中国煤田水文地质基本特征与规律

  中国陆地面积约占世界陆地总面积的1 /15,中国煤炭产量居世界第一位,研究和掌握中国煤田水文地质特征和规律,对世界煤田水文地质科学具有非常重要的意义。

 

  1 中国煤田水文地质条件多种多样

 

  研究内容非常丰富

 

  中国领土辽阔, 成煤时代多,煤田分布范围广,各煤田成煤时的古地理条件、沉积环境及所处的大地构造背景,成煤后的地质历史、煤田的构造形态、煤层的变质程度和围岩的成岩程度及所处的自然地理条件各有不同,因而煤田的水文地质条件亦表现为多种多样,各有不同的特点。

 

  从对煤矿充水的主要含水层的性质和充水特

 

  征来看,有以岩溶水为主的煤田,有以裂隙水为主的煤田,有以孔隙水为主的煤田,有在巨厚孔隙含水层覆盖下的岩溶充水或裂隙充水的煤田,还有煤层本身就是主要含水层的煤田,以及广泛分布有特殊的“烧变岩”含水层的煤田和有热水的煤田。

 

  从对煤矿充水的含水构造来看,有位于面积几千平方公里的大型自流盆地中的煤田,有位于中、小型自流盆地或自流斜地中的煤田,有位于封闭断块或地垒、地堑中的煤田,还有位于含水推覆构造至多层次推覆构造之下的煤田。

 

  以所处的自然地理条件来看,有些煤田处于西北干旱高原,供水非常困难;有些处于东部多水地区,矿井屡遭淹没; 有些处于侵蚀基准面以上;有些则处于江河、湖、海之下; 还有些处于岛状冻土地区。

 

  从矿井充水特征来看,有的以底板进水为主,有的以顶板进水为主,有的以断层或陷落柱出水为主,有的以地表水灌入为主,还有的以老窑突水为主。矿井涌水量有的高达每小时几千甚至几万m3 ,有的则基本上无水。

 

  从与水文地质有关的工程地质及环境地质问题来看,有些煤田能发生流沙溃入矿井有些能发生井巷严重变形,不易维护,有些能发生底鼓突水甚至淹没矿井,有些易产生露天边坡滑落,还有些能使矿区及其周围地区发生大范围岩溶塌陷,严重破坏村庄、农田及其他地面建筑。

 

  总之,中国的煤田水文地质条件是多种多样。

 

  其类型之全,情况之复杂,实为世界所罕见。各种类型、各种情况的煤田勘探与开采中都有其应着重解决的水文地质问题和不同的方法。内容非常丰富。

 

  2 岩溶水(尤其是底板溶水)是威胁

 

  我国煤矿安全的最突出的水文地质问题

 

  中国石灰岩分布非常广泛, 面积达200 万km2 约占我国国土面积的1 /5。这些石灰岩与煤矿的关系非常密切。有些构成煤系的沉积基底,有些构成煤系的盖层,有些直接位于煤层底板之下或顶板之上,有些则夹于各煤层之间。还有的煤田由于多次构造推覆的结果,使煤系与灰岩多次叠置呈“互层”状(如吉林的杉松岗煤田) ,或由于断层错动使煤层与灰岩直接对接。这些灰岩大都岩溶化强烈,含水丰富,煤层开采时常成为煤矿充水的主要水源。不仅威胁着我国大部分古生代煤田的开采; 而且还威胁着一部分中生代及新生代煤田的开采。

 

  以岩溶水为主的煤田,在中国分布非常广泛。除东北及西北少数省、区外,几乎遍及全国,其中又以底板岩溶水为主的煤田分布最广。包括大多数古生代煤田及少数中生代及新生代煤田。尤以焦作、鹤壁、峰峰、邢台、井陉、开滦、霍县、韩城、澄合、淄博、肥城、荥巩、煤炭坝、恩口、斗笠山、云湖桥、辰溪、连阳、合山、扶绥、贵阳等煤田的底板水问题最为严重,最为复杂。

 

  在华北区,煤层底板下面的高压岩溶含水层主要为中奥陶统马家沟灰岩,岩溶发育强烈,含水构造规模巨大,水量异常丰富。煤层开采时,高压岩溶水往往突破采区或巷道的底板,或借助于断层或岩溶陷落柱等导水通道大量涌入矿井,使许多矿井屡遭淹没,其突水量可高达每分钟数百至2053m3 (开滦范各庄矿)。其突水量之大,实为世界煤矿之最,不仅对现有各煤矿的安全生产是一个严重威胁,而且还使太原组中大量煤炭资源难以开发。

 

  华南区煤层底板下伏的岩溶含水层则主要为下二叠统茅口灰岩。其矿井涌水量虽一般较华北区为小,但也常达每分钟数十立方米之多,也常使矿井淹没。当矿井大量排水时,还常使矿区及其周围大范围内产生地表岩溶塌陷坑群,使大片村庄、农田及其他地面设施遭受严重破坏,甚至造成人、畜伤亡,因此而使那些附近有重要地面设施的矿区,虽有可观的煤炭资源,迄今未敢开采(如辰溪煤田、云湖桥煤田)。雨季时,地面水沿这些岩溶塌陷坑大量灌入矿井,又常导致矿井淹没(如恩口煤矿1990年雨季被淹)。这种由于煤矿排水而引起的特殊的环境工程地质现象,在我国华南各煤矿区非常普遍,亦堪称世界所罕见。

 

  无论华北区或华南区,当煤矿大量疏排岩溶水时,都能导致大范围的地下水位下降,地表及浅部水源枯竭、井、泉干涸,给矿区及其周围的水资源及自然环境造成破坏,给人民生活及生产带来严重影响,这种矛盾,反过来又在一定程度上制约着或即将制约着煤矿的发展,这也是一个非常复杂而亟待研究解决的问题。

 

  3 随着成煤时代的不同其煤田水文

 

  地质特征亦有显著的差异

 

  我国的古生代煤田以岩溶水为主,裂隙水、孔隙水次之; 中生代煤田以裂隙水为主,岩溶水、孔隙水次之;新生代煤田以孔隙水为主,裂隙水岩溶次之。这一随着成煤的不同而不同的水文地质特征,是由我国特定的地质历史条件所决定的。

 

  早古生代时,我国除了松辽、胶辽、大别、江南、闽浙、阿拉善、松潘、康滇、准噶尔、柴达木、羌塘等古陆呈岛状分布外,绝大部分地区均长期沉没于海水之中,广泛沉积了寒武纪、奥陶纪碳酸岩系。加里东运动使我国绝大部分地区先后上升为陆。华北地区经过了从晚奥陶世至早石炭世的长期剥蚀夷平之后,广泛堆积了海陆交替相的石炭二叠纪含煤地层。使高度岩溶化的寒武系、奥陶系石灰岩,尤其是中奥陶统石灰岩普遍成为煤系的直接基底。其中的高压岩溶水严重地威胁着其上覆煤层的开采。而且太原组中还含有多层石灰岩,均含有岩溶裂隙水,并通过断层及岩溶陷落柱与中奥陶系石灰岩发生水力联系。因而使华北的晚古生代煤田尤其是太原组煤层普遍受到岩溶水的威胁。

 

  华南地区则从泥盆纪至早、中三叠世几经海浸与海退,使晚古生代各纪含煤地层(侧水组、梁山组、龙潭组)与碳酸岩系交潜沉积、使这些含煤地层被夹在下伏及上覆碳酸岩系之间。浅海相的含煤地层吴家坪组中还含有多层石灰岩。这些碳酸岩系及含煤地层中的石灰岩都含有较丰富的岩溶水,对煤层开采有较大的威胁。尤以下二叠统茅口灰岩对上二叠统龙潭组煤层开采的威胁最为严重而普遍。

 

  古生代煤田除了以岩溶水为主外,含煤地层在以后的地质历史中还普遍发育有各种裂隙(成岩裂隙、构造裂隙及风化裂隙等) ,含有裂隙水。喜马拉雅运动使黄淮平原下降并沉积了巨厚的新生界松散地层,在一些山间河谷地段还堆积了厚薄不等的砂砾层,使这些地区的下伏古生代煤层的浅部受到一定程度的孔隙水威胁。

 

  印支运动使我国除西藏以外的绝大部分地区均上升为陆,然后产生了一系列的坳陷及断陷盆地,堆积了以陆相为主或纯陆相的晚三叠世及早、中侏罗世含煤地层。除了西藏的土门格拉群( T3 )含有薄层石灰岩,桂东的西湾煤田大岭组( J1d )中含有厚约30m的石灰岩,存在岩溶裂隙水及岩溶水,以及赣中、奥北、川东的部分晚三叠世煤田、河北的蔚县煤田( J1- 2 )、柳河煤田( J1- 2 )、吉林的杉松岗煤田( J1- 2 )局部受到古生代或早、中三叠世石灰岩岩溶水的威胁外,其他绝大部分煤田都不含岩溶水,而是以含裂隙水为主。开采那些山间河谷地段的煤层浅部时,还会遇到孔隙水问题。神榆府煤田( J1- 2 )中还存在“烧变岩”中的孔隙— 裂隙水问题。

 

  中、晚侏罗世之间的燕山运动,使我国东部产生了一系列的北东向断陷盆地群,在其中堆积了晚侏罗— 早白垩世地层。但当时北纬40°以南气候干燥, 不适于成煤; 北纬40°以北则气候湿润,植物茂盛,故在我国的东北及内蒙东部地区形成了重要的晚侏罗— 早白垩世含煤盆地群。这些盆地中的含煤地层除了三江— 穆梭河盆地东部的龙爪沟群中含有海相泥岩外,其他均为陆相沉积,其下伏及上覆地层中也不含石灰岩,以含裂隙水为主。但大兴安岭以西的内蒙东部地区燕山晚期运动较弱,盆地下陷较浅,盖层较薄,含煤地层所受的温度和压力均较低,故其石化程度较差,岩性比较松散,孔隙仍占有一定的地位。此外,位于三江平原,松辽平原以及一些山间河谷地段的煤层,也存在上覆新生界疏松砂层中的孔隙水间煤矿充水之虞。

 

  西藏地区的白垩纪含煤地层均为海陆交替相,多为碎屑沉积,应以含裂隙水为主,但早白垩世的拉萨群系沉积于侏罗纪石灰岩之上,含煤地层中还夹有少量石灰岩,可能会有岩溶水问题。

 

  新生代含煤地层系沉积于燕山末期及喜马拉雅运动所产生的断陷盆地之中,多为陆相沉积。华南沿海地区虽有浅海相及海湾泻湖相沉积,但均为碎屑岩。台湾的第三纪含煤地层中虽夹有凸镜状石灰岩,也不会有大的岩溶水问题。新生代煤田主要水文地质特征是: 含煤地层的成岩程度较差,砂质岩层呈松散或半胶结状态,粘土质岩层呈塑性变形,以含孔隙水为主,裂隙水次之,少数煤田的沉积基底为古生代石灰岩(如云南的小龙潭、先锋、昭通等煤田) ,局部受到岩溶水的威胁。

 

  4 不同大地构造背景形成的煤田水

 

  文地质特征

 

  从煤田水文地质的观点,并参考王鸿祯教授主编的《中国古地理图》对中国大地构造格局的划分,笔者认为对中国煤田水文地质特征起重要控制作用的中国大地构造基本格局是以天山— 阴山、昆仑— 秦岭、班公错— 怒江三个巨型构造带(图1)将中国划分为四大构造区域,这四大构造域具有各自的地质发展历史、各自的成煤时代,各自的构造特征,以至各自煤田水文地质特征。

 

  4. 1 松辽— 准噶尔构造域

 

  本构造域在古生代时,其北部属于西伯利亚大陆的南缘,南部为广阔的海槽,不利于成煤。在阿尔泰古陆及完达古陆的南缘,虽有晚古生代煤层赋存,但均无重要的经济价值。海西末期,海槽闭合,西伯利亚大陆与中国北方大陆合并。印支运动使本构造域的东部剧烈上升,经受强烈的侵蚀剥蚀,仍不利于成煤。西部则比较平静,利于成煤,形成了巨型的准噶尔早侏罗世陆相煤田。至晚侏罗世,东部地势被基本夷平,在燕山运动所产生的一系列北东向断陷盆地中广泛堆积了晚侏罗— 早白垩世含煤地层,形成了东北区及内蒙东部数十个重要煤田。并在大兴安岭以东于燕山末期运动所产生的北北东向断陷带中形成了抚顺、梅河、沈北、舒兰、依兰、珲春等老第三纪煤田。本构造域的绝大部分煤田均为陆相,三江— 穆棱河盆地的东部虽有海陆交替相沉积,但不含石灰岩,所有煤层的上覆及下伏地层中也都不含石灰岩,故完全没有岩溶水问题。中生代煤田以含裂隙水为主,孔隙水次之; 新生代煤田以含孔隙水为主, 裂隙水次之。

 

  4. 2 华北— 塔里木构造域

 

  本构造域在元古代时即已固结成陆台。早古生代时,塔里木古陆与华北古陆之间被祁连海槽所分隔,并呈岛状浸没于海水之中,广泛沉积了寒武纪,奥陶纪碳酸岩系。加里东运动使本构造域全部上升为陆。除了中、晚泥盆世祁连地区有陆相湖盆沉积外,其他绝大部分地区均经受漫长的剥蚀。

 

  使本区广泛分布的寒武系、奥陶系石灰岩普遍强烈岩溶化。直至早石炭世,祁连地区开始海浸。中石炭世华北地区也自东至西开始海浸,随之又缓慢海退。在华北区广泛沉积了海陆交替相的石炭二叠纪含煤地层。使太原组普遍直接覆盖于强烈岩溶化的中奥陶统石灰岩含水层之上、并局部超覆于寒武系石灰岩含水层之上。太原组中也含有多层薄至中厚层石灰岩,均不同程度地含有岩溶裂隙水。由于华北大陆早在元古代时即已固结成地台,刚性与整体性均较强,古生代时其构造运动表现为明显的整体缓慢升降,沉积盖层分布辽阔而稳定,因而形成本区各含水层与煤层均分布辽阔而稳定的水文地质特征,使太原组煤层开采普遍受到岩溶水的威胁。

 

  贺兰山- 六盘山以西,则因晚古生代时地壳运动较强, 成煤条件差,且下伏有泥盆地陆相地层,故不存在岩溶水问题。印支运动以后,本构造域已全部上升为陆、所有中、新代含煤地层全为陆相沉积,不含岩溶水。

 

  但华北区的北缘有少数山前盆地(如河北的蔚县煤田、柳河煤田、吉林的杉松岗煤田) ,早侏罗世含煤地层直接沉积于寒武、奥陶系石灰岩之上,才有岩溶水问题。

 

  4. 3 华南— 羌塘构造域

 

  扬子古陆与羌塘古陆虽在中、晚元古代时即已固结成陆台,但就整个构造域来说,活动性仍较大。早古生代时,长期呈岛群状长期沉没于大海之中。加里东运动,川溪古陆以东的华南地区全部上升为陆。泥盆纪时又自西南向东北开始海浸。从泥盆纪直至三叠纪,海水几经进退,因而形成了华南区晚古生代各纪含煤地层与碳酸岩系交迭沉积、各含煤地层均被夹在下伏及上覆岩溶含水层之间的水文地质特征。华南地台的固结时间比华北地台为晚,其刚性和整体性均较华北地台为弱。

 

  其升降时间、幅度及沉积岩性,各地颇不一致,其运动形式是以北东向隆起与坳陷相间为主、而不像华北区那样整体隆起和整体沉降。因而使华南区晚古生代煤田的水文地质条件呈现既有东西变化,又有南北差异的复杂面貌。印支运动使华南地台尤其雪峰古陆以东开始活化,并强烈上升,伴随着以北东向为主的箱状褶皱和断裂。经过剥蚀夷平之后,在燕山运动和喜马拉雅运动中又多次发生断裂、断块升降运动及剥蚀、夷平,除了川中、黔西晚古生代含煤地层及其下伏茅口灰岩、上覆长兴灰岩尚有较大规模的保存外,其他地区只有较小规模的残留。遂成为今日华南区的含水构造规模以中、小型为主的水文地质特征。

 

  至于川滇构造带以西,在印支运动以前,其活动性较强,不利于成煤。仅在相对稳定的昌都地块的延伸方向的狭长条带内堆积了晚古生代含煤地层。印支运动后,滇中、藏东有较重要的晚三叠世含煤地层及在一些燕山期断裂带中形成了一系列的第三纪中、小型含煤盆地群。这些含煤地层均以碎屑沉积为主,基本上不存在岩溶水问题。水文地层条件一般比较简单,但昭通、先锋、小龙潭等第三纪盆地含煤地层直接沉积于古生代石灰岩之上,局部受到岩溶水的威胁。同时,第三纪含煤地层岩性松软,砂质岩层呈松散或半胶结状态,泥质岩、塑性变形,其水文地质及工程地质条件要相对复杂。

 

  4. 4 西藏构造域

 

  本构造域是指班公错— 怒江以南我国国境线以北的地区, 是我国固结最晚,活动最强的构造域。早二叠世以前,长期一片汪洋大海。晚二叠世又全部上升为陆,经受侵蚀剥蚀,缺乏沉积。早三叠世至晚侏罗世,虽有海有陆,但活动性强,古地形高差大,不利于成煤。白垩纪、第三纪虽有含煤地层堆积,也因地壳活动强,地形高差大,而含煤性差,只有局部可采煤层,无重要的经济价值。其水文地质条件一般也比较简单。

 

  5 自然地理因素对煤田水文地质条件的影响

 

  我国国土辽阔,自然地理条件差异很大,而煤田分布又遍及全国各省、区,故自然地理条件成为影响我国煤田水文地质特征的重要因素之一。

 

  我国的地势东部低平,西部高耸; 降水分布则东南丰沛、西北干旱。位于我国东部的煤田一般含水丰富,补给充沛,往往发生淹井事故,水文地质条件一般比较复杂。位于西北地区的煤田则一般含水微弱,补给贫乏,煤田水文地质条件一般都比较简单。但供水水源却比较困难或非常困难,甚至成为煤田资源开发及其他工农业发展的主要约束条件或先决条件。是我国亟待研究解决的问题之一。

 

  同样是以岩溶充水为主的晚古生代煤田,华南区降水充沛,地表及浅部岩溶异常发育,以大型溶洞及暗河为主。煤矿排水时,地表常发生大片岩溶塌陷,导致农田、村庄、地面建筑严重破坏、地表水大量溃入矿井等严重后果。华北区则降水较少,地表及浅部的岩溶发育程度一般较华南区为差,以小型溶洞及溶隙为主。矿井排水时,一般不会发生地表岩溶塌陷,即使发生也为数很少,后果也一般不很严重。

 

  同样是华北型古生代煤田,在太行山以东的华北平原及山前丘陵地带,煤层多埋藏在地下水位以下,煤层开采时所承受的下伏奥陶系岩溶含水层的水压很高,往往易发生底板突水和淹井。同时还往往由于上覆有巨厚新生界砂砾含水层,给井筒进凿、维护及浅部煤层开采造成一定困难。在太行山以西的晋陕高原,除位于河谷地段的霍县煤田及朔县煤田外,浅部煤层多赋存于奥陶系灰岩含水层水位以上,上无砂砾含水层的覆盖,下无岩溶水的威胁,水文地质条件一般都很简单。只有当煤层开采到深部,底板水压增大到某一程度时,才有可能发生底板突水。

 

  同是以裂隙充水为主的中生代煤田,位于河谷地段的矿井与位于分水岭及斜坡地带的矿井,其水文地质条件大不相同。前者水量大,补给较充沛,有时还可以发生地表水或泥砂溃入井巷的危险。后者水量微弱,补给差,地形有利于地表水及地下水的排浅。煤层开采时,除须注意浅部老窑积水外,一般不存在水的威胁。

 

  同一煤田,同一矿井,雨季开采时与旱季开采时,其矿井涌水量往往大不相同。雨季水量大,旱季水量小,往往相差几倍至十几倍。矿井涌水量动态变化常与降水量动态变化或地表水动态变化相一致。开采深度愈浅,上述关系愈显著,变化幅度也愈大。随着开采深度的增加,降水及地表水动态对矿井水的影响逐渐减弱,矿井涌水的变化幅度也逐渐减小。

 

  6 中国煤田水文地质条件具有明显的区域特征— 中国煤田水文地质分区根据中国的地质、自然地理及水文地质条件,可将中国煤田分为五个具有不同水文地质特征的大区。

 

  6. 1 东北区

 

  本区是指阴山— 燕山— 沈阳— 辉南— 和龙一线以北,内蒙狼山以东,我国国境以内的地区。本区主要成煤时代为晚侏罗— 早白垩世,其次为老第三纪。所有煤田均不含岩溶水。中生代煤田以裂隙水为主,孔隙水次之;新生代煤田以孔隙水为主,裂隙水次之。煤田水文地质条件一般比较简。

 

  矿井涌水量一般为0. 5～ 5. 0m3 /min之间。但位于三江平原、松辽平原及河谷地带的煤田,开采浅部煤层时,存在上覆砂砾含水层的威胁。第三纪含煤地层中的流砂层及塑性粘土层也对煤层开采造成一定的困难。

 

  6. 2 华北区

 

  本区北以阴山— 燕山— 沈阳— 辉南— 和龙一线与东北区相接,南以秦岭— 大别山— 张八岭一线与华南区分界,东濒黄海,西以贺兰山— 六盘山一线与西北区为邻。本区的主要聚煤期为石炭二叠纪,次为早、中侏罗世,还有个别的晚第三纪煤田(黄县煤田)。石炭二叠纪含煤地层普遍沉积于中奥陶统岩溶化石灰岩之上,并局部超覆于寒武系石灰岩之上,太原组中也含有多层石灰岩,水文地质条件一般比较复杂或很复杂。煤层开采时,底板突水量每分钟可达数十至数百t ,最大2053m3 /min(开滦范各庄矿)。常使矿井淹没或部分淹没。

 

  二叠系不含灰岩,以裂隙水为主,矿井涌水量一般为1～ 10m3 /min。水文地质条件一般比较简单。但位于黄淮平原中的煤田; 上覆有巨厚的新生界松散含水层,给井筒开凿、维护及浅部煤层开采造成一定困难。早、中侏罗世含煤地层均为陆相沉积,水文地质条件一般比较简单。仅个别煤田的直接基底为寒武、奥陶系石灰岩,存在底板溶水之虞。

 

  位于陕北地区的煤田供水水源比较困难。

 

  6. 3 华南区

 

  本区是指我国秦岭— 大别山— 张八岭以南、西昌— 昆明一线以东的地区。本区的主要聚煤时代为晚二叠世,次为晚三叠世,再次为早二叠世、早石炭世、晚第三纪及早、中侏罗世、晚二叠世龙潭组(吴家坪组)被夹在下伏茅口灰岩与上覆长兴灰岩之间, 既有底板水的威胁,又有顶板水的威胁,水文地质条件一般比较复杂,矿涌水量一般每分钟几吨至几十吨,最大可达467m3 /min(南桐红岩矿)。且随着煤矿开发,能导致大片地表岩溶塌陷,产生一系列严重后果,是本区主要水文地质问题之一。在黔西、滇东,龙潭组与茅口灰岩之间有厚达数十米至数百米的峨嵋山玄武岩隔水层; 在湘南、赣南、皖南、苏南等地,茅口灰岩相变为以硅质岩为主的当冲组。这些地区的煤田水文地质条件才变得比较简单。晚三叠世含煤地层均碎屑沉积,不含石灰岩,主要可采煤层距下伏灰岩一般比较远。故其水文地质条件一般比较简单,只有通过断层错动,使煤层与下伏灰岩接触时,才有岩溶水问题。

 

  6. 4 西北区

 

  本区包括贺兰山— 六盘山以西,昆仑山以北,我国国境内的六大地区,本区主要聚期为早、中侏罗世,其次为晚三叠世及晚石炭世,早、中侏罗世含煤地层均为陆相沉积,晚三叠世含煤地层主要为陆相沉积,晚石炭世含煤地层中虽有少量薄层石灰岩,也不含岩溶水,均以裂隙水为主。本区绝大部分为干旱高原,年降水量不足100mm,只有河西走廊、伊宁等局部地区年降水量可达300～400mm, 地下水非常贫乏, 补给条件差、矿化度高,故供水源问题成为本区煤田开发的主要水文地质问题。

 

  6. 5 西南区

 

  本区是指我国昆仑山以南、西昌— 昆明一线以西的地区。本区的主聚煤期为晚三叠世及新第三纪,次为晚二叠世及早白垩世。除部分新第三纪含煤地层直接沉积于古生石灰岩之上,局部受到岩溶水的威胁外,其他煤田水文地质条件都比较简单。