超前探放水，如南翼辅运大巷过DF57、DF56、DF43安昌断层时施工探水钻孔均有不同程度的涌水，涌水量1.3～16.17m3/h，水化学类型为HCO3-Na型、HCO3·Cl-Na型，为砂岩裂隙含水层水。

南翼辅运大巷2#联巷过DF24中华断层超前探放水，施工8个探水钻孔，孔深93～126m，在孔深23.8～58m段各孔均有出水现象，钻孔涌水量5～30m3/h，后经过疏放水及注浆治理，大巷安全通过。

经过综合分析，探放水钻孔涌水应是断层带上盘石盒子组砂岩裂隙含水层水，含水层补给来源有限，经过一段时间的疏放，流量减小，说明断层带水平及纵向上水力联系差。

3.3　钻孔简易水文地质观测

GS-2号孔揭露中华断层(DF24)，钻孔两次遇断层破碎带，上部断失山西组3号煤层，下部断失峰峰组下段及上马家沟组上段，岩心破碎严重，为断层破碎带泥岩、粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩，夹薄层石灰岩数层及煤层。破碎段钻进时钻井液消耗量0.10m3/h，没有变化，说明无含水层裂隙联通。

3.4　地堑两侧岩性分析

从(图2)来看，位于地堑北部的安昌断层及南部的中华断层，其下盘的上组煤均与断层上盘的上石盒子组底部K6粗砂岩对接，下组煤与山西组细砂岩对接。由于上、下石盒子组、山西组砂岩富水性微弱，补给条件受到很大限制，断层破碎带以断层角砾泥岩为主。从断层两侧岩层对接分析来看，首采区北一、南一盘区开采上组3号煤层至安昌-中华断层带附近时，通过断层破碎带接触含水层富水性弱，补给量很小。

3.5　断层带附近含水层富水性及水化学特征分析

首采区内不同时期水文孔资料，及收集矿井建设期间水质分析资料共计49件，详见表1、表2。

由表1可以看出，首采区内奥灰水富水性弱至中等，太灰水富水性弱，两者的水化学类型相差较大，表明正常地段奥灰水与太灰水无水力联系。但是在断裂构造地段由于岩石错动使奥灰含水层与太灰含水层二者对接，以及断层带本身岩石破碎、裂隙发育，可能使奥灰峰峰组岩溶水与K2灰岩水通过断层带产生一定水力联系。

表1　峰峰组灰岩与太原组K2灰岩水文地质特征对比

表2　不同含水层组水化学特征

分析认为如果在地层中发生了奥陶系灰岩水沿断裂或陷落柱向上对太原组以上含水层的顶托补给，上部含水层 HCO3-Na型水势必受到奥陶系HCO3·SO4-Ca·Mg型灰岩水的影响，将发生CaCO3的沉淀，而使水化学类型变为SO4-Na型，或者至少水中的SO4离子含量出现明显升高。但勘查区内采集的太原组及二叠系矿井水样均以HCO3-Na型为主，见表2，这说明断裂带附近奥陶系灰岩水对太灰水及二叠系地下水的补给可能性不大，各含水层在纵向上不存在水力联系，说明安昌-中华大断裂原始状态下在纵向上几乎不导水。

4　结论

综合分析，安昌-中华地堑在水平上两侧水力联系较弱，呈具阻水特性；大断裂区域顶板二叠系含水层与地表水、第四系孔隙水和奥灰水的水化学特征差异较大，富水性差异不同，水位标高不一致，因此，判断各含水层在纵向存在水力联系的可能性小，说明中华-安昌大断层在纵向上几乎不导水。但是考虑到地层本身的复杂性、大型断裂结构局部复杂多变的情况，加上采掘工程扰动，不排除矿井大巷施工过程中出现突涌水情况的可能，为此应严格执行“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，做好隐伏断裂构造的探查治理工作。

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