李成偉，劉 飛

(1.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西 西安710100;2.陜西延長石汕集團研究院，陜西 西安710065)

陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)麻黃梁井田水文地質(zhì)特征及礦床充水條件分析

李成偉1，劉 飛2

(1.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西 西安710100;2.陜西延長石汕集團研究院，陜西 西安710065)

陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)麻黃梁井田位于榆神礦區(qū)東南部，榆林城東北方向。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤炭資源豐富。從鄂爾多斯盆地東部地下水類型、含水巖組等區(qū)域水文地質(zhì)條件入手，對陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)麻黃梁井田水文地質(zhì)條件進行探討。此基礎(chǔ)上，從煤層上覆基巖所處的古地形、煤層頂板上覆基巖厚度、煤層頂板上覆基巖的巖性及與煤層燃燒區(qū)的關(guān)系對巷道突水強度進行了分析，對該煤礦在巷道掘進的進程中出現(xiàn)較強突水的原因進行研究，為今后的生產(chǎn)提供技術(shù)資料。

水文地質(zhì)特征;地下水;含水巖組;含(隔)水層;巷道突水;巷道突水因素分析

麻黃梁井田地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，地表全部被第四紀(jì)松散沉積物所覆蓋，東、南部及北部地貌以黃土梁崗區(qū)為主，其余為沙漠灘地。地勢總體東、南部及北部較高，海拔標(biāo)高一般1 160～1 310 m，最高點位于井田東部，標(biāo)高1 371.1 m，最低點位于井田東南部溝谷中，標(biāo)高1 235 m，最大相對高差136.1 m。區(qū)內(nèi)無地表水系。

井田內(nèi)整體地質(zhì)構(gòu)造簡單，主煤層3號煤層厚度大，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，埋藏淺，煤質(zhì)優(yōu)佳，是良好的動力用煤和氣化、液化等工業(yè)用煤。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

1.1 地下水類型及含水巖組

本區(qū)域位于陜北侏羅紀(jì)煤田的西南部，陜北黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶。區(qū)域東部及南部為水系發(fā)育的黃土梁峁地形，西部及北部為沙漠灘地及低緩黃土梁崗地形。全區(qū)基本上為一個四周較高(北部及西部地勢高、東部為榆溪河與佳蘆河及禿尾河的分水嶺、南部為無定河與大理河的分水嶺)，中部低洼(沙漠灘地區(qū))，向南開口(流向東南的無定河及榆溪河)的不對稱的高原盆地地形。區(qū)域內(nèi)較大水系有無定河及其支流榆溪河、海流兔河和硬地梁河。

地下水的形成、分布和水化學(xué)特征主要受地貌的制約，此外還受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、古地理環(huán)境及水文氣象諸因素綜合控制。根據(jù)以上特征，將區(qū)域內(nèi)地下水類型分為新生界松散巖類孔隙及裂隙孔隙潛水，中生界碎屑巖類裂隙孔隙潛水與層間承壓水兩大類，并劃分為七個含水巖組。

1.2 隔水層

本區(qū)隔水層主要為新近系上新統(tǒng)靜樂組紅土，其主要巖性為紫紅或褐紅色粉砂質(zhì)粘土，夾數(shù)層薄層古土壤層，含大量鈣質(zhì)結(jié)核。連續(xù)分布于王家灣、喬界、董家灣鄉(xiāng)連線以東，厚度30～120 m，系新生界與基巖之間的隔水層。

在基巖段，隔水層主要為煤系地層中分布面積大且厚度在10～30余 m的厚層泥巖類，由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖等組成，它們?yōu)楦魃皫r含水層之間的隔水層。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌及地表水系

本煤礦區(qū)處于毛烏素沙漠與黃土高原過渡帶的東南邊緣。地勢總體東部、南部及北部較高。地貌上井田東、南部和北部以黃土梁崗地形為主，其余地段以沙漠灘地為主，其上多被現(xiàn)代風(fēng)積沙覆蓋。最高點位于井田東部的梁峁處，高程1 371.1 m，最低點位于井田的東南角沖溝處，高程1 235.0 m，最大相對高差 136.1 m。

井田內(nèi)無水系發(fā)育，無溪流流出區(qū)外。

2.2 含(隔)水層水文地質(zhì)特征

煤礦區(qū)水文地質(zhì)條件受區(qū)域水文地質(zhì)條件的控制，顯示了與區(qū)域水文地質(zhì)特征的統(tǒng)一性。但由于受地層分布、埋藏及其地貌的影響，又顯示了小區(qū)域性的差異性。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的賦存條件及水力特征，將區(qū)內(nèi)地下水劃分為兩種類型:即第四系松散巖類孔隙及孔隙裂隙潛水、碎屑巖類裂隙水;五個含水巖層(組):上更新統(tǒng)沖湖積層孔隙潛水、第四系中更新統(tǒng)黃土孔隙裂隙潛水、燒變巖區(qū)孔洞裂隙水、侏羅系碎屑巖類風(fēng)化殼裂隙水、碎屑巖類裂隙承壓水?，F(xiàn)將井田的主要含(隔)水層特征敘述如下:

2.2.1 第四系上更新統(tǒng)沖湖積層孔隙潛水(簡稱薩拉烏素組潛水Q31s)

分布于礦區(qū)中部，寬1～2 km，長約3 km，在井田東北部亦有小面積分布。含水層基本上呈面狀連續(xù)分布于灘地區(qū)，地下水賦存條件嚴(yán)格受現(xiàn)代地貌、古地理環(huán)境及含水層厚度和巖性的控制，該區(qū)薩拉烏蘇組地層厚度約10～50 m。

地層主要由松散的粉細沙、粉沙夾粉土組成，地下水賦存條件較好，含水層厚度12.50～24.12 m，水位埋深 3.80～5.50 m，降深 3.18 ～15.23 m，涌水量為 187.66 ～641.78 m3/d，單位涌水量 0.140 5 ～ 0.920 6 L/s·m，滲透系數(shù)0.687～9.386 m/d，富水性中等。水化學(xué)類型為型以HCO3—Ca型水為主，其次為 HCO3—Na·Ca型水，礦化度204.35 ～212.58 mg/L。

2.2.2 第四系更新統(tǒng)(Q2l)黃土孔隙裂隙潛水

廣布全區(qū)，為黃土梁崗地形，除礦區(qū)東部、南部及北部均有面積較小的黃土出露外，其余地段均隱伏于薩拉烏蘇組及風(fēng)積沙地層之下。黃土厚6.59～147.68 m，一般為50～80 m。含水層巖性主要為粉土質(zhì)黃土，厚度一般為40～60 m。

水位埋深靠近灘地區(qū)較淺，一般小于10 m，靠近黃土梁崗區(qū)較深，一般10～20 m。水位埋深8.26～11.02 m，降深7.51～10.02 m，涌水量 29.26 ～53.14 m3/d，單位涌水量0.025 13 ～0.042 6 L/s·m，滲透系數(shù) 0.346 5 m/d，富水性弱。水化學(xué)類型均為 HCO3－Ca型水，礦化度 219.16～273.62 mg/L。

2.2.3 燒變巖區(qū)孔洞裂隙水

礦區(qū)東南部以3號煤層自燃邊界線為界。3號煤層自燃區(qū)，其頂板失重塌落造成的破碎層和裂隙密集帶具有良好的儲水空間及導(dǎo)水通道。但是，在本井田煤層自燃區(qū)內(nèi)，煤層頂板很薄，尤其燒變巖層很薄甚至沒有，儲水空間變差;其上又有厚度較大分布穩(wěn)定的靜樂組紅色粘土隔水層，地下水補給條件較差。通過火燒巖區(qū)SM311鉆孔揭露，3號煤層已自燃，頂板為厚19.86 m的紫紅色燒變巖，巖心較完整，鉆至該層無漏水現(xiàn)象發(fā)生;本次施工的M507、M508鉆孔，均處于煤層燃燒過渡帶內(nèi)，上覆燒變巖由北部M507孔的8.86 m，向南至M508孔變薄至5.40 m，含水層變得越來越薄，儲水空間亦越來越小。據(jù)以上3個水文孔抽水試驗，含水層厚度5.20～19.86 m，水位埋深 73.52 ～144.54 m，經(jīng)抽水試驗，降深 5.18 ～25.39 m，涌水量 2.851 ～28.08 m3/d，單位涌水量 0.001 61 ～0.040 L/s·m，滲透系數(shù) 0.006 13 ～0.424 m/d，富水性弱。水化學(xué)類型為 HCO3·SO4－Na·Mg型水，礦化度 340.04 mg/L。

2.2.4 3號煤之上碎屑巖類裂隙承壓水

主要為延安組第四巖性段，全區(qū)分布，厚5.20～41.70 m，平均厚26.41 m，均隱伏于新近系靜樂組紅色粘土之下?；鶐r頂部的風(fēng)化裂隙帶一般厚20～30 m，基本上多為3號煤層的頂板。含水層主要為第四段底部真武洞砂巖。據(jù)鉆孔抽水試驗(表2)，水位埋深 12.49～25.25 m，含水層厚度31.30 ～67.93 m，當(dāng)降深 11.83 ～44.95 m，涌水量 0.26 ～71.54 m3/d，單位涌水量 0.000 1 ～ 0.068 8 L/s·m，滲透系數(shù)0.003～0.474 m/d。富水性因區(qū)域不同而差別較大，但總體富水性弱。水化學(xué)類型為 HCO3－Na·Ca型，礦化度258.52 ～286.00 mg/L。

2.2.5 3號煤之下碎屑巖類孔隙裂隙承壓水水

分布于3號煤層至延安組底界之間層段中。巖性主要為淺灰色粉、細砂巖與深灰色泥巖不等厚互層夾煤層，因埋藏深，巖石較完整，裂隙不發(fā)育，含水層較薄。儲水空間小，富水性弱。

2.2.6 隔水層

1)靜樂組紅土。廣布全區(qū)，厚 42.12～114.84 m，平均82.84 m(見圖1)。巖性為棕紅色粘土及粉砂質(zhì)粘土，具褐色斑塊，白色網(wǎng)紋，夾多層鈣質(zhì)結(jié)核層及鈣板，較致密，為第四系潛水與基巖裂隙水間良好的隔水層。

圖1 靜樂組紅土等厚線圖

2)泥巖類。在基巖中，厚度較大且連續(xù)分布的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及部分粉砂巖等泥巖類，與含水層相間分布，厚度一般為10～40 m，為層間裂隙承壓水的隔水層。

3 地下水的補給、徑流、排泄條件

本區(qū)地貌形態(tài)為黃土梁崗區(qū)及灘地區(qū)，其上多為現(xiàn)代風(fēng)積沙堆積，故第四系松散含水層潛水以大氣降水補給為主，部分為沙漠凝結(jié)水及灌溉回歸水補給。地下水的徑流主要受地形地貌的控制，流向由高至低與現(xiàn)代地形吻合，即大體由井田向東南、南及西南方向徑流。排泄是在其三方的溝谷源頭以泉或泄流的形式補給地表溪流，次為蒸發(fā)消耗、垂向滲漏和人工開采。

基巖風(fēng)化帶裂隙水，因受其上覆紅土隔水層的制約，主要接受井田外圍同一含水層的側(cè)向補給。其徑流方向在未開礦前與松散層潛水的徑流方向大體一致，亦是向東、南、及西南方向溝谷基巖出露處徑流，以泉的形式排泄。但隨著煤礦開采，巷道突水已成為新的排泄點，徑流方向發(fā)生了改變，即地下水運動由采煤前以水平運動為主轉(zhuǎn)化為以垂直運動為主，由以基流與潛流排泄為主轉(zhuǎn)化為以礦坑排水為主的排泄方式。也就是說自然狀態(tài)下的水文地質(zhì)條件發(fā)生了變化，使之形成了以主副巷道為中心的地下水位降落漏斗(見圖2)。

區(qū)內(nèi)基巖承壓水主要通過區(qū)域上基巖風(fēng)化裂縫帶潛水的下滲補給，還接受基巖裸露地段地表水的滲入補給。受區(qū)域上向西微傾的單斜構(gòu)造的影響及上下隔水層的制約，徑流方向基本沿巖層傾向由東向西或西南方向運移，愈向西部，埋藏愈深，交替循環(huán)條件愈差，基本形成了較為封閉的儲水空間，故水量小，水質(zhì)差。

圖2 3號煤層頂板含水層水位降落漏斗曲線圖

4 巷道突水因素分析

根據(jù)本次水文地質(zhì)補充勘探及對煤礦巷道突水的調(diào)查，認為巷道突水主要受以下四個因素的控制:即3號煤層上覆基巖所處的古地形、煤層頂板上覆基巖厚度、煤層頂板上覆基巖的巖性及與煤層燃燒區(qū)的關(guān)系。

4.1 煤層上覆基巖所處的古地形

圖3 3號煤層上覆基巖頂面等高線圖

中生代末，區(qū)內(nèi)地殼在燕山運動的影響下大幅度上升，結(jié)束了內(nèi)陸盆地的沉積。在濕熱多多雨的氣候條件下，前期堆積的地層遭受了強烈的物理風(fēng)化及侵蝕切割作用，至上新世初期，本區(qū)中生代基巖形成了略有起伏的古地形，成為新生代地層堆積的基礎(chǔ)。據(jù)圖3可知，與周邊井田相比，在古地形上(基巖)，基本形成了一個北、東及西側(cè)較高，本煤礦區(qū)較低并向南開口的坐椅形凹地，巷道突水區(qū)域處于古地形的最低位置，從而迫使大量基巖裂隙水徑流于此地，使其成為基巖風(fēng)化帶裂隙水的匯集之地。

4.2 煤層頂板處于風(fēng)化裂隙帶中

由于本區(qū)3號煤層的上覆基巖受到大地構(gòu)造及物理風(fēng)化和侵蝕切割作用，使其變得很薄，厚 5.40～41.09 m，平均25.86 m(見圖4)。尤其是在 ZK1861、M505、M305 及 M105鉆孔連線以南的巷道所有突水點的區(qū)域，上覆基巖厚度多小于20 m。根據(jù)勘探資料證實，本區(qū)基巖面以下20～30 m范圍內(nèi)，基巖風(fēng)化裂隙在構(gòu)造裂隙和成巖裂隙的基礎(chǔ)上進一步發(fā)育，形成密集均勻、相互交切、相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為本區(qū)3號煤層頂板基巖風(fēng)化帶裂隙水的賦存具備了較好的貯運空間條件。

圖4 3號煤層上覆基巖等厚線圖

4.3 煤層頂板巖性的變化

圖5 3號煤層頂板巖性及直接頂?shù)群窬€圖

區(qū)內(nèi)3號煤層頂板分為直接頂板和基本頂板，無偽頂。煤層基本頂板全井田分布，分布面積廣，厚度變化大，厚5.40～38.25 m，平均 26.67 m。在區(qū)內(nèi)的 M703、SM503、M305 及M105連線以北，基本頂之下均有直接頂板分布，巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，厚0.15～3.71 m(見圖5)。直接頂板雖然強度較低，但巖石均未風(fēng)化，巖石完整，裂隙不發(fā)育，再者，該區(qū)煤層上覆基巖較厚，故巷道掘進時，錨桿和錨索眼均無水流出;其連線以南，3號煤層頂板均為基本頂分布，巖性以中粒砂巖、粗粒砂巖及粗粒含礫砂巖為主，細砂巖次之，巖石均處于風(fēng)化裂隙帶中。由北向南砂巖厚度逐漸變薄，其底部風(fēng)化強度亦逐漸增強，巖石疏松破碎，裂隙張開和沿伸較好，孔隙裂隙均較發(fā)育，導(dǎo)水性富水性較強。在M505鉆孔砂巖厚度亦減薄至18.14 m，向南至火燒邊界線時，厚度遞減為10 m左右。故當(dāng)巷道掘進至M505鉆孔附近及以南部，錨桿錨索鉆桿取出時，在較高水柱的壓力下，即出現(xiàn)沿錨孔向外噴水的現(xiàn)象。

4.4 頂板含水層與火燒區(qū)的關(guān)系

本井田東南部3號煤層自燃區(qū)，自燃邊界走向曲折，自燃區(qū)寬度各異，以125～485 m寬度綿延于井田的東南部，自燃區(qū)面積約0.61 km2。從縱向上看，燒變巖厚度不等，差異也很大，這與燃煤的厚度、地形地貌以及自燃狀況諸因素有關(guān)。從鉆孔所揭示的厚度看，最小的僅5.40 m，煤層完全燃燒區(qū)基本上被剝蝕的所剩無幾，其上部為新近系紅土覆蓋(圖6);煤層燃燒后頂板失重塌落造成的破碎層和裂隙密集帶多處于煤層燃燒過渡帶內(nèi)(煤層開始燃燒至完全燃燒范圍)，由于煤層頂板很薄，故儲水空間變得較差，其上又有厚度較大且分布穩(wěn)定的靜樂組紅色粘土隔水層覆蓋，地下水補給條件較差，所以火燒區(qū)含水層富水性較弱。但火燒區(qū)距開拓的巷道較近，故燒變巖區(qū)孔洞裂隙含水層與3號煤層頂板含水層互為連通，對巷道突水亦有一定的關(guān)系。

圖6 勘探線縱向剖面圖

綜上所述:本區(qū)巷道突水點處于一個特殊的地質(zhì)環(huán)境中。首先，受古地理環(huán)境的影響，突水點位于一個北、東及西側(cè)較高并向南開口的坐椅形低凹區(qū)，為基巖風(fēng)化裂隙帶水的匯集區(qū)域;煤層上覆基巖很薄，巖性以粗粒砂巖為主，孔隙、裂隙發(fā)育，頂板基巖風(fēng)化帶裂隙水的貯運空間條件較好;雖然火燒區(qū)孔洞裂隙水富水性一般，但距突水區(qū)域較近，對巷道突水亦有一定的影響。

5 結(jié)論與建議

5.1 主要地質(zhì)成果

通過本次水文地質(zhì)補充勘探，查明了巷道煤層頂板突水的主要原因及水文地質(zhì)條件，并根據(jù)本次水文地質(zhì)鉆探及抽水試驗資料，對未來礦坑涌水量進行了預(yù)測。

(1)與周邊井田相比，在古地形上(基巖)，基本形成了一個北、東及西側(cè)較高，本煤礦區(qū)較低并向南開口的坐椅形凹地，突水區(qū)域處于最低位置，從而迫使大量地下水徑流于此地，使其成為基巖風(fēng)化帶裂隙水的匯集之地。

(2)在礦區(qū)南部突水點的區(qū)域，上覆基巖厚度多小于20 m，風(fēng)化裂隙極為發(fā)育，導(dǎo)水性富水性較強。

(3)在礦區(qū)南部突水點的區(qū)域，3號煤層頂板均為基本頂分布，巖性以中粒砂巖、粗粒砂巖及粗粒含礫砂巖為主，巖石均處于風(fēng)化裂隙帶中?？紫读严毒^發(fā)育，為本區(qū)3號煤層頂板基巖風(fēng)化帶裂隙水的賦存具備了較好的貯運空間條件。

(4)本井田東南部為3號煤層自燃區(qū)，煤層完全燃燒區(qū)基本上被剝蝕的所剩無幾，但在煤層燃燒過渡帶內(nèi)(煤層開始燃燒至完全燃燒范圍)，儲水空間變得較差，其上又有厚度較大分布穩(wěn)定的靜樂組紅色粘土隔水層，地下水補給條件較差，富水性一般。由于火燒區(qū)距開拓的巷道較近，故燒變巖區(qū)孔洞裂隙含水層與3號煤層頂板含水層互為連通，對巷道突水亦有一定的關(guān)系。

(5)綜上所述:煤礦巷道突水的主要水源來自于基巖風(fēng)化裂隙帶，其次亦受火燒區(qū)孔洞裂隙水的影響。本區(qū)巷道突水點處于一個特殊的地質(zhì)環(huán)境中，煤層上覆基巖薄，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖性又多以粗粒砂巖為主，孔隙發(fā)育，為基巖風(fēng)化裂隙水的賦存與貯運提供了良好的條件;突水巷道的古地形又處于最低凹處，使其西、北、東側(cè)的基巖風(fēng)化裂隙帶水向凹地徑流，成為基巖風(fēng)化帶裂隙水的匯集之地。故該區(qū)煤層頂板富水性較強。

(6)通過采用比擬法、地下水動力學(xué)法的“大井法”及“巷道法”對煤礦區(qū)全部開采地段進行全面疏干后的礦坑涌水量進行了預(yù)算，其涌水量為444 m3/h。

5.2 存在問題及下步工作建議

(1)煤礦南部區(qū)，煤層頂板全處于基巖風(fēng)化裂隙帶中，裂隙發(fā)育，巖石破碎，局部地段巖石松軟，手捏即碎，且頂板富水性較好。所以在煤層開采時，要采取相應(yīng)的支護方式，以防局部冒頂造成生命及財產(chǎn)損失。

(2)根據(jù)未來礦井涌水量預(yù)算，礦區(qū)全面疏干時的礦坑涌水量為444 m3/h。故在原有排水能力的基礎(chǔ)上，增添排水設(shè)備，以達到礦坑的最大排水能力。

(3)基巖風(fēng)化裂隙帶水的補給是從區(qū)外的西、北、東三側(cè)向礦區(qū)徑流，礦區(qū)南部又是一個較好的地下水貯水空間。建議煤層開采時，先北部區(qū)，后南部區(qū)。因為北部區(qū)開采后，切斷了由北向南徑流的基巖裂隙水，使之對南部煤層頂板基巖風(fēng)化裂隙帶水的補給減少。

(4)建議以現(xiàn)在巷道突水區(qū)為中心，在四周的未燃燒區(qū)和火燒區(qū)建立煤層頂板基巖風(fēng)化裂隙帶水的動態(tài)長期觀測站，進行地下水位的動態(tài)長期觀測，為今后煤層開采時地下水的疏排提供水文地質(zhì)參數(shù)。

(5)在30101首采工作面掘進至薩拉烏蘇組含水層的地段下部時，應(yīng)在其上部薩拉烏蘇組地層建井設(shè)站，進行地下水位動態(tài)長期觀測，尤其是在采煤至薩拉烏蘇組地層下部時，應(yīng)加密觀測。

(6)進行井下放水試驗，結(jié)合地面鉆探工作，勘查煤層頂板強徑流帶的分布，制定具有針對性的疏降措施方案。

［1］劉光亞.基巖地下水［M］.1979.12.

［2］楊成田.專門水文地質(zhì)學(xué)［M］.1981.7.

［3］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范［M］.1991－02－04.

［4］高春華，李成偉，等.陜西省地礦局西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院.榆林市榆陽區(qū)麻黃梁煤礦水文地質(zhì)補充勘探報告［M］.2011.8.

P1641.4+3

B

1004－1184(2013)06－0177－04

2013－09－04

李成偉(1985－)，男，陜西延安人，助理工程師，主要從事煤田水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及綜合研究工作。