黄陵地区煤、铀矿开采水文地质条件及影响因素分析

2018-06-20

地下水 2018年3期

(中陕核工业集团地质调查院有限公司，陕西西安 710100)

黄陵地区的铀矿和煤炭在空间分布关系表现为，在平面上处于同一区域内，在垂向上分别位于上下不同的地层当中。铀矿产于上部侏罗系中统直罗组下段含水层中，煤炭赋存层位为下部侏罗系中统延安组。由于煤矿和铀矿勘查程度和开发进展不同，对开采技术条件的要求不同，目前铀矿还处于调查和勘查阶段，开发相对滞后，而该区煤矿大部分已处于勘探开发阶段。由于本区内铀、煤产出在空间上具有密切关系，若进行煤炭的先行开采，必然将会造成地层结构和地下水系统的破坏和变化，是否对将来砂岩型铀矿地浸开采的基本水文地质和工程地质条件产生影响。本文就黄陵地区煤、铀资源赋存区的水文地质条件作一简要分析，并对黄陵地区煤、铀资源开发相互影响关系进行简单论述。

1 地质背景

黄陵地区位于鄂尔多斯盆地东南部，陕北斜坡带的南部边缘，构造简单，总体构造格架是一个具有波状起伏的倾向北西的单斜构造。

本区发育地层包括中生界的三叠系(T)、侏罗系(J)、下白垩统(K1)和新生界的古近系(E)、新近系(N)及第四系(Q)，其中三叠系、侏罗系和下白垩统地层是区内沉积地层的主体。区内地层出露特点为黄土广覆，基岩出露差，仅在主要水系及其支沟两侧出露有侏罗系(J)、白垩系(K)地层。地层倾向北西-北，倾角平缓，一般3°～4°。其中含煤含铀地层分别为中侏罗统延安组(J2y)、直罗组(J2z)，含矿上覆地层由下白垩统洛河组(K1l)、华池-环河组(K1h)和新生界第四系(Q)构成。

中侏罗统延安组(J2y)地层为本区含煤地层，全区分布，局部地段出露地表，岩性以灰色泥岩、粉砂岩为主，发育煤层，是该区主要的产煤岩段；砂岩中含大量的炭屑，局部岩性段煤线中见铀矿化。厚度40～150.81 m，平均约92.30 m，北厚南薄，向两侧变薄，西厚东薄。与下伏富县组地层呈假整合接触。全组地层从下至上可分为四段六个沉积旋回。各旋回底部以灰白色砂岩开始，向上为深灰色粉砂岩及灰黑色泥岩。含煤四层，自上而下编号为0、1、2、3号煤层，其中0号和1号煤为薄层无开采价值，主采煤层2号煤及零星可采的3号煤(组)位于第一旋回的中、下部[1]。2号煤层位于延安组下部，为主要可采煤层，煤层厚度0～5.6 m，平均厚2.02 m。中侏罗统直罗组(J2z) 据该组地层结构、岩性～岩相特征可划分为上段(J2z2)和下段(J2z1)。

2 铀矿资源赋存状况

2.1 铀矿赋存层位

本区铀矿赋矿层位有两个，一是中侏罗统延安组，矿化产于劣质煤和炭质页岩中；二是中侏罗统直罗组(J2z)，铀矿化产于直罗组下段下亚段(J2z1-1)和直罗组下段上亚段(J2z1-2)。中侏罗统延安组成矿远景不大，中侏罗统直罗组(J2z)铀矿属于后生氧化带型铀矿化，为区内主要的铀矿产出层位。

2.2 铀矿赋存平面特征

黄陵矿区煤层在平面上呈大范围面状分布，规模大，分布面积约1 000 km2，层位稳定，厚度变化不大。煤层埋深自东向西逐渐增大，底板平缓稍有起伏。区内铀矿矿化体在平面上呈不规则的条带状分布，或数条平行展布，其大体走向为近东西向展布。一般长度为几百米至几公里，宽度100～500多m。其分布范围绝大多数在煤层分布范围内，在东部边缘部位局部地段超出煤层赋存范围。

3 矿区水文地质条件

3.1 地形地貌及地表水

黄陵矿区地处陕北黄土高原南部，属黄土高原中等切割区，侵蚀构造地形。地势西高东低，具典型的黄土高原地貌特征。东北部以黄土塬地形为主，沟谷纵横，塬面支离破碎，切割深度100～200 m，西南部山峦起伏，沟壑纵横，地形复杂相对高差200～400 m；水系及其两侧的沟谷内，基岩露头较好；山顶平坦开阔，黄土广泛覆盖，植被发育。沮水河为区内最大水系，其支流发育，各支流自西向东流经矿区汇入沮水河，最后在黄陵县向东注入洛河，全长100 km，平均流量2.07 m3/s。

3.2 区内主要含水导和隔水层

3.2.1 主要含水层

(1)第四系孔隙-裂隙潜水含水岩组(Q4)

主要分布于工作区梁峁、沟谷内。分为孔隙-裂隙潜水含水层和冲洪积、冲积碎石含水层。

其中孔隙-裂隙潜水赋存于峁梁、山坡地带；岩性以亚粘土、亚砂土为主，中夹多层钙质结核层和古土壤层，厚度4.4～99.3 m，平均47.5 m，地下水类型为潜水，以季节性下降泉的形式排泄。

冲洪积、冲积碎石含水层赋存于沮水河及其支流河谷内，岩性为亚沙土、沙土和砂砾石层，厚度0～8.87 m，平均5.73 m，分选性极差，渗透性好，未胶结；，与基岩地下水和河流有水力联系，相互补给。

(2)下白垩统洛河组孔隙-裂隙含水层(K1l)

该含水岩组由洛河组砂岩构成，具单一型含水层特点。地表在矿区中西部沟谷出露，中东部剥蚀殆尽；深部隐伏于华池-环河隔水岩组之下，厚度0～229.2 m，平均166.8 m；岩性相对单一，主体为中砂岩，夹薄层状细砂岩和粉砂岩，碎屑物分选、磨圆均好，孔隙式泥质胶结，较疏松；含水层渗透系数0.18～0.83 m/d，单位涌水量0.17～1.381/s·m，富水性中等-强。岩层出露地段接受大气降水的直接补给，顺层向深部径流，随着埋深增加，地下水交替速度逐渐减弱。北部及东部为潜水区，南部与西部为承压区。上段水头低，富水性相对较强；下段水头高，富水性相对较弱。

(3)中侏罗统直罗组下段含水层(J2z1)

该含水层为区内含矿含水层，厚度稳定连续性好，岩性顶部为灰绿色、灰紫色泥岩、夹灰-灰绿色细砂岩；中、下部以灰白色中、粗粒长石石英砂岩为主，底部含砾。该层俗称“直罗砂岩”。粒度由上而下逐渐变粗。砂岩分选性差，次棱角状，孔隙-基底式泥质胶结。基本上为全区分布，仅在双龙镇附近的沟谷中缺失，厚0～276.21 m，平均177.05 m，岩性以中粒砂岩为主。水位埋深1.13～153.37 m，单位涌水量 0.007 11～2.904 6L/(s·m)，渗透系数0.008 28～8.458 6 m/d。富水性中等-强。在煤矿的东部及北部，受到切割剥蚀，地层不全，厚度小，而到西部及南部地层逐渐加厚。砂岩露头遍布各个梁峁沟谷，接受大气降水的直接补给，顺层向深部径流，随着埋深增加，地下水交替速度逐渐减弱。北部及东部为潜水区，南部与西部为承压区。上段水头低，富水性相对较强；下段水头高，富水性相对较弱

(4)侏罗系中统延安组中部含水层(J2y中)

该层包括2号煤层与煤层老顶“七里镇”砂岩，厚5.99～36.50 m。七里镇砂岩为灰白色中、细粒砂岩，分选性差-中等，孔隙式铁泥质胶结，厚1.00～34.20 m,一般厚6 m左右，分布较为稳定。据煤田钻孔抽水试验资料，水位埋深17.00～99.32 m，涌水量0.000 7～0.014 L/s。单位涌水量0.000 007 26～0.000 066 5 L/s·m,渗透系数0.000 004 576～0.000 215 m/d,水质矿化度0.348～14.302 g/L,属Cl·SO4-Na型。该层富水性属弱的承压含水层。

3.2.2 主要隔水层

(1)侏罗系中统直罗组上段相对隔水层

该层全区分布，厚度33.36～139.93 m，平均95.28 m。岩性以泥岩、粉砂岩为主，可作为上、下含水层的相对隔水层。

(2)侏罗系中统延安组上部相对隔水层

该层为“七里镇”砂岩顶板以上延安组，全区分布。厚度0～102.83 m，岩性以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，夹细砂岩，厚度由南向北加厚。该层厚度大，分布稳定,是直罗组下段与煤系含水层的稳定隔水层。

(3)侏罗系中统延安组下部及富县组相对隔水层

延安组下部为2号煤底板以下延安组，厚0.40～26.70 m，一般厚度3 m左右，岩性主要由泥岩、砂质泥岩组成；富县组，厚度0～40.70 m，一般8 m左右，南部缺失，北部加厚，岩性由杂色泥岩、粉砂岩组成，具滑面。该层可作为相对隔水层。

4 煤、铀资源开发对水文地质条件影响

4.1 煤、铀资源开发水文地质影响因素

4.1.1 煤矿开采水文地质影响因素

煤矿开采方式一般分为露天开采和地下开采，区内煤矿开采方式为地下开采。从煤矿开采方式、开采过程及矿坑涌水方面分析，对煤矿开采造成影响的主要水文地质因素有地下水类型、地下水含水层的埋深及富水性、各含水层之间的水力联系及地下水化学特征等。

根据黄陵矿区水文地质条件和煤矿矿井充水因素分析，矿井主采煤层为2号煤层，坑道系统主要位于延安组第一段二号煤层附近，因此，侏罗系中统延安组中部含水层(J2y中)为矿井直接充水含水层，中侏罗统直罗组下段含水层(J2z1)为矿井间接充水含水层。由于侏罗系中统延安组中部含水层(J2y中)与2号煤层直接触，其地下水通过含水层中的裂隙和孔隙直接渗入到矿坑当中，形成矿坑涌水。而中侏罗统直罗组下段含水层(J2z1)与2号煤层及其直接充水含水层之间有侏罗系中统延安组上部相对隔水层的存在，中侏罗统直罗组下段含水层的地下水，一般不会对矿坑充水构成影响，只有在遇见导水断裂或在采煤过程中形成的导水裂隙带高度突破直罗组下段含水层底板的情况下，该含水层的地下水才有可能对矿坑涌水构成影响。

表1 黄陵矿区主采2号煤层导水裂隙带高度统计表 m

4.1.2 铀矿开采水文地质影响因素

目前砂岩型铀矿多采用原地浸出的开采工艺，是通过钻孔工程(注液钻孔、抽液钻孔)从天然埋藏条件下，从具有一定渗透性能的砂岩铀矿中石中选择性地浸出和回收铀金属的一种采治工艺[2]。地浸采铀具有投资少，效益高、环境保护和安全防护好等优点。

能否采用地浸采铀工艺，首先要考虑矿区的地质条件和水文地质条件是否满足地浸采铀工艺的参数要求。适宜地浸采铀的水文地质条件为：矿体埋藏浅，一般小于300 m，最大不超过500～600 m；铀矿化赋存于厚度适中的充水岩层中，含矿含水层顶底板岩石为不透水层，含矿含水层和其它含水层不能有水力联系[3]；地下水埋深一般小于50m，且具承压性，承压水头大于50 m；矿石(矿层)的渗透系数以1～10 m/d最为适宜(0.1～1.0 m/d，可地浸开采)，太大或太小都对浸出不利；地下水的总矿化度不超过5 g/L，pH值为7左右，水中氯、钙、镁等离子浓度不能大高。

黄陵矿区含矿含水层厚度32～81 m，平均60 m，埋深绝大多数地段小于500 m,具南西厚北东薄，东浅西深埋藏型层状特点；岩性为含砾中粗粒砂岩，含少量细砾岩、细砂岩，局部夹薄层透镜状泥质岩体，碎屑岩成分主要为长石石英，次为岩屑，分选较差，磨圆度为次棱角状；孔隙式-接触式泥铁质胶结为主，孔隙率2.99%～16.84%，平均7.25%，岩石固结程度较高；渗透率0.005 1～0.26 m/d。其顶板可分为间接顶板和直接顶板两类，其中直接顶板由直罗组下段上亚段含水岩组中的隔水层构成，间接顶板由直罗组上段隔水岩组构成，顶板总厚度77.86～105.54 m，厚度大且相对稳定，岩性主要为紫红色、灰绿色泥岩、粉砂质泥岩，整体隔水性能良好；底板由稳定层状延安组隔水岩组构成，以灰黑色、黑色泥岩为主，局部夹灰色中砂岩，泥岩厚度稳定，隔水性能良好，顶底板隔水性能良好，不发生越流补给。地下水化学类型以HCO3-Ca和HCO3-Ca·Na型为主，矿化度486.21～1 431.74 mg/L。由此，可认为黄陵矿区采用地浸采铀的水文地质条件较适宜。

4.2 煤、铀资源开采对环境地质影响

4.2.1 煤矿开采对环境地质影响

煤矿开采过程中，会形成大面积的采空区，同时需要长期抽排地下水，对充水岩层进行疏干，从而产生一系列的人为地质作用，诱发多种环境地质问题。黄陵矿区煤矿开采，将引起以下几方面的环境问题：

(1)随着采空区的形成及后期塌陷，地表变形将以地面沉陷为主，一般情况下沉陷中心以垂向下沉为主，盆地边缘以倾斜位移和水平位移为主。地面变形可诱发边坡失稳，建筑物不均匀沉陷等地质灾害。

(2)长期抽排地下水，将造成含水层的疏干和区域地下水位的下降，改变地表水和地下水系统的补给排关系，可能会出现水源枯竭，生态环境破坏等问题。

(3)矿井所排出高矿化度的地下水及其所含的有害元素，将对地下潜水水质造成污染，影响当地居民的身体健康，造成生态环境的恶化。

(4)采煤产生的煤矸石和废渣堆放于地表，风化后释放出有害气体，污染大气环境；或其遭受雨水淋滤，渗入地下，对地下水水质造成污染。

(5)由于采煤形成导水裂隙带沟通了中侏罗统直罗组下段含铀矿化含水层，有可能破坏原含铀矿化层的氧化还原平衡状态，导致铀矿的氧化并随地下水的排放，造成放射性污染等问题。

4.2.2 铀矿开采对环境地质影响

地浸开采铀矿工艺基本过程：将配制好的溶浸液通过注液钻孔注入到地下矿层中，注入液在矿层中顺层渗流，氧化和溶解矿石中的铀，形成含铀溶液即浸出液，再将浸出液通过抽液钻孔抽到地面，在地表采治工厂进行铀的分离提取，尾液在加入药剂后再次作为溶浸液循环利用。整个过程采用闭路循环，废水的排放量很少。

地浸开采铀矿过程无井巷开拓，只采用单一的钻探施工方式，并对含铀含水层顶底板进行水泥封孔，不会破坏地层结构，不会造成矿层开启，无废渣堆放地表。对矿山及周边环境产生放射性污染甚微，其主要污染对象是大气、土壤、地表水和地下水，对于前三者的污染，采取适当的保护措施是可以减少污染或防止污染。

地浸开采铀矿对环境影响主要表现为对地下水的影响。由于地浸开采时，向地下含矿含水层中注入了大量的化学药剂，引起了部分含矿地段含水层的地球化学环境的变化，同时带入了部分有毒有害的元素。针对不同铀矿赋存形式，采用酸、碱不同方法，因此不同的溶浸液所造成的污染也不一样。

一般在地浸开采铀矿的工艺中，采用抽液量大于注液量，使在采区范围内形成一定的负压漏斗区，从而有效控制溶浸液的范围，防止溶浸液外泄，不会引起大范围的污染。

4.3 煤、铀资源开发相互影响关系

黄陵矿区煤、铀两种资源在同一区域同时产出，在空间位置上关系密切。通过上面分析，煤、铀两种矿产资源的开采均对环境造成一定的影响，那么，不论那种矿产先行开采必对另外一种资源开采造成影响，现将煤、铀资源开发相互影响关系进行讨论。

4.3.1 煤矿先开采对铀矿利用及环境的主要影响

(1)采煤过程会形成大范围的采空区，最终引发采空区上部地层的塌落，以及岩层移动带的地面变形，破坏地层结构。黄陵矿区铀矿矿体位于煤层之上，由于煤矿采空区的塌陷，铀矿层必然遭到破坏，最终导致铀矿资源成为不能开采的呆矿。

(2)煤矿开采长期抽排地下水，这样不仅造成煤层直接充水含水层的疏干和地下水位的下降，局部地段有可能扩展至上部中侏罗统直罗组下段含水层(含铀矿含水层)中的地下水疏干，造成地下水系统的破坏，破坏了地浸开采的基本水文地质和工程地质条件，使铀矿资源因无法开采而被浪费。

(3)煤矿开采过程中形成导水裂隙不仅使直罗组下段承压含矿含水层地下水系统遭到破坏，同进有可能沟通上部潜水含水层，这样，上部富含氧气的氧化地下潜水进入到含铀矿含水层中。由于氧气的加入，原本处于还原环境下的铀矿层的水化学平衡状态发生变化，铀矿石中的铀元素在氧化作用下再次活化，随地下水疏干排泄而迁移，发生放射性污染，危害环境安全。

4.3.2 铀矿先开采对煤矿利用及环境的影响

(1)铀矿地浸开采仅仅采用钻孔工程进行采矿，且对含矿含水层的上下底板进行封堵，不会形成地下采空区，不破坏地下岩层结构，没有矿渣堆放等问题，基本上对煤矿的开采技术条件不会产生影响。

(2)虽然地浸开采铀矿对地下水会造成污染，但其污染一般可控制在一定的范围内。地浸开采污染只发生直罗组下段承压含矿含水层中，且在生产设计中，抽液量大于注液量，使在采区内形成负压区，可有效控制溶浸的范围，防止溶浸液外泄，污染周围地下水环境。

(3)整个地浸开采的工艺流程中不产生任何尾矿，对矿山及周边环境基本不产生放射性污染。

(4)铀矿开采完后可继续开采煤矿并不会影响采煤工作。