1 項(xiàng)目背景

該項(xiàng)目于2020年1月通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定，研究成果為國(guó)際先進(jìn)水平。

礦井突水一直是影響煤田安全生產(chǎn)的主要因素，也是煤田地質(zhì)領(lǐng)域難以解決的關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題之一。對(duì)構(gòu)造控水機(jī)理及涌、突水水源的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，不僅可有效預(yù)防礦井突水等地質(zhì)災(zāi)害，還可指導(dǎo)已突水區(qū)域的針對(duì)性治理。北辛窯井田是同煤集團(tuán)朔南礦區(qū)主要礦井之一，構(gòu)造位置位于寧武煤田中北部，井田內(nèi)斷裂構(gòu)造復(fù)雜，規(guī)模大、條數(shù)多，煤層起伏變化大；由于處于構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)換區(qū)，構(gòu)造體系復(fù)雜、古水系和現(xiàn)今流域發(fā)育，井田內(nèi)水動(dòng)力條件（場(chǎng)）、水源類(lèi)型、水源通道以及涌（突）水規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致在掘進(jìn)過(guò)程中出水量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，水位動(dòng)態(tài)變化和水質(zhì)類(lèi)型差異較大，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。項(xiàng)目從地質(zhì)構(gòu)造控水機(jī)理和水地球化學(xué)角度進(jìn)行了系統(tǒng)研究，進(jìn)一步明確了該井田的水文地質(zhì)條件，建立了井田水源識(shí)別圖版及水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，提出了礦井防治水地質(zhì)建議，為礦井安全生產(chǎn)提供了地質(zhì)保障。

2 研究?jī)?nèi)容

（1）區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析

在區(qū)域構(gòu)造背景總結(jié)深化的基礎(chǔ)上，以寧武煤田區(qū)域構(gòu)造演化和應(yīng)力場(chǎng)背景為主線，劃分和確定煤田內(nèi)不整合類(lèi)型，重點(diǎn)研究關(guān)鍵構(gòu)造活動(dòng)期次的不整合及其展布特征；結(jié)合平、剖面構(gòu)造組合特征、鉆孔沉降史以及地質(zhì)構(gòu)造演化剖面和應(yīng)力場(chǎng)背景分析，分區(qū)探討和恢復(fù)構(gòu)造隆升和沉降活動(dòng)過(guò)程，劃分和厘定煤田內(nèi)關(guān)鍵構(gòu)造活動(dòng)期次，明確區(qū)域大斷裂與隱伏構(gòu)造分布規(guī)律與成因機(jī)制；建立不同演化階段區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力與井田構(gòu)造形變的耦合關(guān)系，探討其對(duì)北辛窯井田古基底、斷裂、褶皺、陷落柱（巖溶洞穴）構(gòu)造的響應(yīng)特征。

（2）井田構(gòu)造特征研究

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造所遵循的普遍規(guī)律，通過(guò)礦井資料統(tǒng)計(jì)、井下地質(zhì)觀測(cè)及地震資料解釋分析，從系統(tǒng)論觀點(diǎn)深入研究井田內(nèi)構(gòu)造行跡（斷裂、褶皺和陷落柱）展布特征、發(fā)育規(guī)律及其對(duì)煤層賦存的控制作用。具體為：①斷裂特征研究：在三維地震精細(xì)解釋、礦井實(shí)測(cè)斷層工作的基礎(chǔ)上，確定井田構(gòu)造邊界條件，明確斷裂構(gòu)造類(lèi)型，劃分?jǐn)嗔褬?gòu)造級(jí)別；并斷裂體系（走向、傾向、縱向切割層位和橫向延伸范圍）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定斷裂平面組合切割關(guān)系和空間展布規(guī)律；②褶皺特征研究：分析區(qū)內(nèi)褶皺空間展布形態(tài)、規(guī)模大小及組合（褶皺與褶皺、褶皺與斷層）特征，查明褶曲規(guī)模；③陷落柱（巖溶洞穴）發(fā)育規(guī)律研究：以區(qū)域構(gòu)造演化和巖溶陷落柱形成機(jī)理等理論為基礎(chǔ)，根據(jù)目前礦井陷落柱探查（物探、鉆探和采掘）結(jié)果，結(jié)合奧陶系形成演化特征，研究井田內(nèi)陷落柱或巖溶發(fā)育規(guī)律，重點(diǎn)分析陷落柱體和充填物的巖性結(jié)構(gòu)、膠結(jié)強(qiáng)度和差異度；④隱伏斷裂研究：結(jié)合古應(yīng)力、區(qū)域大型斷裂、古今水系和井下地質(zhì)剖面特征，綜合分析區(qū)內(nèi)隱伏斷裂特征及后期活化、改造特征；⑤成因機(jī)制與構(gòu)造樣式研究：對(duì)斷裂與褶皺構(gòu)造幾何學(xué)特征進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合定向樣品采集及化驗(yàn)分析，分析區(qū)內(nèi)古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征及運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制，歸納主要控煤構(gòu)造樣式及分布規(guī)律。

（3）水文地質(zhì)特征分析

①根據(jù)研究區(qū)的地層發(fā)育特征，確定其地下水系統(tǒng)及邊界條件，應(yīng)用鉆井資料、抽水試驗(yàn)資料確定研究區(qū)的含、隔水層發(fā)育層段，確定研究區(qū)的含、隔水層發(fā)育層段、巖性、厚度、充水性等條件，點(diǎn)-線-面逐級(jí)對(duì)比，確定含、隔水層發(fā)育的空間特征。②結(jié)合研究區(qū)的自然地理情況，及地下含水層的發(fā)育特征明確礦井水補(bǔ)給源、徑流循環(huán)、排泄條件。確定礦井水的充水水源及充水通道。③在構(gòu)造解析的基礎(chǔ)上，明確斷層的隔、導(dǎo)水性劃分水文單元，并進(jìn)一步分析地下水的運(yùn)動(dòng)條件、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立地下水動(dòng)力場(chǎng)。

（4）構(gòu)造控水機(jī)理研究

通過(guò)構(gòu)造單元?jiǎng)澐?、斷裂?gòu)造和水文地質(zhì)特征分析，明確古今水系、巖溶水徑流及水動(dòng)力場(chǎng)的主控因素，并且從成因和動(dòng)態(tài)演化角度探討斷裂帶和陷落柱滲透、疏導(dǎo)、強(qiáng)徑流特征，結(jié)合優(yōu)勢(shì)面理論和研究方法，對(duì)斷層的水文地質(zhì)特征進(jìn)行分級(jí)。具體為：①斷裂對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件及水文邊界的控制作用研究；②斷裂系統(tǒng)對(duì)巖溶發(fā)育及地下水的補(bǔ)、徑、排因素的控制機(jī)理研究；③構(gòu)造對(duì)突水的控制作用及機(jī)理研究。

（5）水文地球化學(xué)分析

對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)與井田礦井水有關(guān)的水的類(lèi)型如砂巖水、地表水、奧灰水等分別取樣，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，確定水樣的物理化學(xué)特征，及同位素、微量元素地球化學(xué)特征，為突（涌）水水源確定提供依據(jù)。具體的水文地球化學(xué)測(cè)試包括：水樣的常規(guī)離子、微量元素、氫氧同位素及可能指示水源的其它同位素。在水文地球化學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上，建立礦井水源識(shí)別圖版和水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 主要研究成果

（1）探討了寧武煤田區(qū)域構(gòu)造構(gòu)造應(yīng)力作用（如圖1）對(duì)北辛窯井田的石炭系構(gòu)造變形響應(yīng)特征，明確了井田構(gòu)造分布規(guī)律與成因機(jī)制，充分應(yīng)用高分辨率層序地層對(duì)比及沉積微相識(shí)別技術(shù)，確定了石炭-二疊系含水層及煤層的縱橫向演化特征及賦存規(guī)律。

圖1 寧武煤田北部構(gòu)造主應(yīng)力分析圖

（2）利用同位素示蹤的“指紋”特性，對(duì)氫氧同位素、氚同位素和14C同位素綜合判別，厘定了北辛窯井田各含水層的水質(zhì)特征及水力聯(lián)系，構(gòu)建出一套復(fù)雜水文地質(zhì)條件下多層含水層水力聯(lián)系的綜合判別方法，建立了3 種識(shí)別圖版（如圖2），為各含水層水源快速識(shí)別提供可靠支撐并得到應(yīng)用和良好印證。

圖2 北辛窯井田含水層組分識(shí)別圖版

（3）提出NE 向束狀斷裂網(wǎng)絡(luò)體系是北辛窯井田的主控水構(gòu)造和水源通道，具有下降盤(pán)導(dǎo)水性明顯強(qiáng)于上升盤(pán)的差異性特征，將統(tǒng)一的水動(dòng)力系統(tǒng)分割成多個(gè)次級(jí)水動(dòng)力系統(tǒng)，提出井田斷裂控水機(jī)理，解決了相鄰水文孔水位差異大、抽排期水位不明顯變化等難題。

4 應(yīng)用效果

研究成果為北辛窯井田各含水層水源快速識(shí)別提供了可靠支撐并得到了應(yīng)用和良好印證，進(jìn)一步明確了井田構(gòu)造控水機(jī)理，提出了礦井地質(zhì)防治水建議，指導(dǎo)了北辛窯井田復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的開(kāi)采部署，減少了由于構(gòu)造控水作用和含水層水源識(shí)別不清等原因，導(dǎo)致井田工作面、巷道布置，巷道掘進(jìn)、工作面回采以及勘探規(guī)劃不合理產(chǎn)生的損失。該項(xiàng)成果和技術(shù)方法為后續(xù)梵王寺、高莊、麻家梁等井田水文地質(zhì)勘探部署、礦井建設(shè)、水源識(shí)別、水害質(zhì)量以及煤層高效開(kāi)采等提供了可靠的地質(zhì)保障，在實(shí)踐驗(yàn)證中取得了良好的效果。