榆橫礦區十六臺勘查區保水采煤分析

陳 波，張小萌

(陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021)

0 引言

陜北侏羅紀煤田煤層賦存地質條件好，資源儲量豐度大，煤質優良，但生態環境脆弱，薩拉烏蘇組是最重要的含水層，也是維系生態環境的重要物質基礎，煤炭資源開采對其影響顯著[1]，針對陜北地區生態環境脆弱、富煤、缺水的實際情況提出了保水采煤技術體系[2]。國內眾多學者對我國西部生態脆弱區保水采煤開展了深入研究，王雙明等[3]研究了煤水賦存空間組合關系和保水開采條件分區，建立了保水采煤技術體系；范立民[4]在保水采煤科學內涵提出保水采煤保護含水層與隔水層的關系研究；李濤等[5]對生態脆弱礦區松散含水層下采煤保護土層合理厚度進行了研究；范立民[6]提出薩拉烏蘇組含水層與植被關系密切是維系當地生態環境平衡的最主要因素；范磊[7]就毛烏素沙漠薩拉烏蘇組地下水特征與植被分布關系進行了分析討論；王雙明等[8]提出了生態水位的合理埋深，指出地下水位埋深1.5～5.0 m為煤礦區維系表生生態環境良性發展的合理水位區間。

十六臺勘查項目是陜西省2015年第2批地質勘查基金項目，依據《綠色勘查指南》為指導性標準，踐行綠色煤炭地質勘查，保障煤炭綠色開發。為此，以煤炭綠色地質勘查、水文地質調查、抽水試驗及化驗測試等資料為基礎，通過分析研究區水文地質特征及保水采煤條件，以期為生態脆弱區保水采煤和生態環境保護提供基礎依據。

1 研究區概況

研究區位于榆橫礦區東北部，隸屬于榆林市榆陽區芹河鎮管轄，東直距榆林市約18 km，面積約77 km2，如圖1所示，處于毛烏素沙漠南緣與陜北黃土高原接壤地帶，屬于溫帶干旱半干旱大陸季風氣候，年均降雨量不足500 mm。區內地形平坦，地勢總體北高南低，呈風蝕風積沙漠丘陵地貌，地表無連續水系分布，水資源匱乏，生態環境脆弱。區內揭露地層由老至新依次為三疊系上統瓦窯堡組(T3w)，侏羅系下統富縣組(J1f)，侏羅系中統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)及第四系中更新統離石組(Q2l)、上更新統薩拉烏蘇組(Q3s)及全新統風積層(Q4eol)。大地構造位于鄂爾多斯盆地之次級構造單元陜北斜坡中部，地層為一向北西微傾的單斜，地層傾角小于1°，構造總體簡單。

圖1 研究區位置

煤系地層侏羅系中統延安組(J2y)平均厚度258 m，為一套河流、湖泊、河湖過渡的濱湖-三角洲及沼澤相沉積，是鄂爾多斯盆地中生界最主要的含煤巖系，巖性以淺灰白色中細粒長石砂巖、深灰色泥巖、粉砂巖及煤層為主，一般含煤10余層，可采煤層2層，分別為3、4-2號煤層，其中3號煤層全區可采，埋深在153～294 m，平均厚度1.15 m；4-2號煤層大部可采，埋深200～345 m，平均厚度1.37 m。煤層結構簡單，一般不含夾矸，為大部至全區可采穩定的薄-中厚煤層。煤類主要為長焰煤，屬于低變質程度煙煤，煤質指標優良，具有低灰、低硫、高揮發分、高發熱量的特點，是良好的動力用煤。

2 水文地質特征

研究區水文地質條件與區域水文地質特征的統一性，但由于受地層分布、埋藏及其地貌的影響，又與區域存在差異性。根據區內地下水的賦存條件及水力特征，將地下水劃分為兩大類型，即第四系松散巖類孔隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。

2.1 地表水

本區位于榆溪河以西，無定河以北，區內地表無連續水系分布，僅局部存在不連續的天然海子，主要接受大氣降水，水量隨季節性降雨變化較大，水質pH值為9.22，水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型，礦化度0.179 g/L，水質較好。

2.2 第四系松散巖類孔隙潛水

分布及厚度：第四系上更新統薩拉烏蘇組潛水含水層，地表分布廣泛，主要出露于沙漠灘地和沙丘間洼地，分布不均，一般在古溝槽及低洼中心沉積較厚，其厚度介于3.5～45 m，平均厚度為24 m，具體分析情況如圖2所示。下部為褐灰、灰黃色砂質亞砂土、粉細砂與淺灰黃色亞黏土互層；上部為淺灰黃色、灰紫色及雜色中細砂、粉砂及砂土互層狀，是第四系潛水主要的含水層，其上植被發育或為農田，常稱“沙漠綠洲”。

圖2 薩拉烏蘇組含水層厚度分布圖

水位及涌水量：通過調查區內24口民用水井，井底深度為8～34 m，均屬薩拉烏蘇組潛水，據水位觀測(圖3)表明薩拉烏蘇組潛水位在1.2～3.5 m之間，平均水位為2.2 m。富水性的強弱與厚度分布有一定的關系，其含水層多被風積沙層覆蓋，常與其構成統一含水層，直接接受大氣降水的補給，水位埋藏較淺，且與下伏中更新統透水性較弱的離石組黃土層構成了薩拉烏蘇組潛水良好的富集儲存條件。據區內鉆孔抽水試驗結果(表1)表明，含水層厚度26.49 m，水位埋深2.51 m，當降深9.69 m時，涌水量6.14 L/s，單位涌水量0.633 9 L/(s·m)，滲透系數2.96 m/d，水化學類型為HCO3-Ca·Na型，礦化度為369.2 mg/L，富水性中等。

表1 各含水層抽水試驗成果

圖3 薩拉烏蘇組含水層水位等值圖

2.3 碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水層

侏羅系中統安定組砂巖承壓含水層：分布不全，主要分布于北部，由北向南逐漸變薄以致剝蝕殆盡。下部為淺紫紅色中厚層狀中、細粒砂巖，發育水平層理及波狀層理；上部為紫、暗紫紅色中細粒長石砂巖夾紫紅、灰綠色粉砂巖和泥巖韻律層，頂部常夾有泥巖薄層。含水層以中、細粒砂巖為主，含水層平均厚度30.65 m，局部基巖風化帶未遭切割，連續性較好，易于接受上部含水層地下水的下滲補給。據區內鉆孔抽水試驗結果(表1)表明，含水層厚度40.24 m，水位埋深9.16 m，當降深74.78 m時，涌水量0.45 L/s，單位涌水量0.005 4 L/(s·m)，滲透系數0.005 8 m/d，水化學類型為SO4-Ca·Na型，礦化度1 487.1 mg/L，富水性弱。

侏羅系中統直羅組砂巖承壓含水層：全區分布，以淺灰綠色中細粒砂巖、粉砂巖、泥巖為主，底部主為淺灰白色中、粗粒砂巖且分布穩定，發育大型板狀、楔狀交錯層理。含水層巖性主要以中、細粒砂巖以及底部的中、粗粒砂巖為主。據區內鉆孔抽水試驗結果(表1)顯示，含水層厚33.97 m，水位埋深25.72 m，當降深32.47 m時，涌水量0.28 L/s，單位涌水量0.008 6 L/(s·m)，滲透系數0.005 3 m/d，水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Na型，礦化度470.0 mg/L，富水性弱。

侏羅系中統延安組砂巖承壓含水層：全區分布，保存較完整，是區內主要含煤地層，巖性以淺灰白色中、細粒砂巖、深灰色泥巖、粉砂巖、煤層(線)為主，其底部廣泛發育一套巨厚-厚層狀中、粗粒長石砂巖，俗稱“寶塔山砂巖”，賦存有主要可采的3號、4-2號煤層。含水層主要以細粒砂巖夾中粒砂巖為主，因埋藏較深，巖石較完整，裂隙不甚發育，含水量貧乏，含水層平均厚度為148.25 m。據鉆孔抽水試驗結果表明，含水層厚度58.34 m，水位埋深46.05 m，當降深77.74 m時，涌水量0.43 L/s，單位涌水量0.005 4 L/(s·m)，滲透系數0.008 1 m/d，水化學類型為HCO3-Ca·Na型，礦化度208.3 mg/L，富水性弱。

3 保水條件分析

3.1 分析方法

調查表明區內降水稀少，蒸發強烈，地表水系不發育，地表大部被第四系風積層及薩拉烏蘇組所覆蓋，地表植被發育較好，多為沙蒿、沙柳，薩拉烏蘇組潛水是區內主要的飲用水、灌溉水源，也是保水采煤的目標含水層。范磊等[9]通過對毛烏素沙漠薩拉烏蘇組地下水特征與植被分布關系的分析，提出灘地地區植被與潛水位埋深關系密切，植被對潛水位埋深具有較強的依賴性，植被的生態效應敏感；王啟慶等[10]提出在陜北生態脆弱區影響地下水資源的因素主要有導水裂隙帶發育高度、上覆基巖厚度及隔水黏土層厚度，黏土層及基巖中泥巖在天然條件下具有較好隔水性，但煤層采動對其影響較大，確定保水采煤條件的關鍵指標為隔水層的厚度，開采煤炭資源的同時保護礦區水資源首先要查明礦區煤層的空間賦存特征及其與含(隔)水層的關系，再根據開采形成的導水裂隙帶的發育規律與所采煤層上覆基巖的關系，規劃開發區域、選擇合理的采煤方法[11]，本次主要通過研究隔水層條件和導水裂隙帶的發育高度情況來分析其保水條件。

3.2 隔水層條件

離石組厚度及水理性質：第四系離石組黃土層為區內主要的隔水層，基本全區分布，其上被薩拉烏蘇組潛水含水層所覆蓋。據鉆孔揭露，該組地層厚度介于11.7～58.2 m，平均厚度30 m，在區中部較厚，如圖4所示，以2-1號鉆孔向四周逐漸變薄趨勢，巖性為淺灰黃色、淺棕黃色亞黏土及亞砂土為主，含分散狀灰白色不規則豆狀、顆粒狀鈣質結核，半固結，結構致密，滲水條件差，不易滲入，是薩拉烏蘇組潛水得以儲集的重要條件。通過化驗測試，離石黃土層水理性質中黏粒含量為15.4%，孔隙比為0.61～0.84中密-密實，滲透系數為0.09～0.97 m/d之間，屬弱到較強隔水層。

圖4 離石組厚度等值線

含(隔)水層與煤層空間組合關系：從垂向來看，組成區內煤層覆巖的含、隔水層自上而下依次為第四系薩拉烏蘇組中等富水含水層及全新統風積層、第四系離石組黏土隔水層、基巖孔隙裂隙承壓富水弱含水層(安定組、直羅組和延安組)，據鄧念東等[12]的研究將保水采煤的工程條件分為5個區，即：沙-土-洛-基型保水開采區(Ⅰ)、沙-土-基型保水開采區(Ⅱ)、沙-基型保水開采區(Ⅲ)、無水開采區(Ⅳ)、燒變巖型保水開采區(Ⅴ)，研究區煤層與覆巖的空間組合特征，如圖5所示，屬于“沙-土-基型”，薩拉烏蘇組潛水含水層直接賦存于離石組黏土隔水層之上，形成了較好的空間保水條件，較容易的實現保護薩拉烏蘇組潛水含水層。

圖5 含(隔)水層與煤層空間組合關系

3.3 導水裂隙帶的發育高度

經驗公式：對上覆含水層的保護主要取決于采煤引起的導水裂隙帶是否波及到目的含水層中，充水通道主要是煤層開采形成的冒落、冒裂裂隙。導水裂隙帶的計算主要為經驗公式計算，區內主要可采煤層為延安組第3段3號、4-2號煤層，層位穩定，煤層傾角平緩且與地層一致，傾角小于1°，上覆基巖以砂巖為主，平均巖石抗壓強度為23.76 MPa，頂板管理方法為采用全部陷落法，因此綜合以上條件據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(2017)中推薦的中硬巖類冒落帶、導水裂隙帶發育高度經驗公式。

(1)

(2)

式中，Hm—冒落帶最大高度，m；Hli—導水裂隙帶最大高度，m；∑M—累計采厚，取煤層厚度，m。

計算結果：依據公式計算，結果由表2可以看出，3號煤冒落帶發育最大高度5.71～8.58 m，導水裂隙帶最大高度為21.99～32.77 m，采煤時冒落帶和導水裂隙帶均在正常基巖里發育。4-2號煤冒落帶最大高度5.71～9.59 m，導水裂隙帶最大高度21.99～36.14 m，經與煤層間距進行比較，上距3號煤間距42.55～48.92 m，理論上無法與上層3號煤采空區相互溝通。

表2 冒落帶、導水裂隙帶計算結果

隔水作用：經分析表明，理論上冒落帶和導水裂隙帶發育高度不會波及上層的薩拉烏蘇組潛水含水層，況且上部離石組黃土隔水層發育連續穩定，可起到良好的隔水作用，煤層開采時一般不會影響到上部薩拉烏蘇組潛水含水層。但在煤層開采時也不能排除煤層開采引發其他地質環境問題，從而破壞薩拉烏蘇組地下水的結構，引起生態破壞。

4 結論

(1)研究區生態環境脆弱，薩拉烏蘇組潛水含水層是主要的含水層和供水水源，富水性中等，是維系生態環境的重要物質基礎，保水意義重大。

(2)主要隔水層第四系離石組黏土結構致密，滲水條件差，是薩拉烏蘇組潛水賦存儲集的重要條件，煤層與覆巖形成了較好的空間保水條件。

(3)經計算，理論上冒落帶和導水裂隙帶發育高度不會波及上層的薩拉烏蘇組潛水含水層，采取適當措施可實現保水采煤，保護生態環境，促進生態平衡良性發展。