陕北侏罗纪煤田榆神矿区麻黄梁井田水文地质特征及矿床充水条件分析

2013-01-18李成伟

地下水 2013年6期

关键词：突水井田基岩

李成伟，刘飞

(1.西安地质矿产勘查开发院，陕西西安710100;2.陕西延长石汕集团研究院，陕西西安710065)

陕北侏罗纪煤田榆神矿区麻黄梁井田水文地质特征及矿床充水条件分析

李成伟1，刘飞2

(1.西安地质矿产勘查开发院，陕西西安710100;2.陕西延长石汕集团研究院，陕西西安710065)

陕北侏罗纪煤田榆神矿区麻黄梁井田位于榆神矿区东南部，榆林城东北方向。井田内地质构造简单，煤炭资源丰富。从鄂尔多斯盆地东部地下水类型、含水岩组等区域水文地质条件入手，对陕北侏罗纪煤田榆神矿区麻黄梁井田水文地质条件进行探讨。此基础上，从煤层上覆基岩所处的古地形、煤层顶板上覆基岩厚度、煤层顶板上覆基岩的岩性及与煤层燃烧区的关系对巷道突水强度进行了分析，对该煤矿在巷道掘进的进程中出现较强突水的原因进行研究，为今后的生产提供技术资料。

水文地质特征;地下水;含水岩组;含(隔)水层;巷道突水;巷道突水因素分析

麻黄梁井田地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带，地表全部被第四纪松散沉积物所覆盖，东、南部及北部地貌以黄土梁岗区为主，其余为沙漠滩地。地势总体东、南部及北部较高，海拔标高一般1 160～1 310 m，最高点位于井田东部，标高1 371.1 m，最低点位于井田东南部沟谷中，标高1 235 m，最大相对高差136.1 m。区内无地表水系。

井田内整体地质构造简单，主煤层3号煤层厚度大，稳定性好，结构简单，埋藏浅，煤质优佳，是良好的动力用煤和气化、液化等工业用煤。

1 区域水文地质条件

1.1 地下水类型及含水岩组

本区域位于陕北侏罗纪煤田的西南部，陕北黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带。区域东部及南部为水系发育的黄土梁峁地形，西部及北部为沙漠滩地及低缓黄土梁岗地形。全区基本上为一个四周较高(北部及西部地势高、东部为榆溪河与佳芦河及秃尾河的分水岭、南部为无定河与大理河的分水岭)，中部低洼(沙漠滩地区)，向南开口(流向东南的无定河及榆溪河)的不对称的高原盆地地形。区域内较大水系有无定河及其支流榆溪河、海流兔河和硬地梁河。

地下水的形成、分布和水化学特征主要受地貌的制约，此外还受地层岩性、地质构造、古地理环境及水文气象诸因素综合控制。根据以上特征，将区域内地下水类型分为新生界松散岩类孔隙及裂隙孔隙潜水，中生界碎屑岩类裂隙孔隙潜水与层间承压水两大类，并划分为七个含水岩组。

1.2 隔水层

本区隔水层主要为新近系上新统静乐组红土，其主要岩性为紫红或褐红色粉砂质粘土，夹数层薄层古土壤层，含大量钙质结核。连续分布于王家湾、乔界、董家湾乡连线以东，厚度30～120 m，系新生界与基岩之间的隔水层。

在基岩段，隔水层主要为煤系地层中分布面积大且厚度在10～30余 m的厚层泥岩类，由泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩等组成，它们为各砂岩含水层之间的隔水层。

2 水文地质条件

2.1 地形地貌及地表水系

本煤矿区处于毛乌素沙漠与黄土高原过渡带的东南边缘。地势总体东部、南部及北部较高。地貌上井田东、南部和北部以黄土梁岗地形为主，其余地段以沙漠滩地为主，其上多被现代风积沙覆盖。最高点位于井田东部的梁峁处，高程1 371.1 m，最低点位于井田的东南角冲沟处，高程1 235.0 m，最大相对高差 136.1 m。

井田内无水系发育，无溪流流出区外。

2.2 含(隔)水层水文地质特征

煤矿区水文地质条件受区域水文地质条件的控制，显示了与区域水文地质特征的统一性。但由于受地层分布、埋藏及其地貌的影响，又显示了小区域性的差异性。根据区内地下水的赋存条件及水力特征，将区内地下水划分为两种类型:即第四系松散岩类孔隙及孔隙裂隙潜水、碎屑岩类裂隙水;五个含水岩层(组):上更新统冲湖积层孔隙潜水、第四系中更新统黄土孔隙裂隙潜水、烧变岩区孔洞裂隙水、侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙水、碎屑岩类裂隙承压水。现将井田的主要含(隔)水层特征叙述如下:

2.2.1 第四系上更新统冲湖积层孔隙潜水(简称萨拉乌素组潜水Q31s)

分布于矿区中部，宽1～2 km，长约3 km，在井田东北部亦有小面积分布。含水层基本上呈面状连续分布于滩地区，地下水赋存条件严格受现代地貌、古地理环境及含水层厚度和岩性的控制，该区萨拉乌苏组地层厚度约10～50 m。

地层主要由松散的粉细沙、粉沙夹粉土组成，地下水赋存条件较好，含水层厚度12.50～24.12 m，水位埋深 3.80～5.50 m，降深 3.18 ～15.23 m，涌水量为 187.66 ～641.78 m3/d，单位涌水量 0.140 5 ～ 0.920 6 L/s·m，渗透系数0.687～9.386 m/d，富水性中等。水化学类型为型以HCO3—Ca型水为主，其次为 HCO3—Na·Ca型水，矿化度204.35 ～212.58 mg/L。

2.2.2 第四系更新统(Q2l)黄土孔隙裂隙潜水

广布全区，为黄土梁岗地形，除矿区东部、南部及北部均有面积较小的黄土出露外，其余地段均隐伏于萨拉乌苏组及风积沙地层之下。黄土厚6.59～147.68 m，一般为50～80 m。含水层岩性主要为粉土质黄土，厚度一般为40～60 m。

水位埋深靠近滩地区较浅，一般小于10 m，靠近黄土梁岗区较深，一般10～20 m。水位埋深8.26～11.02 m，降深7.51～10.02 m，涌水量 29.26 ～53.14 m3/d，单位涌水量0.025 13 ～0.042 6 L/s·m，渗透系数 0.346 5 m/d，富水性弱。水化学类型均为 HCO3－Ca型水，矿化度 219.16～273.62 mg/L。

2.2.3 烧变岩区孔洞裂隙水

矿区东南部以3号煤层自燃边界线为界。3号煤层自燃区，其顶板失重塌落造成的破碎层和裂隙密集带具有良好的储水空间及导水通道。但是，在本井田煤层自燃区内，煤层顶板很薄，尤其烧变岩层很薄甚至没有，储水空间变差;其上又有厚度较大分布稳定的静乐组红色粘土隔水层，地下水补给条件较差。通过火烧岩区SM311钻孔揭露，3号煤层已自燃，顶板为厚19.86 m的紫红色烧变岩，岩心较完整，钻至该层无漏水现象发生;本次施工的M507、M508钻孔，均处于煤层燃烧过渡带内，上覆烧变岩由北部M507孔的8.86 m，向南至M508孔变薄至5.40 m，含水层变得越来越薄，储水空间亦越来越小。据以上3个水文孔抽水试验，含水层厚度5.20～19.86 m，水位埋深 73.52 ～144.54 m，经抽水试验，降深 5.18 ～25.39 m，涌水量 2.851 ～28.08 m3/d，单位涌水量 0.001 61 ～0.040 L/s·m，渗透系数 0.006 13 ～0.424 m/d，富水性弱。水化学类型为 HCO3·SO4－Na·Mg型水，矿化度 340.04 mg/L。

2.2.4 3号煤之上碎屑岩类裂隙承压水

主要为延安组第四岩性段，全区分布，厚5.20～41.70 m，平均厚26.41 m，均隐伏于新近系静乐组红色粘土之下。基岩顶部的风化裂隙带一般厚20～30 m，基本上多为3号煤层的顶板。含水层主要为第四段底部真武洞砂岩。据钻孔抽水试验(表2)，水位埋深 12.49～25.25 m，含水层厚度31.30 ～67.93 m，当降深 11.83 ～44.95 m，涌水量 0.26 ～71.54 m3/d，单位涌水量 0.000 1 ～ 0.068 8 L/s·m，渗透系数0.003～0.474 m/d。富水性因区域不同而差别较大，但总体富水性弱。水化学类型为 HCO3－Na·Ca型，矿化度258.52 ～286.00 mg/L。

2.2.5 3号煤之下碎屑岩类孔隙裂隙承压水水

分布于3号煤层至延安组底界之间层段中。岩性主要为浅灰色粉、细砂岩与深灰色泥岩不等厚互层夹煤层，因埋藏深，岩石较完整，裂隙不发育，含水层较薄。储水空间小，富水性弱。

2.2.6 隔水层

1)静乐组红土。广布全区，厚 42.12～114.84 m，平均82.84 m(见图1)。岩性为棕红色粘土及粉砂质粘土，具褐色斑块，白色网纹，夹多层钙质结核层及钙板，较致密，为第四系潜水与基岩裂隙水间良好的隔水层。

图1 静乐组红土等厚线图

2)泥岩类。在基岩中，厚度较大且连续分布的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及部分粉砂岩等泥岩类，与含水层相间分布，厚度一般为10～40 m，为层间裂隙承压水的隔水层。

3 地下水的补给、径流、排泄条件

本区地貌形态为黄土梁岗区及滩地区，其上多为现代风积沙堆积，故第四系松散含水层潜水以大气降水补给为主，部分为沙漠凝结水及灌溉回归水补给。地下水的径流主要受地形地貌的控制，流向由高至低与现代地形吻合，即大体由井田向东南、南及西南方向径流。排泄是在其三方的沟谷源头以泉或泄流的形式补给地表溪流，次为蒸发消耗、垂向渗漏和人工开采。

基岩风化带裂隙水，因受其上覆红土隔水层的制约，主要接受井田外围同一含水层的侧向补给。其径流方向在未开矿前与松散层潜水的径流方向大体一致，亦是向东、南、及西南方向沟谷基岩出露处径流，以泉的形式排泄。但随着煤矿开采，巷道突水已成为新的排泄点，径流方向发生了改变，即地下水运动由采煤前以水平运动为主转化为以垂直运动为主，由以基流与潜流排泄为主转化为以矿坑排水为主的排泄方式。也就是说自然状态下的水文地质条件发生了变化，使之形成了以主副巷道为中心的地下水位降落漏斗(见图2)。

区内基岩承压水主要通过区域上基岩风化裂缝带潜水的下渗补给，还接受基岩裸露地段地表水的渗入补给。受区域上向西微倾的单斜构造的影响及上下隔水层的制约，径流方向基本沿岩层倾向由东向西或西南方向运移，愈向西部，埋藏愈深，交替循环条件愈差，基本形成了较为封闭的储水空间，故水量小，水质差。

图2 3号煤层顶板含水层水位降落漏斗曲线图

4 巷道突水因素分析

根据本次水文地质补充勘探及对煤矿巷道突水的调查，认为巷道突水主要受以下四个因素的控制:即3号煤层上覆基岩所处的古地形、煤层顶板上覆基岩厚度、煤层顶板上覆基岩的岩性及与煤层燃烧区的关系。

4.1 煤层上覆基岩所处的古地形

图3 3号煤层上覆基岩顶面等高线图

中生代末，区内地壳在燕山运动的影响下大幅度上升，结束了内陆盆地的沉积。在湿热多多雨的气候条件下，前期堆积的地层遭受了强烈的物理风化及侵蚀切割作用，至上新世初期，本区中生代基岩形成了略有起伏的古地形，成为新生代地层堆积的基础。据图3可知，与周边井田相比，在古地形上(基岩)，基本形成了一个北、东及西侧较高，本煤矿区较低并向南开口的坐椅形凹地，巷道突水区域处于古地形的最低位置，从而迫使大量基岩裂隙水径流于此地，使其成为基岩风化带裂隙水的汇集之地。

4.2 煤层顶板处于风化裂隙带中

由于本区3号煤层的上覆基岩受到大地构造及物理风化和侵蚀切割作用，使其变得很薄，厚 5.40～41.09 m，平均25.86 m(见图4)。尤其是在 ZK1861、M505、M305 及 M105钻孔连线以南的巷道所有突水点的区域，上覆基岩厚度多小于20 m。根据勘探资料证实，本区基岩面以下20～30 m范围内，基岩风化裂隙在构造裂隙和成岩裂隙的基础上进一步发育，形成密集均匀、相互交切、相互连通的裂隙网络，为本区3号煤层顶板基岩风化带裂隙水的赋存具备了较好的贮运空间条件。

图4 3号煤层上覆基岩等厚线图

4.3 煤层顶板岩性的变化

图5 3号煤层顶板岩性及直接顶等厚线图

区内3号煤层顶板分为直接顶板和基本顶板，无伪顶。煤层基本顶板全井田分布，分布面积广，厚度变化大，厚5.40～38.25 m，平均 26.67 m。在区内的 M703、SM503、M305 及M105连线以北，基本顶之下均有直接顶板分布，岩性为泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩，厚0.15～3.71 m(见图5)。直接顶板虽然强度较低，但岩石均未风化，岩石完整，裂隙不发育，再者，该区煤层上覆基岩较厚，故巷道掘进时，锚杆和锚索眼均无水流出;其连线以南，3号煤层顶板均为基本顶分布，岩性以中粒砂岩、粗粒砂岩及粗粒含砾砂岩为主，细砂岩次之，岩石均处于风化裂隙带中。由北向南砂岩厚度逐渐变薄，其底部风化强度亦逐渐增强，岩石疏松破碎，裂隙张开和沿伸较好，孔隙裂隙均较发育，导水性富水性较强。在M505钻孔砂岩厚度亦减薄至18.14 m，向南至火烧边界线时，厚度递减为10 m左右。故当巷道掘进至M505钻孔附近及以南部，锚杆锚索钻杆取出时，在较高水柱的压力下，即出现沿锚孔向外喷水的现象。

4.4 顶板含水层与火烧区的关系

本井田东南部3号煤层自燃区，自燃边界走向曲折，自燃区宽度各异，以125～485 m宽度绵延于井田的东南部，自燃区面积约0.61 km2。从纵向上看，烧变岩厚度不等，差异也很大，这与燃煤的厚度、地形地貌以及自燃状况诸因素有关。从钻孔所揭示的厚度看，最小的仅5.40 m，煤层完全燃烧区基本上被剥蚀的所剩无几，其上部为新近系红土覆盖(图6);煤层燃烧后顶板失重塌落造成的破碎层和裂隙密集带多处于煤层燃烧过渡带内(煤层开始燃烧至完全燃烧范围)，由于煤层顶板很薄，故储水空间变得较差，其上又有厚度较大且分布稳定的静乐组红色粘土隔水层覆盖，地下水补给条件较差，所以火烧区含水层富水性较弱。但火烧区距开拓的巷道较近，故烧变岩区孔洞裂隙含水层与3号煤层顶板含水层互为连通，对巷道突水亦有一定的关系。

图6 勘探线纵向剖面图

综上所述:本区巷道突水点处于一个特殊的地质环境中。首先，受古地理环境的影响，突水点位于一个北、东及西侧较高并向南开口的坐椅形低凹区，为基岩风化裂隙带水的汇集区域;煤层上覆基岩很薄，岩性以粗粒砂岩为主，孔隙、裂隙发育，顶板基岩风化带裂隙水的贮运空间条件较好;虽然火烧区孔洞裂隙水富水性一般，但距突水区域较近，对巷道突水亦有一定的影响。

5 结论与建议

5.1 主要地质成果

通过本次水文地质补充勘探，查明了巷道煤层顶板突水的主要原因及水文地质条件，并根据本次水文地质钻探及抽水试验资料，对未来矿坑涌水量进行了预测。

(1)与周边井田相比，在古地形上(基岩)，基本形成了一个北、东及西侧较高，本煤矿区较低并向南开口的坐椅形凹地，突水区域处于最低位置，从而迫使大量地下水径流于此地，使其成为基岩风化带裂隙水的汇集之地。

(2)在矿区南部突水点的区域，上覆基岩厚度多小于20 m，风化裂隙极为发育，导水性富水性较强。

(3)在矿区南部突水点的区域，3号煤层顶板均为基本顶分布，岩性以中粒砂岩、粗粒砂岩及粗粒含砾砂岩为主，岩石均处于风化裂隙带中。孔隙裂隙均较发育，为本区3号煤层顶板基岩风化带裂隙水的赋存具备了较好的贮运空间条件。

(4)本井田东南部为3号煤层自燃区，煤层完全燃烧区基本上被剥蚀的所剩无几，但在煤层燃烧过渡带内(煤层开始燃烧至完全燃烧范围)，储水空间变得较差，其上又有厚度较大分布稳定的静乐组红色粘土隔水层，地下水补给条件较差，富水性一般。由于火烧区距开拓的巷道较近，故烧变岩区孔洞裂隙含水层与3号煤层顶板含水层互为连通，对巷道突水亦有一定的关系。

(5)综上所述:煤矿巷道突水的主要水源来自于基岩风化裂隙带，其次亦受火烧区孔洞裂隙水的影响。本区巷道突水点处于一个特殊的地质环境中，煤层上覆基岩薄，风化裂隙发育，岩性又多以粗粒砂岩为主，孔隙发育，为基岩风化裂隙水的赋存与贮运提供了良好的条件;突水巷道的古地形又处于最低凹处，使其西、北、东侧的基岩风化裂隙带水向凹地径流，成为基岩风化带裂隙水的汇集之地。故该区煤层顶板富水性较强。

(6)通过采用比拟法、地下水动力学法的“大井法”及“巷道法”对煤矿区全部开采地段进行全面疏干后的矿坑涌水量进行了预算，其涌水量为444 m3/h。