地质专业毕业论文Last revision on 21 December 2020
山西焦煤汾西矿业集团双柳煤矿
水文地质报告
太原理工大学继续教育学院
姓名：常海宾
指导老师：李国瑞
日期：2012年7月
摘要
本文主要对双柳矿井的地质构造，地下水等的研究，目的使之能更好服务生产进而取得良好的效益，研究的方法主要是实地观察，测量和参考文献。
取得较详细的地质资料，提出了地质工作的重要意义，轻视地质工作必定带来不利局面，提醒煤矿必须重视地质工作。
目录
前言
煤矿水害是与瓦斯、火灾等并列的矿山建设与生产过程中的主要安全灾害之一，长期以来，因为煤矿水害而给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。
近年来，煤矿重特大水害事故、突水淹井、淹采区事故多发，并有逐步上升的趋势。
为遏制煤矿重特大水害的事故的频繁发生，国家安全生产监督管理局和国家煤矿安全监察局就加强大煤矿防治水工作提出了《关于加强煤矿水害防治工作的指导意见》（安监总煤矿（2006）98号），明确要求煤矿企业要认真编制并组织实施矿井中长期防治水规划和年度防治水计划。
2006年6月15日，国家煤矿安全监察局局长赵铁锤在全国煤矿水害防治工作座谈会上再次要求各煤矿企业和有关单位要针对当前及今后一个时期煤矿水害防治工作的实际情况，认真编制煤矿防治水规划和水害应急预案，建立矿井水害防治工作长效机制。
这一方面表明了国
家有关部门在对煤矿水害的高度关注，另一方面表明了煤矿中长期防治水规划在防治水工作中的重要性。
双柳煤矿是汾西矿业集团主力矿井之一，双柳井田地处河东煤田中部，在水文地质单元中属柳林泉域系统。
现年产原煤250万吨，目前开采二叠系山西组3#、4#煤层（上组煤）。
在未来5年内，双柳煤矿计划开采石炭系8#、9#、10#煤（下组煤），由于开采深度增大，面临的水文地质问题更加严重。
上组煤和下组煤层都存在带压开采问题。
上组煤距离太原组灰岩含水层20～30M，承受太灰水压2～5MPa，下组煤距离奥灰含水层平均60m，煤层底板承受奥灰水压2～。
同时由于下组煤层的直接顶板为太原组灰岩，在开采过程中受到顶板灰岩水的影响。
已探明和未探明的断层及陷落柱的导水性也是双柳矿现存的较大水文地质问题。
鉴于以上存在的诸多水文地质问题，汾西矿业集团委托煤炭科学研究总院西安研究院为双柳煤矿编制防止水5年规划，合理地安排矿井防治水工作，避免矿井防治水工作的盲目性，合理而有计划、有步骤地安排防治水的工程和科研项目，确保煤矿安全和高产高效。
本项目在实施过程中收集了矿井已有地质、水文地质资料，分析了矿井水文地质条件，确定了矿区存在的水文地质问题，并针对双柳煤矿的水文地质特点，结合双柳煤矿的采掘计划，提出了双柳煤矿的防治水规划总体思路，确定了双柳煤矿防治水策略，论证了各项探查工程的必要性，合理性和可行性。
从矿井地下水观测网建设、矿井水文地质补充勘探、工作面水文地质条件探查、防治水工程安排以及矿井日常水文地质工作要求等方
面，全面规划了双柳煤矿今后的防治水工作。
规划的制定将对双柳煤矿以后的防治水工作有很大指导作用，其实施将保障矿井的安全高效生产。
第一章矿井基本概况
矿区交通地理概况
汾西矿业集团双柳煤矿位于山西省河东煤田中部。
南距柳林县城
17km，行政区划属吕梁地区柳林县。
井田面积，其范围北至三交三号井田精查区13剖面线，南至聚财塔北断层，东至精查区东界。
区内交通较为便利，柳林县有铁路和公路与全国各地相通，县城通往孟门镇的油路从矿区中部穿过，距307国道16Km。
图1-1 交通位置图
矿区地理
本区属吕梁山系，为典型的黄土高原地貌。
地形形态主要为侵蚀地形，表现为强烈切割的梁峁状低中山黄土丘陵，冲沟密集而窄、河床基岩出露。
区内植被稀少，水土流失严重。
纵观区内地形，东高西低，沟谷基本呈东西向垂直黄河分布。
区内地形最高点位于白家坡南，标高+，最低点为西南角的黄河滩，标高+。
本区属黄河水系，区内无大的河流，只有数条东西向的季节性流水的冲沟向西汇入黄河。
雨季水流量大，7~9月份流量占全年的50～70%。
黄河从区西缘流过，流经距离约10km，河床高程约+610～+650m，年平均流量s，最大流量19500 m3/s 。
本区地处晋西北黄土高原，为大陆性季风气候，暖温带半干旱地区。
年平均气温℃，1月份最低，平均为℃，7月份最高，平均℃。
多年平均降水量，最大降水量在7月份，为1299mm，最小在12月份，为。
蒸发量年平均值为，最大在6月份，平均为。
矿井生产概况
双柳煤矿前身是柳林的白家焉煤矿，为年产15万吨的地方小煤矿。
1999年，汾西矿务局在国家煤炭工业局以煤规字[1999]第129号《关于成立汾西矿务局双柳煤矿的请示》和国家计委以计[1999]第946号《关于汾西矿务局双柳煤矿扩界问题的批复》的基础上，对原有井田进行扩界后开始技改扩建，从1998年9月18日开始建井，2001年6月29日开始投产，2002年5月28日正式挂牌成立双柳煤矿，隶属汾西矿业集团有限责任公司，原设计生产能力150万吨/年，经过多次技改扩建，目前主采山西组煤层，实际生产能力300万吨/年。
矿井采用立、斜井混合开拓方式，采区是大巷中央开拓，双翼布置工作面回采；工作面采用长壁后退式进行回采。
2005年产量万吨，2006年产量万吨，2007年产量达到万吨。
计划2012年开采下石炭系组煤。
矿井以往水文地质工作
1989、1995年148地质队提交的详查、精查报告分别于己1990、1997年被山西省煤管局和中国煤田地质总局审查批准，涉及本区钻孔共9个，其中井田内6个。
1999年，汾西矿务局生产勘探队在上述工作的基础上，完成了双柳煤矿地质报告，报告认为初步查清了本区水文地质条件，确定
了水文地质条件为简单的裂隙岩溶充水矿床，指出了奥灰水潜在威胁，同时报告还指出钻孔工程偏稀，还需在生产建设中进行补充勘探。
2005年3月，煤炭科学研究总院西安分院完成了《双柳煤矿开采水文地质可行性论证研究》，该报告认为双柳煤矿上组煤开采水文地质条件相对简单，充水水源主要为山西组裂隙含水层，经采掘活动可逐渐疏干，底板太原组灰岩含水层在无垂直导水通道沟通奥灰的情况下，仍以静储量为主。
下组煤开采矿井充水水源为顶板太灰含水层和底板奥灰含水层水，具备奥灰突水的不利因素，带压开采方法及其配套措施是防治奥灰突水的基本技术体系。
该报告明确提出了双柳煤矿防治水技术路线以及补充勘探的具体要求。
2006年11月，山西省煤炭地质148勘查院提交了《山西省柳林县汾西矿业集团公司双柳煤矿补勘地质报告》，该报告是在井田内各阶段地质勘探资料及三交三号井田精查地质报告的基础上，进行认真的综合分析整理编制而成的，达到了精查报告的研究程度。
主要成果：
(一)、查明了井田的总体构造形态为一向西倾斜的单斜构造，控制了井田内次级褶曲轴向和产状。
(二)、对含煤地层进行了进一步的研究，查明井田内稳定可采煤层为4(3+4)、8、9(8+9)号煤层，查明了煤层的层位、厚度、结构及分布形态和范围。
(三)、查明直接充水含水层和间接充水含水层的岩性、厚度、埋藏条件、水位、水质、富水性及分布情况，地下水的补给、径流、排泄条件，查明了隔水层的岩性、厚度及隔水性能，基本查明了矿井充水水源及途
径，并预计了矿井涌水量。
确定井田水文地质勘探类型为二类一型和三类一型。
即双柳煤矿为以裂隙和岩溶含水层充水为主的水文地质条件简单的矿井。
2008年10月，煤炭科学研究总院西安研究院提交了《汾西矿业集团双柳煤矿水文地质补充勘探报告》，本次水文地质补充勘探共施工水文地质勘探钻孔8个，其中奥灰水文孔3个，太灰水文孔5个，实际完成钻探工程量，抽（注）水试验10层次，水文测井，水质简分析8件，水质全分析39件，同位素测试5组，岩石力学测试74组，完成了1：1万水文地质。
该报告基本查明了太原组灰岩含水层和奥套系峰峰组、上马家沟组含水层的水文地质条件，探查了太灰与奥灰含水层之间的连通性，运用解析法及数值法预测了矿井涌水量。
第二章井田地质、水文地质
2. 1 区域构造
双柳煤矿地处河东煤田中部，在构造单元上属于鄂尔多斯断块、兴县一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NE—SW或SN向，所以本区的构造也以NE—SW向为主。
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。
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10°～20°，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。
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，形成一个弧形向西突出的弧状构造。
鼻轴以北的三交区、地层走向由SN—NNE—NE，以南的青龙区则由SN—SSE—SE。
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。
2. 2 井田构造
井田南边界为聚财塔断层，西边紧邻黄河。
区内构造简单，为一自东向西倾斜的单斜构造，地层走向南北，倾角5°～10°。
在靠近聚财塔断层附近，地层受断层影响，产状多有变化，伴生次级羽状小断层和短轴褶曲。
从目前开采上组煤的情况看，工作面＋510～＋570m水平揭露有大小17个陷落柱。
在已经揭露的陷落柱附近均伴生有大小不等的断层，断距一
般约2~3m。
在216工作面材料巷的掘进过程中揭露一小型陷落柱，编号为X12陷落柱，该陷落柱长轴约10m，宽约5m，在揭露此陷落柱北侧边缘时，有出水现象，水量小于3m 3/h，一周内水量逐渐减小至 m 3/h以下，水压～，据水质分析结果，该陷落柱出水为太灰岩溶裂隙水。
近期生产过程中又陆续揭露了几个小型陷落柱，边缘地带均有少量出水。
井田内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60°~75°,断距150~260m，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70°～75°，断距150～180m，本区沟谷中出露明显。
水文地质补充勘探钻探未揭露到断层、褶曲等构造，所揭露的地层层序及岩性分析表明，勘探区内无大型构造迹象。
矿井生产过程中揭露近20条断层，多为高角度中小正断层，总体上对生产影响不大，实际观测发现，这些断层不含水亦不导水
双柳煤矿井下揭露断层统计表表2-1
统计资料表明，生产揭露断层落差一般小于5米，且以高角度正断层为主，走向以NEE和NNW为主，断裂构造不甚发育。
此外，矿井生产过程中还揭露了17个陷落柱，除X12、X15、X16、X17陷落柱出少许水外，其余均未见出水。
综上所述，双柳井田构造较为简单。
井田内主要含水层
双柳井田含水层可划分为4种类型: 第四系松散孔隙潜水含水层、煤系地层砂岩裂隙承压含水层、石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层和奥陶系中统灰岩岩溶裂隙承压含水层。
一、奥陶系中统灰岩岩溶裂隙承压含水层
奥陶系中统由下马家沟组、上马家沟组和峰峰组组成。
岩性以灰岩为主，次为泥灰岩、角砾状泥灰岩及厚层石膏层。
由于双柳井田奥灰终孔均为上马家沟组，所以本报告仅分析峰峰组和上马家沟组。
⑴中奥陶统上马家沟组（O2s）
根据区域资料，本组厚约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1—6cm，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 号孔揭露本组，放水试验单位涌水量达／s·m。
井田内及外围本组和峰峰组进行了4次混合抽放水试验,地下水主要来自本组。
其中114、 133 、356号孔抽放水试验单位涌水量分别为、和／s·m，102号孔单位涌水量为／s·m，从平面上来看，井田内本组富水性强，且均一；从垂向上来看，富水性不随深度增加而明显减弱。
双柳水文地质补充勘探钻孔揭露该组三段（O2s3），岩性以深灰色厚层状灰岩及浅灰色白云质灰岩为主，隐晶质泥晶及微晶结构，块状构造，岩石致密、坚硬，矿物成分以泥晶方解石为主，含量约占75～90%，次为白云石，含量约占20～10%，石英、燧石及粘土矿物少量。
据钻探岩芯鉴定及结合测井解释资料分析，该组岩溶裂隙发育程度不均一，反映在富水程度有明显差异。
据简易水文地质观测资料冲洗液的消耗量分析，该含水层岩溶或裂隙较为发育。
由于井田地处埋藏区，地下水交替缓慢，径流条件差，经长期与围岩发生溶滤作用，溶解含水层中的化学成分，由此造成水质恶化。
水质类型为Cl·SO4－Na·Ca型，矿化度分别为L和L。
据Ms4孔和Ms6孔观测，上马家沟组含水层自然水位标高分别为+ 和+。
总体分析，奥套系灰岩总体上富水性强，矿化度高。
但是在其上段O2s3岩溶及裂隙发育不均一，不同钻孔单位涌水量差异较大。
⑵中奥陶统峰峰组（O2f）
本组在井田东部外围出露，平均厚度。
其中，二段（O2f2）厚度～，平均厚度；一段（O2f1）厚度～，平均厚度。
岩性是以深灰色中厚层状灰
岩为主，隐晶质泥晶或微晶结构，角砾状构造，岩石致密、坚硬，矿物成分以方解石为主，次为白云石，微含泥质。
据观察，灰岩含水层的岩溶形态以溶蚀裂隙即溶隙为主，溶孔稀少，且连通性较差，是该组普遍规律。
由于勘探区地处埋藏区（奥灰顶界埋深～），一般情况下，其岩溶裂隙发育程度会随埋深的增加而逐趋变差，加之该组地层在东部裸露区地表出露面积有限，以及由于裂隙开启程度较差，且多被方解石脉或次生石膏与泥质充填等原因，导致峰峰组岩溶裂隙地下水的补给与赋存条件差，径流条件不畅，地下水交替作用微弱，传导性差，含水性弱，水质差。
据抽水试验，自然水位埋深～，自然水位标高+～+，抽水水位降深～，涌水量～s，单位涌水量～s·m。
水质类型为HCO3－Ca·Mg型，矿化度L～L。
二．石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层
石炭系上统太原组为下组煤的赋存地层，主要含水层为L1～L5薄层石灰岩，灰岩的单层厚度～，累计厚度～，平均厚度，含石灰岩层的厚度（L1～L5之间厚度）～，平均厚度，约占整个太原组厚度的35%～53%。
灰岩含水层为深灰色，中厚层状，泥晶—微晶结构，致密、坚硬，其矿物成分以方解石为主，其含量约占70%～90%，生物碎屑约占15%～20%，含少量泥质。
受构造运动的影响，各孔均有一定程度的构造裂隙、层面裂隙及节理裂隙发育的迹象，但发育程度则有所差异。
据岩芯鉴定，岩溶形态以溶隙为主，其次为溶孔。
裂隙的开启程度及其连通性各孔也有所不同，部分裂隙被方解石脉或泥质所充填，总体呈半充填—全充填，以半充填为主。
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。
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。
双柳煤矿郭家山风井揭露L4灰岩时井筒涌水量由8m3/h增至25m3/h。
井田东部边界外柳林县吉家塔镇煤矿，井筒施工揭露L5和L4石灰岩，涌水量约72～108m3/h，本组在浅部富水性较强。
浅埋区钻孔钻进揭露本组后，钻孔均发生明显的涌漏水现象，也可说明这点。
在井田外深埋区的325孔,单位涌水量仅为／s·m，说明含水层富水性弱。
据MS3、MS5、MS7及MS8孔注水试验资料，井田内太灰含水层渗透系数～d，导水系数～d，水质类型多为HCO3·Cl—Na型，矿化度～L。
早期的勘探资料提出太灰水的水位为+，据最新水文地质补充勘探资料，井田内太灰含水层由于受到郭家山风井太灰涌水的影响，各孔观测的太灰含水层水位差异较大，但基本上呈现以风井为中心的漏斗状，水位从+～+。
三．煤系地层砂岩裂隙承压含水层
⑴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S4—S8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，井田外北部325、343、359 号孔抽水试验单位涌水量分别为干孔、、／s·m，据133号孔资料，单位涌水量，水位标高+，表明本组富水性弱。
地下水向西径流，水力坡度5%，水质类型为
HCO3·Cl—Na·Mg型，矿化度—／L，为软的微咸水。
该含水层为开采上组煤层的直接充水含水层。
⑵二叠系石盒子组砂岩裂隙承压含水层组
①下石盒子组
本组在井田东缘一带出露，由长石石英砂岩、石英砂岩组成，其中K4砂岩较稳定，平均厚，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，井田外北部343号孔本组抽水试验，单位涌水量／s·m，渗透系数／d，矿化度／L，为较软的微咸水，水质类型为HCO3·Cl—Na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，分布稳定，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，钻孔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／s，133号孔上、下石盒子组放水试验，单位涌水量为s·m，渗透系数为d，水位标高+。
井田外北部356号孔本组抽水试验，单位涌水量为／s· m, 渗透系数／d。
矿化度／L，水质类型为Cl·HCO3—Na型。
四．第四系松散孔隙潜水含水层
第四系松散孔隙含水层主要受大气降水、河流补给，分布于沟谷河流两侧及山麓地段。
富水性好，第四系全新统成条带状分布于黄河河谷。
井田外黄河河谷宽约200m，为近代河流冲积层，砂砾石层的厚度一般小于
10m，易于接受大气降水和河流入渗补给，形成强富水潜水含水层，水质类型为HCO3·SO4—Na·Ca型，矿化度／L，水质良好。
但易受污染，对煤矿生产不构成威胁。
井田内主要隔水层
隔水层带主要是依靠其本身的厚度和强度在地应力的帮助下有效地阻抗承压水的突出。
只有在隔水层带具有一定的厚度时，才有可能使裂缝不贯通。
这样在地应力的帮助下能阻止承压水的上升。
隔水层强度主要起到防止由于强大的矿压和水压联合发生作用时对对底板剪切破坏。
由于岩石的抗张强度较小，所以只有在地应力的作用下，才能有效地阻止承压水对裂缝的扩展和延伸。
地应力越大对阻止底板突水越有利。
隔水层的阻抗水能力取决于它的厚度、强度及岩性组合情况。
⑴隔水层的厚度，可延长承压水对裂隙侵蚀扩展的时间。
多数突水是发生在开采的控顶区，除了直接揭露含水体（充水断层、充水陷落柱等）发生爆发式突水外，多数缓冲式突水都有一发展过程。
若能延长裂隙扩展时间，在导水裂隙还未到达控顶区时，工作面已向前推进，原控顶区已垮落压实，从而有可能降低突水发生的机率。
当然，厚度大还将不断消耗承压水用以不断克服岩体的抗张强度和途径阻力以及扩展裂隙的水头。
即使在导水破坏带，虽然失去部分阻水能力，但其厚度还可起到抗变形破坏的作用。
⑵隔水层的强度，可阻抗承压水压裂岩层和沿裂隙扩展延伸．若水压小于岩体抗拉强度。
则承压水不具备压裂岩体的条件，即使水压大于岩体
抗拉强度，但又小于最小主应力与岩体抗拉强度之和，那么岩体在其本身的抗拉强度和地应力的作用下仍能阻抗压裂的产生。
⑶隔水层的组合不同，则其整体的阻水能力也不同。
组合层数越多，则各种界面越多，由于界面两侧岩体的性质不同，承压水不可能顺利地沿初次张裂裂隙一直向前延展，必然造成扩展方向和途径复杂多变，并可能到处受阻，甚至中断，从而不能直接到达采场。
一般说来，若底板隔水层强度高，厚度大裂隙少或较完整，突水机率就小，反之突水机率就大。
底板隔水强度不够而突水时，采面底膨、突水点分散。
若底板隔水层为一完整岩层即使厚度不大，也有很高的阻抗强度。
目前隔水层的阻抗强度多以其厚度表示（或换算成等值厚度）。
但是底板隔水层内往往不是完整的岩层，而分布有大大小小的断层或裂隙，由于它们的存在不仅大大降低隔水层的强度，还为承压水提供了存储的空间和过水通道，使得承压水在煤层开采前就早己上升到底板隔水层的不同高度，而减少了隔水层的厚度，从而降低了岩层对承压水的阻抗和抑制作用。
上组煤隔水层
⑴上组煤顶板隔水层
上组煤顶板多为砂质泥岩或粉砂岩，致密，较完整，局部裂隙发育。
砂岩以石英、长石为主，孔隙式胶结，抗压强度为，属半坚硬类岩石。
4#煤层顶至K4砂岩底之间层距的隔水层统计如下：
上组煤顶板隔水层岩性分类统计表表2-2。
