榆横矿区十六台勘查区保水采煤分析

陈 波，张小萌

(陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710021)

0 引言

陕北侏罗纪煤田煤层赋存地质条件好，资源储量丰度大，煤质优良，但生态环境脆弱，萨拉乌苏组是最重要的含水层，也是维系生态环境的重要物质基础，煤炭资源开采对其影响显著[1]，针对陕北地区生态环境脆弱、富煤、缺水的实际情况提出了保水采煤技术体系[2]。国内众多学者对我国西部生态脆弱区保水采煤开展了深入研究，王双明等[3]研究了煤水赋存空间组合关系和保水开采条件分区，建立了保水采煤技术体系；范立民[4]在保水采煤科学内涵提出保水采煤保护含水层与隔水层的关系研究；李涛等[5]对生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土层合理厚度进行了研究；范立民[6]提出萨拉乌苏组含水层与植被关系密切是维系当地生态环境平衡的最主要因素；范磊[7]就毛乌素沙漠萨拉乌苏组地下水特征与植被分布关系进行了分析讨论；王双明等[8]提出了生态水位的合理埋深，指出地下水位埋深1.5～5.0 m为煤矿区维系表生生态环境良性发展的合理水位区间。

十六台勘查项目是陕西省2015年第2批地质勘查基金项目，依据《绿色勘查指南》为指导性标准，践行绿色煤炭地质勘查，保障煤炭绿色开发。为此，以煤炭绿色地质勘查、水文地质调查、抽水试验及化验测试等资料为基础，通过分析研究区水文地质特征及保水采煤条件，以期为生态脆弱区保水采煤和生态环境保护提供基础依据。

1 研究区概况

研究区位于榆横矿区东北部，隶属于榆林市榆阳区芹河镇管辖，东直距榆林市约18 km，面积约77 km2，如图1所示，处于毛乌素沙漠南缘与陕北黄土高原接壤地带，属于温带干旱半干旱大陆季风气候，年均降雨量不足500 mm。区内地形平坦，地势总体北高南低，呈风蚀风积沙漠丘陵地貌，地表无连续水系分布，水资源匮乏，生态环境脆弱。区内揭露地层由老至新依次为三叠系上统瓦窑堡组(T3w)，侏罗系下统富县组(J1f)，侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)及第四系中更新统离石组(Q2l)、上更新统萨拉乌苏组(Q3s)及全新统风积层(Q4eol)。大地构造位于鄂尔多斯盆地之次级构造单元陕北斜坡中部，地层为一向北西微倾的单斜，地层倾角小于1°，构造总体简单。

图1 研究区位置

煤系地层侏罗系中统延安组(J2y)平均厚度258 m，为一套河流、湖泊、河湖过渡的滨湖-三角洲及沼泽相沉积，是鄂尔多斯盆地中生界最主要的含煤岩系，岩性以浅灰白色中细粒长石砂岩、深灰色泥岩、粉砂岩及煤层为主，一般含煤10余层，可采煤层2层，分别为3、4-2号煤层，其中3号煤层全区可采，埋深在153～294 m，平均厚度1.15 m；4-2号煤层大部可采，埋深200～345 m，平均厚度1.37 m。煤层结构简单，一般不含夹矸，为大部至全区可采稳定的薄-中厚煤层。煤类主要为长焰煤，属于低变质程度烟煤，煤质指标优良，具有低灰、低硫、高挥发分、高发热量的特点，是良好的动力用煤。

2 水文地质特征

研究区水文地质条件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，又与区域存在差异性。根据区内地下水的赋存条件及水力特征，将地下水划分为两大类型，即第四系松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙承压水。

2.1 地表水

本区位于榆溪河以西，无定河以北，区内地表无连续水系分布，仅局部存在不连续的天然海子，主要接受大气降水，水量随季节性降雨变化较大，水质pH值为9.22，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型，矿化度0.179 g/L，水质较好。

2.2 第四系松散岩类孔隙潜水

分布及厚度：第四系上更新统萨拉乌苏组潜水含水层，地表分布广泛，主要出露于沙漠滩地和沙丘间洼地，分布不均，一般在古沟槽及低洼中心沉积较厚，其厚度介于3.5～45 m，平均厚度为24 m，具体分析情况如图2所示。下部为褐灰、灰黄色砂质亚砂土、粉细砂与浅灰黄色亚黏土互层；上部为浅灰黄色、灰紫色及杂色中细砂、粉砂及砂土互层状，是第四系潜水主要的含水层，其上植被发育或为农田，常称“沙漠绿洲”。

图2 萨拉乌苏组含水层厚度分布图

水位及涌水量：通过调查区内24口民用水井，井底深度为8～34 m，均属萨拉乌苏组潜水，据水位观测(图3)表明萨拉乌苏组潜水位在1.2～3.5 m之间，平均水位为2.2 m。富水性的强弱与厚度分布有一定的关系，其含水层多被风积沙层覆盖，常与其构成统一含水层，直接接受大气降水的补给，水位埋藏较浅，且与下伏中更新统透水性较弱的离石组黄土层构成了萨拉乌苏组潜水良好的富集储存条件。据区内钻孔抽水试验结果(表1)表明，含水层厚度26.49 m，水位埋深2.51 m，当降深9.69 m时，涌水量6.14 L/s，单位涌水量0.633 9 L/(s·m)，渗透系数2.96 m/d，水化学类型为HCO3-Ca·Na型，矿化度为369.2 mg/L，富水性中等。

表1 各含水层抽水试验成果

图3 萨拉乌苏组含水层水位等值图

2.3 碎屑岩类孔隙裂隙承压含水层

侏罗系中统安定组砂岩承压含水层：分布不全，主要分布于北部，由北向南逐渐变薄以致剥蚀殆尽。下部为浅紫红色中厚层状中、细粒砂岩，发育水平层理及波状层理；上部为紫、暗紫红色中细粒长石砂岩夹紫红、灰绿色粉砂岩和泥岩韵律层，顶部常夹有泥岩薄层。含水层以中、细粒砂岩为主，含水层平均厚度30.65 m，局部基岩风化带未遭切割，连续性较好，易于接受上部含水层地下水的下渗补给。据区内钻孔抽水试验结果(表1)表明，含水层厚度40.24 m，水位埋深9.16 m，当降深74.78 m时，涌水量0.45 L/s，单位涌水量0.005 4 L/(s·m)，渗透系数0.005 8 m/d，水化学类型为SO4-Ca·Na型，矿化度1 487.1 mg/L，富水性弱。

侏罗系中统直罗组砂岩承压含水层：全区分布，以浅灰绿色中细粒砂岩、粉砂岩、泥岩为主，底部主为浅灰白色中、粗粒砂岩且分布稳定，发育大型板状、楔状交错层理。含水层岩性主要以中、细粒砂岩以及底部的中、粗粒砂岩为主。据区内钻孔抽水试验结果(表1)显示，含水层厚33.97 m，水位埋深25.72 m，当降深32.47 m时，涌水量0.28 L/s，单位涌水量0.008 6 L/(s·m)，渗透系数0.005 3 m/d，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na型，矿化度470.0 mg/L，富水性弱。

侏罗系中统延安组砂岩承压含水层：全区分布，保存较完整，是区内主要含煤地层，岩性以浅灰白色中、细粒砂岩、深灰色泥岩、粉砂岩、煤层(线)为主，其底部广泛发育一套巨厚-厚层状中、粗粒长石砂岩，俗称“宝塔山砂岩”，赋存有主要可采的3号、4-2号煤层。含水层主要以细粒砂岩夹中粒砂岩为主，因埋藏较深，岩石较完整，裂隙不甚发育，含水量贫乏，含水层平均厚度为148.25 m。据钻孔抽水试验结果表明，含水层厚度58.34 m，水位埋深46.05 m，当降深77.74 m时，涌水量0.43 L/s，单位涌水量0.005 4 L/(s·m)，渗透系数0.008 1 m/d，水化学类型为HCO3-Ca·Na型，矿化度208.3 mg/L，富水性弱。

3 保水条件分析

3.1 分析方法

调查表明区内降水稀少，蒸发强烈，地表水系不发育，地表大部被第四系风积层及萨拉乌苏组所覆盖，地表植被发育较好，多为沙蒿、沙柳，萨拉乌苏组潜水是区内主要的饮用水、灌溉水源，也是保水采煤的目标含水层。范磊等[9]通过对毛乌素沙漠萨拉乌苏组地下水特征与植被分布关系的分析，提出滩地地区植被与潜水位埋深关系密切，植被对潜水位埋深具有较强的依赖性，植被的生态效应敏感；王启庆等[10]提出在陕北生态脆弱区影响地下水资源的因素主要有导水裂隙带发育高度、上覆基岩厚度及隔水黏土层厚度，黏土层及基岩中泥岩在天然条件下具有较好隔水性，但煤层采动对其影响较大，确定保水采煤条件的关键指标为隔水层的厚度，开采煤炭资源的同时保护矿区水资源首先要查明矿区煤层的空间赋存特征及其与含(隔)水层的关系，再根据开采形成的导水裂隙带的发育规律与所采煤层上覆基岩的关系，规划开发区域、选择合理的采煤方法[11]，本次主要通过研究隔水层条件和导水裂隙带的发育高度情况来分析其保水条件。

3.2 隔水层条件

离石组厚度及水理性质：第四系离石组黄土层为区内主要的隔水层，基本全区分布，其上被萨拉乌苏组潜水含水层所覆盖。据钻孔揭露，该组地层厚度介于11.7～58.2 m，平均厚度30 m，在区中部较厚，如图4所示，以2-1号钻孔向四周逐渐变薄趋势，岩性为浅灰黄色、浅棕黄色亚黏土及亚砂土为主，含分散状灰白色不规则豆状、颗粒状钙质结核，半固结，结构致密，渗水条件差，不易渗入，是萨拉乌苏组潜水得以储集的重要条件。通过化验测试，离石黄土层水理性质中黏粒含量为15.4%，孔隙比为0.61～0.84中密-密实，渗透系数为0.09～0.97 m/d之间，属弱到较强隔水层。

图4 离石组厚度等值线

含(隔)水层与煤层空间组合关系：从垂向来看，组成区内煤层覆岩的含、隔水层自上而下依次为第四系萨拉乌苏组中等富水含水层及全新统风积层、第四系离石组黏土隔水层、基岩孔隙裂隙承压富水弱含水层(安定组、直罗组和延安组)，据邓念东等[12]的研究将保水采煤的工程条件分为5个区，即：沙-土-洛-基型保水开采区(Ⅰ)、沙-土-基型保水开采区(Ⅱ)、沙-基型保水开采区(Ⅲ)、无水开采区(Ⅳ)、烧变岩型保水开采区(Ⅴ)，研究区煤层与覆岩的空间组合特征，如图5所示，属于“沙-土-基型”，萨拉乌苏组潜水含水层直接赋存于离石组黏土隔水层之上，形成了较好的空间保水条件，较容易的实现保护萨拉乌苏组潜水含水层。

图5 含(隔)水层与煤层空间组合关系

3.3 导水裂隙带的发育高度

经验公式：对上覆含水层的保护主要取决于采煤引起的导水裂隙带是否波及到目的含水层中，充水通道主要是煤层开采形成的冒落、冒裂裂隙。导水裂隙带的计算主要为经验公式计算，区内主要可采煤层为延安组第3段3号、4-2号煤层，层位稳定，煤层倾角平缓且与地层一致，倾角小于1°，上覆基岩以砂岩为主，平均岩石抗压强度为23.76 MPa，顶板管理方法为采用全部陷落法，因此综合以上条件据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017)中推荐的中硬岩类冒落带、导水裂隙带发育高度经验公式。

(1)

(2)

式中，Hm—冒落带最大高度，m；Hli—导水裂隙带最大高度，m；∑M—累计采厚，取煤层厚度，m。

计算结果：依据公式计算，结果由表2可以看出，3号煤冒落带发育最大高度5.71～8.58 m，导水裂隙带最大高度为21.99～32.77 m，采煤时冒落带和导水裂隙带均在正常基岩里发育。4-2号煤冒落带最大高度5.71～9.59 m，导水裂隙带最大高度21.99～36.14 m，经与煤层间距进行比较，上距3号煤间距42.55～48.92 m，理论上无法与上层3号煤采空区相互沟通。

表2 冒落带、导水裂隙带计算结果

隔水作用：经分析表明，理论上冒落带和导水裂隙带发育高度不会波及上层的萨拉乌苏组潜水含水层，况且上部离石组黄土隔水层发育连续稳定，可起到良好的隔水作用，煤层开采时一般不会影响到上部萨拉乌苏组潜水含水层。但在煤层开采时也不能排除煤层开采引发其他地质环境问题，从而破坏萨拉乌苏组地下水的结构，引起生态破坏。

4 结论

(1)研究区生态环境脆弱，萨拉乌苏组潜水含水层是主要的含水层和供水水源，富水性中等，是维系生态环境的重要物质基础，保水意义重大。

(2)主要隔水层第四系离石组黏土结构致密，渗水条件差，是萨拉乌苏组潜水赋存储集的重要条件，煤层与覆岩形成了较好的空间保水条件。

(3)经计算，理论上冒落带和导水裂隙带发育高度不会波及上层的萨拉乌苏组潜水含水层，采取适当措施可实现保水采煤，保护生态环境，促进生态平衡良性发展。