榆神礦區最上可采煤層賦存規律及開采危害程度

李智學，申小龍，李明培,3，王紅勝

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榆神礦區最上可采煤層賦存規律及開采危害程度

李智學1,2,3，申小龍2，李明培2,3，王紅勝4

(1. 陜西投資集團有限公司，陜西 西安 710061；2. 陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021；3. 陜西投資集團創新技術研究院有限公司，陜西 西安 710061；4. 西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054)

為研究榆神礦區最上可采煤層賦存及開采對薩拉烏蘇組含水層危害程度，依次分析了榆神礦區最上可采煤層賦存特征、最上可采煤層與上覆主要含(隔)水層空間分布規律及組合類型，基于基載比和采高的最上可采煤層覆巖導水裂隙帶發育規律、煤層開采對薩拉烏蘇組含水層危害程度，將榆神礦區開采受危害程度分為4類：自然保水區、保水采煤區(影響大區和影響小區)、采煤失水區及采煤無水區。結果表明：受構造及剝蝕作用影響，榆神礦區最上可采煤層及上覆基巖呈差異剝蝕，煤露頭線從SE向NW呈階梯狀分布，最上可采煤層上覆基巖由NW到SE方向逐漸變薄。榆神礦區西部(三、四期)最上可采煤層開采后對薩拉烏蘇組含水層危害程度小或沒影響；榆神礦區東部(一、二期)最上可采煤層開采后對薩拉烏蘇組含水層危害程度大。

最上可采煤層；賦存規律；危害程度；薩拉烏蘇組；基載比；榆神礦區

榆神府礦區位于鄂爾多斯盆地北部、譽為世界七大煤田之一的陜北侏羅紀煤田的中東部，面積5 161.68 km2，煤炭資源量高達751.57億噸，為特低灰特低硫的優質動力用煤和化工原料用煤，并且地質構造較簡單、煤層近似水平，建設大型現代化礦井的條件優越，劃分為四期規劃區分期開發(圖1)。由于該礦區地處我國西北內陸毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，干旱少雨缺水，生態環境脆弱，淺埋煤層區域的煤礦開采易導致含水層破壞[1-4]，引發礦井突水潰沙地質災害和礦區生態環境破壞等問題。對此，許多單位和學者對礦區生態環境保護[5-7]、含水層保護[8-9]、地質災害防治[6,9]、保水采煤[10-12]等進行了研究，取得了大量研究成果[13-15]。但是，受勘查資料豐富程度和開采范圍影響，前人研究主要集中在榆神礦區東南部一、二期規劃區，對西北大部三、四期規劃區的煤層賦存條件及煤炭開采危害程度的詳細研究較少。受差異剝蝕作用影響，榆神礦區不同區域自上而下第一層可采煤層，即最上可采煤層的分布具有明顯不同。本文通過系統收集榆神礦區各規劃區地質勘查基礎資料、水文補勘資料、研究報告及煤礦開發相關資料，統計1 243余口鉆孔的最上可采煤層及上覆含(隔)水層數據，系統研究了全礦區主要可采煤層和最上可采煤層賦存規律及其與上覆含(隔)水層空間分布關系，分析了基于不同基載比條件下最上可采煤層開采引起的危害程度及其分區差異，可為今后榆神礦區三、四期規劃區的合理規劃、高效開發及生態環境保護提供科學依據。

1 榆神礦區最上可采煤層分布特征

1.1 最上可采煤層平面分布

榆神礦區延安組含煤地層自上而下賦存1–2、2–2、3–1、4–2、5-2、5–3可采煤層，受沉積及后期剝蝕作用，各主要可采煤層的分布具有不同特征。

1–2煤層分布于礦區中雞東南部和孟家灣以西、小壕兔—爾林兔勘查區一帶，可采厚度0.80~9.72 m，東北薄、西—西南厚。聚煤中心位于孟家灣西勘查區，厚度7~9.72 m(圖1a)。

2–2煤層分布范圍較大，東部2–2煤火燒巖界線以東火燒殆盡；北部宮泊溝、西部榆溪河一帶剝蝕嚴重，為不可采區。煤層可采厚度0.8~12.49 m，聚煤中心位于大保當一帶，平均厚度達到10.04 m(圖1b)。榆神三期、四期范圍內2–2煤層厚度大多在8 m以內。

3–1煤層分布于3–1煤火燒巖界線以西。煤層可采區厚度較穩定，一般為0.80~3.91 m，平均厚度約2 m(圖1c)。

4–2煤層分布于榆神礦區中部及北部，可采厚度0.80~4.20 m，一般在3 m左右，涼水井煤礦最厚達到4.20 m(圖1d)。

5–2煤層可采區主要分布于榆神礦區馬合—孟家灣—金雞灘—大保當—錦界以北及錦界以東的區域，可采煤層厚度0.80~8.82 m(圖1e)。5–3煤層可采區厚度多在3 m以上，分布規律與5–2煤基本一致。

將各可采煤層分布區疊合，即可得到榆神礦區最上可采煤層的分布圖(圖1f)，反映了不同可采煤層的平面組合關系。最上可采煤層1–2、2–2、3–1、4–2、5–2、5–3煤從北西向南東呈階梯狀分布。1–2煤最上可采區主要分布在榆神四期與三期西部；2–2煤最上可采區主要分布在榆神四期東北部、三期東南部及一期；3–1、4–2、5–2、5–3煤最上可采區露頭(或隱伏露頭)從榆神二期由北西向南東呈階梯狀分布。各最上可采煤層厚度見表1。

1.2 最上可采煤層埋深

從最上可采煤層的埋深等值線圖(圖2)看，最上可采煤層的埋深由南東向北西逐漸增大(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煤層埋深基本在280 m以深，明顯深于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煤主要是因為禿尾河及其支流對煤層上覆巖層的沖蝕造成，特別是錦界以北區域。

表1 最上可采煤層厚度與埋深

圖1 榆神礦區可采煤層厚度及最上可采煤層分布圖

圖2 最上可采煤層埋深等值線圖

2 最上可采煤層與上覆主要含(隔)水層空間分布關系

榆神礦區最上可采煤層上覆含水層有侏羅系延安組、直羅組、安定組與白堊系洛河組及第四系薩拉烏蘇組，對煤礦開采有影響的含水層主要為白堊系洛河組和薩拉烏蘇組含水層，隔水層為第三系保德組紅土與第四系黃土(圖3)。不同最上可采煤層上覆主要含水層和隔水層發育特征具有明顯的差異。

2.1 主要含水層分布特征

a.薩拉烏蘇組沙層含水層

巖性主要由灰褐色及灰黑色粉沙、細沙和中沙組成，夾亞砂土、亞黏土，出露于低洼灘地及沙丘間低灘地。薩拉烏蘇組與風積沙厚度變化較大，約0~150 m，一般灘地中部較厚，向四周逐漸變薄。主要分布在榆神一期、三期規劃區及四期規劃區西南部與二期規劃區西北部(圖4)。薩拉烏蘇組含水層為榆神礦區主要潛水含水層，主要接受大氣降水的補給，富水性中等—強。

b.洛河組砂巖含水層

巖性主要為紫紅色、棕紅色巨厚層狀中粒、粗粒石英長石砂巖。主要分布在榆神三期規劃區西部及四期規劃區，出露于中雞北部及紅堿淖等地。從砂巖含水層等值線圖(圖5)看，含水層總體呈自東而西、自南而北變厚的趨勢，厚度0~279.90 m，最厚處位于榆神礦區西南部孟家灣一帶，其他區域厚度約30~50 m。出露區洛河組砂巖含水層主要接受降水補給，具有潛水性質；覆蓋區接受第四系潛水補給和側向徑流補給，又具有承壓性質，富水性弱—強。

圖3 榆神礦區煤系及上覆巖層柱狀示意圖

2.2 土層隔水層分布特征

榆神礦區土層(離石黃土與紅土)基本全區分布(圖6)，厚度為0~180 m。最上可采5–2和5–3煤層分布區上覆土層埋深較淺，且剝蝕嚴重，殘留厚度10 m左右；最上可采4–2煤層上覆土層厚度10~50 m，厚度變化較大；最上可采3–1煤層上覆土層厚度10~ 50 m，東部和南部較厚，北部較薄。這4層煤層主要分布于榆神礦區二期，分布區土層與基巖呈不整合接觸，禿尾河流域土層大范圍的缺失，形成透水“天窗”。最上可采2–2煤層分布區上覆土層厚度10~170 m，其中榆神一期土層厚度10~170 m，榆神三期、四期土層厚度10~50 m，禿尾河上游及榆溪河下游有大范圍的缺失；最上可采1–2煤層分布區上覆土層厚度10~90 m，孟家灣及西部有較大范圍缺失。

2.3 最上可采煤層與含(隔)水層的空間分布關系

通過統計分析榆神礦區最上可采煤層及上覆地層與含(隔)水層鉆孔資料數據(表2)可知，最上可采3–1、4–2、5–2煤層為淺埋薄基巖煤層，上部無洛河組含水層，煤層頂面距離土層隔水層平均分別為60.25 m、64.31 m和73.13 m，距離沙層含水層底平均分別為85.84 m、99.53 m和100.75 m。最上可采2-2煤層為淺埋—中埋深煤層，賦存區除西部有洛河組含水層外，大范圍洛河組缺失；有洛河組含水層區域(榆神三期西部以西)煤層頂面距離土層隔水層平均為342.27 m，距離沙層含水層底平均為362.55 m，與洛河組底平均距離為291.05 m。最上可采1–2煤為中—深埋煤層(分布于榆神四期)，煤層頂面距離洛河組砂巖含水層平均為294.01 m，距離土層隔水層底平均363.18 m，距離沙層含水層底平均為405.41 m。總體上看，最上可采煤層與上部含(隔)水層的距離由南東向北西逐漸增大。

圖6 榆神礦區土層厚度等值線圖

表2 最上可采煤層與上覆含(隔)水層空間距離統計表

圖7 榆神礦區煤系及其上覆地層剖面示意圖

最上可采煤層及其上覆含(隔)水層的空間關系反映在地層剖面圖上(圖7)，除煤層、含(隔)水層具有上述空間距離關系外，還具有以下空間分布規律：

a.受區域構造運動[16-19]及差異剝蝕[20-22]影響，在北西方向(近地層傾向)，最上可采煤層上覆基巖由南東向北西地層年代由老到新呈階梯狀分布，基巖頂面傾向與地層傾向相反。

b.基巖頂面高程較高，上部土層和薩拉烏蘇組厚度相對穩定；基巖頂面高程較低，上部土層厚度變薄至缺失，薩拉烏蘇組厚度增大，具有一定的相關性。

3 最上可采煤層覆巖導水裂隙帶發育規律

綜上可知，榆神礦區一、二期最上可采煤層為淺埋薄基巖煤層，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中導水裂隙帶發育高度推薦公式不一定適合淺埋煤層導水裂隙帶高度計算；國內學者針對榆神礦區淺埋煤層賦存特點擬合形成了導水裂隙帶高度計算公式[23-24]中，僅將煤層采高作為評判導水裂隙帶發育高度唯一變量，造成計算的導水裂隙帶高度與實際高度相差較大。本節基于關鍵層理論，綜合采用物理模擬、數值模擬及現場實測結果，將煤層基載比[25-27]和采高作為導水裂隙帶發育高度計算參數，系統分析榆神礦區最上可采煤層不同基載比、不同采高下覆巖導水裂隙帶發育規律，采用Matlab數學軟件擬合不同基載比、采高與導水裂隙帶高度的關系，得到了榆神礦區最上可采煤層覆巖導水裂隙帶發育高度二元一次函數關系式(式1)。

式中li為導水裂隙帶，m；J為基載比；為采高，m。

利用式(1)的計算結果顯示，榆神四期1–2煤開采后導水裂隙帶發育高度為20.95~187.41 m，導水裂隙帶發育高度距離洛河組底界89.9~303.6 m；榆神三期和四期2–2煤分布區(有洛河組區域)導水裂隙帶發育高度為15.69~211.49 m，導水裂隙帶高度距離洛河組底界為103.52~356.01 m；上述兩種情況下導水裂隙帶均未波及薩拉烏蘇組，且距離較遠。榆神三期和四期2–2煤分布區(無洛河組區域)導水裂隙帶發育高度為26.98~ 220.38 m，導水裂隙帶高度距離基巖頂面為6.74~320.11 m，未波及薩拉烏蘇組。因此，榆神礦區三、四期最上可采煤層開采后對薩拉烏蘇組含水層影響較小或沒有影響；榆神一期2–2煤分布區導水裂隙帶發育高度87.12~ 226.32 m，絕大部分區域導水裂隙帶導通基巖頂面，由于土層隔水層對薩拉烏蘇組含水層的保護，采動對沙層含水層的影響較小；榆神二期最上可采煤層采動導水裂隙帶發育高度41.51~103.96 m，絕大部分區域導水裂隙帶亦導通基巖頂面，甚至導通土層頂面，對上覆薩拉烏蘇組含水層影響(或破壞)大。

4 最上可采煤層開采引起的危害程度

為探究榆神礦區導水裂隙帶最大發育高度與煤層上部巖層的空間關系，及其對薩拉烏蘇組含水層的危害程度，分析了導水裂隙帶發育高度、薩拉烏蘇組分布、土層隔水層分布、最上可采煤層分布及其埋深等地質因素。本次研究首先以薩拉烏蘇組分布范圍為指標，劃分出榆神礦區最上可采煤層覆巖無含水層區域；并確定各最上可采煤層分布區煤層采動對上覆含水層的影響程度；再依據最上可采煤層及其埋深、導水裂隙帶發育高度、土層隔水層分布范圍等數據對比分析，綜合確定最上可采煤層開采對薩拉烏蘇組含水層的影響。

經過上述多因素綜合評判最上可采煤層開采后對薩拉烏蘇組含水層的影響，將開采區劃分為自然保水、保水采煤(影響小區和影響大區)、采煤失水、采煤無水4類危害程度分區(圖8)。

①自然保水區導水裂隙帶最大發育高度距離洛河組較遠，更不及洛河組，加之上覆土層隔水層厚度相對穩定，隔水性能較好，最上可采煤層開采后，對上覆薩拉烏蘇組含水層影響很小或無影響，可以起到自然保水。主要分布在1–2和2–2煤層埋藏較深的榆神礦區四期及三期。

圖8 榆神礦區煤層開采危害程度分區圖

②保水采煤區根據導水裂隙帶發育高度對薩拉烏蘇組含水層影響程度分為保水采煤影響小區和保水采煤影響大區，需要采取必要的保水開采措施。

a.保水采煤影響小區導水裂隙帶最大發育高度影響至基巖頂面以上、土層底面以下，土層隔水層對上覆薩拉烏蘇組含水層具有一定的保護作用，煤層開采對含水層影響相對較小。主要分布在最上可采煤層2–2煤層埋藏相對較深的一期中西部與三期東南部及3–1煤層埋藏相對較深四期東部與二期西北部。

b.保水采煤影響大區上覆基巖相對較薄，土層局部缺失，導水裂隙帶最大發育高度已突破土層頂面，煤層開采對薩拉烏蘇組含水層的影響大。主要分布在最上可采2–2煤層埋藏相對較淺的一期東南部。

③采煤失水區上覆基巖薄，土層局部缺失，導水裂隙帶最大發育高度局部導通薩拉烏蘇組含水層，煤層開采對薩拉烏蘇組含水層影響較大，含水層水直接側向流失。主要分布在最上可采3–1、4–2煤層埋藏較淺的二期西北部。

④采煤無水區上覆基巖薄，土層局部缺失，導水裂隙帶最大發育高度局部導通基巖頂面甚至流動沙層，因流動沙層不連續分布，且不含水或富水性弱，故為無水區，煤層開采不涉及上覆沙層含水層。主要分布在二期中部和東南部最上可采煤層5–2、4–2煤層分布區。

總體來看，一期和二期規劃區保水開采研究程度較高，劃分的開采危害程度分區基本與前人的類似，本次更細致圈定了煤層采后覆巖導水裂隙帶影響至基巖頂面和土層頂面的區域，為所在區域的煤礦保水采煤提供了更詳實的地質依據。而對于前人保水開采研究較弱的榆神三期和四期，通過煤層厚度、地層結構、巖層空間位置及導水裂隙發育高度研究，認為榆神三期和四期規劃區煤層開采后對上覆含水層影響很小。

5 結論

a.受區域構造運動的影響，榆神礦區最上可采煤層與上覆基巖差異剝蝕，5–3、5–2、4–2、3–1、2–2、1–2煤露頭線從SE向NW呈階梯狀分布；最上可采煤層上覆基巖由NW到SE方向逐漸變薄，即榆神礦區西部(三、四期)最上可采煤層1–2與2–2煤厚度相對較薄、上覆基巖厚度大，榆神礦區東部(一、二期)2–2煤相對較厚、最上可采煤層上覆基巖厚度薄。

b.引入基載比、采高兩個參數，得出榆神礦區不同基載比條件下覆巖導水裂隙帶高度擬合公式，用公式計算的導水裂隙帶高度知，榆神礦區西部(三、四期)最上可采煤層開采后導水裂隙帶發育高度距離薩拉烏蘇組含水層底界相對較遠，對薩拉烏蘇含水層影響小或沒有影響；榆神礦區東部(一、二期)最上可采煤層開采后導水裂隙帶發育高度直接或間接影響到薩拉烏蘇組含水層。

c.根據最上可采煤層與上覆含(隔)水層的空間分布關系，及其與導水裂隙帶發育高度與對薩拉烏蘇組的危害程度，將榆神礦區劃分為自然保水區、保水采煤影響小區、保水采煤影響大區、采煤失水區和采煤無水區?？梢娪苌竦V區西部(三、四期)最上可采煤層開采后對薩拉烏蘇組含水層危害程度小或沒影響；榆神礦區東部(一、二期)最上可采煤層開采后對薩拉烏蘇組含水層危害程度大。

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[26] 趙兵朝，同超，劉樟榮，等. 西部生態脆弱區地表開采損害特征[J]. 中南大學學報(自然科學版)，2017，48(11)：2990–2997.ZHAO Bingchao，TONG Chao，LIU Zhangrong，et al. Characteristics of mining-induced surface damage in western ecological fragile region[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2017，48(11)：2990–2997.

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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)

李智學，1963年生，男，陜西乾縣人，教授級高級工程師，博士，從事煤田地質學研究與科研管理工作. E-mail：xianzhonglou114 @sina.com

李明培，1986年生，男，湖北襄樊人，工程師，碩士，從事固體礦產勘查研究與科研項目管理. E-mail：snlimp@126.com

李智學，申小龍，李明培，等. 榆神礦區最上可采煤層賦存規律及開采危害程度[J]. 煤田地質與勘探，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

國家重點基礎研究計劃(973計劃)項目(2015CB251600)

(責任編輯 周建軍)