地质基础知识

第一章地质学基础知识

第一节岩石学基础知识

一、矿物

矿物是天然产物，通常具有一定的物理性质和比较固定的化学成份。有的矿物是由一种化学元素组成的单质矿物，如自然金、自然铜、金刚石等；有的是由两种或两种以上的元素组成的化合物，如黄铁矿、方解石等。某些人工合成的矿物，如人造金刚石、人造水晶等，其化学成份与物理性质与自然矿物类似，但不是天然产物，称之为“人造矿物”或“合成矿物”。

目前，已发现的矿物约3000多种，但组成煤系地层岩石的常见矿物仅有20余种，称之为造岩矿物。常见的矿物有：石英、长石、方解石、黑云母、白云母、角闪石、黄铁矿、赤铁矿和铝土矿等。

二、岩石

岩石是由矿物或岩屑在地质作用下聚集而形成的，自然界中有些岩石是由一种矿物组成，如纯洁的大理岩是由方解石组成；而多数是由两种以上的矿物组成，如花岗岩主要由石英、长石、云母三种矿物组成；少数由火山玻璃物质、胶体物质或生物遗骸组成。

岩石具有一定的结构和构造特征，与矿物比较，岩石的物质组成不固定，物理性质不均匀。

岩石与矿产的关系密切，各种金属、非金属矿产（如煤炭、石油等）绝大多数蕴藏于岩石之中，与岩石具有成因和时空上的联系。

自然界中岩石种类名目繁多，但根据其成因可分为三大类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。

1、岩浆岩

岩浆岩又称火成岩，它是地壳下面存在着高温高压的熔融硅酸盐物质（称为岩浆），受地壳运动的影响，沿着地壳薄弱带侵入地壳或喷出地表，温度降低，最后冷凝固结形成的岩石。

岩浆岩的主要矿物组成是硅酸盐矿物，主要氧化物是SiO2。根据SiO2的百分含量，岩浆岩可分为超基性岩、基性岩、中性岩和酸性岩。这些岩浆岩中的SiO2含量依次逐渐增大。根据岩浆岩的产出深度和状态的不同，岩浆岩又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩。

岩浆岩侵入煤系地层，是一种常见的地质现象，也是影响煤矿生产的重要地质因素之一。岩浆岩侵入体对煤层的破坏性主要表现为：①煤层被侵入体所代替，破坏了煤层的连续、完整性，减少了煤炭的可采储量；②由于接触变质的影响，使煤的灰分增高，黏结性减弱，煤质变劣，降低煤的工业价值；③侵入体硬度较煤层大，会妨碍采掘工作的正常进行，增加生产成本；④侵入体在煤层中发育时，使采区和工作面布置困难，甚至造成废巷等损失。

岩浆岩与沉积岩及变质岩的主要区别标志有：①岩浆岩大多为块状的结晶岩石，部分因冷凝过快而呈玻璃质结构；②具有特有的矿物及结构构造；③与围岩有明显的界线，常含有围岩碎块，称“捕虏体”，接触处有热变质现象；④没有任何生物遗迹或化石。

2、变质岩

变质岩是指已存在的各种岩石（岩浆岩、沉积岩或早先形成的变质岩），在地壳中由于物理和化学条件的改变（高温、高压或化学性质活泼的气体、液体的影响），使原来岩石的结构、构造或矿物成份等发生变化而形成的新的岩石。如：由石灰岩变为大理岩、由石英砂岩变质为石英岩。变质轻者可保持原有岩石的一些结构、构造特征，重者则原岩面目皆非。

由于煤是沉积矿产，属沉积岩的一部分，本教材主要针对煤矿防治水问题，因此，下节重点介绍沉积岩。

第二节沉积岩

一、沉积岩的概念

沉积岩主要指由出露地表的岩石及火山碎屑物质、生物遗骸等在外动力地质作用下被风化、剥蚀的产物，经过搬运、沉积、固结作用所形成的一类岩石。

沉积岩在地表分布最广，约占地球表面积的3/4。更为重要的是许多矿产如煤、油页岩、岩盐等都是沉积岩。据统计，目前，全世界每年开采的矿产的75％来自沉积岩。从地表往下，沉积岩所占比例逐渐减少。

二、沉积岩的结构及原生构造

1、沉积岩的结构

沉积岩的结构可分为碎屑结构、泥质结构、化学结构和生物结构。

碎屑结构的特点是岩石可分为碎屑和胶结物两部分。碎屑颗粒大于0.01mm，按颗粒直径大小可分为：砾状结构颗粒直径大于2mm，砂状结构颗粒直径在2至0.1mm，粉砂结构颗粒直径在0.1至0.01mm之间。

泥质结构多为粘土矿物，颗粒直径小于0.01mm。

化学结构是通过化学溶液沉淀结晶而成，如大部分石灰岩是由许多方解石晶体组成。

生物结构是由生物遗体或碎片组成。

2、沉积岩的原生构造

沉积岩最典型的特征之一是具有原生层状构造。包括层理构造和层面构造。

（1）层理构造：两层面之间更微细的成层现象称层理构造，是岩石性质在垂直原始沉积层面的方向上，由于矿物成份、颜色、结构等特征发生突变或渐变而显现出来。沉积岩的层理类型主要有水平层理、波状层理及交错层理（也称斜层理）等。

（2）层面构造

在岩层面，由于沉积物沉积时，表面遭受到流水、风、生物活动及阳光曝晒等作用所留下的痕迹称层面构造。常见的有波浪、干裂、雨痕、痕迹化石等。如图2-1-1所示。

砂 层

砂 层

图2—1—1 干裂及其形成示意图

三、沉积岩的分类

关于沉积岩的分类，目前国内外流行的分类方案，十分强调沉积岩的物质来源，并以此作为分类的基础，如图2-1-2。

外源沉积岩：所谓“外源”，是指沉积物质来源于沉积盆地之外。其中，由母岩风化、剥蚀后形成的碎屑物质和黏土矿物，经过机械搬运、沉积、成岩作用而形成的岩石称陆源碎屑岩。由火山喷发形成的火山碎屑物质经过堆积、压实、胶结或熔结作用而形成的岩石称火山碎屑岩。

内源沉积岩：所谓“内源”，是指沉积物质直接来源于沉积盆地之内，由沉积盆地内的溶解物质通过化学或生物化学作用沉淀生成的。常见的岩石类型有石灰岩等。其中可燃生物岩主要是指生活在沼泽、湖泊中的生物遗体经过复杂的物理、化学和生物化学及成岩作用而形成的一类岩石，如煤、油页岩等。

图2—1—2 沉积岩分类

第三节构造地质学基础知识

承受地壳运动的岩层或岩石，在地壳运动力的作用下发生变形或变位的形迹，称为地质构造。地质构造在层状的岩石中表现最显著，在不成层的岩浆岩中也是存在的。本节重点讲述成层岩石中的地质构造。它的基本类型有：水平构造，倾斜构造，褶皱构造和断裂构造等。

一、水平构造

原始沉积物，特别是海洋中的沉积物多是水平或近于水平的层状堆积物，按沉积顺序先沉积的在下面，后沉积的覆盖在上面，这些一层层叠置起来的沉积物，经过固结成岩作用形成坚硬的层状岩石，称为岩层。每个岩层具有近似相互平行的两个面，称为层面，顶面又叫上层面，底面又叫下层面。上、下层面之间的垂直距离是岩层的厚度（图2-1-3中的OA）。

原始岩层一般是水平的，在漫长的地质历史中，由于地壳运动，岩浆活动等的影响，岩层产出状况发生多种多样的变化。有的岩层虽然经过地壳运动使其位置发生了变化，但仍保持水平状态，这样的构造称为水平构造。绝对水平的岩层几乎是不存在的，因而所谓水平构造是指受地壳运动影响轻微的某些地区或受强烈地壳运动影响的岩层的某一局部地段或大范围的均匀抬升或下降的地区。水平构造中较新的岩层总是位于较老的岩层之上，当地形受切割时老岩层总是出露在低洼地方，而较新的岩层总是出现在较高的位置。

二、倾斜构造及岩层产状

当地壳运动不仅使岩层形成的位置发生变化，而且改变了岩层的水平状态，使岩层层面和水平面间具有一定的夹角时，称为倾斜构造。倾斜岩层往往是褶曲的一翼，断层的一盘或着是不均匀抬升或下降所引起。如图2-1-3、图2-1-4所示

O

A 图2--4 倾斜岩层及其厚度

α

图2—1—3 倾斜岩层及其厚度

图2--5 倾斜岩层

图2—1—4 倾斜岩层 岩层的产状：是指岩层在地壳中三维的空间方位和产出状态，可用走向、倾向和倾角三个要素来表示（图2-1-5 ）。

图2--6 岩层产状要素 图 2—1—5 岩层产状要素

AOB —走向线 OD —倾向线 OD ／—倾向 α—倾角

1、走向：岩层面与水平面的交线称走向线，走向线两端所指示的方向称岩层的走向，表示岩层在空间的水平延伸方向，有两个方向值（图2-1-5中的AB 、BA 方向）。

2、倾向：岩层面上与走向线垂直并沿倾斜层面向下的垂线称倾斜线，倾斜线在水平面上的垂直投影线方向就是岩层的真倾向，简称倾向（见图2-1-5中的OD ’）。

岩层面上凡与走向线不直交且沿倾斜面向下的任意一条射线称视倾斜线，视倾斜线在水平面上的垂直投影线方向称视倾向或伪倾向（见图2-1-6中的OD 、OC 方向）。

A H B

F

C G

D E

O αββ"

图2—1—6 真倾角与视倾角的关系

α——真倾角； β、β’’——视倾角；w ——真倾向与视倾向之间的夹角

3、倾角：倾斜线与水平面的夹角称真倾角，简称倾角；视倾斜线与水平面的夹角称视倾角。真、视倾角的关系可用数字表达式表示为：tg β＝tg α.cosw 。

当视倾向愈接近真倾向，其视倾角值愈大；反之愈小。一个岩层有许多视倾角，但只有一个真倾角，任何岩层的视倾角都小于其真倾角。

岩层产状要素常用的记录格式为：如90°∠30°，表示岩层的倾向为90°（正东方向），倾角为30°。

三、褶皱构造

1、褶皱与褶曲的概念

（1）褶皱：褶皱是指受地壳运动等地质作用的影响下，使岩层发生塑性变形，形成一条列波状弯曲的构造形态，称褶皱构造，简称褶皱。多数褶皱是地壳运动产生的水平挤压应力作用形成的，如图2-1-7所示。

图2--8 褶皱与褶曲剖面示意图 图2—1—7 褶皱与褶曲剖面示意图

（2）褶曲：褶皱中的一个弯曲称为褶曲，是褶皱的基本单位（见图2-1-7）

2、褶曲的基本形态：

（1）背斜：即岩层向上弯曲的褶曲，其核部岩层相对较老，两侧岩层较新且对称重复出现。

（2）向斜：即岩层向下弯曲的褶曲，其核部岩层相对较新，两侧岩层较老且对称重复出现。

四、断裂构造

断裂构造是指岩石所承受的作用力达到或超过其破裂强度极限并发生破裂变形而形成的构造，岩石的连续性和完整性遭到破坏。根据岩石破裂面的两侧岩块相对位移的大小，分节理和断层两大类型。

（一）节理

节理又称裂隙或裂缝，指破裂面两侧岩块无明显相对位移的断裂构造。

节理常为大型褶皱或断层的伴生或派生的构造，是在岩层形成褶皱或断层时产生的，受褶皱和断层的控制。就煤矿地质而言，节理常是矿井瓦斯、地下水等的重要运移通道和储集场所。

（二）断层

断层是指破裂面两侧的岩石沿破裂面发生有明显位移的断裂构造。断层规模变化很大，小的断层延伸仅有几米，相对位移不过几厘米；大的断层延伸数百米至数千千米，相对位移可达几十千米。

1、断层要素

断层要素是指断层的组成部分以及与阐明断层空间位置和运动性质等有关的几何要素。包括断层面、断层线、交面线、断盘、断距和落差等。（如图2-1-8）。

煤层

图2—1—8 断层要素示意图

（1）断层面：岩层断裂发生相对位移总是沿着一定的破裂面进行的，此破裂面即称为断层面。断层面的空间位置由其走向、倾向和倾角确定。断层面在局部地段可以是平面，但在较大范围内还常是不规则的曲面。较大规模断层的断层面常由一条列断裂面和次级破裂面构成断层破碎带。

（2）断层线：断层线是指断层面与地面的交线，也就是断层面在地面上的出露线。它可以是直线，也可以是曲线，其形态由断层面形态，断层面产状以及地形起伏状况决定。断层面倾角越小，地形起伏越大，断层线形态就越复杂。

（3）交面线：断层面与岩层面（一般取岩层底面）的交线称交面线。其中，断层面与煤层（底）面的交线称为煤层交面线，又称断煤交线，分为两种：①上盘断煤交线，指断层面与上盘煤层（底）面的交线（见图2-1-8）。②下盘断煤交线，指断层面与下盘煤层（底）面的交线（见图2-1-8）。两种断煤交线的形态可以是两条直线或曲线，可以相互平行或交叉，也可以向一端微开而向另一端收敛合并或向两端收敛消失。

（4）断盘：断层面两侧相对位移的岩块称断盘。其中位于断层面上侧的岩块称上盘，位

于断层面下侧的岩块称为下盘；当断层面直立时，无上、下盘之分，可根据断层两侧岩块相对位置给予命名，如东盘、两盘等。此外，将断层两侧相对向上移动的岩块称上升盘，相对向下移动的岩块称下降盘，如图2-1-9所示。

上盘下盘东盘

下盘

上盘

西盘 图2—1—9 断盘名称示意图 （5）断距：断层两盘相对位移的距离称为断距。在同一断层、同一地点的不同方向上作剖面就会得到不同的断距表现形式和断距值。在日常工作中常用到的断距为铅直断距也称为落差。断层落差是指断层两盘对应地质界线点之间的高程差。

2、断层分类

断层的分类方案很多，这里仅介绍两种常用的分类方案。

（1）根据断层两盘相对位移的方向分类

①正断层：指上盘相对下降，下盘相对上升的断层（图2-1-10a ）。一般认为岩层受水平拉伸作用发生张裂，同时在重力作用下，上盘相对下滑形成正断层。多数正断层都表现为张性，其特点是断层延伸距离较小；断面倾角较大（一般在45o 以上），断层面不平整、粗糙；断层中角砾岩胶结较松，棱角明显。

②逆断层：断层上盘相对上升，下盘相对下降的断层称为逆断层（图2-1-10b ）。一般认为岩层受水平挤压作用而发生断裂，并在水平挤压力的继续作用下，上盘相对上升即形成逆断层。自然界中，多数逆断层属于压性断层。其特点时断层面常呈舒缓波状，发育有垂直断层走向的擦痕；有断层泥和角砾，角砾具压扁观象，胶结比较紧密；断层一侧或两侧发育有小褶曲和羽状裂隙。

③平移断层：亦称平推断层。指断层两盘沿断层面作水平方向相对移动的断层（图

2-1-10c ）。一般认为这是岩层受水平扭动作用的产物。其特点是断层多较紧闭；断层面一般直立或近于直立，断层线多是直线分布；有时可见断层泥和角砾，角砾细小，胶结紧密。

b

c

图2—1—10 按断层两盘相对位移划分的断层类型

(a)——正断层； (b)——逆断层； (c)——平移断层

（2）根据断层走向与所切割岩层走向的关系分类（图2-1-11）

1

图2--14 断层走向与岩层走向的关系示意图

图2—1—11 断层走向与岩层走向的关系示意图

F1——走向断层；F2——倾向断层；F3——斜交断层

①走向断层：断层走向与岩层基本一致（图2-1-11中F1）。

②倾向断层：断层走向与岩层走向基本直交（图2-1-11中F2）。

③斜交断层：断层走向与岩层走向明显斜交（图2-1-11中F3）。

3、滑动构造

滑动构造是指地壳表层或浅层上、下两套坚硬岩层在重力作用下沿其间的软弱岩层产生位移而形成的构造现象，是一种特殊的断层。它的结构要素一般包括：下伏系统、滑动面、滑动系统。

郑州矿区发育最大的滑动构造为芦店滑动构造，位于河南登封芦店辖区及其附近范围之内。

五、地层的接触关系

不同地质时代形成的地层在纵向上的相互关系称地层的接触关系。从成因特征上分两种基本类型。

1、整合接触

整合接触是指不同地质时代形成的地层为一套连续沉积的接触关系。其特征有两个：①上、下地层之间在沉积层序上是连续的，无地层缺失，即岩性和所含化石是渐变的；②产状基本一致。

整合接触关系反映了该区地层在接受沉积时，地壳处于相对稳定的缓慢下降状态，或即使有上升，也是小幅度的，没有引起沉积间断。

2、不整合接触

不整合接触时指上、下两套地层之间缺失了部分地层的接触关系。包括平行不整合和角度不整合两种类型。

（1）平行不整合：上、下两套地层产状基本相同，但有地层缺失。主要是由于地壳升降运动形成的，其形成过程可简单表示为：地壳下降接受沉积——上升沉积中断并遭受剥蚀——再下降、再沉积。

（2）角度不整合：上、下两套地层产状不相同且有地层缺失。是地壳水平运动和升降运动联合形成的，其形成过程可简单表示为：地壳下降接受沉积——褶皱上升、沉积中断并遭受剥蚀——再下降接受沉积。

第四节郑州矿区区域地层及煤系地层简介

一、区域地层

郑州矿区属于华北型地层，缺失古生界志留系、泥盆系和中生界侏罗系、白垩系，其它各系皆有发育，详见郑州矿区区域地层表。

郑州矿区区域地层表表2—1—1

（一）寒武系（∈）

在矿区局部有出露。平均厚度约770m，厚薄不均。

1、下统（∈1）

上部由紫红色砂质泥岩、泥灰岩及粉砂岩组成，中部以紫红、黄绿色泥质灰岩为主夹薄层灰岩、砂质泥岩，下部由深灰色厚层灰岩，白云质灰岩、豹皮状灰岩、燧石团块状白云岩及含磷砂砾岩组成。厚度87～234m，平均厚203.72m。

2、中统（∈2）

上部为灰－深灰色泥质灰岩与黄绿色泥岩互层，局部夹黄绿色海绿石砂岩，下部以暗紫色粉砂岩为主，夹透镜体灰岩。厚度200～473m，平均厚316.72m。

3、上统（∈3）

以深灰色厚层状白云质灰岩为主，局部为白云质、鲕状、团块状白云岩，夹薄层泥灰岩。厚度195～420m，平均厚251.98m。

（二）奥陶系（O）——中统马家沟组（O2）

在郑州矿区，奥陶系缺失上下统，仅发育有中统。中统马家沟以深灰色厚层状灰岩为主，局部夹白云质灰岩及碎屑灰岩。厚度为0～43.6m，平均厚13.67m。与下伏寒武系地层呈假整合接触。

（三）石炭系（C）

在郑州矿区，石炭系缺失下统，仅发育有中上统。下面分别加以简单介绍。

1、中统－本溪组（C2）

岩性以灰、浅灰色铝土岩及铝土质泥岩为主，具鲕状、豆状结构，含较多透镜状、似层状黄铁矿结核，局部夹有砂质泥岩、泥岩、赤铁矿和煤层。本组厚1.76～42.37m，平均厚9.68m。与下伏奥陶系地层呈假整合接触。

2、上统－太原群（C3）

由灰、深灰色石灰岩、泥岩、砂质泥岩、砂岩和煤层组成，共含灰岩9层，灰岩编号自下而上分别表示为L1～L9，大部分灰岩之下赋存有煤层。本组厚60.00～120.00m，平均厚80.00m。与下伏本溪组地层整合接触。

（四）二叠系（P）

本系地层自太原群顶部菱铁质泥岩（及L9灰岩）顶界面，至三叠系金斗山砂岩底面，分上、下两统。

1、下统（P1）

由山西组与下石盒子组构成。

P）

（1）山西组（1

1

由深灰、黑灰色泥岩、砂质泥岩、灰色厚层状中粗粒砂岩及煤层组成，顶部具少量紫斑，含煤十一层，其中下部二1煤普遍发育，为主要可采煤层。本组厚53.3～122.59m，平均厚78.6m。与下伏太原群整合接触。

P）

（2）下石盒子组（2

1

上部以深灰色砂质泥岩为主夹细砂岩薄层，局部具紫斑；中部以灰绿色紫斑泥岩为主具鲕状结构；下部为灰色厚层状中粗粒砂岩。本组厚45.47～103.46m，平均厚72.27m。与下伏山西组地层呈整合接触。

2、上统（P2）

包括上石盒子组、平顶山组和土门组。

（1）上石盒子组（

1

2 P）

下起四煤组底板砂岩底界面，上至平顶山砂岩底面，厚269.67～695.59m。由灰、灰绿、深灰色砂岩、砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩和煤层组成，以七煤下一层中粗粒砂岩底界将本组分为上、下两段。下段含四、五、六三个煤组，厚112.77～384.57m，平均厚76.5m。上段含七、八、九三个煤组，厚156.9～311.02m，平均厚87.2m，与下伏下石盒子组地层整合接触。

（2）平顶山组（

2

2 P）

灰白色厚层状细－粗粒长石石英砂岩，致密坚硬，底部含砾石。厚44.05～99.92m，平均厚70.24m。与下伏上石盒子组地层假整合接触。

（3）土门组（

3

2 P）

本组相当于区域地层中的石千峰组，平均厚度为298.74m。与下伏平顶山组地层呈整合接触。根据岩性及其组合特征本组可划分为上、中、下三部分。上部以深灰色砂质泥岩为主夹细砂岩薄层，局部具紫斑，中部以灰绿色紫斑泥岩为主具鲕状结构。下部为灰色厚层状中粗粒砂岩。

二、煤系地层

煤系地层是指含有煤层的一系列地层，在郑州矿区主要是石炭纪和二叠纪形成的一系列地层。煤层主要赋存于石炭系太原群和二叠系山西组，从石炭系到二叠系共含煤九组，其中一煤组赋存于石炭系，二煤组赋存于二叠系下统山西组，是全区主要可采煤层，三～九煤组赋存于二叠系上、下石盒子组。目前，矿区绝大多数矿井在开采二煤组中的二1煤。一1煤在全区大部可采，但受下部奥灰水的影响，仅在局部有采动。

复习思考题

1、矿物的含义是什么？

2、岩石分哪三大类？它们各自的含义是什么？

3、沉积岩最典型特征是什么？

4、沉积岩的层理主要有哪几种类型？

5、在日常工作中常见到哪几种沉积岩？

6、岩层产状三要素是什么？

7、常见的两种褶曲是什么？

8、断层的含义是什么?

9、根据断层两盘相对位移方向断层分哪三类？

10、断层落差的含义是什么？

第二章 水文地质基础知识

第一节 自然界中水的循环及地下水分类

一、自然界中水的循环

自然界中的水在太阳辐射热和重力的作用下不断地循环着。水在太阳的照射下，从海洋、河、湖表面以及岩石表面和植物叶面上不断蒸发，变成水汽上升到太气圈中，在高空中凝结并形成各种不同形式的降水（雨、雪、冰雹等）而降落到地面上。降落下来的水一部分就地蒸发，一部分通过地表和地下径流的形式回归到河流、湖泊、海洋中，而后再度从其表面蒸发。水的循环可分为大循环和循环两种（图2-2-1）。

图3--1 自然界水的循环

图2—2—1 自然界中水的循环 大循环或称外循环，它是指在全球范围内水分从海洋表面蒸发，上升的水汽随汽流运移

到陆地上空，凝结成雨点等降落到地表面，又以地表或地下径流的形式，最终流归海洋中，再度受到蒸发。

小循环又称内循环，它是指水从海洋表面蒸发，又降落到海洋表面；或者水从陆地上的湖泊表面、河流表面、地表以及植物叶面蒸发，又在当地降落。

二、地下水的分类

地下水是赋存于地面以下岩土空隙中的水。

自然界中有各种各样的地下水，有的埋藏很深，有的埋藏很浅；有的水量大，有的水量小；它们分别赋存于不同的含水介质空隙中。各种地下水在形成、分布、运动、水质、水量等方面都有所不同。目前，对地下水提出的分类方法有许多种，其中对煤矿生产有直接意义的有两种：一是按地下水的埋藏条件分类，可分为饱气带水、潜水、承压水；另一个是按含水介质（空隙）类型分类，可分为孔隙水、裂隙水、岩溶水（见表2-2-1及图2-2-2）。

表2-2-1 地下水分类表

（一）按地下水的埋藏条件分类

1、上层滞水（饱气带水）

一般认为，上层滞水是指埋藏在离地表不深的饱气带中局部隔水层上的重力水（图2-2-2中a）。

图2—2—2 潜水、承压水及上层滞水

1—隔水层；2—透水层；3—饱水部分；4—潜水位；5—承压水测压水位；

6—泉（上升泉）；7—水井；a—上层滞水；b—潜水；c—承压水

2、潜水

潜水是指埋藏在地表以下第一隔水层以上，且具有自由水面的重力水（图2-2-2中b）。潜水的自由水面，称为潜水面；地表至潜水面的垂距，称为潜水埋藏深度；潜水面至其底板隔水层顶面间的距离，称为潜水含水层厚度；潜水面上任一点的标高，称为潜水位。

3、承压水

充满于上、下两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水，称为承压水（图2-2-2中c）。承压水由于有隔水顶板存在，故其补给区和分布区不一致，与季节变化的关系不甚明显，动态稳定，不易受污染；又因受其上、下隔水层的限制，故有一定的承压水头，其运动方式不是在重力作用下的自由流动，而是以传递静水压力的方式进行水的交替，就象自来水管中的水受供水水塔静水压力一样进行运动；故当地形条件适宜时，经钻孔揭露承压含水层后，承压水会喷出地表，因此承压水又称自流水。最适宜承压水形成的构造形式有向斜和单斜。

（二）按地下水的含水介质（空隙）分类

1、孔隙水

储存于疏松岩层孔隙中的水，称为孔隙水。孔隙水的存在条件和特征取决于岩石的孔隙的发育情况。一般特征下，岩石颗粒大而均匀，则含水层孔隙大，透水性好、水量大、运动快、水质好；反之，则含水层孔隙小、透水性差、水量小、运动慢、水质也差。

孔隙水由于埋藏条件不同，可形成上层滞水，潜水和承压水。孔隙水对采矿的影响主要取决于孔隙含水层的厚度、岩层颗粒大小及其与煤层的相互关系。一般来说，岩石颗粒大且均匀，地下水运动快、水量大，井巷工程穿过时要加大排水能力。如果采煤工作面顶板为含孔隙水丰富的含水层，随着工作面的推进，顶板的破裂及冒落，孔隙水会大量进入工作面，造成工作面的生产困难，甚至会引起水患事故。

2、裂隙水

赋存于基岩裂隙中的地下水称为裂隙水。裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在、

富水性及其运动条件。按成因，岩石的裂隙可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，相应的裂隙水也分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种类型。

其中构造裂隙水在空间上分布极不均匀，其主要分布在褶皱轴部（尤其是背斜核部）及断层带附近。但随着深度加大，围岩压力增加，裂隙张开性变差，裂隙岩层的透水性变差、变弱，因此，只有地壳表层中的构造裂隙水才能实际意义。

此外，砂岩裂隙含水层富水的影响因素既包括原有岩层裂隙发育情况，还包括采矿活动形成的应力场等因素的变化带来的影响。

3、岩溶水

岩溶是发育在可溶性岩石地区的一系列独特的地质作用和现象的总称。这种地质作用包括地下水的溶蚀作用和冲蚀作用。其产生的地质现象就是由这两种作用所形成的各种溶隙、溶洞和溶蚀地形。埋藏于溶洞溶隙中的重力水，称为岩溶水或称喀斯特水，有时也称溶洞水。

岩溶发育必须具备的条件是：有透水的可溶性岩层（灰岩、石膏、盐岩及白云岩等）的存在；运动于可溶性岩层中的水具有侵蚀性，且水不停地流动。岩石的溶解度越大，透水性越好，水的侵蚀性越大，水的交替越强烈，则岩溶越发育。

岩溶在空间的发育有如下特点：

（1）褶皱轴部尤其是向斜轴部，往往是张开裂隙发育，又是地下水汇集的部位，流线在此格外密集，地下河系的主干往往沿此分布，在此部位如果有可溶性岩存在的话，岩溶较发育。

（2）断层带尤其时张性断层带，由于此处透水性好，流线密集，如果有可溶岩存在的话，在此部位岩溶往往也很发育。

（3）在可溶性岩与下伏隔水层的接触面上往往会发育成层的溶洞，这是由于水流下方受阻，流线密集于接触界面上所致。

（4）气候湿热地区比气候寒冷干燥地区岩溶较发育。

在岩溶化岩石中的地下水，可以是潜水，也可以是承压水。一般在裸露的石灰岩分布区的岩溶水，主要是潜水；当岩溶化岩层被其他岩层覆盖时，岩溶潜水可转变为岩溶承压水。

岩溶的发育特点决定了岩溶水的特征。其主要特点是：水量大、运动快，在垂直和水平方向上都具有分布不均匀的特点；溶洞溶隙较其他岩石中孔隙、裂隙要大得多，降水易渗入，或几乎全部渗入地下；溶洞不但迅速地接受降水渗入，而且岩溶水在溶洞或暗河中流动很快，年水位高差有时可达数十米；岩溶水埋藏很深，在高峻的岩溶山区常缺少地下水露头，甚至地表也没有水，造成缺水现象；大量的岩溶水都以地下径流的形式流向低处，在谷地或与非岩溶化岩层接触处，以成群的泉水出露地表。

岩溶水的水量大、水质好，可作为大型供水水源，但岩溶水对煤矿生产安全构成严重威胁，尤其是岩溶化岩层厚度巨大时，如华北的奥陶纪灰岩水多是造成矿井重大水患的水源。就郑州矿区而言，以往多次发生重大水患事故，基本上都与石炭系、奥陶系及寒武系碳酸盐岩岩溶承压水有关。

第二节含水层与隔水层的概念及

郑州矿区主要含水层与隔水层

一、含水层与隔水层的概念

1、含水层：含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层。

2、隔水层：隔水层是指不能透过与给出水，或者透过与给出的水量微不足道的岩层。

应该提到的是，上述定义中并没有给出区分含水层与隔水层的定量指标，而是因为它们的定义具有相对性。在各种不同的情况下，人们所指称的含水层与隔水层在涵义上有所不同。岩性相同，渗透性完全一样的岩层很可能在有些地方被当作含水层，而在另一些地方当作隔水层。

严格地讲，自然界中并不存在绝对不发生渗透的岩层，只不过某些岩层（如缺少裂隙的致密结晶岩）的渗透性特别低罢了。从这个角度说，岩层是否发生透水（即地下在其中是否发生具有实际意义的运移）还取决于时间尺度。当我们所研究的某些水文地质过程涉及的时间尺度相当长时，任何岩层有可视为可渗透的。

某些岩层，尤其时沉积岩，由于不同岩性的岩层互层，有的层次发育裂隙或溶洞，有的层次致密，因而在垂直层面的方向上隔水，但在顺层的方向上都是透水的。例如，薄层页岩和石灰岩互层时，页岩中裂隙接近闭合，灰岩中裂隙与溶洞发育，便成为典型的顺层透水而垂直层面隔水的岩层。

另外，隔水层的阻水能力取决于岩性、岩层结构及其稳定性。某些阻水能强的隔水层，在后期构造作用的破坏下，可大大削弱隔水层的阻水能力，甚至使其起不到隔水的作用。二、郑州矿区主要含水层与隔水层

根据含水层与隔水层的含义，考虑到地下水的赋存状态，结合郑州矿区的实际，从矿井防治水的角度出发下面分别简单介绍郑州矿区主要含水层及地下水在其中的赋存状态和主要隔水层。

（一）含水层

1、第四系砂、砾石层孔隙含水层：

郑州矿区第四系厚度变化很大，为0~54m。其岩性为：上部为亚砂土、亚粘土，下部为冲积砂卵石层。

该层含水层富水性不均、渗透性好，其中地下水绝大部分为潜水，其富水性受气候条件影响较大，大气降水将直接对其补给，雨季含水丰富，旱季水量明显减少。

该含水层距可采煤层较远，除煤层露头地带外，对煤层开采影响不大。

2、下第三系砂砾岩孔隙裂隙含水层

在郑州矿区下第三系厚度变化很大，为0~1100m。其岩性主要为砖红色砂岩底部发育有砾岩，其间夹有砂质泥岩。该含水层富水性不均，在河流两侧及露头附近含有较丰富的孔隙潜水，个别地段为承压水。

该含水层距可采煤层较远，对煤层开采一般影响不大。

3、三叠系下统金斗山砂岩孔隙裂隙含水层

在郑州矿区，该含水层由紫红色厚及中厚层状中细粒石英砂岩夹薄层粉砂岩组成。该层厚82---136m，平均112m。该层裂隙发育，含孔隙裂隙承压水，水量不丰富。由于该含水层下距二1煤较远，对二1煤开采影响不大。

4、石千峰组砂岩孔隙裂隙含水层

在郑州矿区，该组上部以青灰色粉、细粒砂岩为主，夹砾屑灰岩4—6层；中部为紫红色泥岩与砂质泥岩为主，夹数层细中粒砂岩；下部主要为浅灰—灰绿色中细粒砂岩、夹紫色泥岩及1—2层砾屑灰岩。该组厚度234—352m，平均298m。该组地层裂隙较发育，含孔隙裂隙承压水。据有关资料，该组厚度虽较大，但富水性较弱，加之它们之间有砂质泥岩及泥岩隔水层，水力联系不佳，且下距二1煤较远，对开采二1煤影响不大。

5、石盒子组砂岩孔隙裂隙含水层

在郑州矿区，据统计，石盒子组厚度在5米以上的中、粗砂岩共8层。岩性为灰、浅灰色局部为灰绿色长石石英砂岩，裂隙较发育。据有关资料反映，该组砂岩厚度虽较大，但突水性弱，加之它们之间有砂质泥岩及泥岩隔水层，水力联系不佳对开采主采煤层二1煤影响不大。

6、山西组砂岩孔隙裂隙含水层

在郑州矿区该含水层有2-3层灰白及灰色中-粗、中-细粒砂岩组成，俗称大占砂岩。其下距二1煤平均6米。厚度8~60米，平均30米，浅部裂隙较发育，深部较致密坚硬，裂隙不

发育。该层含孔隙裂隙承压水，水量不丰富。该砂岩除局部为二1煤层直接顶板外，大部分区域与二1煤层间存在砂质泥岩、泥岩。

该层虽是二1煤层顶板直接充水含水层，因富水性很弱，对二1煤层的开采一般影响不大。

7、太原组上段灰岩岩溶裂隙含水层

该含水层由L7-8两层灰岩组成，在郑州矿区其厚度一般为1.6~15m左右。该含水层岩溶裂隙发育极不均一，含岩溶裂隙承压水。L7-8灰岩岩溶裂隙发育不均匀，其突水性及透水性差异较大，该层为二1煤层底板直接充水含水层，对其开采有直接影响。

8、太原组下段灰岩岩溶裂隙含水层

该含水层由L1-4四层灰岩组成。一般厚10~20m。该套灰岩为深灰色厚层状隐晶质结构，含岩溶裂隙承压水。该含水层突水、导水条件中等。

该含水层距奥灰含水层较近，为一1煤层顶板直接充水含水层，二1煤层底板间接充水含水层。

9、奥陶系中统马家沟组灰岩岩溶裂隙含水层

该层在郑州矿区厚度0~43米，平均厚度14米，为灰色、质纯、致密、性脆、厚层状的灰岩，含岩溶裂隙承压水。据有关资料，该层岩溶裂隙发育，但不均匀，在不同水平、不同区域的透水性及突水性差异很大。

该含水层为一1煤底板直接充水含水层，上距二1煤68~90m左右，上距一1煤2.8~13.2m。若遇导水断层及其它导水通道或二1煤层直接与其对接，对开采二1煤层的矿井会造成极大的威胁。华北地区开采二1煤层的矿井出现重大水患甚至淹井事故，多数是由此含水层引起的。

10、寒武系灰岩岩溶裂隙含水层

该含水层岩性为灰白、灰黄色中厚层状隐晶质白云质灰岩，岩溶裂隙发育。该含水层与奥陶系灰岩含水层水力联系密切，对一1煤层开采有较大影响。

（二）隔水层

1、第四系粘土层

在郑州矿区，在第四系地层中、下部存在多层砂质亚粘土和亚粘土，区域不同，厚度不等。是第四系含水层与第三系含水层及其它时代含水层之间良好的隔水层。

2、三叠系粉砂、泥岩段及第三系粘土、砂质粘土段隔水层

该层系指三叠系底部金斗砂岩顶界至第三系顶界的粉砂岩、砂质泥岩及粘土、砂质粘土段。在郑州矿区，该段分布较稳定，总厚度大于200米，是第四系含水层与煤系地层之间良好的隔水层。

3、二叠系泥岩及砂质泥岩段隔水层

该层系指下石盒子组下部发育的砂锅密砂岩顶面至二叠系上部平顶山砂岩底面全部泥岩、砂质泥岩，它们与含水层相间排到，在郑州矿区，单层厚度为46~104米，阻隔了碎屑岩组各含水层之间的水力联系，一般隔水性较好。

由于上述隔水层的存在，有效地阻止了顶板水进入开采二1煤矿井，但由于采动后采动冒裂带破坏了上述隔水层的完整性，使隔水层降低甚至失去隔水性能，导致顶板水进入矿井。

4、二1煤层底板砂泥岩隔水层

该层下起L7-8灰岩含水层之上，上至二1煤层底面，在郑州矿区其厚度为0.39~30.5米，一般厚10米左右，自西向东呈起伏形态，东部局部厚度为零。岩性以灰—深灰色砂质泥岩和泥岩为主夹粉砂岩、细砂岩及不稳定的薄层灰岩（L9）。该层对L7-8灰岩岩溶裂隙承压水进入开采二1煤的矿井有一定的隔水作用，但在局部厚度变薄处，特别是断裂带附近会引起二1煤层底板突水。

5、太原组中部砂泥岩段隔水层

该层下起L4灰岩顶面，上至L7灰岩底面。在郑州矿区，其厚度10~49米左右，岩性以灰

色、深灰色砂质泥岩和泥岩互层为主，夹细砂岩、薄层煤及不稳定的L5、L6灰岩。其层位、厚度较稳定，隔水性能较好，为L1-4灰岩与L7-8灰岩含水层之间的隔水层。因此，在采掘过程中，应对该层加以保护，以防该层遭到破坏致使L1-4灰岩岩溶裂隙承压水通过导水裂隙补给L7-8灰岩含水层，最终进入开采二1煤矿井内。

6、本溪组铝土质泥岩隔水层

该层上自一1煤层底板，下至奥陶系灰岩顶面。据有关资料，在郑州矿区厚度为4~30米左右，岩性以灰白，浅灰色铝土质泥岩为主，并含有深灰色炭质泥岩，局部夹细砂岩。该层结构致密，裂隙不发育，隔水性能良好。但在变薄处或断层破碎带部位，将会被奥陶系灰岩高压岩溶裂隙承压水突破，它对一1煤层的开采有直接影响。

三、郑州矿区主要含水层与主采煤层（二1、一1煤）之间的相互关系

在郑州矿区目前主要开采山西组二1煤，随着二1煤层资源的枯竭，以后会考虑开采石炭系上统太原群下部普遍较发育的一1煤层。下面简要介绍矿区内主要含水层奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙承压水含水层、石炭系太原群灰岩岩溶裂隙承压水含水层以及山西组和石盒子组砂岩孔隙裂隙承压水含水层与主采煤层（二1、一1煤）之间的相互关系。

二叠系山西组中包含了矿区主采煤层二1煤，二1煤层与其之上的大占砂岩含水层之间的隔水层为砂质泥岩，厚度1~9米，局部地段

二1煤层直接与大占砂岩接触，砂岩含水层成为二1煤层开采的直接顶板涌水水源。二1煤层之上的石盒子组泥岩和砂岩层，含水性弱，在局部裂隙发育和破碎带的地段可能存在富水区，其与山西组上部的砂岩相接，距二1煤层顶板极近，由于二1煤层煤质松软，在采用放顶方式开采煤的矿井，放顶高度有时可达到20余米高，产生的冒落带和裂隙带可达到百米以上，由此会使此段地层内的多个含水层相沟通，所以在岩石破裂区段有可能形成二1煤层顶板突水。

在郑煤集团告成矿，由于滑动构造的影响，使滑动构造面上、下的地层产状在绝大多数地段发生明显的不一致，同时由于滑动构造面主要存在于二1煤层及其附近，致使二1煤层直接与其上的多个孔隙裂隙含水层基本上直接对接，其间仅有20米左右的滑动构造泥和滑动构造角砾岩，实践证明，告成煤矿在二1煤层的采掘过程中，只要发生顶板松动和冒落，大多情况下，在顶板松动和冒落的部位会发生淋水和涌水现象。

石炭系上统太原群含水层上距二1煤层底板约10米左右，为岩溶裂隙承压水，其富水性强但不均匀。其中上段含水层有三层，L7-8灰岩普遍发育，是上段的主要含水区，下段中的

L1灰岩发育稳定，是主要含水层。二1煤层下距L7-8灰岩之间的隔水层为深灰色砂质泥岩，其厚度0~10米，由于采动破坏带一般大于10米，使该隔水层不能起到隔水作用，L7-8灰岩处于采动裂隙底板破坏带内，是底板涌水的直接水源。由于断层及垂直裂隙带的导水作用，使深部的奥灰含水层与太原组薄层灰岩沟通，是矿井突水的主要因素。

奥陶系灰岩含水层距主采煤层二1煤层底板平均约70米左右，含水不均，但突水性强，为矿井底板水的重要突水水源。随着矿井向深部的延伸，奥灰水压增大，构造更复杂，煤层采动破坏深度增加，突水的概率将增大。

一1煤层下距奥灰仅10米左右，将受到奥灰水的严重威胁。因此，在开采一1煤层之前，应进行针对一1煤层开采的水文地质勘探，查明水文地质条件，制定详细的防排水措施。

复习思考题

1、按埋藏条件地下水分哪三类？

2、按含水介质地下水分哪三类？

3、什么是含水层？

4、什么是隔水层？

5、郑州矿区主要有哪几层含水层？它们有什么特征？

6、郑州矿区主要有哪几层隔水层？它们有什么特征？

第三章矿井充水条件分析

第一节矿井充水水源

一、天然充水水源

矿井的充水天然水源主要有大气降水、地表水、地下水三种水源。

1、大气降水

大气降水是地下水的主要补给来源，所有矿井充水都直接或间接地与大气降水有关。但这里所讲大气降水水源，是指对矿井直接充水的大气降水水源。

以大气降水补给为主的煤层矿床埋藏特点:①开采煤层时其主要充水岩层（组）是裸露的或者其覆盖层很薄；②煤层埋藏较浅；③开采的煤层处于分水岭和地下水位以上的地段。

大气降水充水特点：大气降水是矿井地下水的主要补给来源。所有的矿井充水，都直接或间接受到大气降水的影响。对于大多数生产矿井而言，大气降水首先渗入地下，补给充水含水层，然后再涌入矿井。

以大气降水为主要充水水源的矿井，其涌水量变化有如下规律：①矿井充水程度与地区降水量大小、降水性质、强度和入渗条件有关。如长时间的降雨对入渗有利，矿井涌水量大，反之，则矿井涌水量就小；②矿井涌水变化与当地降水量变化过程相一致，具有明显的季节性和多年周期性变化规律，表明矿井充水水源是大气降水；③同一矿井，随着开采深度的增加，涌水量峰值出现时间滞后。这是由于随着开采深度的增加岩层透水性减弱和补给距离增加所致。

2、地表水

在有大型地表水体分布（河流、水库等）的矿井地区，查清天然条件下和矿井开采后的地表水对矿井开采的影响，是矿区水文地质勘探和矿井水文地质工作的头等重要大事，是评价矿井开采价值的重要内容。地表水不仅可能造成矿井突然涌水，严重情况下会导致水砂同时溃入矿井。

地表水能否进入井下，由一系列的自然因素和人为因素决定，主要取决于巷道距地表水体的远近、水体与巷道之间的地层及构造条件和所采用的开采方法。一般来说，矿体距地表水体愈近影响愈大，充水愈严重，矿井涌水量愈大。若矿井充水水源为常年存在的地表水体时，则地表水体越大，矿井涌水量越大，且稳定，淹井时不易恢复；而季节性地表水体为充水水源时，对矿井涌水量的影响则随季节性变化；另外，地表水体所处地层的透水性强弱，直接控制矿井涌水量的大小，地层透水性好，则矿井涌水量大，反之则小。当有断层带沟通时，则易发生灾难性的突水。同样，不适当的开采方法，也会造成人为的裂隙，从而增加沟

通地表水渗入井下的通道，使矿井涌水量增加。

3、地下水

围岩地下水充水类型划分：①根据充水岩层性质不同可分为：砂砾石孔隙充水矿井，坚硬岩层裂隙充水矿井，岩溶充水矿井。②根据煤层与充水岩层接触关系不同可分为：直接充水矿井，间接充水矿井。③根据煤层与充水岩层相对位置不同可分为：顶板水充水矿井，底板水充水矿井，周边水充水矿井。

矿井由表土层至含煤地层间存在有众多的含水层，但并非所有含水层中的地下水都参与矿井涌水，即使参与矿井充水的含水层，它们的充水程度也有很大的差别，故必须对煤层周围含水层按对矿井充水程度加以区分。在煤矿生产中，井巷直接揭露或穿过的含水层和煤被开采后经冒裂带及底板突水等途径直接向矿井进水的含水层称直接充水含水层。那些与直接与充水含水层有水力联系，但只能通过直接充水含水层向矿井充水的含水层称间接含水层，它是直接充水含水层的补给水源。对天然条件和开采时都不能进入井巷的地下水，则不属于充水水源，仅属于矿区内存在的地下水。

流入矿井的地下水由两部分组成，即储存量和动储量。储存量是指充水岩层空隙中储存水的体积，即巷道未揭露含水层时其实际储存的地下水。动储量是指充水岩层获得的补给水量。它是以一定的补给与排泻为前提，以地下径流的形式，在充水岩层中不断进行水交替。

矿井在开采初期，进入矿井的地下水以储存量为主，随着较长期的降压疏放，动储量逐渐取代了储存量而进入矿井。因此，以消耗储存量为主的矿井，在排水初期就会出现最大涌水量，随着储存量的消耗，涌水量就逐渐减少，以至很快疏干。相反，如果以消耗动储量为主，则排水初期涌水量较小，以后随着开采巷道的不断扩大，并随着降落漏斗的形成而趋于稳定。由此可见，二者相比，储存量较易疏干，而动储量则往往是矿井充水的主要威胁。

这里要特别强调岩溶水。岩溶水源在我国华北和华南的许多矿区较为常见。如华北石炭二叠纪含煤地层厚度达数百米，假整合于岩溶比较发育的奥陶系石灰岩强含水层之上。就郑州矿区而言，多次发生的重大突水事故，其直接或间接水源绝大多数多为石灰岩含水层中的岩溶水。岩溶水源突水的一般特点是：水压高、水量大、来势猛、涌水量稳定，不易疏干，危害性大。其突水规律受岩溶发育程度及规律的控制。

二、人为充水水源

1、袭夺水

由于矿井开采，降落漏斗不断扩展，人工流场强烈改造矿区天然地下水流场，人工地下水流场获得新的补给水源称为袭夺水源。袭夺水源存在下列几种情况；①位于矿井地下水排泄区的泉水；②位于矿井地下水排泄区的地表水（湖、河、水库）体；③位于矿井地下水迳流带内的排泄区一侧相邻含水层；④相邻水文地质单元地下水。

2、老窑及采空区积水

古代及近期的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而使地下水集聚。当采掘工作面接近它们时，其内积水便会成为矿井充水的人为水源。它们具有下列特点：①水以静储量为主，静储量与采空区分布范围有关；②老窖水为多年积水，水循环条件差，水中含有大量H2S气体，并多为酸性水，有较强的腐蚀性；③老窖突水一般水势迅猛，硫化氢气体危害性大；④采空区积水成为突水水源时，来势猛，易造成严重水害事故；⑤当与其它水源无联系时，易于疏干，若与其它水源有联系时，则可造成量大而稳定的涌水。

在郑州矿区，沿煤层露头一带广泛分布有小煤窑及老窑，特别是老窑，它们采深一般为40～50米，个别达140米，这些老窑废弃井巷多已积水，其积水对采矿活动构成直接充水威胁。这种水源突水特点是当井巷误揭积水老空时，老空水会在短时间内大量涌入矿坑，有时也会造成淹井事故。

综上所述并结合郑州矿区的实际，该矿区矿井充水可来自不同水源。一般开采深度比较