新近系保德组沉积薄弱区红土阻水性能及其资源开发意义

2023-11-06曾一凡孟世豪华照来苗彦平卜文扬

煤田地质与勘探 2023年10期

曾一凡，包函，武强，孟世豪，华照来，苗彦平，张晔，卜文扬

(1.中国矿业大学(北京) 国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 内蒙古研究院，内蒙古鄂尔多斯 017000；3.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；4.矿山水害防治国家矿山安全监察局重点实验室，北京 100083；5.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西榆林 719000；6.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，陕西神木 719300)

煤炭是我国的基础能源和重要工业原料，是国家繁荣及可持续发展的关键。据国家统计局数据，2022 年，规模以上工业原煤产量45.0 亿t，创历史新高。陕西榆神矿区位于我国西部干旱半干旱地区，生态环境脆弱，但其巨大的原煤产量在我国能源安全中占据了极其重要的位置。榆神矿区煤与水的赋存空间组合特点是“煤水共生，水在上、煤在下”[1]，因此顶板水害威胁成为该区域煤矿高效生产和生态环境保护的主要矛盾。

近年来，榆神矿区煤炭资源的高强度开采，造成了地下水水位下降，引发了一系列生态问题[2-3]。新近系保德组红土位于煤层上覆基岩与潜水含水层之间，其阻水能力直接关系到煤矿生产安全，更是工农业、生活、生态用水安全的重要保障。基于榆神矿区的特殊地位，不少学者针对此地区的关键隔水层开展研究。在推动榆神矿区保水采煤工作中[4-6]，李文平等[7]以榆神矿区地表的生态环境类型为基础对各矿井展开保水采煤等级划分。邓念东等[8]从保水采煤角度将榆神矿区煤层开采的工程地质条件划分为5 个区域，并对各区域开采的难易程度进行分析。马立强等[9]为解决隔水层厚度小、保水开采难度大的问题，提出一种壁式连采连充的采煤方法。王双明等[10]点出保水采煤是实现绿色开采的手段之一，也是未来煤炭开采的趋势。此外，丁仲礼等[11]通过对红土的土壤学特征进行野外观察，结合红土的沉积学特征及稀土元素分析确认黄土高原地区红土为风成成因。贺晓浪等[12]提出了保水安全厚度的概念，并针对陕北小保当煤矿建立了保水安全厚度的计算模型。大量物理相似模拟试验[13-15]为研究采动作用下红土隔水机理奠定了基础。

以上研究对榆神矿区保水采煤工作起到了推动作用，对榆神矿区保水采煤及生态保护作出了巨大贡献。前人对红土性质已做过大量研究，但是针对红土正常沉积到红土尖灭缺失的沉积过渡区(红土薄弱区)的研究很少。红土薄弱区的红土阻水性能判定仅以红土厚度进行线性推断，其工程性质和表征其阻水性能的关键因素仍需深入挖掘，对于矿井生产和生态保护的有效隔水层厚度尚未形成统一的评判方法，临界厚度目前仍难以准确界定。为缓解高强度采煤与脆弱生态环境之间的矛盾，同时也是保障煤炭的安全开采，在收集大量钻孔数据的基础上，通过在红土沉积边缘布设钻孔和取样对比，对榆神矿区保德组红土的厚度分布、工程特性及阻水性能进行进一步的研究。首先通过岩性描述和测井数据重新优化红土厚度数据，并结合沉积规律对红土层分布进行修正；之后，从微观尺度对比正常沉积区和沉积薄弱区红土的工程特性。最后，通过计算非完全阻水的红土薄弱区临界厚度，进行整个榆神矿区红土阻水性能的划分。深入研究红土的工程性质和阻水能力将为推动保水工作提供重要的理论依据。

1 榆神矿区充水水文地质特征分析

榆神矿区为本次研究的主要区域，同时将研究区范围延伸至相邻的含红柳林、柠条塔、张家峁煤矿的神南矿区(图1)。研究区位于陕西省榆林市西北部地区，多年年均降水量约为411.2 mm，季节降水量分布不平衡，降水量由西北向东南递增，属于水资源匮乏型的干旱半干旱区域，是非常典型的生态脆弱区。榆神矿区地表多被新近系、第四系覆盖，西部是由风力作用形成的沙丘地貌，而东部和北部都是以黄土梁峁为主。地表水系自东向西分属黄河一级支流窟野河、秃尾河和黄河二级支流榆溪河流域(图2)。矿区侏罗系中统延安组中赋存大量煤炭资源，其中主采煤层为2-2煤，且赋存较为稳定，除部分区域发生自燃造成缺失，大部分区域可采。

图1 榆神矿区地貌及水文特征分布Fig.1 Distribution of landform and hydrological characteristics in Yushen mining area

图2 榆神矿区A—A'典型剖面Fig.2 A-A' typical profile in Yushen mining area

根据地下水的赋存条件和水力特征，可将主采煤层以上的含水层分为3 类[16]。最底层的基岩裂隙含水层主要由侏罗系延安组(J2y)、直罗组(J2z)和安定组(J2a)砂岩组成，结构致密，含水量低；风化基岩孔隙裂隙含水层位于基岩顶部30 m 内，整个研究区均有分布，其特点是风化严重，渗透性强，孔隙大，为地下水储存提供了充足的空间。基岩含水层的水量往往较少，风化基岩含水层的水量相对丰富，是煤矿开采的主要充水含水层。最后，第四系松散孔隙含水层主要由第四系萨拉乌苏组(Q3s)和离石组(Q2l)组成，易于接受降雨补给，侧向补给充分。关键隔水层是位于第四系含水层和风化基岩含水层之间的新近系保德组红土(N2b)。

2 红土关键隔水层宏观分布规律

2.1 新近系保德组红土沉积厚度

榆神矿区红土分布不均匀，厚度及阻水性能有较大差异。本次研究共收集研究区钻孔425 个(表1)，其中为准确描述陕西曹家滩煤矿12 盘区西翼红土层从沉积到尖灭的分布特征，布置了8 条勘探线，共22 个勘探钻孔，其中红土层全段取心。本次研究钻孔数据的收集区域超过5 000 km2，统计时间跨越50 a。但红土层在不同时期、不同位置的钻孔描述中并不完全一致，因此通过岩性描述和测井数据重新优化红土数据，并结合沉积规律对第四系松散层及红土层数据进行修正。

表1 钻孔分布统计结果Table 1 List of borehole distribution

修正后的红土沉积厚度分布如图3a 所示，红土厚度最大可达140 m 以上，但分布极不均匀，存在大面积缺失区，缺失面积达2 597.23 km2，占比达48.80%。在孟家湾、尔林滩、阿包兔、中鸡、马王庙勘察区，金鸡滩、杭来湾煤矿等均有较大范围的缺失。而在曹家滩煤矿附近，红土厚度达到最大，仅在矿井西南侧存在局部缺失。

图3 榆神矿区新近系保德组红土分布特征Fig.3 Distribution characteristics of Neogene Baode Formation laterite in Yushen mining area

2.2 沉积条件分析

通过对比图3a、图3b 可知，红土沉积厚度与沉积底界高程具有较高吻合性，总体上高程越低，红土沉积厚度越大。在5.2 Ma B.P.之前，榆神矿区地势总体上为东高西低，伴随着西部六盘山的隆起，发生了一次反转，导致东凹西凸，造成了新近系红土沉积时西高东低的沉积底界(图3b)。之后在风力作用下，周边山区的岩屑和泥沙输送到盆地内，并在干旱环境下发生氧化而形成了红土沉积物[17]。故其沉积厚度呈现由西北向东南逐渐增大的总体趋势。

东南部低洼的环境给红土沉积提供了极佳条件，但随着河流的演化，在河流侵蚀作用下红土的分布被进一步打乱，最终形成目前极不规则的分布特征，更是造成榆神矿区西侧有大面积红土缺失区的直接原因。通过图3 对比可知，河流侵蚀和沉积底界的高程差异是造成红土厚度分布不均匀的主要原因。

3 红土关键隔水层微观工程特性

研究区内红土颜色呈浅红棕色。红土碎屑以石英为主，其次是长石，含少量岩屑，填隙物主要为黏土矿物；碎屑颗粒分选性较好，磨圆度差，呈次棱角状，基底式胶结，内含较多钙质结核，且随埋深的增加，结核密集程度也随之增加。研究区内红土钙质结核多呈星散状展布，极少成层。红土层经过淋滤，土体中的钙质成分下渗，在原有颗粒周围或空隙中沉积形成钙质结核。保德组红土层沉积相主要为陆相风成或半风成沉积，反映了当时的干旱气候和强烈的风力作用。通过沉积相分析，红土层垂向可分为两段(图4)，上部亚相主要由黄褐色、红棕色亚砂土及亚黏土组成，这些沉积物是由于风力将周边山区的岩屑和泥沙输送到盆地内，并在干旱环境下发生氧化而形成；下部亚相主要由土红色黏土组成，富含钙质结核。这些沉积物可能是由于风力将远处的火山灰输送到盆地内，并在湿润环境下发生水化和碳酸盐化而形成。为进一步研究其阻水性能，则需要通过对红土样品的微观特征进行测试，开展垂向和水平对比，对其沉积环境及隔水性能展开分析。

图4 红土土样及内部结核Fig.4 Laterite samples and internal nodules

3.1 红土垂向差异特征

本节通过选取同一位置不同埋深的红土样品进行粒径特征和渗透系数的垂向对比，从而进一步论述红土层的沉积过程及隔水性能在垂直方向的差异。

3.1.1粒径组成

沉积物的粒径组成可以反映沉积物搬运介质类型、搬运方式及沉积环境等特征，是重要的环境分析指标，并在红土环境分析中受到广泛应用[18]。榆神矿区红土以粉土颗粒和黏土颗粒为主，表现出风成的特点。通过一系列上下段红土样品的对比可以发现(图5)，两段红土质量分数最大的均为粉土颗粒，占比分别为50.53%和46.24%。此外相比于上段沉积土样，下段土样的小粒径黏土颗粒相对较多，质量分数达到35.55%。总体上看，红土颗粒的集中程度相对较高，分选性较好，上段粒径整体大于下段粒径，下段的隔水性能更好。粒径特征符合风力搬运的沉积描述，只是气候略有不同，上段搬运营力相对下段略有增强。

图5 红土沉积上下段样品的粒径特征对比Fig.5 Comparison of particle size characteristics of upper and lower samples of laterite deposition

3.1.2渗透性特征

为直观掌握红土隔水能力的强弱，通过自主研发的新型土体高压渗流试验系统，开展土样渗流特性试验，研究土体在原位恢复状态下的渗透系数变化规律。首先对土样施加轴压和围压恢复原位应力，在此基础上施加上下渗流反压，测试土样在不同渗流压力下渗透水量。由于深层土中充填结合水，不同于重力水，存在起始梯度问题，所以通过测定渗透水量与时间的变化曲线，计算深层黏性土的起始梯度及符合达西定律的时间，进而得到渗透系数。

渗透系数的计算结果如图6 所示，通过对比上下段样品，可见相同位置的样品随着沉积深度的增加，渗透系数大幅减小。说明除了沉积特征以外，下段红土所受到的压实作用时间更长，其结构更为紧密，隔水性能更强。此外，在水平方向，不同沉积厚度红土的渗透系数也具有一定的规律性。

图6 红土沉积上下段样品的渗透系数对比Fig.6 Comparison of permeability coefficients of upper and lower samples of laterite deposits

3.2 正常沉积区与薄弱区红土的水平对比

通过选取不同红土沉积厚度的下段土样进行水平对比，通过SEM 扫描电镜微观结构和X 射线衍射XRD物质组成来进一步分析红土层的隔水性能。

3.2.1SEM 微观结构特征

SEM 电子显微镜的基本原理是利用高能电子束来照射红土结构表面，电子束会与红土样品物理作用产生不同的检测信号，再由探测器接收，便可得到红土试样的微观结构信息。

结果如图7 所示，在3 万倍镜下清晰可见有大量纤维状交织在一起，其孔隙极小，说明红土具有极佳的隔水性。通过对比多组样品及单个样品的多组SEM影像图片可以发现，位于正常沉积区的红土样品交织结构紧密，以纤维状结构(图7a)为主，而红土薄弱区的红土样品少见交织结构，呈现出零散的片状结构(图7b)。

图7 红土样品的微观结构特征对比Fig.7 Comparison of microstructure characteristics of samples with different laterite deposition thickness

3.2.2地球化学特征

红土的形成受多种因素控制，分析红土黏土矿物组成对其形成环境及隔水能力有重要的作用[19]。红土中含有较多的黏土矿物，黏土矿物具有遇水膨胀的特性，会形成强大的黏聚力，增强留水能力，大大降低渗透率，且不同的黏土矿物膨胀性不同，因此黏土的成分是评价含、隔水层的重要指标。本文选取不同沉积厚度的红土样品，分析不同厚度区域其成分含量。

X 射线衍射仪是用于分析黏土矿物成分的主要手段，具备方便快捷、精度高的优点。依据设定角度、扫描时间等测试条件下对研究区红土样品进行测试，得到相关的X 衍射图谱，利用物相检索，定量计算矿物成分组成。

在样品矿物组成定性分析的基础上，采用K值计算法对矿物含量进行相对定量计算[20]。其原理是物相衍射强度和含量呈正相关关系，可通过衍射强度的大小求出混合物中某种物相的衍射的体积分数或质量分数。即通过不同矿物衍射峰强度值与K值相对比，得到不同矿物在样品中的相对含量，计算公式如下：

式中：i为需要计算含量的矿物编号；j为参比的矿物编号；n为参比矿物总数；Xi为矿物i的相对含量；I为矿物的衍射强度；K为PDF 卡片中矿物的参比强度。

X 衍射结果如图8 所示，研究区红土主要由石英、长石、方解石等非黏土矿物及包括伊利石、高岭石、绿泥石、伊蒙混层在内的黏土矿物组成。矿物成分的质量分数见表2，红土中的黏土含量与红土沉积厚度呈正相关。红土厚度为2.92 m 的区域黏土质量分数仅为12.67%，随着红土厚度增大至31.8 m，其黏土质量分数可达23.10%。可见，随着红土厚度的增加，起着主要隔水作用的黏土含量会显著增加。

表2 新近系保德组红土矿物成分组成Table 2 Mineral composition of N2b laterite

图8 XRD 定性分析衍射图谱结果Fig.8 XRD qualitative analysis of diffraction pattern results

进一步细分黏土中的矿物组成有助于明确红土的沉积环境和阻水性能。比如蒙脱石在碱性介质条件、温带半干旱半湿润的环境下更易形成，亲水性强，具有较强的膨胀性，从而具备优良的隔水性能；伊利石和绿泥石在弱碱性环境、干旱气候条件下能较多地保存，是较弱化学风化阶段的产物；高岭石是在温暖湿润气候、酸性介质条件下由长石、云母和辉石等矿物经较强的化学风化过程形成。黏土矿物隔水能力大小的排序为蒙脱石>伊蒙混层>伊利石>高岭石[21]。因此，不同的沉积环境会造成红土的隔水性能不均一。

从图9 可知，随着红土厚度的增大，蒙脱石、伊蒙混层这类强亲水性矿物的质量分数分别从31%和16%上升至37%和27%；伊利石、高岭土、绿泥石这类相对弱亲水性矿物的含量均呈减少趋势，最大减幅达35.02%。通过分析可知，红土厚的区域不仅其黏土矿物含量高，其中亲水性矿物的含量也越高，隔水性能随红土厚度呈非线性关系。

图9 不同红土沉积厚度样品中各黏土矿物成分对比Fig.9 Comparison of clay mineral composition in samples with different laterite deposition thickness

4 榆神矿区红土阻水性能分区

通过上述研究可以发现，在同一沉积位置不同沉积深度的红土阻水性能并不一致，同时位于沉积边缘的红土阻水能力远弱于正常沉积红土。仅用红土厚度来表征该关键隔水层的阻水性能不够严谨，本章旨在通过上述研究成果，进一步量化红土阻水性能，基于稳定达西流速概念进行红土阻水临界厚度的计算，并通过多源数据融合准确表征红土薄弱区的红土阻水性能，最终得到榆神矿区的红土阻水性能分区。

4.1 垂向分段计算模型

首先通过上述粒径组成研究成果，结合钻孔测井的连续曲线确定红土上下分段的阈值。并结合对应的数学模型计算红土全段的等效阻水性能，为同一沉积位置不同沉积深度阻水能力不一致的问题提供有效解决方案。

(1) 基于测井曲线的上下分段。自然伽马测井技术通过测量地层中的伽马射线强度，可以反映地层中放射性元素的含量。自然伽马测井可以为评价土层性质提供重要参考信息，本次研究拟用测井数据来区分同一地层中沉积环境和古地理信息的差异。因为自然伽马测量结果受地壳中放射性核素分布的影响，而这些放射性核素分布的空间变化与土层的密度、含水量等参数有关。一般来说，对于相同类型的土层，如果自然伽马值越大，则说明土层密度越小，固结程度越低；反之，自然伽马值越小，则表示土层密度越大，固结程度越高。通过单独提取多个钻孔红土全段的自然伽马曲线，进行对比分析可以发现(图10)，红土层明显分为上下两段，上段的自然伽马平均值大于下段，表明了红土下段沉积固结性更好。通过对比大量钻孔的测井曲线，上段厚度占全段比值在58%～65%，结合土样颗粒组成的研究成果，最终设置红土层沉积上下段比值为6∶4。

图10 测井曲线分段对比Fig.10 Logging curve section comparison

式中：(i,j,k)为单元空间位置的三维坐标；Qi,j,k、Qi,j,k+1分别为通过土层上段单元和下段单元的流量，L3/T；Q为通过整个土层的总流量，L3/T；Δh为水头差，L；A为单元面积，L2；Kv为垂向渗透系数，L/T；M为单元厚度，L。

(2) 基于达西定律的等效渗透性计算模型。由于上下段红土层所表现出的性质具有差异，需要通过建立有效的计算模型得到能够完整表现红土层的等效渗透系数。计算模型如图11 所示，将整个红土层分为上下2 个单元，通过达西定律可以获得分别通过上下单元的流量和通过整个土层的总流量。通过上下2 个单元的流量没有累积或消耗，同时总水头差由2 个单元水头差叠加，代入上下两段沉积厚度的阈值，并联合以下公式进行推导，可以得到等效渗透系数的计算公式。

图11 等效渗透系数数学概念模型Fig.11 Mathematical conceptual model of equivalent permeability coefficient

等效渗透系数的计算结果如图12 所示，通过Logistic 模型函数拟合可以得到红土等效渗透系数与红土沉积厚度的关系。

图12 红土等效渗透系数与红土沉积厚度的关系曲线Fig.12 Equivalent permeability coefficient vs deposition thickness of laterite

4.2 阻水性能的水平分区

通过等效渗透系数和矿物组成对红土阻水过程进行详细描述，最终在榆神矿区红土厚度分布基础上，形成红土阻水性能的准确划分。

黏土的渗透分为2 个过程，第一阶段可以简单概括为非饱和黏土的渗流，由于黏土的亲水性和膨胀性，低水力梯度下，水流实际过水断面小、流动途径弯曲程度大、孔隙通道阻力大等多种原因使得难以形成有效流动；在水力梯度增大，或充分饱水情况下，第二阶段可概括为稳定的饱和达西流。当在一定水力梯度下，水流仅停留在第一阶段时对应的红土层厚度可成为有效阻水临界厚度。红土临界厚度以内会产生有效流动，水力梯度影响下会激发或袭夺上覆含水层形成越流补给。

通过对榆神矿区红土层上下含水层的水位统计，以及采动影响下的水位变化，最大水位差约为45 m。以达到稳定达西流速为临界状态，可计算红土有效阻水的临界厚度为10 m。由此可将榆神矿区红土分为完全阻水区和非完全阻水区(红土薄弱区)。在非完全阻水区中，通过矿物组成含量和等效渗透系数对红土阻水性能进行准确划分，为位于沉积边缘的红土阻水能力远弱于正常沉积红土且无法准确描述红土阻水能力与厚度非线性关系的问题提供有效解决方案。最终结果如图13 所示，将榆神矿区红土阻水性能分为3 个大区，分别为完全阻水区、红土薄弱区和红土缺失区。进一步将红土薄弱区分为极弱阻水区、阻水过渡区和高阻水区。

图13 榆神矿区红土阻水性能分区Fig.13 The zoning of water resistance performance of laterite in Yushen mining area

4.3 基于水化学数据的工程验证

曹家滩煤矿位于榆神矿区I 期中部(图13)，其工作面西翼位于红土沉积边缘，导致东西两翼截然不同的涌水特征[22]。通过水样测试和数据收集，分析各含水层的水化学特征[23]。进一步将水化学数据和红土分布厚度联系可以发现(图14)，红土上部的第四系萨拉乌苏组间接充水含水层中Ca2+毫克当量百分比在全矿区分布均匀，平均为62.25%；而在红土下部的风化基岩直接充水含水层中分布不均，在矿区西部边界的红土缺失及薄弱区，Ca2+毫克当量百分比比东区高近12%。在隔水层厚度为0～10 m 的风化基岩地下水中Ca2+毫克当量百分比为43.33%，而当红土隔水层厚度大于10 m 时急剧降低，平均为27.62%。由此说明当红土厚度为0～10 m 时为非完全阻水区，位于红土薄弱区的矿区需要特别关注煤层开采条件下浅表水体是否参与矿井涌水。

图14 不同红土厚度下Ca2+毫克当量对比Fig.14 Comparison of Ca2+ content underdifferent laterite thickness

5 关于煤水双资源开采的讨论与展望

作为典型的地下工程，矿山资源开发常常维持几十年。早期以开采效率为主要目的，地下水主要体现的是灾害属性，对矿区地下水研究的主要目的是保障矿山安全。随着新形势下“以水定产”“把水资源作为最大的刚性约束”等政策的转变，以及开采重心转向生态更加脆弱的西北地区，矿区地下水的资源属性逐渐被重视起来。其发展主要分为以下几个阶段：(1) 矿井水利用构想阶段：自20 世纪80 年代，国内外学者开始对地下资源开发引起的水资源破坏问题展开研究，Wu Qiang 等[24]宏观上提出了排水、供水和环境保护三位一体的矿井涌水处理优化方案，针对矿井水的研究从单纯的治理转变为水污染处理及综合利用。(2) 狭义的保水开采阶段：该阶段是通过研究覆岩及含水层的破坏程度，转变开采方式和方法，调整煤柱间距和尺寸，进行采空区充填等技术[25]，形成一种具有被动性和局限性的保水开采模式[26]。(3) 广义的保水开采阶段：为了增大开采效率，最大程度保证资源采出率，一方面通过利用或再造关键隔水层保护水资源安全，另一方面通过转移地下水至地下采空区，构成地下水库来维持水资源的开发利用价值。(4) 煤水双资源协同开采阶段：通过水害防控消除地下水灾害属性的负效应，基于矿井水资源化利用充分挖掘其资源属性的正效应[27]。以全局视角协调资源开发过程，实现矿井水控制、处理、利用、回灌与生态保护“五位一体”的优化管理[28]。本文对红土关键隔水层的稳定性和阻水性能的研究，对于榆神矿区，特别是非完全阻水的红土薄弱区矿井实现煤水双资源协同共采具有重要意义。

首先，关键隔水层工程性质和阻水性能的深入分析，是查清红土薄弱区矿井充水因素和隐蔽致灾地质因素的关键步骤。通过本文研究可以进一步综合隔水层的渗透性能、破坏概率、稳定范围等指标，有助于查清充水通道水力性质，并进行水害风险辨识。

其次，关键隔水层工程性质和阻水性能的系统评估，是实现水害分源精准防治和水资源综合利用的必要条件。通过本文研究可以针对红土薄弱区推演其应力状态、变形特征、裂缝发育等情况，从而精准识别水害源头及灾变模式。通过选择最适宜的加固材料、方法和时机，提高隔水层保护措施的可行性和有效性，实现松散层浅表水的防护和治理。

最后，关键隔水层研究对于指导保水开采工程实践有着重要的价值。本研究成果可为煤水双资源协同开采提供更准确和科学的评价依据，从而确定最适合的开采方法、参数和条件，提高开采效率和安全性。根据红土隔水层在不同地区、不同条件下表现出来的工程性质和阻水性能差异，分析其影响因素和演化规律，并给出相应的调整和改进建议，从而提高煤水双资源协同开采在实际应用中的适应性和灵活性，促进该技术在实际应用中的推广和发展。