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摘 要：矿区安全生产和水文地质条件存在重要关系，在前人工作基础上，总结分析了新疆煤矿区水文地质特征。新疆煤矿区主要含水层为第四系松散岩孔隙含水层和侏罗系碎屑岩孔隙-裂隙含水层，主要补给源为大气降水和地表水。煤矿区内水源为裂隙水、大气降水及地表水，补给源条件差或者一般;充水通道主要为断层和裂隙密集带等，矿井单位涌水量偏小;开采受水文地质条件影响程度小，水文地质结构属简单-中等类型。
关键词：新疆;煤矿;充水;水文地质结构
1979年谷德振提出水文地质结构概念，指出岩层、构造和地下水共同构成水文地质结构，矿山开采受水文地质结构影响[1]。何宇彬在此基础上提出岩溶水文地质结构概念[2]。1992年张寿全在前人研究基础上提出“水文地质结构系统”概念，将水文地质结构定义为等级化和分类化系统[3]。矿山水文地质结构系指矿山开采煤层同矿山中含水层、隔水层、各类补充水源、导水通道、具体采掘空间及水文地质边界等在空间方面的位置与组合关系[4-5]。水文地质条件可对矿山开采过程造成直接影响[6]。如开采前对水文地质条件末进行合理勘查与处理，极易发生安全隐患。因此，矿山开采中，需充分考虑矿山水文地质条件。前人在新疆进行了大量基础煤田地质研究，在煤矿区构造特征、聚煤特点及聚煤分类方面取得大量研究成果[7-9]。本文在前人研究基础上，总结分析新疆煤矿区的区域水文地质特征，以期为矿井水害预防提供宏观科学依据。
1 新疆煤炭资源概况
新疆是全国矿产资源丰富省份之一，煤炭资源丰富、分布范围广。新疆煤炭总储量大、埋藏较浅、开采条件良好、种类齐全。目前新疆累计探明煤炭资源储量 4 225.58×108 t，保有资源储量4 102.77×108 t[10]，预测储量2.19×1012 t，占全国的39.3%。据“十三五”规划，新疆为我国第14个现代化大型煤炭基地，是我国煤炭生产西移的重要承接区和战略储备区[10-12]。新疆聚煤作用从石炭纪到侏罗纪均有，早-中侏罗世为主要聚煤期[13]。煤层主要分布在塔里木盆地边缘煤层区和准噶尔盆地边缘煤层区（图1）[14]。
1.1 准噶尔煤层区
该煤层主要为侏罗系水西沟群，分为八道湾组、三工河组和中统西山窑组，广泛分布于准噶尔盆地、巴里坤-三塘湖盆地、伊宁盆地和吐哈盆地等[13]。
1.2 塔里木煤层区
该煤层主要为侏罗系克拉苏群和叶尔羌群。克拉苏群煤矿岩组，分布于塔里木盆地北缘;叶尔羌群煤矿岩组为康苏组、杨叶组，分布于塔里木盆地西南缘和南缘[13]。
2 煤矿区水文地质特征
新疆煤炭资源主要分布于山前盆地或山前倾斜带盆地边缘[15]。受自然地理条件、地质构造强褶皱、阶梯断陷和地层岩性等控水作用影响，为大量汇集的地表水转到地下水的有利地带，煤矿多处于补给-径流区域。水文地质总体较简单，不同地区差异较大，主要为第四纪孔隙水和侏罗系裂隙水。属干旱-半干旱气候，年降水量较少，风积沙较大，有突水溃沙和突泥风险。部分煤区含有烧变岩含水层，煤矿区受烧变岩含水层影响。
2.1 地表水来源
处于山前或盆地边缘的煤矿区域发育有地表河水或由降水汇集形成的季节性河流[16]。部分山间或盆地内煤矿区域无常年河流或地表水流，为干沟。
2.2 地下水类型
新疆煤系地层含水层主要为第四系松散岩孔隙含水层和侏罗系碎屑岩孔隙-裂隙含水层，部分地区还有烧变岩裂隙-孔隙含水层和冻水含水层，如永新煤矿和沙吉海煤矿一号矿井煤矿等[17-18]。第四系孔隙含水层主要为赋存地下水的硬脆多孔的砂岩和砾岩及上覆第四系砂砾石。孔隙-裂隙水包括出露于浅表的基岩风化裂隙、构造裂隙和深部碎屑岩形成的承压裂隙水。位于天山东段北麓、准噶尔盆地南缘吉新矿区中下侏羅统三工河组、中侏罗统头屯河组、下侏罗统塔里奇克组等含水层中砂砾岩为主要裂隙含水层[19]。岩层中夹有粘土层或粘土质岩层，透水性差使得这些软弱的泥岩、泥质粉砂岩和炭质泥岩具相对隔水作用。下侏罗统三工河组和八道湾组岩性主要为泥岩，起相对隔水层作用。
2.3 地下水补给、径流和排泄条件
新疆煤矿区地下水主要补给源为大气降水、冰雪融水、地表水体（河、湖及水库等）、泉水、第四系孔隙水和部分地区烧变岩裂隙水等。大气降水、冰雪融水等常年在山区蓄积。通过第四系松散层，经基岩风化层、构造裂隙等补给深部含水层，形成孔隙-裂隙微承压水。部分煤层内深部岩石裂隙不发育，地下水运移速度缓慢，补给和排泄条件差。火烧岩区域和构造裂隙水区域的地下含水层与地表水联系密切，补给、径流、排泄条件稍好[20]。煤矿区域主要位于补给-径流区域，地下水排泄方式主要为泉水、植物蒸腾。随区域矿井建设和生产，部分矿区采煤后期疏干排水为主要排泄方式之一。
2.4 充水水源
2.4.1 大气降水和地表水
新疆属干旱-半干旱气候区。煤矿区大多分布在山前地带，降水集中在夏季和冬季。夏季6—8月为雨季，11月至次年3月降雪较多。降雨较集中，暴雨次数少，强度较低的降水为矿床充水水源之一。由于积雪融化速度相对较慢，有利于雪融水的大量入渗补给。因此，冰雪融水为矿床充水水源之一。部分矿区井下煤层开采后，岩层原有稳定性遭破坏，上覆岩层失去支撑发生弯曲与位移，在地表形成低洼地形，出现塌陷洼地和裂缝。雨季和雪水融化时易形成季节性地表水流，通过这些地面塌陷坑等对地下水补给。
2.4.2 煤层及煤层顶底板基岩裂隙水
煤层顶底板存在含水层，一般情况下含水层之间受隔水层影响水力联系微弱。后期相邻煤层开采时出现裂隙通道，煤层及煤层顶底板基岩裂隙水为主要充水水源之一。 2.4.3 火烧区积水
部分煤矿区侏罗纪烧变岩孔隙-裂隙十分发育，具良好储水空间和地下水径流顺畅通道[21-22]。区内烧变岩受地形与水文地质条件及火烧深度差异影响，底部多形成锅底状或锯齿状，接受大气降水与融化雪水补给后赋存一定量的裂隙潜水。下部煤层开采时，火烧区易受冒落带与导水裂隙带影响，使赋存积水通过冒落带与导水裂隙带进入矿坑。浅部开采时烧变岩裂隙潜水为矿床充水主要因素。
2.4.4 老窑积水
新疆煤矿区仅局部存在老窑，煤矿开采过程中若越界开采或采煤方式不当会造成老窑水突入矿井，成为矿井充水源之一。
2.5 涌水量
新疆煤矿历年含水层单位涌水量数据见表1。从表1看出，钻孔单位涌水量小于0.1 L/s·m，属弱富水性，渗透系数均小于1 m/d[22-26]。吉木萨尔县吉新煤矿ZK501渗透系数相对大，由于矿区周围存在石场沟，钻孔因沟谷中地表水及第四系河水补给，且靠近构造-火烧区富水带，因此富水性和渗透系数较高[25]。
3 新疆煤矿区水文地质结构
煤矿区水害与水文地质结构紧密相关。充水水源是控制水害发生的关键，不同充水水源形成水害的预防措施不同。本文从充水水源着手，分析新疆煤矿水文地质结构、形成条件之间的相同点，研究煤矿水文地质结构模式。
3.1 地表水充水型
地表水充水型有季节性和常年性河流两种。煤层开采产生的导水裂隙带接近河流区域，导致河水沿导水通道涌入矿井，形成水灾。具体情况如下：①季节充水型。矿井附近一般均有季节性河流存在，且与矿井通道联通。一旦河水涌入矿井，涌水量增大，就会发生水灾。②常年性河流。相对季节性河流径流较稳定，若开采前未做好相应工作，对矿井可能造成较大水灾危害（图2）。
3.2 地下含水层充水型
新疆聚煤地层中主要赋存第四纪孔隙水和侏罗纪裂隙水，岩层主要为砂岩。煤层开采中，若顶板裂隙带与含水层接通，造致上部含水层的水涌入矿井，部分区域断层较发育，为充水通道[27]。天山山前煤矿区开采时由于煤层厚度大（一般10 m左右），基岩厚50～100 m，煤层开采后形成的导水裂缝带极易与浅部山前冲积物中季节性雪融水、斜坡过境流混合，造成突水溃砂现象。部分地区煤层顶板有厚层裂隙水，煤层开采过程中，顶板会遭多层结构的厚松散层底砾层突水溃砂威胁。矿区煤层开采受顶板侏罗系和白垩系厚层砂岩水突水威胁，部分矿井水害严重。如位于新疆哈密大南湖矿区，中侏罗统西山窑组煤层开采受顶板侏罗系砂岩水威胁严重，部分矿井正常涌水量达283.3 m3/h，给矿区煤矿开采造成严重影响[28-29]。
3.3 烧变岩区积水充水型
煤层在开采过程中顶板受到煤层露头附近沟谷切割或倾斜露头自燃后形成的顶板烧变岩含水段的突水威胁[30-31]。由于露头和空气直接接触获得充足氧气，露头煤层发生自燃使烧变岩面积增大。局部补给条件好的区域，烧变岩具较强富水性，对矿井开采影响较大（图3）。烧变岩岩体的结构孔隙-裂隙发育，富水性较强，一般由大气降水或地表水获取补给。
4 结束语
新疆煤矿主要分布于山前盆地或山前倾斜带盆地边缘，受采掘破坏影响的第四系松散岩孔隙含水层和侏罗系碎屑岩孔隙-裂隙含水层，补给源包括大气降水和地表水。区内充水水源包括裂隙水、大气降水及地表水，补给源条件差或一般。充水通道主要为断层和裂隙密集带等，矿井涌水量整体偏小，开采受水害影响不大。从防治水程度看，属简单-中等类型。新疆煤矿区现有水文地质勘查工作成果相对较少，局部煤矿针对性较强，全面了解水文地质单元的工作量相对欠缺[32]。煤矿区勘查工作中水文地质勘查和其它地层要素勘查工作存在区别，如水位、水量等要素的动态变化，具时效性。因此，加强水文地质勘查方面研究，能全面掌握煤矿区水文地质条件，提高生产效益和安全保障。
參考文献
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关键词：新疆;煤矿;充水;水文地质结构
1979年谷德振提出水文地质结构概念，指出岩层、构造和地下水共同构成水文地质结构，矿山开采受水文地质结构影响[1]。何宇彬在此基础上提出岩溶水文地质结构概念[2]。1992年张寿全在前人研究基础上提出“水文地质结构系统”概念，将水文地质结构定义为等级化和分类化系统[3]。矿山水文地质结构系指矿山开采煤层同矿山中含水层、隔水层、各类补充水源、导水通道、具体采掘空间及水文地质边界等在空间方面的位置与组合关系[4-5]。水文地质条件可对矿山开采过程造成直接影响[6]。如开采前对水文地质条件末进行合理勘查与处理，极易发生安全隐患。因此，矿山开采中，需充分考虑矿山水文地质条件。前人在新疆进行了大量基础煤田地质研究，在煤矿区构造特征、聚煤特点及聚煤分类方面取得大量研究成果[7-9]。本文在前人研究基础上，总结分析新疆煤矿区的区域水文地质特征，以期为矿井水害预防提供宏观科学依据。
1 新疆煤炭资源概况
新疆是全国矿产资源丰富省份之一，煤炭资源丰富、分布范围广。新疆煤炭总储量大、埋藏较浅、开采条件良好、种类齐全。目前新疆累计探明煤炭资源储量 4 225.58×108 t，保有资源储量4 102.77×108 t[10]，预测储量2.19×1012 t，占全国的39.3%。据“十三五”规划，新疆为我国第14个现代化大型煤炭基地，是我国煤炭生产西移的重要承接区和战略储备区[10-12]。新疆聚煤作用从石炭纪到侏罗纪均有，早-中侏罗世为主要聚煤期[13]。煤层主要分布在塔里木盆地边缘煤层区和准噶尔盆地边缘煤层区（图1）[14]。
1.1 准噶尔煤层区
该煤层主要为侏罗系水西沟群，分为八道湾组、三工河组和中统西山窑组，广泛分布于准噶尔盆地、巴里坤-三塘湖盆地、伊宁盆地和吐哈盆地等[13]。
1.2 塔里木煤层区
该煤层主要为侏罗系克拉苏群和叶尔羌群。克拉苏群煤矿岩组，分布于塔里木盆地北缘;叶尔羌群煤矿岩组为康苏组、杨叶组，分布于塔里木盆地西南缘和南缘[13]。
2 煤矿区水文地质特征
新疆煤炭资源主要分布于山前盆地或山前倾斜带盆地边缘[15]。受自然地理条件、地质构造强褶皱、阶梯断陷和地层岩性等控水作用影响，为大量汇集的地表水转到地下水的有利地带，煤矿多处于补给-径流区域。水文地质总体较简单，不同地区差异较大，主要为第四纪孔隙水和侏罗系裂隙水。属干旱-半干旱气候，年降水量较少，风积沙较大，有突水溃沙和突泥风险。部分煤区含有烧变岩含水层，煤矿区受烧变岩含水层影响。
2.1 地表水来源
处于山前或盆地边缘的煤矿区域发育有地表河水或由降水汇集形成的季节性河流[16]。部分山间或盆地内煤矿区域无常年河流或地表水流，为干沟。
2.2 地下水类型
新疆煤系地层含水层主要为第四系松散岩孔隙含水层和侏罗系碎屑岩孔隙-裂隙含水层，部分地区还有烧变岩裂隙-孔隙含水层和冻水含水层，如永新煤矿和沙吉海煤矿一号矿井煤矿等[17-18]。第四系孔隙含水层主要为赋存地下水的硬脆多孔的砂岩和砾岩及上覆第四系砂砾石。孔隙-裂隙水包括出露于浅表的基岩风化裂隙、构造裂隙和深部碎屑岩形成的承压裂隙水。位于天山东段北麓、准噶尔盆地南缘吉新矿区中下侏羅统三工河组、中侏罗统头屯河组、下侏罗统塔里奇克组等含水层中砂砾岩为主要裂隙含水层[19]。岩层中夹有粘土层或粘土质岩层，透水性差使得这些软弱的泥岩、泥质粉砂岩和炭质泥岩具相对隔水作用。下侏罗统三工河组和八道湾组岩性主要为泥岩，起相对隔水层作用。
2.3 地下水补给、径流和排泄条件
新疆煤矿区地下水主要补给源为大气降水、冰雪融水、地表水体（河、湖及水库等）、泉水、第四系孔隙水和部分地区烧变岩裂隙水等。大气降水、冰雪融水等常年在山区蓄积。通过第四系松散层，经基岩风化层、构造裂隙等补给深部含水层，形成孔隙-裂隙微承压水。部分煤层内深部岩石裂隙不发育，地下水运移速度缓慢，补给和排泄条件差。火烧岩区域和构造裂隙水区域的地下含水层与地表水联系密切，补给、径流、排泄条件稍好[20]。煤矿区域主要位于补给-径流区域，地下水排泄方式主要为泉水、植物蒸腾。随区域矿井建设和生产，部分矿区采煤后期疏干排水为主要排泄方式之一。
2.4 充水水源
2.4.1 大气降水和地表水
新疆属干旱-半干旱气候区。煤矿区大多分布在山前地带，降水集中在夏季和冬季。夏季6—8月为雨季，11月至次年3月降雪较多。降雨较集中，暴雨次数少，强度较低的降水为矿床充水水源之一。由于积雪融化速度相对较慢，有利于雪融水的大量入渗补给。因此，冰雪融水为矿床充水水源之一。部分矿区井下煤层开采后，岩层原有稳定性遭破坏，上覆岩层失去支撑发生弯曲与位移，在地表形成低洼地形，出现塌陷洼地和裂缝。雨季和雪水融化时易形成季节性地表水流，通过这些地面塌陷坑等对地下水补给。
2.4.2 煤层及煤层顶底板基岩裂隙水
煤层顶底板存在含水层，一般情况下含水层之间受隔水层影响水力联系微弱。后期相邻煤层开采时出现裂隙通道，煤层及煤层顶底板基岩裂隙水为主要充水水源之一。 2.4.3 火烧区积水
部分煤矿区侏罗纪烧变岩孔隙-裂隙十分发育，具良好储水空间和地下水径流顺畅通道[21-22]。区内烧变岩受地形与水文地质条件及火烧深度差异影响，底部多形成锅底状或锯齿状，接受大气降水与融化雪水补给后赋存一定量的裂隙潜水。下部煤层开采时，火烧区易受冒落带与导水裂隙带影响，使赋存积水通过冒落带与导水裂隙带进入矿坑。浅部开采时烧变岩裂隙潜水为矿床充水主要因素。
2.4.4 老窑积水
新疆煤矿区仅局部存在老窑，煤矿开采过程中若越界开采或采煤方式不当会造成老窑水突入矿井，成为矿井充水源之一。
2.5 涌水量
新疆煤矿历年含水层单位涌水量数据见表1。从表1看出，钻孔单位涌水量小于0.1 L/s·m，属弱富水性，渗透系数均小于1 m/d[22-26]。吉木萨尔县吉新煤矿ZK501渗透系数相对大，由于矿区周围存在石场沟，钻孔因沟谷中地表水及第四系河水补给，且靠近构造-火烧区富水带，因此富水性和渗透系数较高[25]。
3 新疆煤矿区水文地质结构
煤矿区水害与水文地质结构紧密相关。充水水源是控制水害发生的关键，不同充水水源形成水害的预防措施不同。本文从充水水源着手，分析新疆煤矿水文地质结构、形成条件之间的相同点，研究煤矿水文地质结构模式。
3.1 地表水充水型
地表水充水型有季节性和常年性河流两种。煤层开采产生的导水裂隙带接近河流区域，导致河水沿导水通道涌入矿井，形成水灾。具体情况如下：①季节充水型。矿井附近一般均有季节性河流存在，且与矿井通道联通。一旦河水涌入矿井，涌水量增大，就会发生水灾。②常年性河流。相对季节性河流径流较稳定，若开采前未做好相应工作，对矿井可能造成较大水灾危害（图2）。
3.2 地下含水层充水型
新疆聚煤地层中主要赋存第四纪孔隙水和侏罗纪裂隙水，岩层主要为砂岩。煤层开采中，若顶板裂隙带与含水层接通，造致上部含水层的水涌入矿井，部分区域断层较发育，为充水通道[27]。天山山前煤矿区开采时由于煤层厚度大（一般10 m左右），基岩厚50～100 m，煤层开采后形成的导水裂缝带极易与浅部山前冲积物中季节性雪融水、斜坡过境流混合，造成突水溃砂现象。部分地区煤层顶板有厚层裂隙水，煤层开采过程中，顶板会遭多层结构的厚松散层底砾层突水溃砂威胁。矿区煤层开采受顶板侏罗系和白垩系厚层砂岩水突水威胁，部分矿井水害严重。如位于新疆哈密大南湖矿区，中侏罗统西山窑组煤层开采受顶板侏罗系砂岩水威胁严重，部分矿井正常涌水量达283.3 m3/h，给矿区煤矿开采造成严重影响[28-29]。
3.3 烧变岩区积水充水型
煤层在开采过程中顶板受到煤层露头附近沟谷切割或倾斜露头自燃后形成的顶板烧变岩含水段的突水威胁[30-31]。由于露头和空气直接接触获得充足氧气，露头煤层发生自燃使烧变岩面积增大。局部补给条件好的区域，烧变岩具较强富水性，对矿井开采影响较大（图3）。烧变岩岩体的结构孔隙-裂隙发育，富水性较强，一般由大气降水或地表水获取补给。
4 结束语
新疆煤矿主要分布于山前盆地或山前倾斜带盆地边缘，受采掘破坏影响的第四系松散岩孔隙含水层和侏罗系碎屑岩孔隙-裂隙含水层，补给源包括大气降水和地表水。区内充水水源包括裂隙水、大气降水及地表水，补给源条件差或一般。充水通道主要为断层和裂隙密集带等，矿井涌水量整体偏小，开采受水害影响不大。从防治水程度看，属简单-中等类型。新疆煤矿区现有水文地质勘查工作成果相对较少，局部煤矿针对性较强，全面了解水文地质单元的工作量相对欠缺[32]。煤矿区勘查工作中水文地质勘查和其它地层要素勘查工作存在区别，如水位、水量等要素的动态变化，具时效性。因此，加强水文地质勘查方面研究，能全面掌握煤矿区水文地质条件，提高生产效益和安全保障。
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