西坡煤业一、二采区带(水)压开采防治水设计-院已审.doc

西坡煤业一、二采区带(水)压开采防治水设计报告的编写依据：1、山西省河东煤田离柳矿区三交三号井田勘探(精查)地质报告，该报告由山西煤田地质勘探148队于1996年1月提交。原中国煤田地质局于1997年11月以煤地准字(1997)012号文审查批准。2、山西省河东煤田柳林县邓家庄井田上组煤勘探（精查）地质报告，2005年9月由山西煤田地质勘探148队编制，并经山西省地质矿产科技评审中心于2005年9月24日评审通过并经山西省国土资源厅备案，其证号为晋国土资储备字2005183号。3、山西省河东煤田柳林县山西美盛邓家庄煤业有限公司煤矿资源储量核查地质报告(供资源整合用)，2007年5月由山西微宇资源勘察院编制，并经山西省地质矿产科技评审中心于2007年7月31日评审通过并经山西省国土资源厅备案，其证号为晋国土资储备字2007507号。4、山西东辉集团西坡煤业有限公司煤矿兼并重组整合矿井地质报告，2009年9月山西省第三地质工程勘察院编制，该报告经山西省煤炭工程项目咨询中心评审通过。761、前言山西东辉集团西坡煤业有限公司，位于河东煤田中段，山西省柳林县内，设计产量1.2Mt/a，批准开采2、4、5（4+5）号煤，目前仅开采5（45）号煤层；矿井于2007年开工建设至今，采用斜井提升方式，长壁式大规模综合采煤法，全部跨落法管理顶板。矿井总服务年限87.7年，如果村庄搬迁增加可采储量后，矿井服务年限可延长为132年。5（45）号煤层埋深约为300m，煤均厚4.37m，影响煤层开采的充水水源主要为顶部K4砂岩含水层水和底部太原L1L5灰岩含水层水（以后简称太灰水），尤其是L5灰岩含水层水，该含水层发育稳定，平均厚度为4.7m，据勘探资料显示水位标高为748782m，随着矿井长期的疏降，南部相邻双柳煤矿该含水层水位已下降至+590m。一、二采区5（4+5）号煤层开采标高为+380+580m，低于太灰水水位标高，一、二采区5（4+5）号煤层开采属于带（水）压（以后简称带压）开采。煤层底板受承压水威胁，开采水平在承压水头以下，在不疏降承压水头或有限疏降承压水头条件下，充分利用煤层底板至承压含水层间隔水层的阻水性能，实施安全开采的技术称为带水压开采技术，或简称为带压开采技术。我国煤矿突水研究已经历了50多年，对煤层底板的突水机理及防治水技术的研究始终伴随其中，是研究突水的一个重要方面。近年来，随着探查技术，尤其是物探技术、测试手段、注浆改造含水层和加固隔水层技术的不断进步，一系列新技术不断的被采用，带压开采综合防治水技术得以不断的完善和发展。总体来说，我国在煤层底板水防治技术研究方面做了大量卓有成效的工作，理论、实践水平较高。为了应对更深水平开采过程中遇到的新情况、新问题，确保煤炭开采取得良好的经济、社会效益，同时使带压开采技术手段综合化、最优化进而制度化，使带压开采措施更具针对性和前瞻性。为此，山西东辉集团西坡煤业有限公司委托中煤科工集团西安研究院进行带压开采防治水设计工作，主要内容有：1、收集、分析和研究西坡煤业区域及矿井地质、水文地质资料，主要包括以往地质、水文地质勘探资料，矿井生产实际揭露的水文地质资料以及临近矿井资料等；2、分析矿井目前开采存在的水文地质问题，对带压区域进行突水危险性分区及危险性评价；3、对带压开采区域进行带压开采防治水技术设计，内容包括：（1）提出带压开采防治水总体技术路线；（2）采动条件下底板隔水层破坏深度探测；（3）带压区水文地质补充勘探设计；（4）对西坡井田内断层等导水构造提出主要探查手段和方法，做出治理方案设计；（5）对现有排水系统进行评价；（6）提出带压开采突水预测预报技术方案，并做出带压开采工程费用概算；（7）提出矿井日常水文地质工作要求及细则。接受任务委托后，中煤科工集团西安研究院组织相关专家和技术人员成立了项目组，针对上述主要内容展开工作。本次带压开采技术设计主要依靠前期勘探资料和矿井实际揭露的资料以及邻近矿井揭露的资料的基础上编制的，需在以后的工作中进行补充和完善。2、矿井概况2.1 矿井基本概况西坡煤业有限公司位于山西河东煤田中段，离柳矿区三交三号精查区中部，行政区划属山西省吕梁市柳林县西王家沟乡、孟门镇及临县碛口镇管理。井田地理位置坐标：北纬373435373810；东经：11045471105122。煤矿兼并重组整合后现有2009年11月由山西省国土资源厅颁发的采矿许可证，其证号为C1400002009111220045989，矿区面积44.9676km2，批准开采2、4、5号煤层(4、5号煤层在井田内大部合并为5（4+5）号)，生产规模为120万t/a。该矿现为基建矿井。其2、4、5号煤层井田范围由下列10个坐标点连线圈定。西安80坐标(6度带)： 点号 X Y1 4167151.47 19479029.422 4167151.49 19486929.493 4164051.47 19486929.494 4164051.47 19486479.495 4161751.72 19486479.506 4161751.71 19484929.497 4159951.43 19484929.498 4159951.42 19481403.279 4162091.43 19480129.4510 4165621.46 19479669.432.2 位置、交通矿区交通较为便利，矿井工业场地南距柳林县城约28km，西王家沟乡孟门镇三级公路从选定的工业场地北部0.9km处通过，沿黄扶贫公路呈南北向从井田内经过，距工业场地最近处约0.66km。在柳林县通过孝义柳林铁路王家会煤炭集运站，可通达全国各地。见交通位置图2.1。图2.1 西坡煤矿交通位置示意图2.3 地形、地貌西坡煤业有限公司属吕梁山系，为典型的黄土高原地貌。按其形态类型分为侵蚀地形及堆积地形，前者占绝对优势。侵蚀地形表现为强烈切割的梁峁状黄土丘陵，分布于井田内大部分地区。冲沟密集而狭窄，形态多呈“V”字型，与黄土梁、峁、垣相间分布，常见陡崖黄土残柱及陷穴等微地貌景观。沟谷两侧及谷底有基岩零星出露。井田内由于植被稀少，致使水土流失严重。堆积地形主要发育在湫水河谷，为冲积、洪积堆积。湫水河河谷宽阔、平坦，一般宽200m左右，两岸断续分布着级阶地。纵观井田地形，大致东高西低，黄河河谷及湫水河谷为低洼地带，主支沟基本垂直湫水河和黄河河谷，在井田北部呈南东北西向分布，中部及南部呈东西向分布。井田内地形最高点位于井田东北部，标高1035.20m。最低点位于井田西南部，标高652.70m。最大相对高差382.5m，一般相对高差100150m。2.4 水文、气象西坡井田河流属黄河水系。湫水河为流经井田北缘的河流，发源于兴县黑茶山南麓，经阳坡水库入临县境内，在碛口镇注入黄河。全长107km，距井田北界6km处的林家坪水文站为湫水河下游一站，多年平均流量3.22m3/s，最大月平均流量54.5m3/s，最小月平均流量0.01m3/s。1967年8月22日最大流量为3670 m3/s，湫水河属枯水期较短的季节性河流。黄河从井田西部边缘流过，流经距离约10km。河底高程650m664m，流向由北向南，据吴堡水文站19521977年资料，年平均流量924.4 m3/s，最大流量19500m3/s。井田地处晋西北黄土高原，为大陆性季风气候，属暖温带半干旱地区。气温变化悬殊，四级分明。夏季雨量集中，有时出现洪水灾害，而冬春两季多西北风少雪雨。年平均气温8.8，1月份最低，平均为7.6，极值为24.8；7月份最高，平均为22.6，极值为37。见表2-1和图2.2，柳林县多年平均年降水量为479.2mm，最大降雨量在7月份，为119.2mm，见最小在1月份，为4.5mm。日最大降水量在1970年8月9日，为162.5mm。雨量集中于7、8、9月份，占全年的53.15。蒸发量最大在6月份，多年平均值约为180mm。柳林县19811990年降雨量分布表 表2-1观测年限降 水 时 期 特 征多年平均降水量（mm）1、2、3、12月4、5、6、10、11月7、8、9月降水量（mm）占全年(%)降水量（mm）占全年(%)降水量（mm）占全年(%)1981至1990年41.108.57183.438.28254.753.15479.2图2.2 柳林县多年平均降雨量、蒸发量图2.5 地震据山西省地震局颁发的地震烈度表，西坡井田属6级震区。记载井田未发生过大地震。2.6 矿井及小窑井田内无生产矿井和废弃小煤窑，只在井田东界外至煤层露头线附近，集中分布着一些生产小窑和停废窑，这些矿井主要生产3、4号煤层。在井田南部原邓家庄煤矿为生产矿井，开采5（45）号煤，该矿属于山西东辉集团有限公司。2.7 防排水系统目前西坡煤矿建有副井底车场水仓，有效容量3406m3；泵房选用MD450-606型矿用耐磨多级泵3台，从泵房引出两趟DN32510水管，通过主斜井到矿井水处理站。参照山西省河东煤田柳林县邓家庄井田上组煤勘探（精查）地质报告预测矿井涌水量为46.4m3/h。依据邓家庄煤矿目前涌水量正常为12.5m3/h，最大为20m3/h，得出比例系数为1.33，即西坡煤矿最大涌水量为46.4m3/h1.674.2m3/h。根据煤矿防治水规定：工作水泵和工作水管配合应能够在20h内排出矿井24小时的正常涌水量，工作和备用水管的总能力应能够在20h内排出矿井24h的最大涌水量，而且须有工作和备用水管，对于新建矿井，正常涌水量在1000m3/h以下时，主要水仓的有效容量应能容纳8h的正常涌水量。据煤矿防治水规定中相关规定对排水系统进行了计算：水仓容积：目前矿井的3台450m3/h的水泵，2趟DN32510的水管，按70的有效能力计算，满足规程的要求，水仓容量满足规程的要求。3、地质条件西坡井田地处位于鄂尔多斯聚煤盆地东缘，河东煤田离柳矿区西部，为祁吕贺山字型构造脊柱东侧盾地与东翼内带之间沉积煤盆地。3.1 区域构造河东煤田处于黄河东岸吕梁山西翼的南北向构造带上，煤田总体上是一个基本向西倾斜的单斜构造，属于吕梁复背斜西翼的一部分，在单斜上又发育了次一级的褶曲和经向或新华夏系的断裂构造。新华夏系的断裂构造主要发育于煤田东缘以外，河东煤田北部及南部次级褶曲一般幅度不大，以单斜为主导构造，而在煤田中部的离柳矿区，在单斜上又产生了幅度较大的宽缓褶曲，成为矿区的控制性构造。西坡煤矿地处河东煤田中段西部，在构造单元上属于鄂尔多斯断块、兴县-石楼南北向褶皱带中段，同时也属于山西断块，因整个山西断块构造走向均为NESW或SN向，所以本区的构造也以NESW向为主。从水文地质单元上划分，本区属柳林泉域，横跨吕梁复背斜和鄂尔多斯盆地两大构造单元。吕梁复背斜轴部主要由太古界变质岩及部分太古界花岗岩组成，其西翼形成一系列的次一级背斜和向斜，其中对区域地下水埋藏、运移影响较大的构造有走向南北的离石中阳向斜和走向大致南北，呈S形分布的枣林王家会背斜。枣林王家会背斜的西翼倾角为1020，缓缓向西、西北倾斜，构成柳林单斜，直抵黄河岸边，成为鄂尔多斯盆地的东翼。见区域构造图3.1。根据地块内构造形态及构造体系特征，其南北及东西向构造特征存在着明显差异，主要表现在以下几点：1、南北向构造：北部以离石柳林东西向构造带为界，其构造变形微弱，构造形迹表现为宽缓的褶皱；南部构造变形剧烈，边缘断层向西或向北倾斜，上盘向东或向东南逆冲，并伴随有较强的褶皱构造。中部离石柳林近东西向构造带，大体是一个向西倾伏的鼻状构造，其次级构造亦以东西向延伸为主。2、东西向构造：由盆地边缘内部过渡，构造发育程度也明显不同，盆地边缘以断裂及派生褶皱为主，中部以宽缓的褶皱发育为其主要特征，西部即离柳矿区构造形迹较少，为比较平缓的单斜构造。但据收集资料，井田多发育有小型断裂及褶皱。图3.1 区域构造图离柳矿区位于离石柳林东西向构造带，由于受澳大利亚印度板块和太平洋板块的推挤作用，造成了东西向构造应力不均衡，产生了以离石柳林聚财塔断层东西向为转折、弧顶向西突出的弧状褶皱。中部王家会背斜将本区分割成离石中阳向斜盆地和三交柳林单斜构造，其东北部发育有一系列的近南北或北北东走向的断裂和褶皱构造。同时，由于作用于离柳矿区的东西向应力不均衡，因而产生了离石鼻状构造，即以离石聚财塔的东西方向轴线，形成一个向西突出的弧状构造。鼻轴以北的三交区地层走向由SNNNENE，鼻轴以南的青龙城区则由SNSSESE。由于张力作用，在鼻轴部位，产生了一个东西向的张裂带，即聚财塔断层组成的地堑构造，见图3.2。图3.2 聚财塔断层（地堑）示意图聚财塔地堑由聚财塔北断层（F1）和聚财塔南断层（F2）组成，两者相距450m左右。断层延伸方向近东西向，相向倾斜，均为正断层。F1断层向南倾斜，倾角6075，断距150260m，在其附近伴生多个次级羽状断层，它们与主断层的交角都小于35，延伸不远即消失。F2断层平行于F1延伸，倾向北，倾角7075，断距150180m，在双柳井田沟谷中出露明显。3.2 井田地层条件井田内出露和钻孔揭露的地层序列自下而上为奥陶系中统上马家沟组（O2s），峰峰组（O2f），石炭系中统本溪组（C2b），上统太原组（C3t）；二叠系下统山西组（P1S）、下石盒子组（P1x），上统上石盒子组（P2s）、石千峰组（P2sh）；新生界第三系、第四系不整合于各时代老地层之上。井田内只出露下石盒子组及以上地层，其余地层出露于井田以东。结合钻孔资料，将各时代地层由老到新分述如下：1、奥陶系中统（O2）（1）上、下马家沟组（O2m）出露于井田以东。据中阳县苍湾实测剖面资料，厚度为361m。其中下马家沟组（O2x），厚133m，分为三段，每段底部均见砾状、角砾状白云质泥灰岩及石灰岩，第三段上部为青灰、青灰色薄一中厚层白云质灰岩与泥灰岩，顶部含致密块状石灰岩，质纯。上马家沟组（O2s），厚度为228m。下段为一套角砾状泥灰岩与角砾状白云灰岩；中段为青灰色中厚层状白云质豹皮灰岩；上段以厚层状石灰岩、豹皮石灰岩及白云质灰岩为主。夹白云质泥灰岩及泥灰白云岩。三川河上马家沟组实测剖面，厚度253.6m。上、下马家沟组呈整合接触。（2）峰峰组（O2f）出露于井田以东，与下伏上马家沟组呈整合接触，井田内及外围有12个钻孔穿过或钻至本组底部，厚度111.00125.50m，平均119.54m。其岩性底部多为角砾状泥灰岩；中、下段为泥灰岩、石灰岩。含脉状及纤维状石膏35层，统称为石膏带，厚度不一，一般中段约25m左右，下段约15m左右，有时也见深灰色块状硬石膏层；上段为中厚层状石灰岩，质较纯，夹薄层角砾状泥灰岩、泥岩。2、石炭系（C）（1）本溪组（C2b）出露于井田东侧煤层露头线外的大沟谷中，呈北东向零星分布。根据揭露本组的17个钻孔资料，厚度为21.933.6m，平均27.3m。井田内浅部较薄，向深部增厚。本组可分为两段：下段铁铝岩段，厚度平均8.50m。其底部为山西式铁矿，呈透镜状和鸡窝状。地表多为褐铁矿，钻孔揭露以团块状黄铁矿为主。其上为深灰、褐灰色铝土岩及黄铁矿结核；上段为灰黑色泥岩、砂质泥岩，深灰色铝质泥岩、粉砂质夹灰色中细粒石英砂岩、灰岩及煤层，含石灰岩03层，本段厚11.4928.00m，平均18.8m。（2）太原组（C3t）为井田主要含煤地层之一。出露于井田以东的沟谷中。厚度69.4100.54m，平均88m，整体南厚北薄。岩性为灰白色砂岩、灰黑色泥岩、灰色石灰岩及煤层，含灰层56层，煤层48层，可采煤层及局部可采煤层一般为3层。其底界以K1砂岩连续沉积于本溪组之上，顶部为K3砂岩底界。3、二叠系（P）（1）山西组（P1s）为井田另一主要含煤地层。出露于井田以东的沟谷中。厚度50.587.8m，平均68.2m，中部较厚向南向北逐渐变薄。岩性为灰白色、深灰色砂岩、黑灰色泥岩及煤层，含煤39层，自上而下编号为01、02、03、1、2、4、5（4+5）、5下，其中可采及局部可采煤层为2层，自上而下为2、5（4+5）号煤层。其底层K3砂岩连续沉积于太原组之上。（2）下石盒子组（P1x）厚度为47136.6m，平均85.9m。出露于井田东部的沟谷中。底部为K4砂岩连续沉积于山西组之上。与下伏地层呈整合接触。本组岩性为灰白色、灰绿色石英砂岩，长石石英砂岩及灰色砂质泥岩、粉砂岩偶有薄层煤线出现。K4砂岩厚度变化大，为020.82m，平均5.4m，岩性为中粗粒长石石英砂岩，发育交错层理。（3）上石盒子组（P2s）本组厚303392m，平均377.6m。以K6砂岩为底界连续沉积于下石盒子组之上，主要由灰色、灰绿色、紫红色、紫色砂岩、砂质泥岩及泥岩组成。全组共分三段：下段（P2s1）：主要由灰绿色砂岩夹紫红色、黄绿色砂质泥岩及灰黑色砂质泥岩组成。厚度65.1146.9m，平均102.9m。下部以砂岩为主。底部K6砂岩厚1.4028.93m，平均10.9m，为灰灰白色厚层状中粗粒长石石英砂岩。中段（P2s2）：岩性以紫红色砂质泥岩为主，夹灰色、灰绿色砂岩及灰黑色泥岩。厚度平均107.6m。底界砂岩为粗中粒厚层状长石石英砂岩，泥质胶结，含砾。上段（P2s3）：岩性以葡萄紫色泥岩及砂质泥岩为主，夹灰色、灰绿色砂岩和蓝灰色泥岩条带。厚度为158.7174.95m，平均167.1m。K7砂岩为本段底界，厚1.321.5m，平均8.7m，为灰白灰绿色长石石英粗砂岩，厚层状，泥质胶结，底部含砾。（4）石千峰组（P2sh）出露于黄河附近。厚度130194m，平均150m。底部为K8砂岩连续沉积于上石盒子组之上，与下伏地层呈整合接触。本组岩性为红砖红色砂质泥岩、泥岩与砂岩互层。K8砂岩厚度518m，平均9m，为紫红色长石石英中粗粒厚层状砂岩。4、新生界（Kz）（1）上第三系上新统保德组（N2b）分布于井田内冲沟中，与下伏地层呈不整合接触。下部以黄红、桔红色粘土、亚粘土为主，夹砂砾层及钙质结核层，胶结状。砾石为石灰岩、片麻岩及石英岩，分选不好，磨圆度较好。上部以紫红及鲜红色粘土为主，夹313层钙质结核层，粘土中含豆状锰质结核。本组厚030m。（2）第四系中更新统离石组（Q2l）厚0133m，广泛分布于井田内的梁、垣、峁和山坡上。由浅红、黄红色砂质粘土及亚粘土组成。较致密。下部含古土壤及23层钙质结核，底部砾石层常见于湫水河河谷及大河谷两侧及山麓地段。上部一般为浅红色黄土，夹古土壤条带112层及钙质结核。垂直节理发育，地貌上易形成黄土陡壁。（3）第四系上更新统马兰组（Q3m）厚031.8m，广泛分布于井田内的梁、垣上。由淡黄色砂质粘土及亚粘土组成，颗粒均匀，结构疏松，无层理，大孔隙及垂直节理发育。常形成黄土陡壁。（4）第四系全新统（Q4）主要分布于黄河、湫水河河谷及各大沟谷中，为近代河流冲积层，由不同时代的砂、砾、泥质岩碎屑组成，一般厚度10m左右。本统富水性较强。3.3 井田构造本井田位于离柳矿区西部，三交柳林单斜的中部。井田整体为一缓倾斜的单斜构造，地层走向从北至南，由北北东渐变为南北向，倾向由北西西而西，倾角平缓，一般为510。井田内有宽缓的小褶曲，断层少，仅348号孔中遇断距很小的断层。地表及孔内均未见陷落柱。1、断层井田内断层不发育，据山西省河东煤田柳林县邓家庄井田上组煤勘探（精查）地质报告，348号孔遇逆断层，断点深度417m，位于太原组L4石灰岩附近，断距11m。据地面电法探查推断，首采区存在6条断层，如下表。地面电法勘探推断断层表 表3-1断层性质走向断距（m）含水性延伸（m）DF1正断层北北西-近南北方向13含水1890DF2正断层北东-北东东走向12含水810DF3正断层北东-北东东走向16含水740DF4正断层北北西-近南北方向10含水700DF5正断层北北西-近南北方向14含水480DF6逆断层北东-北东东走向17含水540其中DF6断层井下已实际揭露，其余断层均为推断断层，需在以后的掘进或回采工作中提前钻探验证。2、褶曲总体而言，本井田基本上是一向西倾斜的单斜构造。井田东北角表现为宽缓的波状起伏。5线以北地层走向基本为北北东，5线以南地层走向近南北向。仅在井田东部由底板等高线可看出发育有宽缓的褶曲，地表未见。3、节理井田内节理共发育23组，X型共轭节理，井田内主应力方向应为北东北北东向。见图3.2。图3.2 节理走向玫瑰花图从上述看出，本区构造属简单型。3.4 煤层西坡井田内主要含煤地层为山西组和太原组，共含煤16层，自上而下编号为01、02、03、1、2、4、5（45）、5下、6上、6、7、7下、8、9、10、11号。煤层总厚19.80m；可采煤层有1、2、4、5（45）、6、8、9号等7层，其中1号为零星可采煤层，可采煤层总厚16.03m；含煤地层总厚156.20m。主要可采煤层叙述如下：1、2号煤层该煤层赋存于山西组中上部，上距K4砂岩约31m。见煤点厚度02.11m，平均厚1.03m。属薄中厚煤层，平面上厚度变化是北部厚于南部。可采区主要位于第7勘探线以北。结构简单，不含或偶含1层夹矸，顶板为泥岩或砂质泥岩，少数为细、粉砂岩，底板为泥岩、砂质泥岩，局部为粉砂岩或炭质泥岩。本层属大部分可采的较稳定煤层。2、5（45）号煤层该煤层属山西组下部，煤厚1.696.32m，平均厚3.86m。井田内大部分地段与4号煤层合并。合并区煤厚3.246.32m，平均厚4.37m。属厚煤层。北部335号孔最后达6.32m，最薄处为122号孔，厚3.24m。煤厚变化总趋势是西部厚于东部，东部厚度多小于4m，中西部和北部部分区域厚度大于5m。东北角分叉区，由西往东厚度递减，规律明显。煤层含矸石07层，多数为12层，夹石单层厚度0.020.6m，岩性以炭质泥岩和泥岩为主。顶板为中、细砂岩、砂质泥岩、泥岩。底板为砂质泥岩或泥岩，局部为细砂岩和粉砂岩。本层属全区稳定可采煤层，是本井田的主要开采对象。3、6号煤层该组煤层属太原组，见煤钻孔煤厚0.201.50m，平均厚度0.82m。属局部可采煤层。4、8、9号煤层该组煤层属太原组，其中8号煤厚2.144.67m，平均厚3.25m，夹矸03层，属结构简单中等的煤层。9号煤厚1.049.72m，平均厚4.19m，夹矸08层，结果属中等复杂煤层。8、9号煤层层位稳定，厚度大，全井田可采。4、水文地质条件4.1 区域水文地质条件西坡煤矿地下水主要以承压含水层为主，这些含水层在山间沟谷地带接受大气降雨的补给，其中二叠系上统砂岩含水层在区域内广泛出露，而在区域东部，太原组灰岩、奥陶系灰岩在出露区直接接受大气降雨的补给。区域内石炭、二叠、三叠系含水层富水性较弱，奥陶系岩溶含水层富水性较强，其地下水在岩层露头接受补给后，分别由北、东、南等方向排向柳林泉，构成一个完整的水文地质单元柳林泉域。另外，小范围分布的老地层和沟谷中的第四系冲积层，构成各自的裂隙和孔隙潜水系统。受区域地势和构造影响，区域煤系地层地下水由浅部顺层自东向西径流，由于含水层充水条件的限制，地下水径流强度越来越小，在地层薄弱带诸如断层、裂隙带等排泄，或补给其它含水层，或以泉的形式排泄于沟谷。柳林泉域内主要含水岩组为中奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组。泉域北部以湫水河与三川河分水岭为界，东部以三川河与汾河流域地表分水岭为界，见图4.1，柳林泉域东北边界北段示意图，南部以三川河的南川河与屈产河分水岭为界，西部以奥陶系地层埋深300m（标高+480+570m）作为边界。泉域北部、东部和南部均为碳酸盐岩地层或变质岩的地表分水岭为边界，西部则以地下碳酸盐岩与石炭、二叠系地层接触带为界。图4.1 柳林泉域东北边界北段示意图柳林泉位于柳林县城东3km处，出露层位为奥陶系峰峰组，以群泉散流形式出露于三川河河谷南北两岸，见图4.2,柳林泉形成条件示意图，从东到西泉水排泄带长约2.4km，南北宽0.8km，泉水出露标高在+794+803m。柳林泉域范围包括方山、离石、中阳及柳林、临县的部分地区，包括三川河流域和湫水河东部流域，泉域总面积4792km2。寒武奥陶系可溶岩裸露区分布于泉域的东部和北部，在山区成片出露，黄土丘陵区只在沟谷零星分布，裸露面积1454km2。据19731989年泉水流量实测资料，柳林泉多年平均实测流量为3.2m3/s，随着区内工业用水量的增加，19902004年岩溶泉平均流量为2.44m3/s，近年来泉水流量不足2.0m3/s。图4.2 柳林泉形成条件示意图4.2 井田水文地质条件4.2.1 含水层西坡井田含水层可划分为5组，分别是:第四系松散岩类含水层组、二叠系石盒子组砂岩裂隙承压含水层组、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组、石炭系上统太原组石灰岩岩溶裂隙承压含水层和中奥陶统石灰岩岩溶裂隙承压含水层组。从下而上分别描述如下：1、中奥陶统石灰岩岩溶裂隙承压含水层组（1）上马家沟组根据区域资料，本组厚250m，岩性以石灰岩、泥灰岩为主，岩溶发育，多为蜂窝状溶孔，连通性好，溶孔直径一般为16cm，含水层具较好的连续性和稳定性。钻孔揭露本组时，大量涌水或漏水，为井田和区域最主要的含水层。井田北外侧311号钻孔揭露本组45.55m，放水试验单位涌水量达0.82L/sm；另外本组和峰峰组进行了4次混合放水试验，其中114、133、356号钻孔抽放水试验单位涌水量分别为0.86、0.32和0.979L/sm，102号钻孔单位涌水量为0.031L/sm，从平面上看，井田内本组富水性中等，且均一。井田位于柳林泉西北边界的深埋区，为奥灰岩溶水弱径流滞留区，地下水径流条件差，水交替缓慢，长期水溶滤作用，使地下水中各离子含量较高。本组水质为ClNa型，矿化度3.3985.008g/L，硬度为1722.853799.03mg/L，为极硬的咸水。由以上分析可确定本组为富水性中等、矿化度较高的含水层组。（2）峰峰组本组在井田东部外围出露，平均厚度119.60m，由石灰岩、泥灰岩、石膏、膏岩带、白云质灰岩及角砾状灰岩组成。以石灰岩为主的含水层。含水层以溶孔、溶蚀裂隙为主，溶孔常呈孤立状，方解石簇晶呈半填充状态，岩溶发育和富水性规律是浅埋区强于深埋区，深部311、325号孔单位涌水量为0.0089和0.00038L/sm，富水性弱。奥陶系上部古风化壳的发育使得含水层石灰岩中多充填有黄铁矿、铝质泥岩和泥岩，从而大大影响了其富水性。总体来看，本组富水性弱。井田内地下水径流条件差，呈滞留状态，水交替缓慢，长期溶滤作用，使地下水背景值较高，本组水质为SO4ClNa型，矿化度为2.1182.212g/L，为较硬的咸水。本组水位一般为801.26805.80m。就水位资料来看，总趋势为向西或西南的深部方向缓慢运移。2、石炭系上统太原组石灰岩岩溶裂隙承压含水层组本组石灰岩在井田东部外围沟谷中出露，由东向西埋深逐渐增大。含水层为L1L5石灰岩。受出露条件的限制，含水层富水性不均一，地下水仅在浅部具较强的富水性，而在深埋区，岩溶裂隙不发育，溶孔连通性差，故地下水富水性弱。井田东部103、359号孔，抽水试验单位涌水量分别为1.218L/sm和0.041L/sm。井田南部边界外柳林县吉家塔镇煤矿，井筒施工揭露L4和L5石灰岩时，涌水量约2030L/s，本组在浅部富水性较强。浅埋区钻孔钻进揭露本组后，钻孔均发生明显的漏失现象。在深埋区的325孔，单位涌水量为0.00078L/sm，富水性较弱。3、二叠系下统山西组砂岩裂隙承压含水层组本组在井田东界外围出露，含水层主要由K3及S4S8等砂岩组成，岩性为细粗粒砂岩，厚度变化大，裂隙不发育，钻孔钻进本层，回次水位及冲洗液消耗量均无明显变化，325、343、359号钻孔抽水试验单位涌水量分别为干孔、0.000285和0.0035L/sm，表明本组富水性弱。山西组含水层水位标高739.51831.63m，富水性极弱，水质类型为HCO3ClNaMg型，矿化度1.0071.433g/L。4、二叠系石盒子组砂岩裂隙承压含水层（1）下石盒子组本组在井田东缘一带出露，由长石石英砂岩、石英砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩组成，其中K4砂岩较稳定，平均厚5.39m，砂岩裂隙较发育，但由于开启性差，且多被方解石脉充填，受补给条件限制，井田内富水性弱，343号钻孔本组抽水试验，单位涌水量0.0001L/sm，渗透系数0.0026m/d，矿化度1.024g/L，为较软的微咸水，水质类型为HCO3ClNa型。（2）上石盒子组本组在井田内沟谷中广泛出露，含水层有数层砂岩，岩性以中、粗粒砂岩为主，砂岩厚度大，稳定分布，浅部构造裂隙、风化裂隙发育，并以构造裂隙为主，向深部裂隙发育程度逐渐减弱，钻进至本组普遍涌水或漏水，说明本组富水性稍强。本组在浅部接受大气降水补给，形成无压潜水或上层滞水，形成众多小流量泉水，由于基岩补给性能差，贮水系数小，虽然泉数量多，但一般流量小于0.5L/s，356号孔本组抽水试验，单位涌水量为0.034L/sm，渗透系数0.29m/d。矿化度1.144g/L，水质类型为ClHCO3Na型。5、第四系砂砾石孔隙潜水含水层第四系中更新统砂砾石层分布于沟谷两侧，砾石成分主要为石灰岩、砂岩，松散状未胶结，含孔隙水，沟谷切割含水层时可形成泉，一般泉水流量很小。下部基岩风化带含水微弱。第四系全新统主要成条带状，分布于湫水河河谷，为近代河流冲、洪积层，砂砾石层厚度一般小于10m，易接受大气降水和河流入渗补给，形成孔隙潜水含水层，是湫水河沿岸居民用水的主要来源。水质类型为HCO3SO4NaCa型，矿化度1.024g/L，水质良好。4.2.2 隔水层井田煤系地层主要隔水层分为4段，见示意图4.4，叙述如下：图4.4 西坡井田主要含水层、隔水层结构示意图（以356号孔为例）1、奥陶系峰峰组下段石膏、泥灰岩隔水层该层为泥灰岩、石灰岩，含脉状、纤维状石膏35层，通称为石膏层，厚度不一，一般中部约为25m左右，下部约为15m左右，有时也见深灰色块状硬石膏层；该层岩性主要为石膏、膏岩带、泥灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩，岩石一般致密完整，构成峰峰组含水层与下伏上马家沟组含水层之间相对隔水层。2、8、9号煤底板至奥灰顶界面之间隔水层该层厚43.274.15m，平均厚51.8m，岩性为细砂岩、泥质岩类、石灰岩、铝土岩，见表4-1和表4-2，裂隙不发育，硅、铁质胶结的K1细砂岩及泥晶灰岩、铝土岩抗压强度较高，泥质岩类具较好的隔水性能，这些岩层的组合，构成8、9号煤底板至奥灰顶界面之间的隔水层，从岩性及岩性组合分析，砂质泥岩、泥岩、铝质泥岩隔水性能很强，但强度低，砂岩为弱透水层，但强度高，此段地层结构为以泥岩为主的软、硬地层呈相互叠置的组合结构，因此不利于砂岩垂直裂隙的发育，破坏后导水性很弱，对8、9号煤的开采是相当有利的。底板岩层稳定性分类标准表 表4-1分 类单轴抗压强度（MPa）水 稳 性厚度（m）软弱破碎底板0.4普通底板10遇水稳定0.43、5号或5（45）号煤底板至L5灰岩面之间隔水层该层厚17.9230.6m，平均厚23.38m，岩性主要为泥质岩类及中、粗粒砂岩，中、粗粒砂岩泥质胶结，较完整，可称作结构性隔水层组，为泥岩砂岩互层。泥岩为不透水岩层但强度较低，遇水碎裂膨胀，据山西省河东煤田柳林县西坡井田上组煤勘探（精查）地质报告测试资料，见表4-2，砂质泥岩单向抗压强度为21.4MPa。其间砂岩为弱透水岩层，但强度较高，较稳定，见表4-1。构成5（45）号煤层与太原组石灰岩含水层之间的隔水层。精查地质报告测试的各种岩石抗压强度表 表4-2岩 石名 称石灰岩粉砂岩细粒砂岩中粒砂岩粗粒砂岩砂质泥岩泥岩抗 压强 度（MPa）24.855.722.855.61155.814.747.712.634537.49.213.8平 均（MPa）38.236.236.129.121.821.411.5据5（45）号煤底板隔水层岩性及其组合结构分析，泥质岩层为不透水的隔水层，粉砂岩为基本不透水的隔水岩层，岩性较致密，岩体较完整，其地层结构为泥质岩与砂岩呈相互叠置的地层组合结构，这种结构不利于砂岩垂直裂隙的发育。因此，在无地质构造影响情况下，其隔水性能对阻止太灰含水层水进入矿井是非常有利的。4、石炭系、二叠系中较厚且稳定的泥质岩和裂隙不发育的砂岩在各含水层之间起隔水作用的隔水层。上述隔水层的存在，使各含水层处于独立系统中，据山西省河东煤田柳林县邓家庄井田上组煤勘探（精查）地质报告抽水试验表明各含水层段水位不同。4.3 地下水的补、径、排条件地下水的主要补给来源是大气降水的入渗，通过各类岩石孔隙、裂隙及岩溶渗入地下，在不同地形、构造和自然条件下，做垂直运移或水平径流、汇集，并以侵蚀下降泉或受阻溢流的形式泄于地形低洼处。其次是以潜流形式流出区外。此外，地表水、渠系及农田灌溉回渗也是补给来源之一。径流方向与地形基本一致，由东北部、北部向三川河谷及黄河方向径流和汇集。1、松散岩类孔隙水的补给、径流与排泄条件孔隙水的补给来源有水平和垂向补给两种形式。其水平补给主要来自河谷、沟谷地表水的水平流入，垂向补给主要来自大气降水的入渗，以及渠道下渗及灌溉水的入渗等。孔隙水的流向与地形坡降基本一致，其水力坡度与地面坡降也大体一致。孔隙水的排泄多以侵蚀下降泉的形式自上游向下游、自低山丘陵中心向周边谷地运移，或排入地表水体，人为的开发和使用也是其主要排泄方式。2、碎屑岩类裂隙水的补给、径流与排泄条件裂隙水的补给来源是以大气降水的入渗为主，其次是地表水的间歇性入渗补给，上覆孔隙水的局部下渗也是补给来源之一。裂隙水的运动条件非常复杂。从岩性组合看，碎屑岩类地层是泥质岩与砂岩及所夹几层灰岩呈相互叠置结构。从地形地貌看，区内为低山丘陵、塬、梁、峁、沟壑等多种地形，沟谷发育，地形切割剧烈，高差悬殊。总体而言，地下水的流向受地形所控制，亦沿地势下跌方向以接近地面坡降的水力坡度水平径流，反映在同一地区泉水出露标高差异很大，不具有统一水位，随地形而异，具有山高水高的典型特征。裂隙水的排泄方式也较为复杂。在低山丘陵区，地下水多以侵蚀下降泉的形式沿隔水层面向沟谷排泄，具有当地补给、当地排泄的特征。在构造发育或隔水层变薄地段，可越流补给下伏含水层中地下水。在井田区一带，主要以人工排泄为主，如矿坑排水、水井取水等；其次是以潜流形式由浅埋区向深埋区缓慢径流，或由浅部向深部渗透也是排泄方式之一。3、碳酸盐岩岩溶裂隙水补给、径流与排泄条件岩溶裂隙水的补给来源是以大气降水入渗为主，其次是地表水的入渗补给，以及在局部地段上覆裂隙水或孔隙水的下渗补给。岩溶裂隙水的运动条件受地貌、水系、构造、岩性及埋深等条件的控制。总体而言，区内地表水与地下水的分水岭基本一致，亦北、东、南三面皆为地表水分水岭，同为地下水分水岭。南部三川河谷及西部黄河方向地势最低，而且岩层是由东向西缓缓倾伏，这种地貌组合和地质条件，决定了本区岩溶裂隙地下水的总体运动方向是由东向西、由南北向三川河谷方向径流汇集。图4.3 碳酸盐岩岩溶地下水径流条件图（此图中“邓家庄煤矿”改为“西坡煤矿”）岩溶裂隙地下水的排泄同样受地形、地质条件的控制。柳林泉群出露于三川河谷，由于三川河谷深切，其河谷地面高程接近于区域岩溶水位高程，加之其上覆石炭系煤系地层阻水，由此岩溶水在三川河谷的薛家湾一带受阻泄出成泉。除以泉群形式排泄外，部分岩溶水则以由东向西即向黄河方向径流、汇集，以潜流或侧向径流形式排泄，见图4.3。此外，岩溶水是本区富水性最强的含水岩系，也是当地工业及生活用水的主要供水水源，柳林泉流量逐年减小，其主要原因是凿井大量取水所致。因此，人工开采也是岩溶水主要排泄形式之一。5、一、二采区5（4+5）号煤层开采矿井充水因素分析煤矿开采充水条件包括三个方面，一是充水水源，二是充水通道，三是充水强度，即充水水量。在开采条件下，各有关水源在重力或矿压力作用下，通过各种渗透通道进入矿坑，这个过程称矿井充水过程。其涌水量大小称充（涌）水强度。由此可见，充水水源和渗透通道是构成矿井充水不可缺少的两个方面。没有水源，就不存在矿井充水，有了水源而没有渗透通道，矿井也不会强烈充水，其他因素只能影响充水强度因素。矿井充水水源和涌水通道以及充水强度综合作用，称为矿井充水条件。矿床充水的基本条件可分为天然充水条件和人为充水条件两大类（见图5.1）：天然条件人为条件水源通道大气降雨地下水地表水矿床充水基本条件陷落柱断层、裂隙天窗隐伏露头水源通道袭夺水源老窑水顶板冒裂带底板破坏带地面塌陷封闭不良钻孔图5.1 矿床充水条件分类图5.1 充水水源1、地表水没有大的河流流经本井田，仅在井田北缘和西部边缘有湫水河和黄河，本区5（45）号煤埋深较深，主、付斜井井底车场485m，而井筒标高在785m，埋深达到300m，井口高于上述河流水位以上，不会发生地表水对矿井的充水危害。2、顶板砂岩水5（45）号煤层以顶板进水为主，煤层顶板砂岩含水层构成直接充水含水层。地下水沿开采形成的导水裂隙带进入矿坑。该煤层上距K4砂岩约48m，见图5.2，K4砂岩在本区发育稳定，平均厚度5.39m，据343号钻孔抽水试验，为弱富水性含水层。5（45）号煤层顶部多为砂岩、砂质泥岩和泥岩组成，由于本井田没有相关岩石的抗压强度，对比分析双柳矿区岩石物理力学性质，岩石的抗压强度介于2040MPa，依据煤矿防治水规定要求，选用如下公式计算导水裂缝带高度：Hli=5.6（考虑安全性，取正值） （1）上式中Hli为导水裂缝带发育高度，M为累计采厚。带入数据M4.37m，得Hli46.8m，接近于开采煤层至K4砂岩的距离，也就是说，5（4+5）号煤层开采时，K4砂岩含水层水将涌入回采工作面。图5.2 5（45）号煤层顶板冒裂带高度示意图3、底部太原群灰岩含水层水5(4+5)号煤层底部发育L1L5层灰岩含水层，其中L5石灰岩发育稳定，均厚4.7m，据1996年勘探期间的资料显示水位748782m，为弱富水含水层，经过多年的人为疏排，据相邻双柳煤矿资料显示，该含水层水位已下降至+590m；5(4+5)号煤层下距L5石灰岩间距平均为23.38m，5100工作面在试运行生产过程中打钻探查，单孔疏排水量达45m3/h，水量稳定，持续时间较长，可见，太原组灰岩含水层富水性不均一，局部区域含水层的富水性大于地质勘探期间揭露的区段。西坡煤矿一、二采区5（4+5）号煤层开采标高约为+380m+580m，按照相邻井田太灰水水位+590m考虑，一、二采区5（4+5）号煤层开采为带压开采，如果煤层底板存在导水构造或不完整区段，将发生底板出水，影响矿井的安全生产。（4）奥灰水本区奥灰水位约为801.26805.80m，水位高于开采煤层底板标高（最低约为380m），如有导水陷落柱或大的导水断层存在，奥灰水也是本区5（45）号煤层的充水水源之一。总之，西坡矿井5(4+5)号煤层开采充水水源主要为顶板砂岩水和底部太灰水和奥灰水。5.2 充水通道西坡井田一、二采区5（4+5）号煤开采充水水源主要是顶板砂岩水和底部太灰水、奥灰水，顶板砂岩水导水通道主要是矿井生产时形成的导水冒裂带，地下水沿开采形成的导水裂隙带进入矿坑。底部太灰水导水通道主要为底板破坏裂隙带、导水构造和封闭不良的钻孔，据相邻矿井吉家塔煤矿井筒施工时，揭露L4和L5灰岩时涌水量约为2030L/s，本区浅埋区钻孔钻进揭露本层后，钻孔均发现明显的涌、漏水现象，说明该含水层局部裂隙发育，富水性较好。在5(4+5)号煤层开采时，太原组石灰岩承压水含水层沿隔水层薄弱带加剧破坏隔水层的完整性，在存在导水构造等的情况下进入矿坑。底部奥灰水的导水通道主要为导水陷落柱或断距较大的导水断层。矿井在地质普查和详查期间有多个钻孔未封闭或封闭不良，这些钻孔是煤层底部出水的潜在通道。5.3 充水水量西坡矿井充水水量主要为顶板砂岩水，由于邓家庄煤矿的地质条件与开采方式与本矿基本相似，采用水文地质比拟法对西坡煤矿5(4+5)号煤层开采顶板砂岩涌水量进行计算。西坡煤矿设计产量120万t/a；邓家庄煤矿设计产量90万t/a，矿井涌水以顶板水为主，目前涌水量为12.520m3/h。选用公式： （2）其中：Q预测的矿井涌水量（m3/h） Kp含水系数 P西坡矿设计产量（万t