榆橫礦區(qū)十六臺勘查區(qū)保水采煤分析

陳 波，張小萌

(陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021)

0 引言

陜北侏羅紀(jì)煤田煤層賦存地質(zhì)條件好，資源儲量豐度大，煤質(zhì)優(yōu)良，但生態(tài)環(huán)境脆弱，薩拉烏蘇組是最重要的含水層，也是維系生態(tài)環(huán)境的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，煤炭資源開采對其影響顯著[1]，針對陜北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、富煤、缺水的實(shí)際情況提出了保水采煤技術(shù)體系[2]。國內(nèi)眾多學(xué)者對我國西部生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤開展了深入研究，王雙明等[3]研究了煤水賦存空間組合關(guān)系和保水開采條件分區(qū)，建立了保水采煤技術(shù)體系；范立民[4]在保水采煤科學(xué)內(nèi)涵提出保水采煤保護(hù)含水層與隔水層的關(guān)系研究；李濤等[5]對生態(tài)脆弱礦區(qū)松散含水層下采煤保護(hù)土層合理厚度進(jìn)行了研究；范立民[6]提出薩拉烏蘇組含水層與植被關(guān)系密切是維系當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境平衡的最主要因素；范磊[7]就毛烏素沙漠薩拉烏蘇組地下水特征與植被分布關(guān)系進(jìn)行了分析討論；王雙明等[8]提出了生態(tài)水位的合理埋深，指出地下水位埋深1.5～5.0 m為煤礦區(qū)維系表生生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的合理水位區(qū)間。

十六臺勘查項目是陜西省2015年第2批地質(zhì)勘查基金項目，依據(jù)《綠色勘查指南》為指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)，踐行綠色煤炭地質(zhì)勘查，保障煤炭綠色開發(fā)。為此，以煤炭綠色地質(zhì)勘查、水文地質(zhì)調(diào)查、抽水試驗(yàn)及化驗(yàn)測試等資料為基礎(chǔ)，通過分析研究區(qū)水文地質(zhì)特征及保水采煤條件，以期為生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于榆橫礦區(qū)東北部，隸屬于榆林市榆陽區(qū)芹河鎮(zhèn)管轄，東直距榆林市約18 km，面積約77 km2，如圖1所示，處于毛烏素沙漠南緣與陜北黃土高原接壤地帶，屬于溫帶干旱半干旱大陸季風(fēng)氣候，年均降雨量不足500 mm。區(qū)內(nèi)地形平坦，地勢總體北高南低，呈風(fēng)蝕風(fēng)積沙漠丘陵地貌，地表無連續(xù)水系分布，水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。區(qū)內(nèi)揭露地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)及第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)及全新統(tǒng)風(fēng)積層(Q4eol)。大地構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地之次級構(gòu)造單元陜北斜坡中部，地層為一向北西微傾的單斜，地層傾角小于1°，構(gòu)造總體簡單。

圖1 研究區(qū)位置

煤系地層侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)平均厚度258 m，為一套河流、湖泊、河湖過渡的濱湖-三角洲及沼澤相沉積，是鄂爾多斯盆地中生界最主要的含煤巖系，巖性以淺灰白色中細(xì)粒長石砂巖、深灰色泥巖、粉砂巖及煤層為主，一般含煤10余層，可采煤層2層，分別為3、4-2號煤層，其中3號煤層全區(qū)可采，埋深在153～294 m，平均厚度1.15 m；4-2號煤層大部可采，埋深200～345 m，平均厚度1.37 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，為大部至全區(qū)可采穩(wěn)定的薄-中厚煤層。煤類主要為長焰煤，屬于低變質(zhì)程度煙煤，煤質(zhì)指標(biāo)優(yōu)良，具有低灰、低硫、高揮發(fā)分、高發(fā)熱量的特點(diǎn)，是良好的動力用煤。

2 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)水文地質(zhì)條件與區(qū)域水文地質(zhì)特征的統(tǒng)一性，但由于受地層分布、埋藏及其地貌的影響，又與區(qū)域存在差異性。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的賦存條件及水力特征，將地下水劃分為兩大類型，即第四系松散巖類孔隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。

2.1 地表水

本區(qū)位于榆溪河以西，無定河以北，區(qū)內(nèi)地表無連續(xù)水系分布，僅局部存在不連續(xù)的天然海子，主要接受大氣降水，水量隨季節(jié)性降雨變化較大，水質(zhì)pH值為9.22，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型，礦化度0.179 g/L，水質(zhì)較好。

2.2 第四系松散巖類孔隙潛水

分布及厚度：第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組潛水含水層，地表分布廣泛，主要出露于沙漠灘地和沙丘間洼地，分布不均，一般在古溝槽及低洼中心沉積較厚，其厚度介于3.5～45 m，平均厚度為24 m，具體分析情況如圖2所示。下部為褐灰、灰黃色砂質(zhì)亞砂土、粉細(xì)砂與淺灰黃色亞黏土互層；上部為淺灰黃色、灰紫色及雜色中細(xì)砂、粉砂及砂土互層狀，是第四系潛水主要的含水層，其上植被發(fā)育或?yàn)檗r(nóng)田，常稱“沙漠綠洲”。

圖2 薩拉烏蘇組含水層厚度分布圖

水位及涌水量：通過調(diào)查區(qū)內(nèi)24口民用水井，井底深度為8～34 m，均屬薩拉烏蘇組潛水，據(jù)水位觀測(圖3)表明薩拉烏蘇組潛水位在1.2～3.5 m之間，平均水位為2.2 m。富水性的強(qiáng)弱與厚度分布有一定的關(guān)系，其含水層多被風(fēng)積沙層覆蓋，常與其構(gòu)成統(tǒng)一含水層，直接接受大氣降水的補(bǔ)給，水位埋藏較淺，且與下伏中更新統(tǒng)透水性較弱的離石組黃土層構(gòu)成了薩拉烏蘇組潛水良好的富集儲存條件。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果(表1)表明，含水層厚度26.49 m，水位埋深2.51 m，當(dāng)降深9.69 m時，涌水量6.14 L/s，單位涌水量0.633 9 L/(s·m)，滲透系數(shù)2.96 m/d，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na型，礦化度為369.2 mg/L，富水性中等。

表1 各含水層抽水試驗(yàn)成果

圖3 薩拉烏蘇組含水層水位等值圖

2.3 碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水層

侏羅系中統(tǒng)安定組砂巖承壓含水層：分布不全，主要分布于北部，由北向南逐漸變薄以致剝蝕殆盡。下部為淺紫紅色中厚層狀中、細(xì)粒砂巖，發(fā)育水平層理及波狀層理；上部為紫、暗紫紅色中細(xì)粒長石砂巖夾紫紅、灰綠色粉砂巖和泥巖韻律層，頂部常夾有泥巖薄層。含水層以中、細(xì)粒砂巖為主，含水層平均厚度30.65 m，局部基巖風(fēng)化帶未遭切割，連續(xù)性較好，易于接受上部含水層地下水的下滲補(bǔ)給。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果(表1)表明，含水層厚度40.24 m，水位埋深9.16 m，當(dāng)降深74.78 m時，涌水量0.45 L/s，單位涌水量0.005 4 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.005 8 m/d，水化學(xué)類型為SO4-Ca·Na型，礦化度1 487.1 mg/L，富水性弱。

侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖承壓含水層：全區(qū)分布，以淺灰綠色中細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖為主，底部主為淺灰白色中、粗粒砂巖且分布穩(wěn)定，發(fā)育大型板狀、楔狀交錯層理。含水層巖性主要以中、細(xì)粒砂巖以及底部的中、粗粒砂巖為主。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果(表1)顯示，含水層厚33.97 m，水位埋深25.72 m，當(dāng)降深32.47 m時，涌水量0.28 L/s，單位涌水量0.008 6 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.005 3 m/d，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Na型，礦化度470.0 mg/L，富水性弱。

侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖承壓含水層：全區(qū)分布，保存較完整，是區(qū)內(nèi)主要含煤地層，巖性以淺灰白色中、細(xì)粒砂巖、深灰色泥巖、粉砂巖、煤層(線)為主，其底部廣泛發(fā)育一套巨厚-厚層狀中、粗粒長石砂巖，俗稱“寶塔山砂巖”，賦存有主要可采的3號、4-2號煤層。含水層主要以細(xì)粒砂巖夾中粒砂巖為主，因埋藏較深，巖石較完整，裂隙不甚發(fā)育，含水量貧乏，含水層平均厚度為148.25 m。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，含水層厚度58.34 m，水位埋深46.05 m，當(dāng)降深77.74 m時，涌水量0.43 L/s，單位涌水量0.005 4 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.008 1 m/d，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na型，礦化度208.3 mg/L，富水性弱。

3 保水條件分析

3.1 分析方法

調(diào)查表明區(qū)內(nèi)降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地表水系不發(fā)育，地表大部被第四系風(fēng)積層及薩拉烏蘇組所覆蓋，地表植被發(fā)育較好，多為沙蒿、沙柳，薩拉烏蘇組潛水是區(qū)內(nèi)主要的飲用水、灌溉水源，也是保水采煤的目標(biāo)含水層。范磊等[9]通過對毛烏素沙漠薩拉烏蘇組地下水特征與植被分布關(guān)系的分析，提出灘地地區(qū)植被與潛水位埋深關(guān)系密切，植被對潛水位埋深具有較強(qiáng)的依賴性，植被的生態(tài)效應(yīng)敏感；王啟慶等[10]提出在陜北生態(tài)脆弱區(qū)影響地下水資源的因素主要有導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、上覆基巖厚度及隔水黏土層厚度，黏土層及基巖中泥巖在天然條件下具有較好隔水性，但煤層采動對其影響較大，確定保水采煤條件的關(guān)鍵指標(biāo)為隔水層的厚度，開采煤炭資源的同時保護(hù)礦區(qū)水資源首先要查明礦區(qū)煤層的空間賦存特征及其與含(隔)水層的關(guān)系，再根據(jù)開采形成的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律與所采煤層上覆基巖的關(guān)系，規(guī)劃開發(fā)區(qū)域、選擇合理的采煤方法[11]，本次主要通過研究隔水層條件和導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度情況來分析其保水條件。

3.2 隔水層條件

離石組厚度及水理性質(zhì)：第四系離石組黃土層為區(qū)內(nèi)主要的隔水層，基本全區(qū)分布，其上被薩拉烏蘇組潛水含水層所覆蓋。據(jù)鉆孔揭露，該組地層厚度介于11.7～58.2 m，平均厚度30 m，在區(qū)中部較厚，如圖4所示，以2-1號鉆孔向四周逐漸變薄趨勢，巖性為淺灰黃色、淺棕黃色亞黏土及亞砂土為主，含分散狀灰白色不規(guī)則豆?fàn)?、顆粒狀鈣質(zhì)結(jié)核，半固結(jié)，結(jié)構(gòu)致密，滲水條件差，不易滲入，是薩拉烏蘇組潛水得以儲集的重要條件。通過化驗(yàn)測試，離石黃土層水理性質(zhì)中黏粒含量為15.4%，孔隙比為0.61～0.84中密-密實(shí)，滲透系數(shù)為0.09～0.97 m/d之間，屬弱到較強(qiáng)隔水層。

圖4 離石組厚度等值線

含(隔)水層與煤層空間組合關(guān)系：從垂向來看，組成區(qū)內(nèi)煤層覆巖的含、隔水層自上而下依次為第四系薩拉烏蘇組中等富水含水層及全新統(tǒng)風(fēng)積層、第四系離石組黏土隔水層、基巖孔隙裂隙承壓富水弱含水層(安定組、直羅組和延安組)，據(jù)鄧念東等[12]的研究將保水采煤的工程條件分為5個區(qū)，即：沙-土-洛-基型保水開采區(qū)(Ⅰ)、沙-土-基型保水開采區(qū)(Ⅱ)、沙-基型保水開采區(qū)(Ⅲ)、無水開采區(qū)(Ⅳ)、燒變巖型保水開采區(qū)(Ⅴ)，研究區(qū)煤層與覆巖的空間組合特征，如圖5所示，屬于“沙-土-基型”，薩拉烏蘇組潛水含水層直接賦存于離石組黏土隔水層之上，形成了較好的空間保水條件，較容易的實(shí)現(xiàn)保護(hù)薩拉烏蘇組潛水含水層。

圖5 含(隔)水層與煤層空間組合關(guān)系

3.3 導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度

經(jīng)驗(yàn)公式：對上覆含水層的保護(hù)主要取決于采煤引起的導(dǎo)水裂隙帶是否波及到目的含水層中，充水通道主要是煤層開采形成的冒落、冒裂裂隙。導(dǎo)水裂隙帶的計算主要為經(jīng)驗(yàn)公式計算，區(qū)內(nèi)主要可采煤層為延安組第3段3號、4-2號煤層，層位穩(wěn)定，煤層傾角平緩且與地層一致，傾角小于1°，上覆基巖以砂巖為主，平均巖石抗壓強(qiáng)度為23.76 MPa，頂板管理方法為采用全部陷落法，因此綜合以上條件據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(2017)中推薦的中硬巖類冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式。

(1)

(2)

式中，Hm—冒落帶最大高度，m；Hli—導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；∑M—累計采厚，取煤層厚度，m。

計算結(jié)果：依據(jù)公式計算，結(jié)果由表2可以看出，3號煤冒落帶發(fā)育最大高度5.71～8.58 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為21.99～32.77 m，采煤時冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶均在正常基巖里發(fā)育。4-2號煤冒落帶最大高度5.71～9.59 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度21.99～36.14 m，經(jīng)與煤層間距進(jìn)行比較，上距3號煤間距42.55～48.92 m，理論上無法與上層3號煤采空區(qū)相互溝通。

表2 冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶計算結(jié)果

隔水作用：經(jīng)分析表明，理論上冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度不會波及上層的薩拉烏蘇組潛水含水層，況且上部離石組黃土隔水層發(fā)育連續(xù)穩(wěn)定，可起到良好的隔水作用，煤層開采時一般不會影響到上部薩拉烏蘇組潛水含水層。但在煤層開采時也不能排除煤層開采引發(fā)其他地質(zhì)環(huán)境問題，從而破壞薩拉烏蘇組地下水的結(jié)構(gòu)，引起生態(tài)破壞。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，薩拉烏蘇組潛水含水層是主要的含水層和供水水源，富水性中等，是維系生態(tài)環(huán)境的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，保水意義重大。

(2)主要隔水層第四系離石組黏土結(jié)構(gòu)致密，滲水條件差，是薩拉烏蘇組潛水賦存儲集的重要條件，煤層與覆巖形成了較好的空間保水條件。

(3)經(jīng)計算，理論上冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度不會波及上層的薩拉烏蘇組潛水含水層，采取適當(dāng)措施可實(shí)現(xiàn)保水采煤，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)平衡良性發(fā)展。