榆神矿区最上可采煤层赋存规律及开采危害程度

李智学，申小龙，李明培,3，王红胜



榆神矿区最上可采煤层赋存规律及开采危害程度

李智学1,2,3，申小龙2，李明培2,3，王红胜4

(1. 陕西投资集团有限公司，陕西 西安 710061；2. 陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710021；3. 陕西投资集团创新技术研究院有限公司，陕西 西安 710061；4. 西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

为研究榆神矿区最上可采煤层赋存及开采对萨拉乌苏组含水层危害程度，依次分析了榆神矿区最上可采煤层赋存特征、最上可采煤层与上覆主要含(隔)水层空间分布规律及组合类型，基于基载比和采高的最上可采煤层覆岩导水裂隙带发育规律、煤层开采对萨拉乌苏组含水层危害程度，将榆神矿区开采受危害程度分为4类：自然保水区、保水采煤区(影响大区和影响小区)、采煤失水区及采煤无水区。结果表明：受构造及剥蚀作用影响，榆神矿区最上可采煤层及上覆基岩呈差异剥蚀，煤露头线从SE向NW呈阶梯状分布，最上可采煤层上覆基岩由NW到SE方向逐渐变薄。榆神矿区西部(三、四期)最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层危害程度小或没影响；榆神矿区东部(一、二期)最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层危害程度大。

最上可采煤层；赋存规律；危害程度；萨拉乌苏组；基载比；榆神矿区

榆神府矿区位于鄂尔多斯盆地北部、誉为世界七大煤田之一的陕北侏罗纪煤田的中东部，面积5 161.68 km2，煤炭资源量高达751.57亿吨，为特低灰特低硫的优质动力用煤和化工原料用煤，并且地质构造较简单、煤层近似水平，建设大型现代化矿井的条件优越，划分为四期规划区分期开发(图1)。由于该矿区地处我国西北内陆毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带，干旱少雨缺水，生态环境脆弱，浅埋煤层区域的煤矿开采易导致含水层破坏[1-4]，引发矿井突水溃沙地质灾害和矿区生态环境破坏等问题。对此，许多单位和学者对矿区生态环境保护[5-7]、含水层保护[8-9]、地质灾害防治[6,9]、保水采煤[10-12]等进行了研究，取得了大量研究成果[13-15]。但是，受勘查资料丰富程度和开采范围影响，前人研究主要集中在榆神矿区东南部一、二期规划区，对西北大部三、四期规划区的煤层赋存条件及煤炭开采危害程度的详细研究较少。受差异剥蚀作用影响，榆神矿区不同区域自上而下第一层可采煤层，即最上可采煤层的分布具有明显不同。本文通过系统收集榆神矿区各规划区地质勘查基础资料、水文补勘资料、研究报告及煤矿开发相关资料，统计1 243余口钻孔的最上可采煤层及上覆含(隔)水层数据，系统研究了全矿区主要可采煤层和最上可采煤层赋存规律及其与上覆含(隔)水层空间分布关系，分析了基于不同基载比条件下最上可采煤层开采引起的危害程度及其分区差异，可为今后榆神矿区三、四期规划区的合理规划、高效开发及生态环境保护提供科学依据。

1 榆神矿区最上可采煤层分布特征

1.1 最上可采煤层平面分布

榆神矿区延安组含煤地层自上而下赋存1–2、2–2、3–1、4–2、5-2、5–3可采煤层，受沉积及后期剥蚀作用，各主要可采煤层的分布具有不同特征。

1–2煤层分布于矿区中鸡东南部和孟家湾以西、小壕兔—尔林兔勘查区一带，可采厚度0.80~9.72 m，东北薄、西—西南厚。聚煤中心位于孟家湾西勘查区，厚度7~9.72 m(图1a)。

2–2煤层分布范围较大，东部2–2煤火烧岩界线以东火烧殆尽；北部宫泊沟、西部榆溪河一带剥蚀严重，为不可采区。煤层可采厚度0.8~12.49 m，聚煤中心位于大保当一带，平均厚度达到10.04 m(图1b)。榆神三期、四期范围内2–2煤层厚度大多在8 m以内。

3–1煤层分布于3–1煤火烧岩界线以西。煤层可采区厚度较稳定，一般为0.80~3.91 m，平均厚度约2 m(图1c)。

4–2煤层分布于榆神矿区中部及北部，可采厚度0.80~4.20 m，一般在3 m左右，凉水井煤矿最厚达到4.20 m(图1d)。

5–2煤层可采区主要分布于榆神矿区马合—孟家湾—金鸡滩—大保当—锦界以北及锦界以东的区域，可采煤层厚度0.80~8.82 m(图1e)。5–3煤层可采区厚度多在3 m以上，分布规律与5–2煤基本一致。

将各可采煤层分布区叠合，即可得到榆神矿区最上可采煤层的分布图(图1f)，反映了不同可采煤层的平面组合关系。最上可采煤层1–2、2–2、3–1、4–2、5–2、5–3煤从北西向南东呈阶梯状分布。1–2煤最上可采区主要分布在榆神四期与三期西部；2–2煤最上可采区主要分布在榆神四期东北部、三期东南部及一期；3–1、4–2、5–2、5–3煤最上可采区露头(或隐伏露头)从榆神二期由北西向南东呈阶梯状分布。各最上可采煤层厚度见表1。

1.2 最上可采煤层埋深

从最上可采煤层的埋深等值线图(图2)看，最上可采煤层的埋深由南东向北西逐渐增大(表1)，5–2煤埋深46.81~198.8 m，4–2煤埋深50.61~179.86 m，3–1煤埋深43.23~203.93 m，2–2煤埋深51.8~555.75 m，1–2煤埋深173.13~588.21 m。其中榆神三期和四期分布的2–2煤层埋深基本在280 m以深，明显深于3–1、4–2和5–2煤埋深。3–1煤和4–2煤的平均埋深低于5–2煤主要是因为秃尾河及其支流对煤层上覆岩层的冲蚀造成，特别是锦界以北区域。

表1 最上可采煤层厚度与埋深

图1 榆神矿区可采煤层厚度及最上可采煤层分布图

图2 最上可采煤层埋深等值线图

2 最上可采煤层与上覆主要含(隔)水层空间分布关系

榆神矿区最上可采煤层上覆含水层有侏罗系延安组、直罗组、安定组与白垩系洛河组及第四系萨拉乌苏组，对煤矿开采有影响的含水层主要为白垩系洛河组和萨拉乌苏组含水层，隔水层为第三系保德组红土与第四系黄土(图3)。不同最上可采煤层上覆主要含水层和隔水层发育特征具有明显的差异。

2.1 主要含水层分布特征

a.萨拉乌苏组沙层含水层

岩性主要由灰褐色及灰黑色粉沙、细沙和中沙组成，夹亚砂土、亚黏土，出露于低洼滩地及沙丘间低滩地。萨拉乌苏组与风积沙厚度变化较大，约0~150 m，一般滩地中部较厚，向四周逐渐变薄。主要分布在榆神一期、三期规划区及四期规划区西南部与二期规划区西北部(图4)。萨拉乌苏组含水层为榆神矿区主要潜水含水层，主要接受大气降水的补给，富水性中等—强。

b.洛河组砂岩含水层

岩性主要为紫红色、棕红色巨厚层状中粒、粗粒石英长石砂岩。主要分布在榆神三期规划区西部及四期规划区，出露于中鸡北部及红碱淖等地。从砂岩含水层等值线图(图5)看，含水层总体呈自东而西、自南而北变厚的趋势，厚度0~279.90 m，最厚处位于榆神矿区西南部孟家湾一带，其他区域厚度约30~50 m。出露区洛河组砂岩含水层主要接受降水补给，具有潜水性质；覆盖区接受第四系潜水补给和侧向径流补给，又具有承压性质，富水性弱—强。

图3 榆神矿区煤系及上覆岩层柱状示意图

2.2 土层隔水层分布特征

榆神矿区土层(离石黄土与红土)基本全区分布(图6)，厚度为0~180 m。最上可采5–2和5–3煤层分布区上覆土层埋深较浅，且剥蚀严重，残留厚度10 m左右；最上可采4–2煤层上覆土层厚度10~50 m，厚度变化较大；最上可采3–1煤层上覆土层厚度10~ 50 m，东部和南部较厚，北部较薄。这4层煤层主要分布于榆神矿区二期，分布区土层与基岩呈不整合接触，秃尾河流域土层大范围的缺失，形成透水“天窗”。最上可采2–2煤层分布区上覆土层厚度10~170 m，其中榆神一期土层厚度10~170 m，榆神三期、四期土层厚度10~50 m，秃尾河上游及榆溪河下游有大范围的缺失；最上可采1–2煤层分布区上覆土层厚度10~90 m，孟家湾及西部有较大范围缺失。

2.3 最上可采煤层与含(隔)水层的空间分布关系

通过统计分析榆神矿区最上可采煤层及上覆地层与含(隔)水层钻孔资料数据(表2)可知，最上可采3–1、4–2、5–2煤层为浅埋薄基岩煤层，上部无洛河组含水层，煤层顶面距离土层隔水层平均分别为60.25 m、64.31 m和73.13 m，距离沙层含水层底平均分别为85.84 m、99.53 m和100.75 m。最上可采2-2煤层为浅埋—中埋深煤层，赋存区除西部有洛河组含水层外，大范围洛河组缺失；有洛河组含水层区域(榆神三期西部以西)煤层顶面距离土层隔水层平均为342.27 m，距离沙层含水层底平均为362.55 m，与洛河组底平均距离为291.05 m。最上可采1–2煤为中—深埋煤层(分布于榆神四期)，煤层顶面距离洛河组砂岩含水层平均为294.01 m，距离土层隔水层底平均363.18 m，距离沙层含水层底平均为405.41 m。总体上看，最上可采煤层与上部含(隔)水层的距离由南东向北西逐渐增大。

图6 榆神矿区土层厚度等值线图

表2 最上可采煤层与上覆含(隔)水层空间距离统计表

图7 榆神矿区煤系及其上覆地层剖面示意图

最上可采煤层及其上覆含(隔)水层的空间关系反映在地层剖面图上(图7)，除煤层、含(隔)水层具有上述空间距离关系外，还具有以下空间分布规律：

a.受区域构造运动[16-19]及差异剥蚀[20-22]影响，在北西方向(近地层倾向)，最上可采煤层上覆基岩由南东向北西地层年代由老到新呈阶梯状分布，基岩顶面倾向与地层倾向相反。

b.基岩顶面高程较高，上部土层和萨拉乌苏组厚度相对稳定；基岩顶面高程较低，上部土层厚度变薄至缺失，萨拉乌苏组厚度增大，具有一定的相关性。

3 最上可采煤层覆岩导水裂隙带发育规律

综上可知，榆神矿区一、二期最上可采煤层为浅埋薄基岩煤层，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中导水裂隙带发育高度推荐公式不一定适合浅埋煤层导水裂隙带高度计算；国内学者针对榆神矿区浅埋煤层赋存特点拟合形成了导水裂隙带高度计算公式[23-24]中，仅将煤层采高作为评判导水裂隙带发育高度唯一变量，造成计算的导水裂隙带高度与实际高度相差较大。本节基于关键层理论，综合采用物理模拟、数值模拟及现场实测结果，将煤层基载比[25-27]和采高作为导水裂隙带发育高度计算参数，系统分析榆神矿区最上可采煤层不同基载比、不同采高下覆岩导水裂隙带发育规律，采用Matlab数学软件拟合不同基载比、采高与导水裂隙带高度的关系，得到了榆神矿区最上可采煤层覆岩导水裂隙带发育高度二元一次函数关系式(式1)。

式中li为导水裂隙带，m；J为基载比；为采高，m。

利用式(1)的计算结果显示，榆神四期1–2煤开采后导水裂隙带发育高度为20.95~187.41 m，导水裂隙带发育高度距离洛河组底界89.9~303.6 m；榆神三期和四期2–2煤分布区(有洛河组区域)导水裂隙带发育高度为15.69~211.49 m，导水裂隙带高度距离洛河组底界为103.52~356.01 m；上述两种情况下导水裂隙带均未波及萨拉乌苏组，且距离较远。榆神三期和四期2–2煤分布区(无洛河组区域)导水裂隙带发育高度为26.98~ 220.38 m，导水裂隙带高度距离基岩顶面为6.74~320.11 m，未波及萨拉乌苏组。因此，榆神矿区三、四期最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层影响较小或没有影响；榆神一期2–2煤分布区导水裂隙带发育高度87.12~ 226.32 m，绝大部分区域导水裂隙带导通基岩顶面，由于土层隔水层对萨拉乌苏组含水层的保护，采动对沙层含水层的影响较小；榆神二期最上可采煤层采动导水裂隙带发育高度41.51~103.96 m，绝大部分区域导水裂隙带亦导通基岩顶面，甚至导通土层顶面，对上覆萨拉乌苏组含水层影响(或破坏)大。

4 最上可采煤层开采引起的危害程度

为探究榆神矿区导水裂隙带最大发育高度与煤层上部岩层的空间关系，及其对萨拉乌苏组含水层的危害程度，分析了导水裂隙带发育高度、萨拉乌苏组分布、土层隔水层分布、最上可采煤层分布及其埋深等地质因素。本次研究首先以萨拉乌苏组分布范围为指标，划分出榆神矿区最上可采煤层覆岩无含水层区域；并确定各最上可采煤层分布区煤层采动对上覆含水层的影响程度；再依据最上可采煤层及其埋深、导水裂隙带发育高度、土层隔水层分布范围等数据对比分析，综合确定最上可采煤层开采对萨拉乌苏组含水层的影响。

经过上述多因素综合评判最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层的影响，将开采区划分为自然保水、保水采煤(影响小区和影响大区)、采煤失水、采煤无水4类危害程度分区(图8)。

①自然保水区导水裂隙带最大发育高度距离洛河组较远，更不及洛河组，加之上覆土层隔水层厚度相对稳定，隔水性能较好，最上可采煤层开采后，对上覆萨拉乌苏组含水层影响很小或无影响，可以起到自然保水。主要分布在1–2和2–2煤层埋藏较深的榆神矿区四期及三期。

图8 榆神矿区煤层开采危害程度分区图

②保水采煤区根据导水裂隙带发育高度对萨拉乌苏组含水层影响程度分为保水采煤影响小区和保水采煤影响大区，需要采取必要的保水开采措施。

a.保水采煤影响小区导水裂隙带最大发育高度影响至基岩顶面以上、土层底面以下，土层隔水层对上覆萨拉乌苏组含水层具有一定的保护作用，煤层开采对含水层影响相对较小。主要分布在最上可采煤层2–2煤层埋藏相对较深的一期中西部与三期东南部及3–1煤层埋藏相对较深四期东部与二期西北部。

b.保水采煤影响大区上覆基岩相对较薄，土层局部缺失，导水裂隙带最大发育高度已突破土层顶面，煤层开采对萨拉乌苏组含水层的影响大。主要分布在最上可采2–2煤层埋藏相对较浅的一期东南部。

③采煤失水区上覆基岩薄，土层局部缺失，导水裂隙带最大发育高度局部导通萨拉乌苏组含水层，煤层开采对萨拉乌苏组含水层影响较大，含水层水直接侧向流失。主要分布在最上可采3–1、4–2煤层埋藏较浅的二期西北部。

④采煤无水区上覆基岩薄，土层局部缺失，导水裂隙带最大发育高度局部导通基岩顶面甚至流动沙层，因流动沙层不连续分布，且不含水或富水性弱，故为无水区，煤层开采不涉及上覆沙层含水层。主要分布在二期中部和东南部最上可采煤层5–2、4–2煤层分布区。

总体来看，一期和二期规划区保水开采研究程度较高，划分的开采危害程度分区基本与前人的类似，本次更细致圈定了煤层采后覆岩导水裂隙带影响至基岩顶面和土层顶面的区域，为所在区域的煤矿保水采煤提供了更详实的地质依据。而对于前人保水开采研究较弱的榆神三期和四期，通过煤层厚度、地层结构、岩层空间位置及导水裂隙发育高度研究，认为榆神三期和四期规划区煤层开采后对上覆含水层影响很小。

5 结论

a.受区域构造运动的影响，榆神矿区最上可采煤层与上覆基岩差异剥蚀，5–3、5–2、4–2、3–1、2–2、1–2煤露头线从SE向NW呈阶梯状分布；最上可采煤层上覆基岩由NW到SE方向逐渐变薄，即榆神矿区西部(三、四期)最上可采煤层1–2与2–2煤厚度相对较薄、上覆基岩厚度大，榆神矿区东部(一、二期)2–2煤相对较厚、最上可采煤层上覆基岩厚度薄。

b.引入基载比、采高两个参数，得出榆神矿区不同基载比条件下覆岩导水裂隙带高度拟合公式，用公式计算的导水裂隙带高度知，榆神矿区西部(三、四期)最上可采煤层开采后导水裂隙带发育高度距离萨拉乌苏组含水层底界相对较远，对萨拉乌苏含水层影响小或没有影响；榆神矿区东部(一、二期)最上可采煤层开采后导水裂隙带发育高度直接或间接影响到萨拉乌苏组含水层。

c.根据最上可采煤层与上覆含(隔)水层的空间分布关系，及其与导水裂隙带发育高度与对萨拉乌苏组的危害程度，将榆神矿区划分为自然保水区、保水采煤影响小区、保水采煤影响大区、采煤失水区和采煤无水区。可见榆神矿区西部(三、四期)最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层危害程度小或没影响；榆神矿区东部(一、二期)最上可采煤层开采后对萨拉乌苏组含水层危害程度大。

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Occurrence regularity of uppermost minable coal seams and their harmful level of mining in Yushen mining area

LI Zhixue1,2,3, SHEN Xiaolong2, LI Mingpei2,3, WANG Hongsheng4

(1. Shaanxi Investment Group Co. Ltd., Xi’an 710061, China; 2. Shaanxi Coal Geology Investigation Research Institute Co. Ltd., Xi’an 710021, China; 3. Innovation Technology Research Institute,Shaanxi Investment Group Co. Ltd., Xi’an 710061, China; 4. College of Energy Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

In order to study the occurrence regularity of uppermost mining coal seams and the damage degree of Salawusu Formation aquifer caused by mining in Yushen mining area, occurrence characteristics of the uppermost mining coal seams was analyzed, and spatial distribution law and combination of the uppermost mining coal seams overlying strata, the development law of the water flowing fractured zone based on the ratio of rock and loading thickness and mining height, and the damage degree of the Salawusu Formation aquifer caused by coal seam mining. The damage degree of the Salawusu Formation aquifer was divided into four kinds of damage degree zones: natural water-retaining zone, water-retaining mining zone(influencing large zone and influencing small zone), water-losing mining zone and coal mining waterless zone. The results showed that the uppermost mining coal seams outcrops in Yushen mining area were stepwise distributed from SE to NW, and the overlying bedrock residual gradually thinned from NW to SE, and the thinning tends to be the opposite of the strata dip direction. According to the research, it was concluded that the mining uppermost mining coal seams in the western part of the Yushen mining area(the third and fourth phase planning areas) had little or no impact on the Salawusu Formation aquifer; the eastern part of the Yushen mining area(the first and second phase planning areas) had high damage by uppermost coal seam mining.

uppermost mining coal seam; occurrence regularity; damage degree; Salawusu Formation; ratio of rock and loading thickness; Yushen mining area

National Basic Research Program of China(973 Program)(2015CB251600)

李智学，1963年生，男，陕西乾县人，教授级高级工程师，博士，从事煤田地质学研究与科研管理工作. E-mail：xianzhonglou114 @sina.com

李明培，1986年生，男，湖北襄樊人，工程师，硕士，从事固体矿产勘查研究与科研项目管理. E-mail：snlimp@126.com

李智学，申小龙，李明培，等. 榆神矿区最上可采煤层赋存规律及开采危害程度[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(3)：130–139.

LI Zhixue，SHEN Xiaolong，LI Mingpei，et al. Occurrence regularity of uppermost minable coal seams and their harmful level of mining in Yushen mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：130–139.

1001-1986(2019)03-0130-10

P641.4+3；P624.6

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.021

2018-11-22

国家重点基础研究计划(973计划)项目(2015CB251600)

(责任编辑 周建军)