柳江盆地岩浆活动对主力煤田水文地质特征的影响

王 海 军

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077; 2.西北大学 地质学系，陕西 西安 710069; 3.西北大学 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

柳江盆地位于河北省秦皇岛市石门寨镇——驻操营镇，盆地内富含丰富的固体矿产资源如煤炭、铁矿、石英矿、黏土矿等和地下水资源。其中的煤炭资源主要赋存于侏罗系和石炭二叠系2个煤田，属于典型的双煤系煤田，均有具有不同程度的开发;煤系底部的寒武—奥陶系灰岩岩溶水含水层是盆地及其周边城镇市政供水水源层系，保障着秦皇岛市及其周缘居民的生产和生活用水，也是威胁华北煤田矿井安全生产的主要突水水源;此外，盆地内天然的地质资源作为我国北方重要的地质构造、岩石学以及水文地质等学科教学实习基地，是窥视华北地台的天然窗口和实验室[1]。

从煤炭资源赋存面积、资源量和目前盆地内生产矿井的勘查、开采资料均显示石炭二叠系煤田是盆地内主力煤田[2-5]。经过多年的地面、矿井地质调查及地质勘查发现盆地内及其周缘大面积分布的岩浆岩体在侵入、喷发过程中对盆地内的水文地质特征产生了不同程度的影响。此外对威胁矿井安全开采的煤系下伏的高承压、强富水性的寒武—奥陶系灰岩岩溶含水层亦有一定的改造作用。国内外的学者对盆地内岩浆活动、水文地质特征的研究主要集中于岩浆岩的形成时代[6]、盆地构造演化[7-9]、岩浆活动对煤质的影响[10-11]、对岩体的工程地质特征[12-13]和盆地四周地表水[14-16]、浅部的生产矿井防治水[17]和浅层找水、取水等方面的研究[17]以及岩溶水的富水性等[18-30]方面;而对于岩浆活动对盆地内主力煤田水文地质特征影响的研究缺少关注。随着浅部或上组煤煤炭资源的开采殆尽，矿井在向盆地深部或下组煤拓展、延伸推进时深部顶板水、下伏岩溶水突水性问题将不可避免;尤其是盆地西翼大型逆冲推覆体构造和中部岩浆的侵入、喷发对含隔水层结构、物性特征和岩石力学特征以及地下水流场等特征的影响程度需要深入的研究。此外随着盆地内煤炭资源的开发导致地下水水位大面积、大幅度的下降，盆地不同区域内居民水源井供水问题日益矛盾[26]，迫切需要为供水水源井的勘查部署指明方向。同时，查明盆地主力煤田水文地质特征对盆地内水文地质教学、实习提供基础地质资料。

在资料调查分析的基础上，通过多年的盆地浅部、深部煤田勘探资料的综合分析整理，结合在盆地内煤炭资源勘查施工的地面水文地质调查、水文地质填图、矿井地质调查、电法勘探、水文孔抽水试验辅助岩芯测试、水文地球化学分析、水文测井、示踪试验、钻孔-矿井联合抽水等方法综合研究了岩浆活动对盆地内石炭二叠系煤田水文地质特征的影响。

1 地质概况

1.1 地层及构造特征

柳江盆地为燕山期构造运动形成的一个构造盆地[4,14]，其大地构造单元属于塔里木中朝地台(Ⅰ)—河北板内块体(Ⅱ2)—燕山断褶带(Ⅲ22)—燕山南坡断隆区(Ⅳ26)(图1)，盆地总体近椭圆形，南北长约17 km，东西宽约13 km，面积约221 km2。

盆地的沉积演化经历了基底形成阶段、稳定盖层沉积阶段和强烈活动阶段3个阶段;盆地大致经历了五台、吕梁、蓟县、泰康、海西—印支、燕山和喜山等几个期次的构造运动。柳江煤田主要形成于盖层沉积阶段的第3期中石炭世至晚二叠世沉降，沉积形成了本区的含煤地层太原组、山西组和侏罗系下花园组。中生代强烈的构造运动和岩浆活动，使的盆地内构造复杂化在盆地内及其周缘形成了不同类型的褶皱和断裂构造以及岩浆岩侵入和喷出岩岩体。

1.2 岩浆活动特征

盆地周缘发育的岩浆岩体有前寒武系太古界花岗岩体、燕山期响山花岗岩岩体、后石湖岩体和盆地内中部侏罗系中性钙碱性喷出岩体(图1)。其中对盆地内含煤地层影响较大的为燕山期的安山岩的喷出及闪长岩侵入，属次火山岩类。

地质调查、地质钻探揭露侏罗系髫髻山期岩浆岩的喷发通道为盆地中部的断裂构造，喷发方式为裂隙式间歇式喷发[11]。岩浆岩在煤系地层内的侵入方式有顺煤层、构造、裂隙以及软弱面侵入、吞噬煤层，形成了目前的煤层及其顶底板结构。

盆地内地表出露的岩浆岩在平面上以安山岩、安山玄武岩、辉石安山岩、火山角砾岩为主，偶见火山弹、火山熔岩、枕状熔岩等;在纵向上发育由火山角砾岩、粗面安山岩、粗面岩、安山岩构造成的岩浆岩岩性组合序列。煤系地层内侵入的岩浆岩以闪长玢岩为主，经统计煤系内侵入岩的厚度中部较厚、向四周变薄，具有侵入岩的厚度与地表喷出岩体的厚度呈正相关性[16,21]的特征。

2 盆地水文地质基本特征

2.1 地表水特征

盆地总体地势受盆地周缘、盆地内部岩浆岩体的控制形成了北高南低、西高东低，地表水受地形地貌的控制，自北向南，自西向东流。地表水体的主要为河流和河道两侧的池塘以及小型的水库等，其中河流有大石河、汤河、东宫河、鸭水河等，大石河为常流河，其支流从南到北有八九条，各支流汇流于石门寨，最终于东部的蟠桃于汇入渤海;汤河于海港区西侧汇入渤海(图2)。

图2 区域水系分布Fig.2 Regional water system distribution

(1)大石河。发源于青龙县山前，由西北向东南经柳江盆地后注入渤海，全长70 km，其中60 km的河流段流经山区，有9条小河支流。年平均径流量为1.68×108m3，断面平均流量为0.30～2.61 m3/s;补给以大气降水为主，11—2月为枯水期，水量较小，最小流量仅为0.15 m3/s;7—9月为丰水期，平均流量25.4 m3/s。暴雨过后洪水位线立刻上涨，洪峰之后迅速暴落，最大洪峰流量为4 750 m3/s。将其进一步划分为石门寨汇水亚区、东宫河汇水亚区、驻操营汇水亚区和秋子峪—拿子峪汇水亚区4个汇水亚区。

(2)汤河。发源于抚宁县柳观峪西沟和温泉堡一带，有2个分支，东支发源于抚宁县柳观峪村西北，西支发源于抚宁县温泉堡西南的方家村，其中以东支为主。河流全长30 km，由北向南流经盆地的西翼，最终于秦皇岛海港区西侧汇入渤海。年平均径流量为0.368亿m3，补给以大气降水为主，上游存在部分温泉上升泉补给。属于季节性河流，平枯水期断流，只有在丰水期雨季存在径流。丰水期具有洪峰高流量大、来势猛、历时短和泥沙多等特征，常伴随着泥石流发生，属于上平山汇水亚区。

(3)东宫河。发源于抚宁县李庄东沟，长15 km，由北向南流经柳江盆地东翼，最终于潘桃峪与大石河汇流。流域面积89 km2，主要由东西两个支流组成，其中以东支流为主，两支流在东部落汇合，属于东宫河汇水亚区。

(4)鸭水河。发源于抚宁县韩家岭，全长30 km，由西向东流经柳江盆地南翼，最终在蟠桃峪与大石河汇流，流域面积29 km2。最大洪峰流量为400 m3/s。

2.2 水文地质单元划分

柳江盆地处于华北地台燕山台褶皱带山海关台拱，受地壳运动和地质构造的共同作用，致使本地区形成了近南北向为主的山脉河谷。以浅切割丘陵为主，地势北高南低，西高东低，构造地貌及流水地貌发育，总体表现为沟谷纵横、山脊重叠，谷脊走向为南北向，波状起伏。

盆地是一个小而复杂的地下水盆地，自下而上埋藏寒武系—奥陶系灰岩岩溶承压水、石炭系—侏罗系基岩碎屑岩类承压水、基岩风化裂隙、构造裂隙潜水以及第四系松散层孔隙潜水。其赋存规律、埋藏条件、分布范围和循环特征各异，各自构成相对独立的含水统一体。根据地质填图所获取的盆地的水文地质结构，将柳江盆地含水岩系划分为四大含水层系统，即寒武系—奥陶系碳酸盐岩岩溶含水层系统、石炭系～侏罗系砂砾岩孔隙裂隙含水层系统、基岩风化构造裂隙含水系统、第四系松散层孔隙含水层系统。根据各含水层钻孔抽水试验获取的单位涌水量和泉眼流量将盆地大致划分为第四系松散层孔隙潜水中等富水区、寒武—奥陶系灰岩类岩溶裂隙弱～强等富水区、侏罗系—石炭系碎屑岩类裂隙承压水弱～中等富水区、安山岩及花岗岩风化裂隙弱富水区。地下水总体由北向南、由西、东向中部流动，在南部下平山和东部的蟠桃峪山前排泄。盆地四周和基底由太古代混合花岗岩类组成，共同构成了柳江盆地的隔水边界，使盆地构成了一个完整封闭的储水构造单元(图3)。

图3 柳江盆地水文地质分区Fig.3 Hydrogeological zoning map of Liujiang Basin

根据机井、钻孔以及泉眼调查的灰岩岩溶水地下水位总体上具有北高南低，西高东低的特征;在盆地的西翼受南北向逆冲断裂带的影响，划分为东、西两个岩溶水系统，西部由西向东流至断裂带;东部由东向西径流至岩浆岩通道或断裂带;在东西两翼的出露区接受大气降水和河流补给，地下水顺地层倾向径流，形成了西部和沿断层面附近灰岩串珠状的泉眼出露。

2.3 含隔水层水文地质特征

盆地水文地质条件受区域水文地质条件的控制，显示了与区域水文地质特征的一致性。但地下水的形成条件、赋存特征、补给、径流、排泄关系、富水程度及水质等受盆地内地形地貌、地层岩性、地质构造及水文气象等因素控制，又显示与区域的差异性。根据盆地内地下水的赋存条件及水力特征，将其地下水划分为4个含水层，5个隔水层，主要含、隔水层特征如下简述(表1)。

表1 柳江盆地含水层水文地质特征Table 1 Hydrogeological characteristics of aquifer in Liujiang Basin

2.3.1含水层特征

(1)第四系松散层孔隙潜水。分布于石河、汤河主、支流的河谷中，含水层的特点是孔隙大、结构松散、含有孔隙水，富水性弱～中等。

(2)基岩风化裂隙、构造裂隙水。分布于高山丘陵地段，由元古代混合花岗岩类、侏罗系安山岩和燕山期的岩浆岩类组成，含有风化裂隙水和构造裂隙水，富水性弱。

(3)基岩碎屑岩类裂隙水。分布在低山丘陵地段，由石炭二叠系、侏罗系碎屑岩类裂隙含水层和寒武—奥陶系灰岩岩溶含水层组成，其中碎屑岩类含水层的富水性弱～中等。

(4)寒武—奥陶系石灰岩岩溶水。主要赋存于溶洞、溶孔、溶蚀裂隙中，在大石河流域岩溶发育深度为40～100 m，汤河流域的岩溶发育的深度可达百米以下，富水性弱～强等。

2.3.2隔水层特征

(1)侏罗系中统髫髻山组岩浆岩隔水层，岩性以安山岩为主，质地致密，厚度较大，分布范围广，钻孔揭露厚度11.67～504.15 m，平均厚度219.54 m。是阻挡大气降水、地表河流与下伏含水层之间的关键隔水层。

(2)二叠系上统石千峰组顶部粉砂岩及黏土岩隔水层，以石千峰组顶部泥岩、粉砂岩以及黏土层为主，局部存在岩浆岩顺黏土岩侵入，其在横向分布不均一，钻孔揭露厚度0～150.17 m，平均49.22 m。其中，石千峰组顶部的黏土层、泥岩层可有效阻挡上覆侏罗系砂砾岩含水层与下伏上、下石盒子组砂岩含水层之间的水力联系。

(3)下石盒子组隔水层，以其顶部的A1,A2铝质泥岩、含铝粉砂岩、粉砂岩为主，是阻挡上、下石盒子组之间水力联系的关键层。此外，该段中部的泥岩、粉砂岩平面上分布较稳定，厚度0.49～24.90 m，平均5.82 m，亦有一定的隔水性。

(4)二叠系下统山西组泥岩、粉砂岩及顶部B层铝质泥岩隔水层，统计表明:B层铝质泥岩层位稳定，一般厚度3～9 m，平均6.25 m，隔水性较好，正常情况下能够有效阻隔下石盒子组地下水进入山西组;此外，3煤层直接顶板以闪长玢岩为主，基本顶多为粉砂岩、泥质粉砂岩或泥岩，岩性致密，孔隙裂隙不发育，亦具有良好的隔水性能。

(5)煤5底板至奥陶系灰岩之间的闪长玢岩、厚层状泥岩及本溪组铝土层，是盆地内奥灰水与煤层之间重要的隔水层。

2.4 补给、径流、排泄关系特征

柳江盆地地面岩浆岩的喷出岩体的分布特征控制着盆地的地形和地貌分布特征，进而影响盆地内地表水的补给、径流、排泄，而岩浆岩在喷发过程中在各地层中的侵入势必影响地下水的补径排特征。

2.4.1地表水、地下水的动态变化

通过对盆地内常流河大石河上游魏庄、吴庄、中游傍水崖、下游石门寨及其支流，地下水奥陶系岩溶水泉眼、机井以及浅层地下水民井的9个水文动态观测站为期1个水文年的气象、水位、流量、水化学等特征的动态观测，结果表明具有以下动态变化特征(图4):

图4 降雨量与地表水、地下水动态变化相关曲线Fig.4 Correlation curves between rainfall and dynamic changes of surface water and groundwater

(1)地表水和地下水的动态变化与季节变化及大气降水具有同步变化特征，反映了盆地内地表水、浅层地下水水源主要为大气降水。

(2)通过对大石河上、中、下游尤其是流经矿井区域观测统计表明:去除灌溉、蒸发及地表水向地下的补给影响，大石河在流经矿井段的上游流量明显大于下游水流量，说明大石河向长城、曹山煤矿等流经的矿坑充水，多年的生产中得到了验证。

(3)浅层地下水的水位受大气降水和蒸发量控制，在4—6月区内蒸发量与降水量差值达到最大，盆地内的浅层民井井水几乎干枯。

(4)地下老窑井筒积水水位的变化与大气降水、地表水的流量密切相关，说明东部及大石河沿岸的老窑采空区已经与地表水相沟通，且均有不同程度的积水。

(5)盆地东翼标高-500 m以浅的400多个矿井及小煤窑开采活动对盆地内浅层地下水资源破坏严重，浅层地下水已基本疏干，采空区附近钻孔水位标高与采空区积水标高接近，导致盆地东翼的张赵庄、柳江村、黑峪沟、夏家峪村、马蹄岭等地民井已经多年干枯;西翼逆冲推覆体下盘的山羊寨、中北部的魏庄、周吴庄等地势较高的民井在观测期间已经干涸，在沟谷地带的民井在枯水期基本干枯，只有进入雨季后能够少量蓄水，采空区范围的居民饮用匮乏问题是目前迫切需要解决的一个民生问题，随着矿井的开采这种趋势势必会加剧恶化。

2.4.2联合抽水试验

为了查明地下水的径流方向以及中部岩浆岩侵入体对地下水流场的影响，在中部岩浆岩体东、西两侧布设2个含煤地层抽水试验钻孔，同时在盆地东翼浅部的曹山煤矿、老柳江煤矿开展矿井抽水试验，观测矿井抽水试验期间2个水文钻孔的水位标高变化和水量变化特征。结果发现，矿井以655 m3/h进行矿井抽水时，水文钻孔的水位、流量等无明显的变化。同时，西部钻孔的水位明显高于东部，说明地下水由西向东径流，而在中部遇到火山裂隙通道受阻后向南部径流。

2.4.3地下水连通试验

为了验证上述地下水径流方向的准确性，在东部的大石河流域内的灰岩岩溶含水层内施工5个钻孔，其中2个抽水试验钻孔，3个地下水连通试验钻孔，钻孔水位标高采用三角法确定地下水流向，在上游钻孔投放化学示踪剂(NaCl)进行连通试验，在下游的2个方位上的钻孔中取水样，采用滴定法测井水中氯离子的含量，测定达到峰值时候的时间，通过对水样每小时间隔连续采样，每组采集72 h;测试钻孔内地下水中离子浓度随着时间的变化规律。结果表明(表2):① 地下水的径流方向为由西向东，向北东方向流动的大石河河谷方向径流排泄;② 地下水的渗透系数为1.44～83.99 m/d，计算的影响半径12.0～36.2 m，地下水流速为0.113～0.167 m/d，示踪剂氯离子到达取样孔的时间为83～84 d，反应了地下水连通性差、渗透性差的特点。

表2 地下水连通抽水试验成果Table 2 Results of groundwater connection pumping test

2.4.4地下水的补给、径流、排泄关系

受构造形态的控制浅层地下水的补给受气候、地形地貌、含水层岩性的控制，深层地下水受大气降水影响不大，主要受地质构造、裂隙及地层岩性的影响(图5)。

图5 盆地地下水补给、径流、排泄关系及矿井水害类型示意Fig.5 Relationship diagram of groundwater recharge,runoff and discharge in the basin

(1)第四系松散层孔隙潜水含水层以大气降水补给为主，局部接河流及池塘、水库等地表水体下渗补给，因此，在丰水期大气降水能迅速下渗并为该含水层所吸收，直接补给地下水。径流一般由中部山脊高地向东西两侧的沟谷等快速运动;由西部的祖山高地势向东部的柳条庄—山羊寨—秋子峪—周吴庄沟谷等低地势区域快速径流，在进入沟谷后径流速度变缓，沿西部的汤河及其支流径流，同时向侧向河流两岸出露的不同时代地层补给。排泄方式以蒸发、人工取水和河谷泄流为主。在枯水期地下水通过露头以泉眼的形式补给地表河流。

(2)风化裂隙及构造裂隙潜水主要接受大气降水补给，局部接受河流及池塘、水库等地表水体下渗补给，然后沿地势由高向低径流，在低地势区以泉眼方式排泄。

(3)侏罗系砂砾岩孔隙裂隙承压含水层大部分隐伏于髫髻山组岩浆岩隔水层之下，局部出露，在露头区接受大气降水和第四系潜水渗透补给，之后沿地层倾向方向自东向西向盆地深部区径流，径流至盆地西翼的逆冲推覆断层面附近后沿断层面垂向补给灰岩和中部岩浆岩喷出通道受阻径流方向改为向南径流，在西部灰岩区北杨庄等地以泉、人工井等方式排泄，同时向南部径流到达南部转折端下平山、黑山窑等地后沿地层露头以泉的形式排泄。石炭二叠系砂岩裂隙承压水主要接受露头区大气降水和地表水渗透补给、上覆含水层垂向补给以及西部逆冲断层带奥陶系岩溶水的补给。径流方向基本沿地层倾向由东向西、由北向南径流。由于受向西缓倾的单斜构造和西部断裂构造的影响，形成了较为封闭的储水空间，水流补给、径流、排泄循环不畅，故水量较小，水质较差。各含水层的抽水试验成果表明:以上各含水层之间水位标高相差较大，水位差明显(表1)。由于浅部煤层埋藏较浅，同时受以往矿井生产产生的垮落带和导水裂隙带的影响，在以往矿井采掘区域内，隔水层的完整性已被破坏，各含水层之间的水力联系与深度相比更为密切。

(4)灰岩岩溶承压含水层在盆地的中部隐伏于石炭—二叠系砂岩含水层之下，出露于盆地东翼的石门寨、半壁店、板厂峪沿线以及西翼的南北向逆冲断层带上盘。在露头区直接接受大气降水和地表水补给，其次接受第四系潜水渗透补给;在西部以断层面为通道接受上覆砂岩含水层侧向补给。排泄方式主要为露头区泉眼、民井及河谷泄流等。通过地表泉眼、民井的调查、隔水层特征综合分析，正常情况下奥陶系灰岩岩溶水与含煤地层之间的水力联系弱。

2.5 矿井充水因素及涌水量特征

根据地表水、地下水的补给、径流、排泄关系结合盆地内大型国有生产矿井老柳江煤矿、曹山煤矿、大槽沟煤矿、长城煤矿等多年的矿井生产水文统计资料表明:

(1)矿井生产阶段浅部矿井涌水量与大气降水量密切相关，矿井涌水随季节变化十分明显，旱季矿井涌水量较小，雨季矿井涌水明显增大;而深部区域矿井涌水量比较稳定，涌水量大小随季节变化不大。因为浅部涌水主要来源为第四系含水层和受第四系含水层直接补给的含煤地层，涌水受季节影响显著;随着矿井向深部区域延伸，深部区域远离地表，且煤层上部都发育较稳定的泥岩、黏土以及粉砂岩隔水岩层，矿井涌水量来源主要为煤系含水层地下水。

(2)盆地内矿井充水水源为大气降水、地表水、地下水和老空、采空区及废弃井巷积水，其中老空、采空区及废弃井巷积水也是矿井重要的充水水源之一;导水通道为断层、构造裂隙、导水裂隙带、封闭不良钻孔等，其中导水裂隙带是主要的导水通道。

(3)盆地内的大槽沟煤矿在浅部生产过程中曾经发生过底板由于隐伏断裂、隔水层薄弱而造成底板奥灰水突水事故，因此，奥灰水是间接充水水源。

(4)计算的吨煤富水系数为3.96 m3/t，产能小于120万t/a的矿井的正常涌水量为小于597 m3/h，因此，目前盆地内的生产的矿井水文地质类型属于中等偏复杂。

2.6 水化学特征

通过对盆地内不同地表水体、地下水不同层位以及钻孔抽水试验段进行地下水化学样品采集、测试分析(表3)，结果表明:

(2)地下水各含水层水化学类型以HCO3·SO4-Na,SO4·HCO3-Ca,HCO3-Na·Ca型为主，偏弱碱性;地下水化学类型与地表水化学类型具有相似性，同时各含水层间的水化学类型具有一定的相似性，反映了地表水与地下水之间的相关转化关系及其各含水层之间的相互补给的特征(图6(b))。

图6 柳江盆地地表水、地下水水化学PIPER图Fig.6 PIPER diagram of surface water and groundwater chemistry in Liujiang Basin

(3)地表水、地下水中微量元素氟等的含量与火成岩的侵入呈一定的相关性;地表水表现为在岩浆岩区含量高[25];不同时代地下水中微量元素氟的含量在煤层顶板水中相对较高(表3)，煤层内在岩浆侵入区内煤中氟元素含量较高的特点[1,16]。

表3 柳江盆地水化学特征Table 3 Hydrochemical characteristics of the Liu River Basin

3 岩浆活动对盆地水文地质特征的影响

3.1 盆地周边火山活动对盆地的影响

(1)盆地基底构造形态的影响。盆地周边岩浆岩的喷发对盆地内煤田基地构造形态具有一定的改造作用，主要表现在盆地西部祖山地区燕山期响山岩体和盆地东南部后石湖燕山其花岗岩体的喷发对盆地以及盆地北部九龙山、平顶山岩体的综合作用，导致盆地构造形态的形成。

(2)对断层形成的影响。盆地东部、盆地西部岩浆岩的喷发导致盆地西翼逆冲推覆构造的形成，同时表现为向北这种作用的影响作用减弱。

3.2 盆地内岩浆活动对含隔水层的影响

3.2.1对含水层富水性的影响

通过对盆地内生产矿井柳江煤矿、长城煤矿、马蹄岭煤矿生产揭露和区内6个垮落带高度探查钻孔及长城煤矿和马蹄岭煤矿河下部分采煤验证，盆地内3煤层开采形成的垮落带、导水裂隙带高度为78 m，通过对直接充水层为山西组、太原组钻孔抽水试验统计分析，含水层内岩浆岩侵入厚度与含水层的富水性呈负相关性，含水层的埋深、距离古火山口的距离、含水层的厚度等与富水性呈负相关性(图7)。

图7 富水性相关关系Fig.7 Correlation diagram of water enrichment

3.2.2对煤层底板隔水层的影响

盆地内的主力煤层煤3、煤5，3煤层与奥陶系灰岩顶界面之间的垂向距离为217.26～241.99 m，平均231.86 m，其中泥岩、粉砂岩、闪长玢岩等隔水岩层累计厚度为155.25～226.48 m，平均191.68 m;其中3～5煤层间岩浆岩的厚度0.68～21.76 m，平均6.18 m，厚度上占比0.02%～0.53%，平均0.16%;煤5与奥陶系灰岩含水层之间的距离180.43～208.37 m，平均195.05 m，其中隔水层厚度130.07～201.30 m，平均166.50 m;岩浆岩层的厚度1.25～35.42 m，平均8.23 m;厚度占比0.6%～12.50%，平均4.1%。

奥陶系灰岩岩溶含水层水位标高+120 m与奥陶系灰岩顶面标高-948.59 m的高程差为承压水头压力p的起算依据。按《煤矿防治水细则》附录4中提供的突水系数计算公式，计算煤3回采和掘进过程中灰岩突水系数为0.048～0.068 MPa/m;煤5突水系数为0.048～0.084 MPa/m，突水系数均小于0.1 MPa/m，但存在大于0.06 MPa/m的区域。因此，在煤层底板正常块段内未来开采该煤层时，虽为带压开采，但是，奥陶系灰岩含水层不会突破底板从而造成矿井突水水害。而在底板受构造破坏块段，突水系数大于0.06 MPa/m区域，在断层带附近、隔水层缺失或变薄的区域存在底板突水或断层作为导水通道涌入矿坑的危险。因此，后期加强对断层的探查和其导水性研究。

3.2.3煤层顶、底板岩石力学特征的影响

多个期次岩浆岩的喷出、侵入综合作用下对煤层顶板、底板岩石力学特征产生了不同程度的改造作用，表现为：

(1)岩浆的侵入填充了煤层底板岩石的裂隙、节理，进而增加了岩石的密度、降低了孔隙度;增加了煤层顶板、底板岩石的抗压强度、抗剪强度和抗拉强度等力学参数(表4、图8(a));

(2)在岩浆岩高温烘烤、挤压等作用下导致原岩孔隙度降低，孔隙内的含水率降低(表4、图8(b))。

表4 岩浆活动对岩石力学参数特征的影响[21]Table 4 Influence of magmatic activities on rock mechanical parameters[21]

图8 煤层顶底板岩石力学特征对比[21]Fig.8 Comparison chart of mechanical characteristics of coal seam roof and floor rocks[21]

3.2.4对地下水流场的影响

通过对奥陶系岩溶含水层水位标高、煤层顶板直接充水含水层钻孔抽水试验参数、矿井与钻孔联合抽水、地下水连通试验等综合分析，地下水径流方向总体上由北向南，由西向东，但是受盆地中部裂隙状岩浆岩通道、侵入体的影响和盆地南部西翼大型逆冲推覆构造的影响，地下水流场方向发生局部变化，西翼逆冲推覆构造上盘由西向东径流至断层带转向南径流，逆冲断裂下盘自西向东径流至岩浆岩侵入通道受阻后向南径流(图9)。

图9 柳江盆地奥陶系-石炭二叠系地下水流场方向Fig.9 Underground water flow pattern of Ordovician-carboniferous Permian in Liujiang Basin

4 生产实践的启示

4.1 矿井防治水的启示

针对盆地内水文地质特征，地表水系发育情况及矿井充水因素综合分析，盆地内东西两翼浅部矿井防治水的关键是地表河流、老窑采空区，尤其是在大石河流经区域;矿井可以根据河流及其采空区探查情况，合理布设防水煤岩柱并以帷幕注浆工程技术手段将河流段与矿井隔绝。

东翼的岩浆岩侵入未波及区和煤层与含水层之间的薄弱区域是底板突水威胁的区域，矿井生产过程中应加强对隐伏构造和地层发育薄弱段的探查;西翼大型逆冲推覆构造将寒武—奥陶系灰岩岩溶含水层与煤系及其上覆岩层全部相接触，因此在盆地西翼的中南部断层发育区域，灰岩含水层是防治水的重点部位，该区域内应合理计算并论证在采动条件下断层的导水性后设计合理的煤柱留设参数。

4.2 找水方向的启示

按照地下水的流场特征及其补给、径流、排泄关系，结合盆地内的构造特征，盆地东翼外围的灰岩出露区和东翼浅部的地层需要穿过上部地层，取水层位为奥陶系灰岩含水层;盆地南部的排泄区不同地层的含水层均具有一定的涌水量，盆地西翼水源井应布置在西翼推覆构造的上盘灰岩岩溶含水层发育的区域内，水井的深度不应穿过逆冲推覆构造的断裂面;盆地中部的区域内取水困难只能通过东翼或西翼水源井抽取灰岩岩溶水。

5 结 论

(1)柳江盆地中部、周缘分布着不同时期的岩浆岩体，不同时期的岩浆岩的侵入、喷发改造了煤层及其顶底板含、隔水层的水文地质特征，有效的阻挡了底部奥陶系灰岩岩溶高承压含水层对矿井的威胁。

(2)东翼的后石湖、西翼的祖山燕山期岩浆的喷发改变了盆地的构造格局，形成了目前的盆地基底构造格局;西翼的断裂构造和中部裂隙状火山通道改变了盆地内地下水流场特征，形成了西翼富水、东翼缺水的格局，因此，盆地西翼逆冲推覆构造上盘和东翼深部、东翼寒武奥陶系露头区的灰岩岩溶含水层是盆地内水源找水的目的层。

(3)中部大面积分布的巨厚层状中性安山岩体在其侵入、喷发过程中多顺煤层内、顶底板，砂泥岩间的软弱胶结层面、小型断裂构造及构造裂隙、岩溶含水层的裂隙溶洞内侵入、充填的几种模式。

(4)岩浆的侵入改变了含水层的富水性、降低了砂岩含水层孔隙度、填充了砂岩内的裂隙，减少了砂岩的含水率，降低了含水层的渗透率;强化了煤层顶底板岩石的力学参数如抗压强度、抗剪强度等;同时，强化了底板阻水能力、底板隔水能力，因此，盆地西翼逆冲推覆断裂构造带附近和东翼岩浆未侵入区高承压的奥陶系灰岩岩溶水是威胁该区域煤炭资源的安全高效开采的重要隐蔽致灾因素。

(5)盆地中部的岩浆岩对煤层及其顶板直接充水含水层的改造作用与古火山口的位置、火山通道的位置具有高度的耦合性，表现为含水层的富水性与岩浆岩的侵入厚度、侵入岩体的距离等呈负相关性，且相关性显著，岩浆岩对顶板工程地质特征的影响在平面上与古火火山通道具有环条带分布的特征，因此，顶板直接充水含水层的富水性分布也应具有这一特征。

(6)浅部矿井防治水的关键是浅部的采空区和大石河流域地表水，生产矿井可以通过在河流两岸设计合理的防水煤岩柱和采空区边缘开展帷幕注浆的工程措施进行整体的隔离;同时，在东部及其盆地距离岩浆岩喷出通道及其影响范围外未受岩浆影响或改造区域内应注意隐伏构造和隔水层薄弱地段的灰岩岩溶含水层突水问题;西翼大型推覆构造将强富水的灰岩含水层与煤系地层断层接触，深部矿井开采时应充分的计算防水煤岩柱的留设宽度和查明断层的导水性等关键隐蔽致灾地质因素。