榆林地区北部侏罗纪古河道砂体与采煤涌(突)水关系分析

2022-11-11吴立群王建英郑宇航焦养泉王宏科马雄德陈雪永李金辉

煤炭学报 2022年10期

吴立群，王建英，杨帆，郑宇航，焦养泉，荣辉,王宏科，马雄德，孙魁，陈雪永，屈伸，李金辉

(1.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室,湖北武汉 430074；2.陕煤集团神木张家峁矿业公司，陕西神木 719300；3.陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西榆林 719000；4.长安大学水利与环境学院，陕西西安 710054；5.陕西省地质环境监测总站自然资源部矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西西安 710054)

陕北侏罗纪煤田是我国中西部一个大型煤炭工业基地，建有多个年产能为120万～800万t的现代智能化开采煤矿。然而，榆神—神府矿区的涌(突)水事故时有发生。长期以来，人们一直认为第四系萨拉乌苏组含水层和侏罗系烧变岩含水层是侏罗纪煤田采煤涌(突)水的主要来源，但是诸如锦界煤矿异常大的涌水量(6 500 m3/h)[1-2]；以及秃尾河中上游地表泉(群)的较大流量(通常>50 L/s，一般300 L/s左右)[3-6]，特别是采煤涌(突)水并未造成萨拉乌苏组和烧变岩含水层地下水位的明显下降[7]，这些现象足以说明侏罗纪煤田的采煤涌(突)水还有其他的地下水补给。

基于20多年来对鄂尔多斯盆地直罗组砂岩型铀矿的研究，以及直罗组产铀层位与侏罗纪煤田可采煤层的空间配置关系研究[8-10]，笔者认为直罗组底部的古河道砂体可能也是榆神矿区矿井涌(突)水的主要水源。为此，在阐述直罗组古河道与延安组可采煤层空间配置关系基础上，通过砂岩型铀矿对直罗组古河道含水层的依赖关系，直罗组古河道隐伏露头区与地表泉(群)、涌(突)水矿井的空间配置等方面的分析，力争证实直罗组古河道是重要的含水层并阐明其与矿井涌(突)水的关系，从而为水害防治、保水采煤、煤-铀兼采提供基础地质信息[11]。

陕北榆林地区侏罗纪含煤岩系主要由富县组、延安组和直罗组构成，富县组和直罗组含煤线和薄煤层[12]，可采煤层主要位于延安组[13-16]。

在延安组可采煤层的上部——直罗组下段，发育了一套具有区域规模的古河道砂体(简称直罗组古河道)，在研究区内被解释为辫状河三角洲沉积体系成因[12,17-18]。直罗组底部的辫状河-辫状三角洲沉积体系域是一套横跨蒙陕两省，源于乌拉山物源的具有超大规模的砂质和砾质沉积朵体，其残留面积1.6万km2，中轴厚度达93～250 m，普遍具有良好的储层物性[10,18]。

1 砂岩型铀矿与直罗组古河道含水层的关系

21世纪以来，鄂尔多斯能源矿产勘查的重大勘查突破当属具有世界级规模的东胜铀矿田的发现，该矿田产出于直罗组古河道上游的内蒙古自治区[10,18-25]。砂岩型铀矿也被称之为“水成铀矿”，是源于造山带的富铀含氧地表流体于盆地边缘渗入多孔介质砂岩中，形成层间承压水并发生层间氧化作用，当铀被运移至氧化-还原的地球化学障附近时便发生变价而富集成矿(图1)，卸载了铀的地下水将持续向前运移并通过断层或者剥蚀天窗等排泄于地表。因此，砂岩型铀矿的形成发育需要依赖于超大规模、稳定分布的砂体(多孔介质)，也必然会存在一个成矿期的区域成矿流体系统，东胜铀矿田的产出说明直罗组古河道曾经是一个超大规模的承压含水层。

图1 由孔隙中铀质胶结物而呈现的水成铀矿基本特征(扫描电镜)Fig.1 Basic characteristics of hydric uranium deposits presented by uranium cements in pores(Scanning electron microscope)

砂岩型铀矿的开发巧妙地运用了砂岩多孔介质和含水层的基本特征，业界称之为地浸采铀技术。该技术利用一组钻孔将溶剂注入矿层，经过充分氧化将铀溶解于地下水中，再利用另外一组钻孔将矿液吸取地面，浓缩形成初级产品(黄饼)。目前，东胜铀矿田的纳岭沟铀矿床已经通过了地浸采铀实验，即将投入开采。

由此可见，砂岩型铀矿的形成发育和地浸开发是一个互逆的过程，无论是成矿和还是采矿均离不开“水”，地下水充当了铀质运移的载体，因此直罗组古河道肯定是一套区域含水层。

2 地表泉群与直罗组古河道含水层的关系

泉是地下水的天然露头，地层格架和水文地质能够为泉的水源补给提供解释。在榆神—神府矿区，地面分布众多的泉眼，其中一些泉非常著名，如普惠泉等。调查发现，1994年该区共有泉2 580眼，总流量为4 997.059 7 L/s。然而，至2015年残存泉376眼，总流量996.392 L/s，认为采煤对其影响最大[7]。

值得注意的是，在榆溪河流域、秃尾河流域和考考乌素沟流域，一些泉集中发育形成泉群，而泉群又进一步地形成了规模宏大的榆神—神府矿区泉带[3-7]，该泉带恰好位于榆神—神府矿区的毛乌素沙漠与黄土地貌的分界线上。对比发现，该泉带不仅直接位于直罗组古河道的隐伏露头上方，而且具有异常高的流量(通常大于50.0 L/s，历史最高可达521.99 L/s)。

比较典型的泉群有8个，榆溪河流域的SG1，包括色草湾泉、钟家沟泉、香水沟泉、骆驼峰泉、榆阳泉等；秃尾河流域中上游的香水村—沟掌泉(SG2)、青水沟泉(SG3)、采兔沟泉(SG4)、黑龙沟泉(SG5)、袁家沟泉(SG6)和青草界泉(SG7)；考考乌苏沟流域上游的SG8，包括侯家母河和肯铁岭河的源头泉(图2)。在该泉带中，有一类是特殊的煤层烧变岩出露泉。由于烧变岩孔隙和裂隙极其发育，但分布范围和含水层厚度有限，所以此类泉的流量具有极端性，很小或者较大。分析发现，无论是窟野河(考考乌苏沟)流域还是秃尾河流域，烧变岩出露泉的流量与直罗组古河道的空间距离关系密切，间距越小流量越大。例如，柠条塔露天区2-2煤烧变岩出露泉流量为75.23 L/s，而下伏3-1煤烧变岩出露泉(水头泉)的流量为40.78 L/s；采兔沟2-2煤烧变岩出露泉的流量高达77.85～313.34 L/s，直罗组古河道地下水经烧变岩以“泉”的形式出露地表，因此具有极大的超常流量(图3)[3,5]；在张家峁井田，乌兰不拉沟2-2煤烧变岩出露泉的涌水量或地下水的富水性均高于3-1煤烧变岩[26]。在红柳林井田东北部，4-3煤和4-4煤烧变岩出露泉流量均小于0.45 L/s[27]。

由第四系(地表风积沙-萨拉乌苏组)、洛河组和延安组形成的出露泉具有较低的流量(通常小于10.0 L/s，个别达30.0 L/s左右)，且出露较为分散，其中分布于考考乌苏沟流域以北及以东的散布泉似乎对采煤的响应更为敏感，目前大部分已干涸(图2)。第四系和延安组出露泉，散布于整个研究区，典型的有凉水井泉、扎林川泉、芦沟源头泉、红柳沟源头泉、河掌湾泉。洛河组的出露泉，仅分布于中鸡以东地区，典型的有朱盖沟(石拉沟)源头泉、呼家塔泉等。

大流量泉群与地层的空间配置关系表明，榆神—神府矿区泉带与直罗组古河道地下水具有密切的关系。直罗组古河道隐伏露头上方集中发育的泉带以及超常的流量，不仅说明直罗组古河道为重要的含水层，而且它为榆神—神府矿区泉带提供了主要的水源，从这个意义上讲可以命名为直罗组古河道地下水出露泉。当然，榆神—神府矿区泉带的水源，也不排除有萨拉乌苏组含水层的贡献，但可能不是主要的，因为钻孔抽水试验显示萨拉乌苏组的涌水量多数小于13.0 L/s，个别钻孔达到36.22 L/s[28-29]，不足以为泉带提供高达521.99 L/s的供水量。

典型泉的历史最大流量：SG1—榆溪河流域的榆阳泉(56.22 L/s)、色草湾泉(231.10 L/s)、钟家沟泉(238.86 L/s)、香水沟泉(309.83 L/s)； SG2—香水村—沟掌泉(201.39 L/s)；SG3—青水沟泉(399.30 L/s)；SG4—采兔沟泉(313.34 L/s)；SG5—黑龙沟源头泉(304.34 L/s)；SG6—袁家沟泉(206.61 L/s)；SG7—青草界泉(521.99 L/s)；SG8—侯家母河源头泉(92 L/s)、肯铁岭河源头泉、柠条塔2-2煤烧变岩出露泉(75.23 L/s)[3-7]图2 榆林地区北部泉群与地貌、地层露头的空间配置关系(据文献[6]修改)Fig.2 Spatial configuration relationship between spring groups,landforms and stratigraphic outcrops in northern Yulin area(Revised according to Reference [6])

图3 采兔沟2-2煤烧变岩及其出露泉，秃尾河流域Fig.3 2-2 coal burnt rock and exposed spring in Caitugou,Tuwei River

3 延安组采煤与直罗组古河道含水层的关系

在鄂尔多斯盆地北部，不仅榆神—神府矿区泉带表现出了与直罗组古河道的密切关系，近10多年来延安组的采煤也证实了直罗组古河道含水层与煤矿涌(突)水量具有明显的关系。

3.1 研究区延安组采煤的涌(突)水响应

榆神—神府矿区的水文地质条件看似简单，但自从延安组开始采煤以来，矿井多次发生涌(突)水事故。例如，1990年瓷窑湾煤矿先后发生2次突水溃沙灾害；2005年5月常乐堡煤矿2-2煤发生涌水事件(涌水量120 m3/h，排水量210 m3/h)；2004年3月上河煤矿3煤发生突水淹井事故，最大突水量500 m3/h；2012年11月隆德煤矿发生透水流沙事故，致使煤矿大面积垮塌；2021年7月郝家梁煤矿发生突水溃沙事故，5人被困[2,30]；锦界井田虽未发生突水事故，但十几年来涌水量一直较大，成为鄂尔多斯盆地涌水量最大的煤矿，2008年前矿井涌水量3 800 m3/h，2011年达到5 700 m3/h，2012年再创新高，达到6 500 m3/h，2020年为4 900 m3/h[1,30]；2011年5月柠条塔煤矿发生突水，起初水量1 300 m3/h，后逐渐稳定至1 000 m3/h左右，且维持数月不减；红柳林、金鸡滩、榆树湾等井田的矿井涌水量也曾经达到1 000 m3/h左右[30]。

长期以来，人们一直认为萨拉乌苏组和延安组煤层烧变岩地下水是榆神—神府矿区矿井突水的主要水源。但是，范立民等[2]研究发现锦界井田、柠条塔井田南翼等几个涌水量较大煤矿的涌(突)水，并未导致上覆萨拉乌苏组和烧变岩含水层地下水位的明显下降，显然其涌(突)水具有其他的来源。王生全等[1]对锦界井田采面探放水及回采过程涌水量的研究发现，3-1煤工作面上覆风化基岩厚度与涌水量呈正相关(图4)，王生全等[1]所说的风化基岩实为3-1煤的直接顶板——直罗组古河道砂体，矿井的主要充水通道为采煤所形成的导水裂隙带，充水水源主要来自直罗组古河道含水层，次为萨拉乌苏组含水层。

注：31101-31102工作面涌水量小于100 m3/h;31103，31104， 31105工作面涌水量介于黄色柱顶面与红色柱顶面数值之间。图4 锦界井田3-1煤采煤工作面涌水量与直接顶板直罗组古河道砂体厚度关系(据文献[1]编制)Fig.4 Relationship between water inflow of 3-1 coal mining face in Jinjie mine field and the paleochannel sandstone thickness of Zhiluo Formation(direct roof)(Prepared according to Reference [1])

最新的直罗组古河道砂体的区域空间分布规律的编图发现，发生涌(突)水事故的煤矿以及涌水量非常高的煤矿，无一例外地分布于直罗组古河道的隐伏露头区附近或者下方(图5)。前者如常乐堡煤矿、上河煤矿、郝家梁煤矿、红柳林煤矿(图5)，后者如锦界煤矿、柠条塔煤矿、隆德煤矿等(图5,6)。这些煤矿所在的部位，同样也是大流量泉群或者泉带分布的部位，它们应该具有相同的水源供给——直罗组古河道含水层。

进一步的研究证明，直罗组古河道砂岩厚度越大富水性越强[31]，古河道距采掘工作面越近，发生涌(突)水的危害性越大。

注：直罗组砂体厚度大于30 m的区域为古河道预测区。图5 鄂尔多斯盆地北部直罗组古河道与延安组煤矿井田的空间配置关系Fig.5 Spatial configuration relationship between paleochannel of Zhiluo Formation and coal mine field of Yan’an Formation in northern Ordos Basin

3.2 邻区延安组采煤的涌(突)水响应

另外一个典型实例毗邻榆神—神府矿区，是位于陕蒙边界西侧的呼吉尔特矿区，该区位于直罗组古河道的中上游(图5)，为延安组采煤涌(突)水来源于直罗组古河道含水层提供了充分的佐证。勘查和生产发现，在直罗组古河床冲刷带中部的煤矿，单孔平均涌水量普遍大于古河床两侧(图7)，其中母杜柴登煤矿首采工作面涌水量超过1 000 m3/h[32]。

4 采煤涌(突)水多要素协同耦合机理与模式

任何地质模式都是基于典型地质体的精细解剖和成因解释，通常带有鲜明地区色彩。通过榆神—神府矿区充水含水层、输导通道、采煤及裂隙等关键水文地质参数的空间配置、耦合关系及其采煤时域分析，可以构建地下水系统的基本地质格架模型，这对于阐明泉群或泉带的发育演化机理、揭示采煤涌(突)水的形成机制和进行水害预测防治具有实际意义。

在榆神—神府矿区，与延安组采煤涌(突)水相关的关键参数有2类，即充水含水层和充水输导通道。其中，充水含水层共有6个，分别是延安组煤层烧变岩含水层、直罗组古河道含水层、洛河组含水层、萨拉乌苏组含水层、地表风积沙含水层和地表水系。充水输导通道有4类，分别是中生界的剥蚀界面(J2z/J2y，K1l/J1-2和N-O/J-K)、小型断层、煤层烧变岩裂隙、人工采煤裂隙(图8)。

图7 内蒙古自治区呼吉尔特矿区古河道、煤层及单孔平均涌水量关系(据文献[32]编制)Fig.7 Relation diagram of average water inflow of paleochannel,coal seam and single hole in Hujite mining area,Inner Mongolia(According to Reference[32])

榆神—神府矿区恰好位于鄂尔多斯盆地东缘的直罗组剥蚀露头区，是直罗组古河道地下水的天然排泄区。在大规模采煤之前，以直罗组古河道为主、萨拉乌苏组和地表风积沙为辅的含水层，主要通过中生界的系列剥蚀界面和煤层烧变裂隙的输导通道，为榆神—神府矿区泉带的形成发育提供了充足的水源。在此，烧变岩出露泉具有特殊性，表面上看泉水出自于烧变岩，实则烧变岩充当了其他含水层水力传递“二传手”的角色(图8(a))。但是，随着延安组煤层的开采，上覆地层发生变形，原有地下水系统遭到破坏。其中，最为显著的变化是形成了地下水新的输导通道(采煤裂隙)以及新的储存空间(矿井巷道)，这为地下水排泄创造了良好条件，于是在原有水文地质要素的变革和耦合下便形成了采煤涌(突)水的地下水系统新格局。当然，由于直罗组古河道含水层规模巨大且直接为可采煤层的顶板，所以对采煤涌(突)水的威胁更大(图8(b))。在煤矿地下水系统的新格局中，随着采煤的持续，矿井的涌水量和排水量将逐渐加大，这必将减少原有地表泉群或泉带的供水量，而导致其逐渐干涸，20余年间榆神—神府矿区地表泉的数量衰减了84%[6]。

在含水层和输导通道的耦合叠置关系中，随着采煤时域的变化各参数对采煤涌(突)水的影响因子也会发生变化。显然，在榆神矿区的一期和二期规划区，直罗组古河道、萨拉乌苏组、烧变岩、地表风积沙含水层和地表水系都有可能参与到采煤涌(突)水的体系之中。但是从含水层的厚度、分布面积以及与可采煤层的距离等方面看，直罗组古河道含水层都是最为关键的水文要素，对采煤的涌(突)水危害不可忽视。随着3期规划区和4期规划区的投产，不仅煤层顶板直罗组古河道含水层的危害性将越来越突出，而且洛河组含水层的影响也将开始显现(图8(b))。

5 直罗组古河道含水层潜在影响与水害防治建议

5.1 直罗组古河道含水层的潜在影响

对直罗组古河道砂体的区域编图和初步调查发现，榆林地区北部直罗组古河道发育具有显著的非均质性，总体呈现北西—南东向分布的3条规模不等的古河道分支对下伏相关井田的采煤造成了潜在威胁(图5)。

(1)北部古河道分支规模最大，主要沿红碱淖—尔林兔—锦界一带产出，分布面积达1 651 km2。该分支古河道直接下切了延安组的1煤组、2煤组和3煤组，对1-2煤、2-2煤、3-1煤的采煤(将)造成不同程度的涌(突)水威胁。涉及的井田、煤矿和勘查区主要有：锦界井田、红柳林井田、柠条塔井田、惠宝煤矿、中鸡勘查区西南部、中鸡南勘查区、尔林兔普查区。

(2)中部古河道分支规模次之，主要沿巴纤采当—恍惚兔—王家湾一带分布。该分支古河道下切幅度有限，主要对1-2煤、2-2煤的采煤具有涌(突)水威胁，但也可以威胁3-1煤的采煤。涉及的井田、煤矿和勘查区主要有：榆树湾井田、杭来湾井田、西湾露天区、金鸡滩井田、曹家滩井田，以及小壕兔勘查区的西南部等。

(3)南部古河道分支位于榆林市西北部，红石峡为其野外露头，主要威胁榆横矿区的采煤。