榆林地區北部侏羅紀古河道砂體與采煤涌(突)水關系分析

吳立群 ，王建英，楊 帆，鄭宇航，焦養泉，榮 輝,王宏科， 馬雄德，孫 魁，陳雪永，屈 伸，李金輝

(1.中國地質大學 構造與油氣資源教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074；2.陜煤集團神木張家峁礦業公司，陜西 神木 719300；3.陜西陜煤陜北礦業有限公司，陜西 榆林 719000；4.長安大學 水利與環境學院，陜西 西安 710054；5.陜西省地質環境監測總站 自然資源部礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054)

陜北侏羅紀煤田是我國中西部一個大型煤炭工業基地，建有多個年產能為120萬～800萬t的現代智能化開采煤礦。然而，榆神—神府礦區的涌(突)水事故時有發生。長期以來，人們一直認為第四系薩拉烏蘇組含水層和侏羅系燒變巖含水層是侏羅紀煤田采煤涌(突)水的主要來源，但是諸如錦界煤礦異常大的涌水量(6 500 m3/h)[1-2]；以及禿尾河中上游地表泉(群)的較大流量(通常>50 L/s，一般300 L/s左右)[3-6]，特別是采煤涌(突)水并未造成薩拉烏蘇組和燒變巖含水層地下水位的明顯下降[7]，這些現象足以說明侏羅紀煤田的采煤涌(突)水還有其他的地下水補給。

基于20多年來對鄂爾多斯盆地直羅組砂巖型鈾礦的研究，以及直羅組產鈾層位與侏羅紀煤田可采煤層的空間配置關系研究[8-10]，筆者認為直羅組底部的古河道砂體可能也是榆神礦區礦井涌(突)水的主要水源。為此，在闡述直羅組古河道與延安組可采煤層空間配置關系基礎上，通過砂巖型鈾礦對直羅組古河道含水層的依賴關系，直羅組古河道隱伏露頭區與地表泉(群)、涌(突)水礦井的空間配置等方面的分析，力爭證實直羅組古河道是重要的含水層并闡明其與礦井涌(突)水的關系，從而為水害防治、保水采煤、煤-鈾兼采提供基礎地質信息[11]。

陜北榆林地區侏羅紀含煤巖系主要由富縣組、延安組和直羅組構成，富縣組和直羅組含煤線和薄煤層[12]，可采煤層主要位于延安組[13-16]。

在延安組可采煤層的上部——直羅組下段，發育了一套具有區域規模的古河道砂體(簡稱直羅組古河道)，在研究區內被解釋為辮狀河三角洲沉積體系成因[12,17-18]。直羅組底部的辮狀河-辮狀三角洲沉積體系域是一套橫跨蒙陜兩省，源于烏拉山物源的具有超大規模的砂質和礫質沉積朵體，其殘留面積1.6萬km2，中軸厚度達93～250 m，普遍具有良好的儲層物性[10,18]。

1 砂巖型鈾礦與直羅組古河道含水層的關系

21世紀以來，鄂爾多斯能源礦產勘查的重大勘查突破當屬具有世界級規模的東勝鈾礦田的發現，該礦田產出于直羅組古河道上游的內蒙古自治區[10,18-25]。砂巖型鈾礦也被稱之為“水成鈾礦”，是源于造山帶的富鈾含氧地表流體于盆地邊緣滲入多孔介質砂巖中，形成層間承壓水并發生層間氧化作用，當鈾被運移至氧化-還原的地球化學障附近時便發生變價而富集成礦(圖1)，卸載了鈾的地下水將持續向前運移并通過斷層或者剝蝕天窗等排泄于地表。因此，砂巖型鈾礦的形成發育需要依賴于超大規模、穩定分布的砂體(多孔介質)，也必然會存在一個成礦期的區域成礦流體系統，東勝鈾礦田的產出說明直羅組古河道曾經是一個超大規模的承壓含水層。

圖1 由孔隙中鈾質膠結物而呈現的水成鈾礦 基本特征(掃描電鏡)Fig.1 Basic characteristics of hydric uranium deposits presented by uranium cements in pores(Scanning electron microscope)

砂巖型鈾礦的開發巧妙地運用了砂巖多孔介質和含水層的基本特征，業界稱之為地浸采鈾技術。該技術利用一組鉆孔將溶劑注入礦層，經過充分氧化將鈾溶解于地下水中，再利用另外一組鉆孔將礦液吸取地面，濃縮形成初級產品(黃餅)。目前，東勝鈾礦田的納嶺溝鈾礦床已經通過了地浸采鈾實驗，即將投入開采。

由此可見，砂巖型鈾礦的形成發育和地浸開發是一個互逆的過程，無論是成礦和還是采礦均離不開“水”，地下水充當了鈾質運移的載體，因此直羅組古河道肯定是一套區域含水層。

2 地表泉群與直羅組古河道含水層的關系

泉是地下水的天然露頭，地層格架和水文地質能夠為泉的水源補給提供解釋。在榆神—神府礦區，地面分布眾多的泉眼，其中一些泉非常著名，如普惠泉等。調查發現，1994年該區共有泉2 580眼，總流量為4 997.059 7 L/s。然而，至2015年殘存泉376眼，總流量996.392 L/s，認為采煤對其影響最大[7]。

值得注意的是，在榆溪河流域、禿尾河流域和考考烏素溝流域，一些泉集中發育形成泉群，而泉群又進一步地形成了規模宏大的榆神—神府礦區泉帶[3-7]，該泉帶恰好位于榆神—神府礦區的毛烏素沙漠與黃土地貌的分界線上。對比發現，該泉帶不僅直接位于直羅組古河道的隱伏露頭上方，而且具有異常高的流量(通常大于50.0 L/s，歷史最高可達521.99 L/s)。

比較典型的泉群有8個，榆溪河流域的SG1，包括色草灣泉、鐘家溝泉、香水溝泉、駱駝峰泉、榆陽泉等；禿尾河流域中上游的香水村—溝掌泉(SG2)、青水溝泉(SG3)、采兔溝泉(SG4)、黑龍溝泉(SG5)、袁家溝泉(SG6)和青草界泉(SG7)；考考烏蘇溝流域上游的SG8，包括侯家母河和肯鐵嶺河的源頭泉(圖2)。在該泉帶中，有一類是特殊的煤層燒變巖出露泉。由于燒變巖孔隙和裂隙極其發育，但分布范圍和含水層厚度有限，所以此類泉的流量具有極端性，很小或者較大。分析發現，無論是窟野河(考考烏蘇溝)流域還是禿尾河流域，燒變巖出露泉的流量與直羅組古河道的空間距離關系密切，間距越小流量越大。例如，檸條塔露天區2-2煤燒變巖出露泉流量為75.23 L/s，而下伏3-1煤燒變巖出露泉(水頭泉)的流量為40.78 L/s；采兔溝2-2煤燒變巖出露泉的流量高達77.85～313.34 L/s，直羅組古河道地下水經燒變巖以“泉”的形式出露地表，因此具有極大的超常流量(圖3)[3,5]；在張家峁井田，烏蘭不拉溝2-2煤燒變巖出露泉的涌水量或地下水的富水性均高于3-1煤燒變巖[26]。在紅柳林井田東北部，4-3煤和4-4煤燒變巖出露泉流量均小于0.45 L/s[27]。

由第四系(地表風積沙-薩拉烏蘇組)、洛河組和延安組形成的出露泉具有較低的流量(通常小于10.0 L/s，個別達30.0 L/s左右)，且出露較為分散，其中分布于考考烏蘇溝流域以北及以東的散布泉似乎對采煤的響應更為敏感，目前大部分已干涸(圖2)。第四系和延安組出露泉，散布于整個研究區，典型的有涼水井泉、扎林川泉、蘆溝源頭泉、紅柳溝源頭泉、河掌灣泉。洛河組的出露泉，僅分布于中雞以東地區，典型的有朱蓋溝(石拉溝)源頭泉、呼家塔泉等。

大流量泉群與地層的空間配置關系表明，榆神—神府礦區泉帶與直羅組古河道地下水具有密切的關系。直羅組古河道隱伏露頭上方集中發育的泉帶以及超常的流量，不僅說明直羅組古河道為重要的含水層，而且它為榆神—神府礦區泉帶提供了主要的水源，從這個意義上講可以命名為直羅組古河道地下水出露泉。當然，榆神—神府礦區泉帶的水源，也不排除有薩拉烏蘇組含水層的貢獻，但可能不是主要的，因為鉆孔抽水試驗顯示薩拉烏蘇組的涌水量多數小于13.0 L/s，個別鉆孔達到36.22 L/s[28-29]，不足以為泉帶提供高達521.99 L/s的供水量。

典型泉的歷史最大流量：SG1—榆溪河流域的榆陽泉(56.22 L/s)、色草灣泉(231.10 L/s)、鐘家溝泉(238.86 L/s)、香水溝泉(309.83 L/s)； SG2—香水村—溝掌泉(201.39 L/s)；SG3—青水溝泉(399.30 L/s)；SG4—采兔溝泉(313.34 L/s)；SG5—黑龍溝源頭泉(304.34 L/s)；SG6—袁家 溝泉(206.61 L/s)；SG7—青草界泉(521.99 L/s)；SG8—侯家母河源頭泉(92 L/s)、肯鐵嶺河源頭泉、檸條塔2-2煤燒變巖出露泉(75.23 L/s)[3-7]圖2 榆林地區北部泉群與地貌、地層露頭的空間配置關系(據文獻[6]修改)Fig.2 Spatial configuration relationship between spring groups,landforms and stratigraphic outcrops in northern Yulin area(Revised according to Reference [6])

圖3 采兔溝2-2煤燒變巖及其出露泉，禿尾河流域Fig.3 2-2 coal burnt rock and exposed spring in Caitugou,Tuwei River

3 延安組采煤與直羅組古河道含水層的關系

在鄂爾多斯盆地北部，不僅榆神—神府礦區泉帶表現出了與直羅組古河道的密切關系，近10多年來延安組的采煤也證實了直羅組古河道含水層與煤礦涌(突)水量具有明顯的關系。

3.1 研究區延安組采煤的涌(突)水響應

榆神—神府礦區的水文地質條件看似簡單，但自從延安組開始采煤以來，礦井多次發生涌(突)水事故。例如，1990年瓷窯灣煤礦先后發生2次突水潰沙災害；2005年5月常樂堡煤礦2-2煤發生涌水事件(涌水量120 m3/h，排水量210 m3/h)；2004年3月上河煤礦3煤發生突水淹井事故，最大突水量500 m3/h；2012年11月隆德煤礦發生透水流沙事故，致使煤礦大面積垮塌；2021年7月郝家梁煤礦發生突水潰沙事故，5人被困[2,30]；錦界井田雖未發生突水事故，但十幾年來涌水量一直較大，成為鄂爾多斯盆地涌水量最大的煤礦，2008年前礦井涌水量3 800 m3/h，2011年達到5 700 m3/h，2012年再創新高，達到6 500 m3/h，2020年為4 900 m3/h[1,30]；2011年5月檸條塔煤礦發生突水，起初水量1 300 m3/h，后逐漸穩定至1 000 m3/h左右，且維持數月不減；紅柳林、金雞灘、榆樹灣等井田的礦井涌水量也曾經達到1 000 m3/h左右[30]。

長期以來，人們一直認為薩拉烏蘇組和延安組煤層燒變巖地下水是榆神—神府礦區礦井突水的主要水源。但是，范立民等[2]研究發現錦界井田、檸條塔井田南翼等幾個涌水量較大煤礦的涌(突)水，并未導致上覆薩拉烏蘇組和燒變巖含水層地下水位的明顯下降，顯然其涌(突)水具有其他的來源。王生全等[1]對錦界井田采面探放水及回采過程涌水量的研究發現，3-1煤工作面上覆風化基巖厚度與涌水量呈正相關(圖4)，王生全等[1]所說的風化基巖實為3-1煤的直接頂板——直羅組古河道砂體，礦井的主要充水通道為采煤所形成的導水裂隙帶，充水水源主要來自直羅組古河道含水層，次為薩拉烏蘇組含水層。

注：31101-31102工作面涌水量小于100 m3/h;31103，31104， 31105工作面涌水量介于黃色柱頂面與紅色柱頂面數值之間。圖4 錦界井田3-1煤采煤工作面涌水量與直接頂板直羅組 古河道砂體厚度關系(據文獻[1]編制)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])

最新的直羅組古河道砂體的區域空間分布規律的編圖發現，發生涌(突)水事故的煤礦以及涌水量非常高的煤礦，無一例外地分布于直羅組古河道的隱伏露頭區附近或者下方(圖5)。前者如常樂堡煤礦、上河煤礦、郝家梁煤礦、紅柳林煤礦(圖5)，后者如錦界煤礦、檸條塔煤礦、隆德煤礦等(圖5,6)。這些煤礦所在的部位，同樣也是大流量泉群或者泉帶分布的部位，它們應該具有相同的水源供給——直羅組古河道含水層。

進一步的研究證明，直羅組古河道砂巖厚度越大富水性越強[31]，古河道距采掘工作面越近，發生涌(突)水的危害性越大。

注：直羅組砂體厚度大于30 m的區域為古河道預測區。圖5 鄂爾多斯盆地北部直羅組古河道與延安組煤礦井田的空間配置關系Fig.5 Spatial configuration relationship between paleochannel of Zhiluo Formation and coal mine field of Yan’an Formation in northern Ordos Basin

3.2 鄰區延安組采煤的涌(突)水響應

另外一個典型實例毗鄰榆神—神府礦區，是位于陜蒙邊界西側的呼吉爾特礦區，該區位于直羅組古河道的中上游(圖5)，為延安組采煤涌(突)水來源于直羅組古河道含水層提供了充分的佐證?？辈楹蜕a發現，在直羅組古河床沖刷帶中部的煤礦，單孔平均涌水量普遍大于古河床兩側(圖7)，其中母杜柴登煤礦首采工作面涌水量超過1 000 m3/h[32]。

4 采煤涌(突)水多要素協同耦合機理與模式

任何地質模式都是基于典型地質體的精細解剖和成因解釋，通常帶有鮮明地區色彩。通過榆神—神府礦區充水含水層、輸導通道、采煤及裂隙等關鍵水文地質參數的空間配置、耦合關系及其采煤時域分析，可以構建地下水系統的基本地質格架模型，這對于闡明泉群或泉帶的發育演化機理、揭示采煤涌(突)水的形成機制和進行水害預測防治具有實際意義。

在榆神—神府礦區，與延安組采煤涌(突)水相關的關鍵參數有2類，即充水含水層和充水輸導通道。其中，充水含水層共有6個，分別是延安組煤層燒變巖含水層、直羅組古河道含水層、洛河組含水層、薩拉烏蘇組含水層、地表風積沙含水層和地表水系。充水輸導通道有4類，分別是中生界的剝蝕界面(J2z/J2y，K1l/J1-2和N-O/J-K)、小型斷層、煤層燒變巖裂隙、人工采煤裂隙(圖8)。

圖7 內蒙古自治區呼吉爾特礦區古河道、煤層及單孔平均涌水量關系(據文獻[32]編制)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—神府礦區恰好位于鄂爾多斯盆地東緣的直羅組剝蝕露頭區，是直羅組古河道地下水的天然排泄區。在大規模采煤之前，以直羅組古河道為主、薩拉烏蘇組和地表風積沙為輔的含水層，主要通過中生界的系列剝蝕界面和煤層燒變裂隙的輸導通道，為榆神—神府礦區泉帶的形成發育提供了充足的水源。在此，燒變巖出露泉具有特殊性，表面上看泉水出自于燒變巖，實則燒變巖充當了其他含水層水力傳遞“二傳手”的角色(圖8(a))。但是，隨著延安組煤層的開采，上覆地層發生變形，原有地下水系統遭到破壞。其中，最為顯著的變化是形成了地下水新的輸導通道(采煤裂隙)以及新的儲存空間(礦井巷道)，這為地下水排泄創造了良好條件，于是在原有水文地質要素的變革和耦合下便形成了采煤涌(突)水的地下水系統新格局。當然，由于直羅組古河道含水層規模巨大且直接為可采煤層的頂板，所以對采煤涌(突)水的威脅更大(圖8(b))。在煤礦地下水系統的新格局中，隨著采煤的持續，礦井的涌水量和排水量將逐漸加大，這必將減少原有地表泉群或泉帶的供水量，而導致其逐漸干涸，20余年間榆神—神府礦區地表泉的數量衰減了84%[6]。

在含水層和輸導通道的耦合疊置關系中，隨著采煤時域的變化各參數對采煤涌(突)水的影響因子也會發生變化。顯然，在榆神礦區的一期和二期規劃區，直羅組古河道、薩拉烏蘇組、燒變巖、地表風積沙含水層和地表水系都有可能參與到采煤涌(突)水的體系之中。但是從含水層的厚度、分布面積以及與可采煤層的距離等方面看，直羅組古河道含水層都是最為關鍵的水文要素，對采煤的涌(突)水危害不可忽視。隨著3期規劃區和4期規劃區的投產，不僅煤層頂板直羅組古河道含水層的危害性將越來越突出，而且洛河組含水層的影響也將開始顯現(圖8(b))。

5 直羅組古河道含水層潛在影響與水害防治建議

5.1 直羅組古河道含水層的潛在影響

對直羅組古河道砂體的區域編圖和初步調查發現，榆林地區北部直羅組古河道發育具有顯著的非均質性，總體呈現北西—南東向分布的3條規模不等的古河道分支對下伏相關井田的采煤造成了潛在威脅(圖5)。

(1)北部古河道分支規模最大，主要沿紅堿淖—爾林兔—錦界一帶產出，分布面積達1 651 km2。該分支古河道直接下切了延安組的1煤組、2煤組和3煤組，對1-2煤、2-2煤、3-1煤的采煤(將)造成不同程度的涌(突)水威脅。涉及的井田、煤礦和勘查區主要有：錦界井田、紅柳林井田、檸條塔井田、惠寶煤礦、中雞勘查區西南部、中雞南勘查區、爾林兔普查區。

(2)中部古河道分支規模次之，主要沿巴纖采當—恍惚兔—王家灣一帶分布。該分支古河道下切幅度有限，主要對1-2煤、2-2煤的采煤具有涌(突)水威脅，但也可以威脅3-1煤的采煤。涉及的井田、煤礦和勘查區主要有：榆樹灣井田、杭來灣井田、西灣露天區、金雞灘井田、曹家灘井田，以及小壕兔勘查區的西南部等。

(3)南部古河道分支位于榆林市西北部，紅石峽為其野外露頭，主要威脅榆橫礦區的采煤。

5.2水害防治措施與研究建議

(1)要加強侏羅紀含煤巖系“區域地下水系統”的基礎地質學研究，查清和厘定地下水系統的關鍵要素，特別是地下水補給水源和地下水輸導通道的研究。闡明關鍵水文地質要素與可采煤層的空間配置規律，構建地下水系統格架模型。

(2)重點加強對煤系直接頂板直羅組古河道砂體的精細刻畫，開展古河道時空分布規律的定位區域預測、區域沉積非均質性的成因解釋、區域含水層的物性參數和富水性測試與調查，特別是古河道與煤礦井田的空間配置關系研究等。

(3)以煤礦或井田為單位，評判各含水層對采煤涌(突)水的影響因子，特別是加強直羅組古河道的地下水流場研究，揭示古河道的物理結構、孔滲物性、富水性等。重點闡明古河道-采掘工作面之間的關系，揭示古河道-采掘工作面之間的地質結構、巖石力學性質、斷-裂縫帶等。

6 結 論

(1)直羅組古河道砂體具有區域性的分布規模，在其上游形成的具有世界級規模的東勝鈾礦田證實直羅組古河道是一套區域含水層，因為含水層是砂巖型鈾礦形成發育和未來開發的必要條件。

(2)在直羅組古河道隱伏露頭的上方，集中發育了具有超常流量的泉群和泉帶，它們距直羅組古河道越近其流量越大，說明直羅組古河道為重要的含水層，為榆神—神府礦區泉帶提供了主要的水源。

(3)直羅組古河道含水層構成了延安組含煤巖系的直接頂板，采煤證實直羅組古河道含水層與煤礦涌(突)水具有明顯的關系。位于古河道潛伏露頭附近的煤礦易于發生涌(突)水事故，而位于古河道下方的煤礦涌水量罕見，且采煤涌(突)水量與古河道砂體厚度呈正相關。

(4)從關鍵水文地質參數的空間配置、耦合關系及其采煤時域的角度，構建了榆神—神府礦區采煤涌(突)水的成因機理模型，該模型闡明了泉帶的形成發育和演化機理，揭示了采煤涌(突)水的形成機制，為水害預測和防治提供了依據和建議。