第23卷第4期2006年12月
采矿与安全工程学报
Journal of Mining &Safety Engineering
Vol.23No.4
Dec.2006
收稿日期:20060330
基金项目：国家自然科学基金项目(50574090)；教育部科学研究重点项目(105024)作者简介：白海波(19602)，男，江苏省邳州市人，教授级高工，从事矿井防治水、水资源利用与保护理论与技术的研究.E 2m ail :hbbai @ T el :0516283885205
文章编号:167323363(2006)0420383206
白海波，缪协兴，冯梅梅
(中国矿业大学理学院，江苏徐州 221008)
摘要：利用水化学方法揭示了潞安矿区新构造及其导、储水性的存在，研究发现了王庄-常村新
构造断裂带及其新生性.在新构造和古地理特征研究的基础上，论证了新构造运动对地表水系演化、地下水补给、径流、排泄及水化学分布、新岩溶发育规律的控制作用.合理解释了矿区水动力场、富水性分布、岩溶发育特征，指出了王庄-常村新构造断裂带和矿区内其他几条复活的新构造集水廊道和强径流带是矿区供水和保水采煤的重点工作区域.关键词：新构造特征；新构造控水；水化学；保水采煤中图分类号:TD 163 文献标识码:A Research on t he Neotectonics and Water Controlling Effect
in L u ’an Coal Mine
BA I Hai 2bo ,M IAO Xie 2xing ,FEN G Mei 2mei
(School of Science ,China University of Mining &Technology ,Xuzhou ,Jiangsu 221008,China )超导限流器
Abstract :The existence of neotectonics and it s water conducting behavior and water storage ca 2
pacity of L u ’an coal mine were testified by hydrogeochemist ry met hod.On t he basis of t his ,a newly formed f ract ured zone in Wangzhuang -Changcun area was found.Based on t he st udy on t he neotectonics and paleogeograp hic characteristics ,t he cont rol of neotectonics movement over t he evolvement of surface water system ,t he supply and runoff of underground water ,t he drainage of groundwater and t he hydrochemist ry distribution and t he develop ment of new karstification are demonst rated.The hydrodynamic field ,water abundance and t he develop 2ment of karstic feat ures are ratio nally explained and pointed o ut t hat t he neotectonic fault s in Wangzhuang -Changcun area and several ot her st rip s of resurgent neotectonic catchment chan 2nels as well as t he strong runoff zone are important regions for t he water supply and so are t he regio ns where water p reserving mining met hod sho uld be used.
K ey w ords :neotectonic characteristics ;water cont rolling by neotectonics ;hydrogeochemist ry ;water p reserving mining
潞安矿区地处晋东南，太行山西麓的长治盆地.地质上属于太行山复背斜西翼、武乡-阳城凹陷的东翼.矿区总体走向近NS ，向W 缓倾.东部正断层为主,N E 向断裂构成垒堑，褶皱轴近EW ；西部逆断层为主，断裂和褶皱的构造线近NS.地表水属于海河水系的浊漳河源区，地下水为辛安泉的南流泉组子系统，矿区地下水呈扇形向潞城集中后在南流向浊漳河排泄.新构造运动时期，在随晋陕高原隆升的过 程中，矿区所处区域相对于其东侧的太行山和西侧的太岳山发生裂陷，形成武乡、襄垣、长治、高平和晋城等串珠状盆地.其西侧太岳隆起将本区与汾渭裂谷分开，同时构成沁水与漳河的
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分水岭.由于西有汾渭裂谷[1]，东有太行山二级阶梯边界[224]等更具有地质意义的区域，前人对本矿区所在区域的新构造的关注和研究较少，但新构造对现在的地形地貌、水系和地下水的控制作用是非常明显的，不但是研究区域供水和矿井水害防治工作所不能回避的，而且还是这些方面工作的重点.
1 新构造运动前矿区构造演化
中生代末燕山运动晚期SEE-N WW向水平挤压奠定煤田构造格局的基础.在印支和燕山运动早期NN E向极为宽缓褶曲的基础上，在燕山运动中晚期，在方位为299°∠2°的最大水平挤压应力作用下，普遍发生断裂变形.基底结构的非均匀性导致盖层变形的差异，沿左权-长治-晋城古裂陷基底软弱带应力集中，产生了晋获逆冲推覆构造带，逆冲断裂释放了大量应变能，使得位于晋获逆冲断裂带西侧的矿区东中部变形较弱，主要发育平面共轭剪破裂.矿区西部紧邻沁水断块的硬核基底，对自东而西传递的侧向挤压起阻挡作用，导致沿“刚性”核心周围应力集中，超过岩石破坏极限，发生宏观破裂.在地块受围限条件下，垂向重力为最小应力，从而在剖面共轭剪破裂的基础上形成逆断层，但断裂规模小，断续延伸，走向SN.
始新世晚期第1期喜马拉雅造山运动，虽然印度大陆与中国冈底斯地区开始碰撞，但陆陆碰撞的推挤作用并未影响到本区；而西太平洋板块开始向西俯冲产生的上地壳引张伸展作用，在海沟岛弧后形成弧后拉张海盆、陆缘和陆内裂谷系，使中国东部滨太平洋平原开始了裂谷作用，形成了3条NN E向裂谷带:1)呼伦贝尔-滇中裂谷带(含鄂尔多斯周边裂谷),2)松辽-华北平原-江汉-北部湾裂谷带,3)中国南海-东海裂谷带[2].潞安矿区处于第一裂谷带(即鄂尔多斯周边裂谷带)东侧，在最大主压应力轴向为198°∠1°的NN E-SSW 向挤压应力场作用下，沿最小主应力方向(SEE-NWW)应力松弛，晋获逆冲断裂带与沁水断块的结合部发生开裂,NN E向长治正断层活动导致长治张性断陷的形成；早期平面共轭剪破裂中的1组处于张剪性质，形成矿区(东部)占大多数的N EE 向正断层.
中新世开始，第2期喜马拉雅造山和中国东部新生代第2期裂谷运动开始了，虽然喜马拉雅造山推挤作用在增强，影响范围在扩大，但本区仍未受到喜马拉雅地区挤压构造应力场的影响，还只是受太平洋板块俯冲作用形成的应力场的控制，以N EE-SWW(72°∠1°)向挤压和NN W-SSE向的引张为特征.在引张持续作用下,N EE向的断层发生正断层运动，在重力作用下，沿早期N EE向构造破碎带形成剖面X型共轭剪破裂，进而发展成为剖面X型正断层、构成垒堑组合，如文王山地垒、中华-安昌地堑和二岗山地垒等.N EE-SWW挤压应力使西部SN向挤压构造带得到进一步加强，形成前苏村、余吾等逆断层和较复杂的褶曲形态.在经过喜马拉雅两期造山运动和东部相应的两期裂谷运动后，从中新世晚期到上新世晚期构造运动进入了相对平静期.在外地质营力长期削高填低的作用下，形成了地势和缓、河流湖
泊广布的准平原景观.本区古气候为湿热的自然环境，为标高在500m以下的盆岭古地形[2]，长治古湖坐落其间.
代码转换2 矿区新构造特征
第四纪更新世早期开始的新构造运动，不同于之前的喜马拉雅造山运动，这时除了太平洋板块俯冲产生的引张作用外，喜马拉雅陆陆碰撞产生的挤压作用也影响到了本区.矿区在随整个晋陕高原上升隆起的过程中，因伸展作用而发生了相对下陷.
2.1 构造类型为断块运动
本区的新构造运动主要表现为断块运动.断块运动控制着沉降区、上升剥蚀区及地震分布，并形成复杂多变的现代地貌景观.太行山相对上升，矿区相对下降.在上升区和下降区之间及各区内部均以断裂为界分成不同的块体.在沉降(矿区)区内由北而南依次有文王山地垒、潞城断裂、王庄-常村断裂带、二岗山地垒和长治断层等复活的老构造和新生构造断裂将矿区分成一个个断块.这些断块在统一应力场作用下作不等幅度升降和水平走滑运动.
2.2 时间上间歇性升降运动
砭石祛斑泥太行山上升和浊漳河的向下侵蚀，形成数百米深的峡谷.根据太行山浊漳河峡谷峭壁上数层水平分布的
喀斯特溶洞景观及不同水平洞内沉积物地质时代差异，可知太行山区新构造运动具间歇性上升进程，早更新世上升约110m，中更新世上升约190m，晚更新世上升约70m，全新世约40m[2].由于第2梯级的持续上升和第3梯级的下降，地形高差拉大，致使河流下切侵蚀和溯源侵蚀都在加剧，在早更新世末期浊漳河溯源侵蚀袭夺，导致长治古湖外泄，由内流水系变为外流水系.浊漳河南源虽然处于相对下降区，但黄碾至五阳段仍然发育有二级阶地，文王山上见有水平溶洞等多层地形,
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第4期白海波等：潞安矿区新构造及其控水作用的研究
证明太行山西侧的矿区也在间歇上升.
由于新构造期的第2梯级台面隆起与新构造期前的第1裂谷带相重叠了，致使武乡、襄垣至长治一带为主要下降区，但它的下降是第2梯级内相对沉降.据长治盆地新生界沉积厚度推断，长治断层东侧基岩裸露的中低山区，在晚新生代更新世以来间歇上升了670m ，长治盆地则间歇下降了近290m ，造成了盆地与其东侧太行山区界线分明.2.3 空间上非同步断块升降运动武乡、襄垣、长治一带相对于太行山整体为下降区，但下降幅度不一致.形成了武乡、襄垣、长治等一系列梯级小盆地.
西川断层、文王山地垒北断层两侧存在相对升降运动等常见的断裂错动位移，但也存在两盘同时升降
石墨烯供暖设备
的现象，只是升降幅度不同.如同处于下降区的文王山地垒到长治盆地.文王山地垒降幅最小.文王山地垒南断层到王庄-常村断裂带之间的黄土丘陵山区(即王庄、石圪节一带)，先有幅度不大的下降，以后又处于幅度不大的上升状态，在震荡升降过程中，相对文王山地垒整体降幅不大，根据浊漳河的南源两级阶地高出河床20～30m 推断，该地段相对文王山地垒下降了大约有50m.处于王庄-常村断裂带以南的长治盆地相对断裂带以北的丘陵山区地表高差就达50m 以上，基岩落差达30～180m.就是说文王山地垒、文王山至王庄-常村断裂带之间、王庄-常村断裂带以南的长治
盆地3块都在下降，其运动方向一致，但降幅由北
向南在加大，形成了3级阶梯状地貌景观(图1)
.
图1 潞安矿区新构造断裂剖面
Fig.1 Neotectonic faults section in L u ’an coal field
2.4 新老关系上为继承性与新生性并存
矿区内的许多正断层，新生代复活现象非常明显.
文王山地垒属于云罗-张店东西向断裂的东延部分，其南北断层形成于燕山期，自燕山运动以来的历次构造运动均有不同程度的活动.新构造运动期文王山地垒复活，一直随着本区新构造运动活跃和平静期而作间歇性活动，据浊漳河南源两级阶地鉴定，浊漳河南源形成于早更新世，而该河又穿过相对隆起的地垒，表明文王山地垒两侧是在早更
新世以后下降的，而且是间歇性下降的，或者说文
王山地垒是在早更新世之后才隆起的，它的相对抬升与晚更新世鄂尔多斯周边断陷盆地内N EE 向横向隆起相一致[2,5].
潞城断层也具有后期复活现象，该断层与晋获断裂同时形成，走向NWW ，分布于史回、史坊、潞城县城一线，断层北盘上升，南盘下降，而且北盘相对南盘向西水平错移，即具有左旋走滑性质.在潞城
一带，断层造成的两侧地层落差约180m ，根据卫片解译线性延伸到煤盆边缘，在煤系地层覆盖区消失.再向西断层两侧地貌反差明显，北侧为低山丘陵区、南侧为长治盆地.潞城断层切穿晋获褶断带并造成其两侧晋获褶断带构造形迹的差异和不连续性，断层以北构成晋获褶断带的构造形迹以NN E 向的断裂为主，而以南则主要为褶皱构造，潞
城断裂带生成与晋获断裂同时或略早些，它对晋获断裂有制约作用，但是又没有完全制约住，因此推断潞城断层可能是应力的集中释放区.在新构造期，该断裂带也随着构造运动的活动期和平静期的交替而变化.
长治断层形成于始新世晚期到渐新世中期，经受第2期喜马拉雅造山运动或第2期中国东部裂谷运动，使其裂陷作用进一步加强.在经过上新世相对构造平静期的平原化后，到了新构造运动期，在大的构造背景下经受多期新构造运动改造，使断层复活，落差一直在拉大，两盘反向升降错动.在第四纪，断层以东的山区上升了670m ，西侧的长治盆地则下降了近290m ，差距达960m.
二岗山地垒形成时代与文王山地垒一致，在新构造运动时期，也被复活，断裂走向和性质仍然继承了老构造的，由于在新生代被渐渐埋入长治盆地下，因此，其导、含水性比文王山地垒差些.
新构造运动对中华-安昌地堑整体影响不大，也未被复活，在新生代被渐渐埋入长治盆地下，表现在水文地质上起阻水作用，水化学上表现为高矿化异常带.
前述的都是新构造对老构造的继承和改造的断裂，但潞安矿区也存在新生的新构造断裂.通过近期所作做工作，利用矿区的水化学、抽水试验等水文地质资料整理、多光谱卫星遥感照片和河流阶地与黄土地貌等实地考察，在王庄矿至常村矿发现1条N WW 向导水断裂带，该断裂带没有统一完整的断层面，而是以一系列北西西向的小型正断层(如故县断层、石室断层)及其密集成带的次级小断层、节理等组成，这已被王庄矿井下实际揭露和证
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实.水文地质试验证实这些断裂具有导水性，水化学离子含量平面分布为相对淡化带，王庄矿揭露的10号导水陷落柱、常村矿北一轨道上山出水陷落柱和常村矿水源地均处于这一条带上(图2)
.图2 潞安矿区水文地质概念略图
Fig.2 Hydrogeology concept outline in L u ’an coal field
在地貌上王庄矿至常村矿井田上方形成一条NWW 向的陡坎，陡坎以北是黄土丘陵，以南为长治盆地，地形高差达30～50m ，现代地貌是近期新构造活动痕迹的忠实反映，它的突然变化除了水流冲刷外，表明新构造有变动，即南侧相对下降快，北侧相对下降慢，两盘同向差异下降.该断裂带暂命名为王庄-常村(新构造)断裂带.2.5 现代构造应力场特征
本区现代构造应力场与整个华北地壳一致，即最大主应力方向为N EE -SWW ，最小主应力方向为NN W -SSE ，而且都近于水平，两个剪切面分别为NN E -SSW 和NWW -SEE.在上述应力场的作用下，沿NN E 向的断裂发生右旋，沿NWW 向的断裂发生左旋运动，现在华北地区新构造运动处于一个新的活动期[124].矿区原地应力测量结果(见表1)表明：虽然因边界条件不同，最大水平主应力
方向有所改变，但总体方向还是近E -W 向的为
主.
表1 潞安矿区部分原地应力测试结果统计表
T able 1 Statistics table of some d ata of in 2situ stress measurement in Lu ’an coal f ield
巷道名称埋深/m
水压/MPa
垂直应力/
MPa 最大水平主应力/MPa
最小水平主应力/MPa
最大水平主应力方向
五阳7516放水巷
450 2.011.2515.168.30N81.8°E 五阳五一皮带巷3500.58.7513.20 6.50N19.6°W 漳村西皮带下山340 1.08.50 6.58 3.53N54.7°W 漳村1310运输平巷2300.8 5.75 5.93 3.47N52.7°W 常村S3皮带下山373 2.09.3313.78 6.96N35.7°W 常村S2轨道上山330 1.5
8.2513.657.31N28.3°W 石圪节2318II 联巷180 4.50 5.31 3.13N78.0°E 王庄52北轨3200.858.00 4.58 2.85N72.9°W 王庄433下山
165
0.15
4.13
7.60
4.68
N55.0°W
3 新构造控水作用
构造控水作用一直是水文地质研究的一个重要方面[6]，但构造控水作用除了与构造的力学性质相关外，更与构造产生和复活的时间有关.通过研究认为新构造是控制本区地表、地下水的主导因素.
3.1 控制地表水体的演化
长治古湖形成于第1期喜马拉雅造山运动或者准确地说是形成于中国东部新生代第1期裂谷作用，即始新世至渐新世.在中新世开始的第2期裂谷作用下得到进一步加强和扩展，在中新世末到上新世末长期
的削高填低的过程中，形成了地势平缓的准平原，这时太行山本身高程在500m 以下，太行山东西两侧地形高差不大，处于气候温暖、雨量充沛的森林草原地带、低湿平原的湖泊沼泽环
境，长治古湖以封闭的裂谷坳陷盆地的形式存在,
其中的水系为向心内流水系.沉积了以泥岩为主的湖泊相沉积物.
到了更新世初期新构造运动开始了，本地区不仅受到太平洋板块俯冲和亚欧板块仰冲作用造成的引张机制的控制，而且也同时受到印度板块和亚欧板块碰撞挤压扩展力的影响，造成太行山间歇性升高、太行山以东至岛弧间大幅度下降，太行山以西的鄂尔多斯东边缘裂谷随晋陕高原整体上升的同时，也发生了相对沉陷，地形高差变大，使太行山东的早期浊漳河及以西的长治古湖向心水系的河流下切和溯源侵蚀均加剧.早更新世，浊漳河溯源侵蚀，切穿了太行山，与长治古湖东侧河流相遇，逐渐袭夺了部分向心河流的水量，使长治古湖高水位的水外泄、形成跌水和急流.随着太行山继续升高和河流持续下切、溯源侵蚀，先将古湖北侧和西侧
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第4期白海波等：潞安矿区新构造及其控水作用的研究
的河流变成了浊漳河的北源和西源，最终袭夺整个长治古湖流域的水并使古湖南侧的河流变成浊漳河的南源，将长治古湖的内流水系彻底改造成为了外流水系.
3.2 控制本区的地下水补给
张力计算
新构造时期晋陕高原受到喜马拉雅陆陆碰撞作用影响变大，海拔高程在间歇性上升，但叠加其上的相对沉陷作用也在进行，断块间的升降运动导致靠近太行山区域被抬升，老地层出露地表，特别是奥陶系和寒武系可溶岩在现在矿区的东部大面积分布，形成了地表岩溶.由太行山西麓向西依次分布可溶岩的裸露区、覆盖区和掩埋区，地下水局部由浅(东)到深(西)顺层汇流，与本区地表和地下水的总体流向(由西向东的反倾向流)相反.这样，在矿区东部是可溶岩和煤系地层水接受大量补给的区域，岩溶水在裸露区和覆盖区接受大气降水和地表水的补给后向下渗流，在煤系地层露头附近达到区域潜水面，汇入强水平径流带中.
除了东部主要补给区之外，中深部(西)由于埋藏深度大，在没有导水断裂的情况下，基岩地下水的垂向越流是非常困难的，即使有导水断裂，随水循环深度增加而深部基岩接受补给量变得越来越少.因此，煤系地层裂隙水和奥陶系岩溶水通过前述的几条新构造断裂带接受垂向越流补给，但总补给量很小.
3.3 控制矿区地下水的径流
由于地形加速切割，导致本区侵蚀基准面较低，形成了地表高程大，地下水位高程低，即“地高水低”的先天条件.由于反倾向流和西部接受的补给量少，沿地层倾向平面分布地下水中矿物成分很快达到饱和状态，岩溶发育很快终止并发生沉淀.因此，在矿区北部，岩溶发育区处于煤系地层露头附近的潜水面波动带，基岩地下水的强径流带很窄，由北西向南东流动.在矿区南部，长治断层以东的岩溶水在断层南段和沿切穿长治断层的NWW 向新构造断裂越过长治断层，沿断层西侧由南西向北东方向流动.两大强径流带在潞城断裂合流后越过晋获断裂东流.
在矿区内部导通深浅部水力联系的通道是复活的文王山地垒、二岗山地垒和新生的王庄-常村断裂带.这几条新构造导水断裂不但垂向上得到上层地下水的越流补给，侧向上更次一级的导水裂隙中的水也向干流中汇集.在矿区西部由一系列轴向为N-S延伸的褶皱产生的纵张断裂，往往成为次一级导水通道，其中的地下水就向近乎E-W向的富水带汇集.沿着新构造断裂带由西向东，地下水反倾向流，径流缓慢，主要原因是含水层埋藏深度大，从上部含水层获得的越流补给量少，接受到的补给水由于溶滤、浓缩等作用而矿化度变高，但还是比其两量侧地下水的矿化度低得多.在缓慢流动过程中，一边接受上层矿化度较低水的越流补给，一边汇集和稀释两侧高矿化度的水，越向东流，廊道从上层得到的越流补给量和两侧汇流量越大，越流补给水的矿化度越低，两侧汇入的水的矿化度也因其径流条件的改善而变低.
3.4 控制地下水的排泄
潞城断层切穿了晋获褶断带，该断裂带在新构造运动时期又重新复活，两盘除落差加大之外，水平上为也作左旋错动，与现代构造应力场作用下左旋平移断裂呈张性相一致.因此，断裂的开启性和导水性是比较好的.
现在的矿区地下水，尤其是岩溶水通过几条新构造断裂形成的集水廊道由西向东流，在矿区东边界附近，沿岩溶发育带由北西向南东和长治断层西侧影响带由南东向北西流，都集中到潞城断裂与晋获断裂的交汇处，沿潞城断裂穿过晋获断裂向东流，在晋获断裂以东处于逆断层上盘，断裂发育，有利于地下水运移，从而有利于奥陶系岩溶发育，矿区地下水沿着岩溶通道向浊漳河排泄.
该排泄点形成于早更新世，即在晋陕高原隆起和华北平原沉陷造成地形差拉大，切割加剧，浊漳河溯源侵蚀加快.在浊漳河切穿太行山，抵达现在的辛安、南流一带时，河流下切了奥陶系岩溶水通道，造成岩溶地下水以侵蚀泉的形式向浊漳河排泄，而这时浊漳河还没有溯源侵蚀到长治古湖向心水系的主河道，长治古湖仍然是内流水系.在中更新世初期浊漳河溯源侵蚀到长治古湖的主要河流，也就是浊漳河的北源、西源和南源的黄碾至五阳段时，发生袭夺逐渐将长治古湖内流水系变成外流水系，但潞城断裂作为矿区主排泄通道的地位没有改变.
在辛安、南流等泉形成前，本区地下水是在朝着向心水系———长治古湖排泄，排泄基准面较高，地下水循环深度受到限制.在辛安、南流泉等地下水排泄点形成后，排泄基准面大为降低，使矿区地
下水水位大幅度下降，循环深度加大，导致原来岩溶水水平强发育带下移加深.在低的侵蚀基准面作用下，地下水补给、径流、排泄等水动力循环交替加剧，地下水对可溶岩的溶解、潜蚀等扩容也在加速，形成新的水平强岩溶发育带和相应的地下水
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