大同矿区北区水文地质调查设计

大同矿区北区遥感水文地质测绘设计

第一章项目概况

第一节目的任务

一、任务由来

同煤集团拟进行大同煤田石炭系岩溶水水文地质勘查及突水危险性评价，经过招投标，中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司中标，按照投标书施工组织设计，先进行遥感水文地质测绘，本次遥感水文地质测绘拟选用法国资源卫星（SPOT）遥感彩色合成图像为主信息，结合近期的黑白航空像片，采用以目视和计算机ENVI遥感解释软件、GIS（地理信息系统）空间分析功能相结合。

二、目的任务、

1、调查的主要目的

认识、了解和掌握地貌、地质构造条件、水文地质条件、矿井充水条件、矿井涌水量预测、矿井防治水及地下水补给、径流与排泄条件，为本次水文地质勘查工作提供基础资料。

2、调查的主要任务如下：

（1）调查区域地质构造发育特征，主要断裂构造带的平面展布，分析陷落柱的分布规律，了解地层发育特征，同时调查新构造运动的有关迹象特征。

（2）调查区内岩溶裂隙发育特征，重点调查基岩裸露区碳酸岩盐地层、溶洞、构造裂隙、溶蚀裂隙、层面裂隙和节理裂隙的分布与发育特征。

（3）调查主要含水层的岩性、埋藏分布条件，各含水层地下水的成因、类型、补迳排条件及其水质水量的分布和变化情况等。

（4）调查区内各时代含水层的发育特征，大气降水、地表水、地下水的“三水”转化关系，重点是煤系主要含水层地下水与岩溶水的水力联系。

（5）调查区内与开采煤层有关的地表水体、井、泉的出露层位、出露方式、及其动态特征，并实测其流量、水温及水化学性质。

（6）调查区域内小煤窑、老窑采空区的分布等。

第二节交通位置、自然地理概况

一、位置及交通

大同矿区位于山西省北部，交通运输十分便利，现已形成密集的公路和铁路运输网络。国铁干线京-包与北同蒲铁路交汇于大同市；大同-秦皇岛专线、北同蒲电气化铁路已完成全线改造。京—大、大—运以及与西北部内蒙等地连接的大同—集宁高速公路已建成通车。所有这些都大大增强了本区域的煤炭运输能力。井田内尚有大同至王村铁路运煤专线及全长19.29km的塔山至韩家岭的铁路专线。（见图1-1交通位置示意图）。

图1-1 交通位置示意图

大同矿区资源涵盖整个大同煤田，矿区东北以青磁窑断层南段为界，东、南、西、

北均以煤层露头线为界，呈北东～南西向展布。走向北东～南西，长85km，倾向北西～南东，宽30km，面积1827km2，其中：下部石炭二迭系含煤面积1739km2。

二、自然地理

1、地形、地貌

大同煤田位于山西地台的北端，吕梁山北部的黄土高原，周围环山。西北面为牛心山，西南为洪涛山，西面为西石山，东南为口泉山，东北为雷公山。

口泉山脉北起大同西部，南至朔县兰花口，走向北东—南西，以80°～50°的坡度倾向北西，构成长条带状陡峻的单面山地形。由七峰山、房寺山、清凉寺山、猪头山、尖子山等连成一条锋锐的山脊，海拔高度1624.4～1714m，为煤田东部边缘之天然屏障。

（1）构造剥蚀地貌：主要分两类，即低中山区和低山区。低中山区分布于东部，由寒武系、奥陶系、石炭系组成的，由于硬软地层中较软地层及北东向构造破碎带长期遭受剥蚀、冲刷，形成许多平行山体走向的冲沟，从而出现多条平行单面山岭或猪背岭；低山区分布于矿区中西部，由石炭系、二叠系、侏罗系组成，山间地块呈黄土丘陵地貌，侵蚀沟发育。

（2）侵蚀堆积地貌：主要分布于十里河、口泉河与鹅毛口河、大峪河、小峪河谷狭长地带，由第四系冲洪积物及黄土构成，并普遍发育河漫滩与一、二级阶地。

2、河流水系

本区属海河流域，永定河水系，桑干河北岸支系。主要河流如下:

（1）十里河：

发源于左云县高庙村，流域面积1311.1 km2，为树枝状，全长65 km，河宽20～300m，树枝状水系，坡度0.4～0.7%，一般流量0.35 m3/s。

（2）口泉河：

流域面积600 km2，全长50 km，河宽20～150m，树枝状水系，坡度5～7%，为间歇性河流，径流量甚小，平时以矿坑排水补给为主，河床潜水位很深，是地表水补给地下的渗透性河谷。流量为0～0.129m3/s，最大洪水流量246 m3/s ，年迳流量33.44×104m3。

（3）鹅毛口河：

流域面积110 km2，全长12 km，河宽80～130m，河床坡度1.8%，树枝状水系，流量为0.0035～0.054m3/s，最大洪水流量250 m3/s ，年迳流量79.46×104m3。

（4）小峪河：

发源于睡佛山、老婆山、大西沟、北圪塔一带，流域面积52 km2，全长9 km，河

大同石炭纪煤田遥感水文地质测绘设计

宽75～150m，坡降2.480m，坡降1.1%，清水流量0.041m3/s，历年最大洪水流量208m3/s。

（5）大峪河：

发源于葫芦峪、布山沟、马道头、魏家沟一带。流域面积140 km2，全长22.5km，河宽40～80m，坡降1.1%，清水流量0.041m3/s，历年最大洪水流量208m3/s。

3、气象

本区属于中温带大陆性气候，冬季严寒，夏季炎热，气候干燥，风沙严重。

（1）气温：年均气温6.0～7.7°C，月平均气温-12.8～23.25°C，季温和昼夜温差显著。

（2）降水量：年降水量为247.0～491.2mm，多年平均降水量为389.43mm。主要集中于7、8、9三个月，约占全年降水量的80%。

（3）蒸发量：历年年蒸发量1539.0～2367.5mm，其中5～7月份蒸发量最大，约占全年蒸发量的50～60%。

4、风：雁同地区一向以风沙多而著称，西北风几乎贯穿全年，其频率在各月占11～29%，其中5月份风力最大，风速在14.0～22.0m/s。

5、湿度：平均绝对湿度1.0～17.8mb，各月平均相对湿度31～74%。

6、冻土与最大积雪深度：冻土月份为11月份至第二年3月份，最多至4月份，最大冻土深度156cm，最大积雪深度22cm。

第三节测绘区范围

本次测绘工作为1：5万比例尺的遥感综合水文地质测绘调查。从完整水文地质单元即岩溶水系统（泉域）研究着手，进行综合研究。调查范围区西起石炭系煤层露头线，东到口泉镇-鹅毛口-大峪口一线；北至大同煤田北部边缘，南到马营背斜与宝峰山一线，包括北部四台、燕子山、东周窑、同忻、马脊梁、塔山六个井田，面积约1100km2。

图1-2 大同矿区（北区）遥感测绘范围图

第二章以往水文地质工作及研究程度

第一节以往工作概述

上世纪五十年代至七十年代，煤炭、地矿、石油等部门先后进行了地质研究工作，系统地划分了地层，详细研究了地质构造；据本次收集资料统计，本区施工水文地质钻孔、探岩溶孔、水源孔100多个，为本项目提供了基础资料。（见表3-1矿井水文孔、水文长观孔、水源井、探岩溶孔汇总表）。

区内进行的水文地质研究如下：

1.1960年至1964年，华北煤田地质勘探局115队对口泉河奥陶系石灰岩进行水源

普查，提交《口泉河寒武-奥陶系石灰岩水源普查报告》。

2.1987年至1988年,中国地质大学在马武山到洪涛山之间进行了水文地质调查,提

交了《大同矿区隐伏岩溶裂隙水开发利用可行性评价及工作设计》。

3.1991年，山西煤田地质局115队提交了《大同煤田岩溶地下水赋存条件研究报告》；

4.九十年代，中国煤炭地质总局第三水文地质队在口泉河南进行了供水水文地质普查、详查及勘探工作，提交有《山西省大同矿区口泉沟南供水水文地质详查报告》、《山西省大同矿区口泉沟南供水水文地质勘探报告》，对本区寒武－奥陶系岩溶水作过专门研究，为本项目提供了大量的基础资料。但由于项目是以供水勘探为目的，大部分钻孔

布置在河谷地带，塔山井田内仅有Ｋ15号孔，水文地质钻孔控制不够。

5. 2007年9月至2008年9月，中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司第三分公司对同煤大唐塔山井田一、二盘区岩溶水突水危险性进行了评估工作，提交了《山西省同煤大唐塔山井田一、二盘区岩溶水突水危险性评估报告》。通过物探、钻探、抽水试验、水岩样测试，查明井田一、二盘区岩溶水水文地质条件，查明了石炭系煤层底板隔水层物理力学特征，研究了井田构造格局及构造复杂性，采用多个评价指标对井田带压安全开采突水危险性进行分区和综合评价，并提出安全开采的建议。

矿井水文孔、水文长观孔、水源井、探岩溶孔汇总表表3-1

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中国煤炭地质总局第三水文地质队

中国煤炭地质总局第三水文地质队

8

中国煤炭地质总局第三水文地质队

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中国煤炭地质总局第三水文地质队

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第二节对以往工作的评估

综前所述，在本区范围内做过一些水文地质勘探研究工作，积累了一些成果资料，为本项目的实施奠定了基础。但这些资料出自不同单位、不同部门，因工作性质不同、目的任务不同，各有侧重点，缺乏系统整理研究。主要表现在：水文钻孔分布不均，主要分布于煤田东部、北部边缘，西北部和中部水文钻孔较少；大同煤田煤系地层与下伏寒武奥陶系地层不整合接触，受沉积环境和后期剥蚀控制，不同地段煤系地层下伏岩溶含水层段各不相同。早期勘察受技术条件限制，大部分钻孔揭露灰岩厚度仅50m，对灰岩定名无统一标准，对灰岩的划分不一致，对岩溶发育情况及富水性缺乏深入对比研究；部分钻孔分层止水不佳，水位资料不真实，钻孔施工时间跨度较大，缺乏同一时期的水位资料；经过对本次收集钻孔资料整理分析，可用钻孔资料很少等，无法满足评价区域带压开采条件的要求等。

因此上，由于本区未做过系统水文地质勘查工作，尚无法准确计算井田岩溶水资源量，从区域角度上对矿区所处岩溶水系统研究程度及精度较低，对水文地质条件的认识局限于从地质、构造等宏观上的分析、推断，对断裂构造、陷落柱的赋导水性研究不深、缺乏系统水文地质勘查及抽水试验等直接有效的第一手资料，亟待补充完善，指导生产。

据1994年中国煤炭地质总局第三水文地质队提交的《山西省大同矿区口泉沟南供水水文地质勘探报告》，将鹅毛口河子系统及口泉河子系统南部与大峪－小峪河子系统同划为同一个水文地质区，其北部边界为白洞断层一带地下分水岭。又据1993年水位观测资料，挖金湾矿K15号孔水位标高为1177.437ｍ，王村矿K16号孔水位标高为1375.654ｍ。2008年9月，我公司组织水位观测， K15号孔水位标高为1090.700ｍ，王村矿K16号孔水位标高为1091.654ｍ,与1993相比，地下水位分别下降了86.737ｍ、284.00ｍ。因此，重新划分子系统，将鹅毛口河一带划分为鹅毛口河子系统，口泉河一带划分为口泉河子系统，边界与

地表分水岭基本一致。分析认为因大同盆地第四系水源地地下水水位下降过大，或口泉河内人工排泄岩溶地下水，造成地下分水岭南移至盘道附近地表分水岭。

第三章地质概况

第一节地层

大同煤田出露的地层由老到新有：太古界集宁群；古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系；中生界侏罗系、白垩系；新生界第三系、第四系。由于其地处华北地台的北部边缘，各期地层有许多特殊之处。

其一：早古生界寒武系、奥陶系地层由南而北，由下而上逐渐变薄，依次尖灭。晚古生界之本溪组自南而北

依次以奥陶系的上马家沟组、下

马家沟组和亮甲山组、冶里组，

以至以寒武系为其下伏地层。

其二：石炭系上统太原组以

陆相沉积为主，基本上见不到海

相灰岩，海相泥岩、泥灰岩也只

在南部见到一层。碎屑岩特别发

育，煤层很厚。

其三：侏罗系和晚古生界的接触

关系是区域性不整合，早侏罗世

永定庄组自南向北依次以二叠纪

的石千峰组、上石盒子组、下石

盒子组、山西组和石炭纪的太原

组等为下伏地层（见表2-1大同

矿区区域地层表和图2-1区域地层特征图）。图2-1 区域地层特征图

大同矿区区域地层表表2-1

第二节构造

4.2 构造

本区位于祁、吕、贺山字形构造东翼反射弧之顶部，山西省中北部多字型构

造的北端，大同向斜的中段东翼，天山—阴山纬向构造的南侧，属新华夏系第三隆起带。

矿区西邻吕梁经向构造带的西石山脉；东与大同盆地接壤，往东侧属于祁山字型东翼弧形构造，左行斜列的六棱山脉，恒山山脉和五台山脉隆起；南以洪涛山与宁武煤田相望，再往南为新华夏系北北东向的宁武向斜。大同向斜、宁武向斜组成一个北东向的“S”型构造。

大同煤田处于东西向构造体系与新华夏系联合部位，是一个与大同新生代断陷盆地相对应的新华夏的台隆，二者之间以口泉山脉山前断裂，即山阴-怀仁-

大同大断裂为界（图4-1）。

本区位于祁、吕、贺山字形构造东翼反射弧之顶部，山西省中北部多字型构

造的北端，大同向斜的中段东翼，天山—阴山纬向构造的南侧，属新华夏系第三

隆起带。

矿区西邻吕梁经向构造带的西石山脉；东与大同盆地接壤，往东侧属于祁山

字型东翼弧形构造，左行斜列的六棱山脉，恒山山脉和五台山脉隆起；南以洪涛

山与宁武煤田

相望，再往南为新华夏系北北东向的宁武向斜。大同向斜、宁武向斜组成一个北

东向的“S”型构造。

大同煤田处于东西向构造体系与新华夏系联合部位，是一个与大同新生代断

陷盆地相对应的新华夏的台隆，二者之间以口泉山脉山前断裂，即山阴-怀仁-

大同大断裂为界（图2-2区域构造纲要图）。

图2-2 区域构造纲要图

对本区岩溶地下水起控制作用的主要有大同向斜、口泉大断裂。

（1）大同向斜

北起云岗沟，南至玉井;东口泉镇、大峪口，西至右玉县、威远堡一带；轴部位于峰子涧、马道头、史家屯一线；长70km，宽45km，走向N40°E；北西翼倾角4～20°，南东翼倾角30～70°，局部直立或倒转；轴部出露P、J和K，两翼依次出露P、C、O和∈，南东翼连续分布有太古界集宁群。为一南西端翘起轴部开阔的不对称向斜。

（2）口泉大断裂

为正断层，由一系列北东向阶梯状断裂组成，北起镇川堡，向南经口泉镇、大峪口，至柏坡村一带，走向N28°E，全长达100km；落差大于1000m，倾向南东，倾角60～67°，南东盘下降、北西盘上升，造成太古界片麻岩与新生界松散层接触，

起相对阻水作用。

第三节岩浆活动

自第三纪以来，本区共有三次岩浆活动，即第三纪中期、末期及第四纪上更新世。岩浆活动以岩浆侵入形式存在，比较集中的分布在大峪—小峪一带，展布方向NNE、NW、NE三个。岩性以辉绿岩为主，垂直节理发育，岩脉在局部地段相互穿插，反映了岩活动浆的多期性。

第四章水文地质概况

第一节各岩溶水子系统边界条件

大同煤田向斜对本区域岩溶水系统的形成起总体控制作用。大同煤田向斜为不对称的向斜，北西翼宽缓，北东翼陡峭。本区域岩溶地下水系统自北向南总体分四个子系统，即十里河子系统，口泉河子系统，鹅毛口河子系统，大峪－小峪河子系统。四个子系统补、径、排条件类似，但又相对独立，相邻二者间均以地表分水岭作为可移动边界（见图2-2大同矿区岩溶水文地质图）。

1、大峪－小峪河子系统

面积1204Km2。其边界条件为：

北部边界：冯家窑至悟道村一带，地势较高，为地表分水岭，该处发育一组由北西向正断层组成的地堑，形成与北部子系统的阻水边界。

东部边界：寒武系底部厚层紫红色泥岩与太古界基底片麻岩构成与大同盆地的隔水边界。

南部边界：据《山西省大同矿区口泉沟南供水水文地质勘探报告》，南部马营背斜与宝峰山一线构成与神头泉岩溶水系统的可移动地下分水岭。

西部边界：矿区西部元堡子断层，最大落差可达150m。地下水排泄地点为王坪平硐内奥陶系白云岩裂隙中（图2－3），据王坪煤矿平硐观测资料，上世纪九十年代初，涌水量可达11000m3/d,九十年代末，核减至 6000 m3/d，2006年观测涌水量约4000m3/d。主要是近二十年降水量减少，且区内寺峰山煤矿、小峪煤矿奥陶系供水井取水量较大造成。

大同矿区岩溶水文地质图

2、鹅毛口河子系统

面积176.4Km2。其边界条件为：

北部边界：盘道一带地表水分水岭，为一可移动边界。

东部边界：寒武系底部厚层紫红色泥岩与太古界基底片麻岩构成与大同盆地的隔水边界。

南部边界：冯家窑至悟道村一带，地势较高，为地表分水岭，该处发育一组由北西向正断层组成的地堑，形成与南部岩溶地下水的阻水边界。

西部边界：为矿区西部元堡子断层。排泄地点在鹅毛口河与大同盆地交汇部位。

3、口泉河子系统

面积141.5Km2。其边界条件为：

北部边界：口泉河以北地表分水岭作为与北部忻州窑岩溶子系统的可移动地下分水岭。

东部边界：寒武系底部厚层紫红色泥岩与太古界基底片麻岩构成与大同盆地的隔水边界。

南部边界：盘道一带地表水分水岭可移动边界。

西部边界：为矿区西部元堡子断层。

4、十里河子系统

面积378.7Km2。其边界条件为：

北部边界：大同煤田北部边缘，煤层与奥陶系、寒武系尖灭，形成隔水边界。

东部边界：寒武系底部厚层紫红色泥岩与太古界基底片麻岩构成与大同盆地的隔水边界。

南部边界：口泉河北部地表水分水岭可移动边界。

西部边界：矿区西部左云县一带奥陶系缺失，寒武系逐渐尖灭，形成西部边界。

十里河子系统地下水从忻州窑或青磁窑一带十河口排泄，补给大同盆地第四系地下水。

第二节矿区岩溶地下水补、径、排条件

1、补给条件

降水入渗补给：区内岩溶地下水的主要补给源为东部灰岩裸露区大气降水入渗补给东部边山碳酸盐岩裸露区断裂构造纵横切割，寒武-奥陶系灰岩、白云岩表面多见垂直裂隙与层面裂隙，局部宽大溶隙和溶洞非常发育，为大气降水入渗提供了良好的通道和赋存空间。

西部地下水侧向补给：西区白垩系超覆于寒武－奥陶系之上，白垩系地下水侧向补给寒武－奥陶系，远途径补给岩溶地下水。

河流渗漏入渗补给：大峪河、小峪河、鹅毛口河、口泉河、忻州窑河、十里河横穿大同煤田，流经区断裂构造发育，有利于地下水的渗漏补给。据1991年至1997年河流流量观测资料，区段内碳酸盐岩裸露区段有不同程度的渗漏（表2-2）。

2、径流条件

大同煤田向斜、山前单斜构造、盘道向斜、冯家窑地堑为区内主要控水构造，控制着本区地下水的补径排条件。区内规模较大的不同性质、不同方向的断裂构造和褶皱构造具有纵向导水和横向阻水作用，影响着岩溶裂隙在平面和垂向上的发育程度，从而控制了地下水的径流方向。

冯家窑地堑及附近地表分水岭、盘道向斜附近地表分水岭、口泉河北地表分水岭分别成为区域内四个子系统地下分水岭。地下水径流方向大致类似。即东部寒武－奥陶系碳酸盐岩接受大气降水补给以后，顺倾向自东向西运移，由于碳酸盐岩埋藏深度加大，裂隙岩溶不发育，北部地下水转为自北向南径流，南部地下水转为自南向北流，最终分别在王坪平硐、鹅毛口河口、口泉河口、忻州窑河口一带汇集。

3排泄条件

自然排泄：区域内地下水主要排泄途径是从王坪平硐、鹅毛口河口、口泉河口、忻州窑河口，与大同盆地交汇部位隐伏河床排泄补给大同盆地第四系地下水。

人工排泄：

（1）塔山平硐与小塔山平硐在穿越寒武系、奥陶系、石炭系时，均遇大型溶洞与裂隙，初始出水量较大，但经抽水试验，单位涌水量仅0.0086l/s.m。王坪

平硐在穿越寒武系、奥陶系、石炭系时，遇数条断层，1985－1993年平均排泄量达9185m3/d。

（2）楼子河煤矿平硐，穿越奥陶系涌水量100m3/d。

（3）石井煤矿在运输巷中切断了以往奥陶系水文孔鹅39号孔内止水管，出水量360m3/d。

（4）矿坑涌水排泄

井田内在鹅毛口河与口泉河，分布着生产多年的矿井与煤窑，许多开采石炭系煤层，其开采水平在1040～1118m，低于岩溶水位10～50m。太原组岩石在构造部位裂隙发育，深部地下水可通过薄弱地带补给煤系，形成岩溶水的一种排泄形式。

第三节各含水岩组特征

根据含水介质和空隙类型，将区内含水岩组划分为：第三、第四系松散岩孔隙含水岩组；石炭-二叠－侏罗系碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙含水岩组；寒武-奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组；太古界片麻岩隔水岩组。

1、松散岩类孔隙含水岩组

分布于区内河流的一、二级阶地和河漫滩。含水介质为砂砾石，厚度4.7～25.2m，水位埋深3.8～6.5m。含水层除接受大气降水和河流渗漏补给外，局部接受岩溶地下水的顶托补给。单位涌水量为 1.21～9.47l/s.m，渗透系数为5～50.0m/d，水质类型HCO3﹒SO4—Ca﹒Mg型水，总硬度18.8～21.4德国度，矿化度0.6g/l。地下水的径流方向与地表水流向一致，即由西向东径流，补给山前冲洪积盆地。

2、石炭-二叠－侏罗-白垩系碎屑岩孔隙、裂隙含水岩组

（1）白垩系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组

分布于西北部的潘家窑、郝家窑，含水层为砂砾岩组成，最大厚度22.5m左右，富水性弱。地表多以泉的形式出露，泉水流量0.11～0.995l/s。钻孔单位涌水量0.004l/s.m，水质类型为HCO3﹒SO4—Ca﹒Mg型水。在井田西部超覆于寒武奥陶系碳酸盐岩之上，侧向远途径补给井田岩溶地下水。

（2）侏罗系大同组砂岩孔隙裂隙含水岩组

分布于鹅毛口以北及冯家窑以西，王村矿、挖金湾矿、雁崖矿、白洞矿一带，