榆神矿区西湾露天煤矿水文地质条件分析

任玺宁

(神华地质勘查有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017200)

0 引言

西湾露天煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区的中部，是目前榆神矿区规划井田中唯一适宜露天开采的矿井。西湾露天煤矿允许30 a露天开采区的面积为25.38 km2，开采标高为1 099～1 030 m，露天开采的是2-2煤层。掌握露天矿水文地质条件，对于科学合理地进行煤矿防治水规划十分重要。

1 露天煤矿水文地质条件

1.1 地形地貌

西湾井田露天区位于榆神矿区中部风沙滩地中，区内地势较为平坦。总体趋势呈西南高，东北低。区内最高点位于南边界处，海拔标高1 270 m，最低点位于下方家畔的沟谷中，海拔标高为1 133 m。区内地表大部分被第四系风积沙覆盖，以固定沙及半固定沙为主，植被覆盖较好，地势相对平坦、开阔，有利于降水入渗补给地下水。

1.2 地表水系

西湾井田露天区属黄河一级支流秃尾河流域，区内主要地表水系有野鸡河、白瑶则沟及红崖沟，均排泄第四系萨拉乌苏组潜水。

1.3 含(隔)水层水文地质特征

全新统冲积层孔隙潜水：区内呈条带状分布于白瑶则沟及红崖沟的阶地中。岩性以粉砂土、细砂及中砂为主，厚度2～10 m不等。据邻区以往资料显示，单位涌水量0.060 38 L/s·m，渗透系数0.833 m/d，富水性弱。

上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水：区内广泛分布，多被风积沙掩盖，并以滩地形式出露。据勘探成果，风积沙与萨拉乌苏组累计厚度0～53.22 m，一般厚度约10～25 m。含水岩性主要为黄褐色中、细沙，其结构疏松、孔隙率大，极易接受大气降水补给，其厚度主要受下伏地层顶面形态的制约，其厚度变化大，0～49.22 m不等，含水层平均厚度约10 m。据初期采区16-11、16-7、17-9号孔该层抽水资料显示：含水层厚度2.86～26.56 m，单位涌水量0.084 84～0.318 2 L/s·m，渗透系数2.023～5.424 2 m/d，富水性中等～弱，水化学类型HCO3-Ca·Mg型，矿化度<0.3 g/L。另在2-2煤自燃边界外因松散沙层潜水补给烧变岩含水层，一般富水性弱，故自燃边界附近及火烧区钻孔大多没有潜水位。

弱含水层及隔水层：第四系中更新统离石组黄土分布在17-13、21-5、25-2、25-3、33-2、33-3号孔周围，呈棕黄色，以亚粘土为主，含钙质结核，具柱状节理。钻孔揭露厚度为0～20.44 m，据邻区资料，该层含水微弱，透水性差，为弱透水层。新近系保德组红土基本全区分布，除东北部一小片未见外，大部地区平均厚度约45 m左右，南部厚度较北部大。初期采区较薄，平均厚度20 m左右。岩性为棕红色粉质粘土，大部分地段底部含钙质结核层。总体含水性极差，塑性大，分布较稳定，是区内主要相对良好的隔水层。

侏罗系中统延安组裂隙承压水：延安组为本区的含煤地层，且连续沉积、连续分布，依据沉积岩石在垂向上的变化，将区内延安组裂隙承压水可分为风化岩裂隙水和基岩裂隙承压水，①风化岩裂隙水。延安组第五段在区内连续沉积，厚度为16.39～88.19 m，其顶部均有一段风化岩石存在，风化岩厚度平均约15 m。由于风化后其颜色较复杂，多为灰黄色，黄绿色，黄褐色等，其结构较疏松，裂隙较发育，含水岩性以中、细粒砂岩为主。单位涌水量0.004 01～0.170 8 L/s·m，渗透系数0.011 45～1.287 2 m/d。初期采区风化岩裂隙水富水性以弱为主，但16-11钻孔统径统降涌水量0.111 0 L/s·m，富水性中等；②基岩裂隙承压水。延安组第Ⅴ段岩性以灰白色的中、细粒长石石英砂岩、泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩为主，其结构致密，裂隙极不发育，渗透性能较差，富水性弱。据11-2和29-2号钻孔抽水成果，单位涌水量0.004 17～0.017 6 L/s·m，渗透系数0.020 89～0.114 2 m/d。纵观延安组Ⅰ～Ⅴ段，其含水层岩性均为中、粗、细粒砂岩。结构致密，富水性差。

烧变岩裂隙孔洞潜水：2-2煤层自燃边界呈不规则形状，以南北向延伸分布于勘查区东部，也是露天区的东部边界。勘查区范围的火烧区面积约22.6 km2。岩石经煤层自然烘烤后，其原有的颜色及物理力学性质发生了变化，岩石烧变后其颜色多呈砖红色、棕红色、褐红色，裂隙孔洞发育，结构松散，整体性差，为地下水的储存及运移提供了良好的条件。烧变岩在剖面上由上而下可分为烘烤岩，烧结岩及类熔岩3类。据钻孔抽水成果，含水层厚度32.44～50.31 m，q=9.217～16.337 6 L/s·m，渗透系数28.27～28.29 m/d，可见烧变岩富水性强，在北部2-2煤层火烧岩底板最低处其静储量大，动储量受补给条件控制。在方家畔煤矿附近，从113、29-1、h38-2号钻孔资料可见，此处2-2煤层烧变岩被古河道冲刷剥蚀，并从正在生产开采3-1煤层的方家畔煤矿井下涌水情况来看，水量很小，依此可见在无烧变岩含水层的地方开采3-1煤层，矿井涌水也不会影响正常生产。露天开采到煤层自燃边界附近时，应留有足够的保安煤柱，否则会出现烧变岩区水向露天矿场倒灌现象。

2 地下水的补、径、泄条件

大气降水和西境外潜水是本区地下水主要补给源。据神木县气象局1961～2003年资料统计，多年平均降雨量434.1 mm，多年平均蒸发量1 712.0 mm，蒸发量是降雨量的4倍。降雨量集中在7～9月汛期，约占全年降雨量66%。露天区地表为沙层覆盖，其入渗系数0.30～0.60，渗透系数2.023～5.424 m/d，极有利于降水收蓄与运移。根据地形地貌和补、迳、排条件不同，以李家梁和阎家梁分水岭为界，可将露天区分为南北2个水文单元。

北单元松散沙层接受大气降水和来自西境外的潜水补给后，向低处运移，部分潜水经红土“天窗”补给风化岩裂隙含水层外，最终潜流进入2-2煤层自燃边界外，补给烧变岩潜水。野鸡河自西向东迳流至2-2煤层自燃边界附近干枯，也排泄于烧变岩潜水。

南单元松散沙层接受大气降水后，自西北向东南运移，排补给白窑则沟。在后畔与白窑则沟之间存在一个小泉域界线，沙层潜水自泉域界线运移汇聚于后畔，以下降泉形式排泄给红崖沟。白窑则沟及红崖沟径流汇入东境外红柳林沟。

风化岩裂隙承压含水层，自红土“天窗”接受沙层潜水补给后，向东潜流补给烧变岩孔洞裂隙潜水层。西湾露天区南北两水文单元的松散沙层潜水及地表水的排泄场所及排泄方式不同，因地质情况有异，沿红崖沟h38-2、29-1、113孔一线2-2煤层自燃了，但烧变岩却被古红崖沟冲蚀掉。

故以宽条带烧变岩剥蚀区为界，以红土层为隔水壁障，烧变岩孔洞裂隙潜水分为3区：①北区烧变岩潜水的排泄点在清水沟泉群，流量20 000 m3/d；②南区红崖沟以东烧变岩潜水区，以香水沟泉为排泄点，流量10 000 m3/d；③南区红崖沟以西存在一宽条带状展布的烧变岩潜水区，此区没有排泄点，实质与北区相连，未作水文工作，其富水性不详。

3 煤矿充水条件分析

露天区2-2煤层的直接充水含水层是萨拉乌苏组沙层潜水、风化岩裂隙承压水，前者中等富水性，后者大部弱富水性，易于排疏。相对隔水层保德组红土在区内连续分布。依据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719-1991)和《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T0215-2002)的有关内容确定，露天区水文地质勘探类型为一类二型，即以孔隙含水层充水为主，水文地质条件中等的矿床。

3.1 充水水源

大气降水：区内多年平均降水量434.1 mm，且多集中在7～9月份，占全年降水量的66%，最大日降水量141.1 mm(1991年7月21日)。露天区地表多为第四系松散沙层覆盖，十分有利于接受降水补给。

地表水：野鸡河从露天区的西界P74孔处迳流进入初期采区的流量为2 600 m3/d，是对初期采区开采影响较大的地表水系，但野鸡河属季节性河流，时有干涸现象，故在雨季野鸡河将会是露天区北部主要的地表充水因素。红崖沟和白窑则沟则是南部地表水充水因素。

地下水：露天区充水水源主要为第四系萨拉乌苏组孔隙潜水、烧变岩孔洞裂隙潜水及风化基岩裂隙承压水。①第四系萨拉乌苏组孔隙潜水—区内大面积分布，有利于接受大气降水直接补给。且下部为巨厚红土隔水层，是此沙层潜水富集的有利条件，是露天矿直接充水源；②烧变岩孔洞裂隙潜水—露天区东边界以2-2煤层自燃边界为界，在自燃边界以东，2-2煤层已自燃。从而形成了孔洞裂隙发育的烧变岩储水构造。由于煤层底板形态从自燃边界向东呈升高趋势，形成了以自燃边界处最低的烧变岩储水构造。在开采2-2煤层时，在自燃边界附近应留有足够的保安煤柱，以防涌水事故发生；③风化基岩裂隙水—风化基岩裂隙水是露天矿床的直接充水含水层。

3.2 充水通道

露天坑形成后，含水层均以露头泉形式流入露天坑。露天复垦盆地形成新的含水层与井采3-1煤层的水力联系：井采3-1煤层冒落带高度计算结果见表1；井工开采3-1各煤层冒落带高度及导水裂隙带最大高度计算结果见表2。

表1 GB12719-1991公式计算结果

表2 冒落带高度及导水裂隙带高度计算结果

以上2种计算结果较接近，因第一种方法计算的导水裂隙带高度大，采用第一种方法计算结果，这表明露天区在后畔泉以南地段，3-1煤导水裂隙带高度不能沟通2-2煤底板之外，其余露天区3-1煤导水裂隙带均抵达露采复垦盆地。

3.3 充水强度分析

露天矿场充水因素主要是萨拉乌苏沙层潜水、风化岩裂隙水和野鸡河径流。按全疏干计算，初期采区的充水量为8 907 m3/d，先期开采地段充水量为13 019 m3/d。根据地下水动态分析，秋季至来年初夏(10～6月)地下水动态均衡，故在此期间地下水对露天矿场的充水量是较稳定的。应重视7、8、9月丰水期降雨量对矿场充水，至于历史高峰日降雨量则极其严重。

4 防突水安全保证措施

为防止烧变岩孔洞裂隙潜水含水层中地下水对露天矿生产初期带来的影响，采用预留安全煤(岩)柱的方式进行隔水，安全煤柱留设自2-2煤自燃边界向采场内的宽度为100 m。露天矿达产时将采用探采的方式尽可能将预留安全煤柱采出。

4.1 回采时保安煤(岩)柱的留设

根据本矿烧变岩孔洞裂隙潜水含水层特点，参照《煤矿防治水规定》计算煤柱宽度公式，分段回采时防水煤(岩)柱时，可取安全系数K=3，则L=20.9 m，取保安煤岩柱留设宽度25 m，符合《煤矿防治水规定》的≥20 m的要求。即在探明烧变岩含水层边界的情况下，可回采至距离该边界25 m距离。

4.2 回采时防治水安全措施

根据西湾露天矿煤层赋存条件和水文地质条件，对烧变岩孔洞裂隙潜水含水层，超前进行探放水，根据实际情况作出水文地质评价，进行提前预报，以便采取相应的防治水措施。主要采取以下安全保证措施：①回采前可采用防渗墙(防水帷幕)隔断烧变岩水与采区的水力联系，主要的施工工艺有注浆加固、强制搅拌、高压旋喷等方法。但该方法造价相对过高，经济性差；②回采时按照先探后采的原则，超前钻探疏放，在保留好足够安全煤(岩)柱的基础上，尽量多回收储量。根据经济合理的原则，推荐采用该措施；③进行保安煤柱的回采,建立完善的排水系统。

5 结论

(1)根据《煤矿安全规程》，对于防止烧变岩孔洞裂隙潜水含水层中地下水对露天矿生产初期带来的影响，留设足够的防水煤柱。回采保安煤柱时采用探采的方式，回采时分段进行。

(2)防治水应当坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的16字原则进行。对烧变岩孔洞裂隙潜水含水层建立地下水动态观察系统，进行地下水动态观测、水害预报，并制定相应的“探、防、堵、截、排”综合防治措施。

(3)建立排水系统，并保证足够的排水能力，开采时伴随涌出的地下水，采用平盘集水沟、集水坑的方式进行平行疏干。

(4)首采区非工作帮烧变岩孔洞裂隙潜水水位低，底板高，含水层厚度较小，富水性中等。本着先易后难的原则，回采保安煤柱时可考虑先从西南向东北方向开始探采。

(5)如局部位置出现明显的地下水涌水情况，则停止涌水位置附近的探采活动，并利用大块物料与粘土在涌水位置进行覆盖隔水。