复杂地质条件下构造控水机理与水源识别技术研究与应用

1 项目背景

该项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，研究成果为国际先进水平。

矿井突水一直是影响煤田安全生产的主要因素，也是煤田地质领域难以解决的关键地质问题之一。对构造控水机理及涌、突水水源的准确认识，不仅可有效预防矿井突水等地质灾害，还可指导已突水区域的针对性治理。北辛窑井田是同煤集团朔南矿区主要矿井之一，构造位置位于宁武煤田中北部，井田内断裂构造复杂，规模大、条数多，煤层起伏变化大；由于处于构造应力转换区，构造体系复杂、古水系和现今流域发育，井田内水动力条件（场）、水源类型、水源通道以及涌（突）水规律认识不清，导致在掘进过程中出水量大，持续时间长，水位动态变化和水质类型差异较大，严重影响矿井安全生产。项目从地质构造控水机理和水地球化学角度进行了系统研究，进一步明确了该井田的水文地质条件，建立了井田水源识别图版及水质数据库，提出了矿井防治水地质建议，为矿井安全生产提供了地质保障。

2 研究内容

（1）区域地质构造分析

在区域构造背景总结深化的基础上，以宁武煤田区域构造演化和应力场背景为主线，划分和确定煤田内不整合类型，重点研究关键构造活动期次的不整合及其展布特征；结合平、剖面构造组合特征、钻孔沉降史以及地质构造演化剖面和应力场背景分析，分区探讨和恢复构造隆升和沉降活动过程，划分和厘定煤田内关键构造活动期次，明确区域大断裂与隐伏构造分布规律与成因机制；建立不同演化阶段区域构造应力与井田构造形变的耦合关系，探讨其对北辛窑井田古基底、断裂、褶皱、陷落柱（岩溶洞穴）构造的响应特征。

（2）井田构造特征研究

根据地质构造所遵循的普遍规律，通过矿井资料统计、井下地质观测及地震资料解释分析，从系统论观点深入研究井田内构造行迹（断裂、褶皱和陷落柱）展布特征、发育规律及其对煤层赋存的控制作用。具体为：①断裂特征研究：在三维地震精细解释、矿井实测断层工作的基础上，确定井田构造边界条件，明确断裂构造类型，划分断裂构造级别；并断裂体系（走向、倾向、纵向切割层位和横向延伸范围）进行统计，确定断裂平面组合切割关系和空间展布规律；②褶皱特征研究：分析区内褶皱空间展布形态、规模大小及组合（褶皱与褶皱、褶皱与断层）特征，查明褶曲规模；③陷落柱（岩溶洞穴）发育规律研究：以区域构造演化和岩溶陷落柱形成机理等理论为基础，根据目前矿井陷落柱探查（物探、钻探和采掘）结果，结合奥陶系形成演化特征，研究井田内陷落柱或岩溶发育规律，重点分析陷落柱体和充填物的岩性结构、胶结强度和差异度；④隐伏断裂研究：结合古应力、区域大型断裂、古今水系和井下地质剖面特征，综合分析区内隐伏断裂特征及后期活化、改造特征；⑤成因机制与构造样式研究：对断裂与褶皱构造几何学特征进行总结，结合定向样品采集及化验分析，分析区内古构造应力场特征及运动学机制，归纳主要控煤构造样式及分布规律。

（3）水文地质特征分析

①根据研究区的地层发育特征，确定其地下水系统及边界条件，应用钻井资料、抽水试验资料确定研究区的含、隔水层发育层段，确定研究区的含、隔水层发育层段、岩性、厚度、充水性等条件，点-线-面逐级对比，确定含、隔水层发育的空间特征。②结合研究区的自然地理情况，及地下含水层的发育特征明确矿井水补给源、径流循环、排泄条件。确定矿井水的充水水源及充水通道。③在构造解析的基础上，明确断层的隔、导水性划分水文单元，并进一步分析地下水的运动条件、运动状态及运动规律，建立地下水动力场。

（4）构造控水机理研究

通过构造单元划分、断裂构造和水文地质特征分析，明确古今水系、岩溶水径流及水动力场的主控因素，并且从成因和动态演化角度探讨断裂带和陷落柱渗透、疏导、强径流特征，结合优势面理论和研究方法，对断层的水文地质特征进行分级。具体为：①断裂对研究区水文地质条件及水文边界的控制作用研究；②断裂系统对岩溶发育及地下水的补、径、排因素的控制机理研究；③构造对突水的控制作用及机理研究。

（5）水文地球化学分析

对研究区范围内与井田矿井水有关的水的类型如砂岩水、地表水、奥灰水等分别取样，送实验室进行分析，确定水样的物理化学特征，及同位素、微量元素地球化学特征，为突（涌）水水源确定提供依据。具体的水文地球化学测试包括：水样的常规离子、微量元素、氢氧同位素及可能指示水源的其它同位素。在水文地球化学测试的基础上，建立矿井水源识别图版和水质数据库。

3 主要研究成果

（1）探讨了宁武煤田区域构造构造应力作用（如图1）对北辛窑井田的石炭系构造变形响应特征，明确了井田构造分布规律与成因机制，充分应用高分辨率层序地层对比及沉积微相识别技术，确定了石炭-二叠系含水层及煤层的纵横向演化特征及赋存规律。

图1 宁武煤田北部构造主应力分析图

（2）利用同位素示踪的“指纹”特性，对氢氧同位素、氚同位素和14C同位素综合判别，厘定了北辛窑井田各含水层的水质特征及水力联系，构建出一套复杂水文地质条件下多层含水层水力联系的综合判别方法，建立了3 种识别图版（如图2），为各含水层水源快速识别提供可靠支撑并得到应用和良好印证。

图2 北辛窑井田含水层组分识别图版

（3）提出NE 向束状断裂网络体系是北辛窑井田的主控水构造和水源通道，具有下降盘导水性明显强于上升盘的差异性特征，将统一的水动力系统分割成多个次级水动力系统，提出井田断裂控水机理，解决了相邻水文孔水位差异大、抽排期水位不明显变化等难题。

4 应用效果

研究成果为北辛窑井田各含水层水源快速识别提供了可靠支撑并得到了应用和良好印证，进一步明确了井田构造控水机理，提出了矿井地质防治水建议，指导了北辛窑井田复杂水文地质条件下的开采部署，减少了由于构造控水作用和含水层水源识别不清等原因，导致井田工作面、巷道布置，巷道掘进、工作面回采以及勘探规划不合理产生的损失。该项成果和技术方法为后续梵王寺、高庄、麻家梁等井田水文地质勘探部署、矿井建设、水源识别、水害质量以及煤层高效开采等提供了可靠的地质保障，在实践验证中取得了良好的效果。