榆神矿区煤水地质条件及保水开采.doc

第 30 卷第 1 期2010 年 1 月西 安科技大学学报JOURNAL OF XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol. 30No. 1Jan. 2010文章编号： 1672 9315（2010）01 0001 06榆神矿区煤水地质条件及保水开采*王双明1，2 ，范立民3 ，黄庆享1 ，王国柱4 ，申 涛3（1. 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054； 2. 陕西省煤炭工业局，陕西 西安 710001； 3. 陕西省煤炭地质测量技术中心，陕西 西安 710001； 4. 陕西省煤田地质局，陕西 西安 710054）摘要： 陕北侏罗纪煤田煤层埋藏浅，地表生态环境脆弱，煤炭开采过程中的环境保护备受关注。目前重点开发的神北矿区和榆神矿区东部，煤层埋深普遍小于 150 m，开采导致水位下降，诱发一系列表生生态环境问题和社会矛盾。表生生态环境严格受控于地下水位，采煤过程中，控制地下水位不发生明显下降是陕北生态脆弱矿区保水开采的核心。榆神矿区含煤地层整体向北西倾斜，煤层上覆基岩厚度向北西方向增大，基岩之上普遍分布有红土隔水层，深入研究煤炭开采过程中不对含水层造成破坏的煤水共生地质条件，确定既可采煤、又可实现水位不明显下降的区域，是陕北生态脆弱矿区保水开采的重要途径。论述了榆神矿区西部区保水开采地质条件，提出了开发建议。关键词： 萨拉乌苏组； 生态水位； 煤层； 保水开采； 榆神矿区中图分类号： TD 82； TD 1630引言文献标志码： A鄂尔多斯盆地是我国最大的能源矿产富集盆地，煤、石油、天然气和铀矿等能源矿产极其丰富，预测全盆地煤炭资源总量达 19 765 亿 t，占全国煤炭资源总量的 43% 以上1。国家规划的 13 个大型煤炭基地，在鄂尔多斯盆地内的有神东、陕北等 4 个，陕北基地的主体为榆神区，该区东部煤层埋藏浅，采煤与保水、保生态环境的矛盾存在2，3，开采过程中地下水渗漏严重，引起了泉水干涸和河流量的持续衰减4。而矿区处于生态脆弱区，观测资料表明，研究区最适合沙漠植被生长的地下水位埋深，即合理生态地下水位埋深为 1. 5 5. 0 m5，随着地下水位埋深增加，优势植被从沙柳灌丛沙蒿灌丛演替；从小叶杨向旱柳演替。当地下水位埋深3 m 时，所有典型植被的长势良好；而地下水位埋深5 m 时，植被的长势变差；地下水位埋深12 m 时，这些植物根本无法生存。当地下水位埋深下降到 5 m 以下时，表生生态恶化，生态一旦恶化，一是难以恢复，二是恢复代价高昂。神府矿区煤层开采实践表明，浅部煤层一旦开采，必然导致水位下降，生态退化。因此，控制地下水位是生态脆弱矿区科学开采的核心。榆神深部区位于榆林市榆阳区北部和神木县西部的榆溪河流域，大致呈东西向展布的四边形，面积约 2 016 km2。1煤层特征延安组为本区唯一的含煤岩系，为浅灰 深灰色陆源碎屑沉积，总厚 200 270 m，根据沉积旋回，划分为 5 段，区内具有对比意义的煤层有 10 层，主要可采煤层有 2 2，3 1，5 2，5 3 煤层 4 层，文中主要介绍上部的 1 2 ，2 2煤层。*收稿日期： 2009 09 23基金项目： 国家自然科学基金项目（50574074） ； 陕西省陕北能源化工基地重大前期研究项目及陕西省软科学计划（2008KR58）通讯作者： 王双明（1955 ） ，男，陕西岐山人，高级工程师，博导，主要从事煤地质、保水开采与煤炭行业管理工作.21. 1煤层厚度西安科技大学学报2010 年1 2煤层：为本区最上部可采煤层，煤厚一般为 0. 8 3 m，厚度变化小，规律性强，在小壕兔勘查区内有厚度小于 0. 8 m 的不可采区，面积 181. 95 km2。煤厚大于 1. 5 m 的分布于研究区东北、西北部，面积为541. 23 km2（ 如图 1 所示） 。煤层结构简单至较简单，属稳定煤层。孟家湾西区、小保当区煤层厚度小于1. 5 m，但分布稳定。小壕兔勘查区大部不可采。其他区域煤层稳定，厚度变化很小。2 2煤层：东南部薄、西部厚，厚度 0. 20 9. 26 m（ 如图 2 所示） ，为基本全区可采煤层，西南部最厚，在刀兔 岔河则一线以西分岔，合并区一般煤厚 7 m 左右，分岔区一般煤厚 2 m 左右，厚度变化趋势是以东南部为扇面中心，向西、北、逐渐加厚，东北部局部减薄，但仍然大于 2. 80 m，适合综采，其中最适合一次采全高（ 煤厚 0. 80 5 m） 的区域面积 879. 32 km2，占总面积的 43. 6% ，5 7 m 分布面积 527. 70 km2，占26. 2% 。在勘查区东南部有小片不可采区，面积 53. 59 km2. 小壕兔普查区 2 2 煤层见煤点 26 个，可采点23 个，厚度 0. 20 8. 65 m，平均 3. 71 m，可采区平均厚度 4. 15 m；孟家湾西区见煤点 17 个，全部可采，厚度 4. 13 9. 06 m，局部一个薄煤点，0. 84 m，厚度变化是由东南向西北方向增厚，适合综采。1 2煤与 2 2煤之间的间距 40 m 左右。N1.100.81.49N7.202.80小0.362.367.05.802.60壕兔1.5小5.03.863.0小 保 当 详 查 区普查区小 保 当 详 查 区1.096.33壕兔普5.04.763.286.021.5孟 家 湾9.269.06.51查4.70区4.44孟 家 湾3.07.09.08.389.098.650.85.22孟 家 湾 西 普 查 区1.33051015 km孟 家 湾 西 普 查 区7.608.707.05.715.06.900.272.31 0.20051015 km图 11 2 煤层等厚线图Fig. 1Isopach of 1 2 coal seam1. 2煤层埋深图 22 2 煤层等厚线图Fig. 2Isopach of 2 2 coal seam榆神矿区深部最上部 1 2煤层埋深 150 530 m，一般 300 500m（ 如图 3 所示） 。2 2 煤层埋深 240 570 m，平均 460 m，埋藏深度向西逐渐增大（如图 4 所示） 。NN503.95小 441.70壕351.68小477.90兔317.79 196.87壕兔普查区小 保 当 详 查 区563.81423.31117.11普查区412.12413.65孟 家 湾396.78小 保 当 详 查 区381.98336.68孟 家 湾 西 普 查 区051015 km609.68孟 家 湾 西 普 查 区452.96365.36291.58317.28280051015 km图 31 2 煤层埋深等值线图Fig. 3Isoline of 1 2 coal seam burying depth2煤层覆岩结构特征图 42 2 煤层埋深等值线图Fig. 4Isoline of 2 2coal seam burying depth煤层覆岩结构类型为沙 土 基岩类型，即萨拉乌苏组沙层、新近系土层和侏罗系基岩全区分布。2. 1煤层顶板基岩厚度及工程地质性质1 2煤层上覆基岩厚度 100 400 m，平均 300 m，局部厚度变化较大，反映了基岩顶界面的凹凸不平（ 如图 5 所示） ；2 2 煤层上覆基岩厚度 285. 78 512. 04 m，平均 375 m（ 如图 6 所示）。值得关注的是，煤层上覆基岩厚度的变化趋势，与本区萨拉乌苏组厚度关系较密切。 320 2 0 0 2 6 0 3 2 0 38 0 380 44 0 440 500 52 0 40 0 40 0 2 8 0第 1 期王双明等：榆神矿区煤水地质条件及保水开采3研究区煤层顶板基岩包括风化岩组、粉砂岩与泥岩互层岩组、砂岩岩组等。其中风化岩组一般厚度30 40 m. 原基岩裸露面较高处，风化强度大，基岩面低洼处，风化厚度较薄，其原因是岩组受后期冲刷剥蚀影响所致。区内风化岩组主要为洛河组及安定组岩石。风化岩层内部由上到下风化程度逐渐减弱，强风化带原岩结构破坏，疏松破碎，孔隙率大，含水率高，强度减小。多数岩石遇水短时间内全部崩解或沿裂隙破碎。岩石饱和抗压强度为 4. 9 8. 5 MPa，属软弱岩石，岩石属劣质（） 级，岩体完整性差；粉砂岩、泥岩组与煤层开采有直接关系，由粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、砂质泥岩组成。多出现于煤层顶、底板，岩石含有较高的粘土矿物和有机质，发育较多的水平层理、小型交错层理、节理裂隙及滑面。岩石平均饱和抗压强度为 20. 73 28. 10 MPa，软化系数 0. 62，属软弱类岩石，RQD 平均值为 71. 3% ，岩石质量好，岩体较完整；砂岩类以中粒砂岩和细砂岩为主，次为粗粒砂岩。多形成煤层老顶和老底，原生结构面有块状层理、槽状层理、大型板状交错层理。单层厚度大，构造结构面不太发育。 饱和抗压强度为 32. 6 40. 9MPa，软化系数 0. 58，属较硬类易软化岩石。RQD 值 78. 2% ，岩石质量较好，岩体较完整，是普查区内稳定性较好的岩组。N38.82402.36379.95343.68291.77219.96N445.24小405.60400.46300小壕兔普查区214.53小 保 当 详 查 区262.92 219.18209.37443.0262.22432.89301.63壕兔普查区299.36203.41小 保 当 详 查 区278.28433.08360.09269.44402.23318.08孟 家 湾358.66孟 家 湾 西 普 查 区309.88261.79孟 家 湾051015 km孟 家 湾 西 普 查 区357.06051015 km图 51 2 煤层上覆基岩厚度等值线图Fig. 5Isoline of 1 2 coal seam overlying rock thickness2. 2萨拉乌苏组底部红土隔水层全区分布，但厚度变化大。小壕兔区红土隔水图 62 2 煤层上覆基岩厚度等值线图Fig. 6Isoline of 2 2 coal seam overlying rock thicknessN小壕层出露于矿区浅部和中部，深部钻探工程可见，分布不均匀，厚度为 0 110 m，南厚北薄，一般厚度为 20 60 m（ 如图 7 所示） ，在研究区东界即榆溪河与秃尾河分水岭地带，厚度大于 100 m. 岩性为土黄、棕红、浅紫红色粘土及亚粘土，含钙质结核，富水性极差，是区内的主要隔水层；孟家湾西区土层隔水层厚孟 家 湾 西 普 查 区兔普查区孟 家 湾小 保 当 详 查 区051015 km度变化较大，中间地带薄，小于 20 m，向南、北 2 侧均加厚，最大厚度处于东北角一带，厚度超过 80 m. 红图 7红土隔水层厚度等厚线图Fig. 7Isopach of red-soil water-resisting thickness土孔隙度 41. 9% 42% ，液限 25. 9% 26% ，塑限 18% ，干燥时致密坚硬，具有一定的强度。3保水开采地质条件3. 1保水对象萨拉乌苏组地下水水位保水开采，以往一些观点认为，充分利用了萨拉乌苏组地下水资源，就是保水开采，但浅部煤层开采实践表明，采煤均引起了萨拉乌苏组地下水水位的大幅度下降，使合理的生态水位下降，表生生态环境恶化，河川基流量衰减，流域生态退化，并难以恢复。因此，笔者在最近完成的课题中，提出了以控制地下水位为核心的保水开采新思路，保水的对象就是保护萨拉乌苏组水位的相对稳定和下降幅度不超出合理生态水位。研究区萨拉乌苏组厚度 7 144. 01 m（ 如图 8 所示） ，区内中部厚，北、西部薄，南部适中。富水性西北部强 极强。统降统径涌水量达 1 279 3 292 m3/ d，东部较强，为 1 132. 90 1 206. 00 m3/ d，西部中等， 12 0 1 8 0 24 0 36 0 240 5 0 10 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 35 0 40 0 45 0 50 40 20 20 40 60 80 60 40 20 100 80 60 40 204西安科技大学学报2010 年为 758. 80 871. 00m3/ d. 潜水的形成为直接接受降水补给和北部侧向径流补给及凝结水补给，多年平均降水量为 378. 5 mm，降水入渗率为 35. 7% .潜水层基底为粉质粘土、泥岩组成的相对隔水层，基底形态特征呈南倾的缓斜坡，于中部下凹。在区内中南部潜水出露排泄形成河流至南界出区，具有相对独立的流域水文地质单元。水化学类型简单，水质良好，未受污染。 研究区萨拉乌苏组地下水位埋深一N孟 家 湾 西 普 查 区小壕兔普查区孟 家 湾小 保 当 详 查 区051015 km般 3 6 m，部分区段超过 12 m，地貌上表现为流动沙丘。3. 2煤层开采对萨拉乌苏组水位的影响3. 2. 1导水裂隙带发育高度图 8萨拉乌苏组含水等厚线图Fig. 8Isopach of Scarah Wusu group water-containing layer导水裂隙带发育高度是否到达萨拉乌苏组含水层底部，是决定采煤是否影响表生生态的主要因素，导水裂隙带发育到含水层底部，就会引起萨拉乌苏组地下水的渗漏、水位下降。因此，科学预测导水裂隙带发育高度，是划分保水开采条件分区的重要基础工作。导水裂隙带高度预测方法，主要是经验公式法、室内模拟法和数值模拟法及实测。针对陕北煤层覆岩工程地质条件。依据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程（“三下规程”） 和矿区水文地质工程地质勘探规范（GB12719 91） （ 规范） 给出的经验公式。导水裂隙带包括冒落带和其上发育的裂隙带，中硬顶板导水裂隙带发育高度，可按“三下规程”中给出 2 种计算公式进行预测，最大导水裂隙带高度为 102 m，除研究区东北角外，其他广大区域，远小于煤层上覆基岩厚度，煤层开采不会影响萨拉乌苏组含水层地下水位，可实现保水位开采。文献6详细研究了浅埋煤层开采导水裂隙带分布特征，据神北矿区大柳塔煤矿的生产经验，煤层开采后形成的导水裂隙带高度为开采高度的 10 15 倍，即 150 m 左右，而在本区此高度一般不会波及上部含水层，不会形成突水溃沙、疏干地表水等事故，基本不影响生态安全。文献7研究了榆树湾煤矿首采长壁工作面裂隙带发育高度，运用 RFPA2D进行走向和倾向 2 个数值模拟试验。试验表明，覆岩最大裂隙带的高度为 92 m. 通过模拟表明在距工作面 40 60 m 处的地表土层出现了不同长度的裂缝，地表裂缝未与裂隙带贯通，裂隙带与地表土层裂隙之间，在倾向模拟时和走向模拟时分别有 30. 18 m 的土层隔离带。通过进行安全分析得到了最小安全防水煤岩柱厚度为 95 m，表明数值模拟结果与工程开采实践基本一致。因此，研究区 1 2，2 2 煤层开采，产生的导水裂隙带发育最高点离萨乌苏组底部仍然有一定的距离，采动条件下，新近系红土处于整体下沉带内，除采空区边缘外，其稳定性良好。3. 2. 2采动条件下红土隔水层稳定性据统计：2 2煤层顶板与萨拉乌苏组潜水含水层底界间距一般 385 m，与洛河组基岩含水层底界间距一般 300 m. 经计算 2 2煤层冒落带最大高度为 36. 24 m，导水裂隙带最大高度为 92. 22 m，由此可见 2 2 煤层上覆基岩厚度是导水裂隙带最大高度的 4 倍，一般情况下，导水裂隙带不会波及至基岩顶面，不可能与上覆各含水层勾通。同时，深部区普遍分布有红土隔水层，厚度大于 20 m，最大厚度超过 80 m，采动条件下，红土隔水层隔水稳定性能较好8，地表生态环境基本不受采煤影响。例如，最佳开采区域之一的小保当区，正好处于榆溪河与秃尾河 2 大流域的分水岭地带，属于第 4 系萨拉乌苏组含水层富水弱的区域，其开采对生态环境、地下水的影响很小。榆神西部可实现既供水又安全采煤，地表及浅部可建水源地解决矿井建设水源，尽可能合理利用水资源和优质煤炭资源，达到采水、采煤、保护生态环境并举的绿色矿区9 13。4结论及建议榆神矿区所在的区域生态环境脆弱，建设国家级能源化工基地，开发煤炭与保护生态环境，特别是稀 10 20 30 40 50 60 70 80 10 20 30 30 20第 1 期王双明等：榆神矿区煤水地质条件及保水开采5缺的水资源，必须科学开采，协调发展，建设现代化矿井和现代化开采技术的同时，合理开发、保护水位稳定，实现水、煤协调开发，做好采煤与生态环境控制。根据 20 a 来陕北煤炭开发的基本经验和长期研究、实践，陕北煤炭资源的科学开采，应确保隔水层稳定和地表水“不漏失”，以保护生态水位为核心，合理选择采煤区域，科学确定采煤方法。榆神矿区西部煤层覆岩厚度大，从采煤与生态环境保护关系角度看，是陕北侏罗纪煤田最佳开采区域之一，开发前景较好。建议进一步调整、修改陕北能源化工基地规划，做好陕北侏罗纪煤田开发区域性大规划的同时，强化矿区规划的科学性和实用性，不能见煤就规划开采区（ 井田） ，按照采煤与水位保护并举的思路规划建设，合理开发利用矿产资源，减少开采损害和次生地质灾害，保护矿山地质生态环境，促进西部大开发战略的科学落实。参考文献References1 王双明. 鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价M. 北京：煤炭工业出版社，1996.WANG Shuang-ming. 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