河兴梁井田烧变岩水水文地质条件分析

王少锋，王 伟

(陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710018)



河兴梁井田烧变岩水水文地质条件分析

王少锋，王 伟

(陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710018)

叙述了河兴梁井田3-1号煤层上部水文地质、工程地质条件，未来开采3-1号煤层将导致烧变岩水、甚至萨拉乌苏组地下水渗漏和地下水水位下降，使脆弱的陕北地下水系统遭到破坏，难以真正达到保水采煤的目的和保护沙漠生态建设。因此，采前研究分析有效的可持续发展思路和方法，不仅保护了矿区生态环境，还有利于流域生态保护。

烧变岩含水层；萨拉乌苏组；保水开采；生态环境

陕北榆神矿区河兴梁井田设计为120万 t的现代化煤矿，设计首先开采3-1号煤层，煤层平均厚度为煤厚0.30～2.52 m，平均厚度1.34 m，该煤层稳定，厚度变化很小，结构较简单。该井田范围内赋存大量的烧变岩，由于烧变岩孔隙、裂隙极其发育，地下水补给充沛，地下水资源储存丰富，水质优良，是矿区开发利用的宝贵水资源。同时，3-1号煤层距烧变岩底平均约32.96 m，未来开采3-1号煤导水裂隙带导通烧变岩水势必对煤矿安全开采构成了巨大威胁，采前研究分析、消除水害隐患，合理利用水资源，为矿区提供大量的优质水资源，同时也没有破坏陕北脆弱的生态环境，并成功合理的完成对该矿井的地下水资源开发利用的工程。

1 水文地质条件

1.1 烧变岩裂隙潜水含水层

因煤层自燃形成的烧变岩裂隙含水区主要分布于井田西半部先期开采地段内，在香水沟沟脑、沙岔沟龙王庙附近与扎林川红石克村西边有较大面积出露地表。钻孔揭露厚度0～41.44 m，平均厚度约22.17 m。烧变岩面积约48.88 km2。该段岩层受煤层自燃的烧灼后冷却变形、垮落形成密集的张性裂隙及气孔状构造，致使岩层破碎，具有良好的储水空间。但因岩性及火烧程度不同，裂隙发育不均匀，而表现出含水层富水性在垂向上、平面上有较大变化，含水层富水性强～中等。

钻探施工中，遇烧变岩钻孔大都发生不同程度的漏水和严重漏水，特别勘探施工的X27、X31、X35、X5、水X3、水X21等钻孔均出现大的漏失(漏失量均大于9 m3/h)，甚至X27钻孔堵漏不住，采用清水钻进施工，同时有钻具陷落掉块、卡钻等现象频发。据水文测井，烧变岩潜水井液电阻率曲线ρ反应很明显。由于烧变岩岩性发育的特殊性质，为了更准确的了解烧变岩岩性情况，加入了电视窥视法探查手段，通过185队测井部电视窥视更直观的对烧变岩的完整性、裂隙发育特征、连通情况、岩体破碎状况等情况有所直接了解，其中烧变岩段下部裂隙非常发育， 10 cm以上大裂隙达4、5处以上之多。

井田内烧变岩区地下水以泉的形式排泄，其最主要排泄区位于井田北部边界外的香水沟沟脑，因而形成了榆阳区重要的香水沟水库。 据勘探期间1:1万水文地质填图调查资料，香水沟水库源头7处泉点流量共约203.78 L/s，出露的天然泉水流量大部分大于40 L/s，特别泉(Q14)和泉群(Q17)，已“小瀑布”的形式汇入香水沟水库。同时在水文地质填图调查过程中，其对4个点采集了水样进行了全、简分析化验，一般属HCO3—Ca及HCO3—Ca·Mg型水，矿化度为0.287～0.540 g/L，水温12℃～14℃。

据邻区西湾井田勘探H1及H24-2号孔抽水成果资料，含水层厚度32.44～50.31 m，单位涌水量9.217～16.338 L/s·m，渗透系数28.27～28.29 m/d。井田勘探期间施工了2个水文孔，水X3、水X21钻孔处于烧变岩水区域中部，尽最大能力条件进行了抽水试验，含水层厚度22.15～24.57 m，涌水量59.35～68.52 m3/h(水位未降下去，降深0.43～0.54 m)，据水质化验资料，一般属HCO3—Ca及HCO3—Ca·Na型水，矿化度0.214～0.402 g/L。同时，185队施工的榆神矿区区域水文地质补充勘查项目正好在河兴梁井田先期开采地段内X7附近施工了YS65水文孔(YS65号水文孔位于烧变岩区东部边界附近)，进行了烧变岩水抽水试验，含水层厚度2.95 m，单位涌水量2.327 L/s·m，渗透系数113.64 m/d。

综合以上各种方法发现，烧变岩岩体破碎，岩石呈不规则块状、片状，烧变岩具有大量的气孔、烧变裂隙及炉渣状构造的空洞。烧变岩裂隙呈不规则的交错网状，裂隙一般上部窄小、中下部稍大。含水层主要在下部，其导水性强，储水空间开阔，补泄通畅。再使其底板埋藏在侵蚀基准面以下，形成储水构造，因而在地形上具有大的似盆状的汇水范围静储存于烧变岩层段内，形成极强富水区。

1.2 离石组黄土及保德组红土隔水层

广布全井田，揭露厚度0～125.64 m，平均47.08 m，井田内分布不连续，局部沟谷地段被冲刷切割殆尽，在西南部较大面积出露地表。该层上部岩性为灰黄色、浅棕色、浅肉红色亚砂土、亚粘土，具垂直裂隙，含零星钙质结核；下部岩性为棕～浅红色粘土及亚粘土，含钙质结核，且成层分布。在红土层底部普遍有一层半胶结状的砾石层，其成分复杂，孔隙度大，加之土层内部发育有微弱的裂隙网络，常聚集有一定的地下水，但水量较小，无开采价值，仅零星可供当地群众生活用水，一般民井使用小泵量的潜水泵(<5 m3/h)短时间则可抽干。区内出露该层泉流量0.08 L/s(中沙沟村路下)。据邻区钻孔抽水资料，单位涌水量q=0.000 174 L/s·m。显示出该层良好的隔水性能，总而言之，土层富水性极弱，透水性极差，故认为该层为第四系松散层潜水的统一隔水层。

2 工程地质条件

2.1 土层隔水层厚度及特征

包括离石组黄土和保德组红土。离石组黄土广布全区，主要出露于井田西南部。在井田东部及西北部有少量出露。在风积沙覆盖区仅出露一些孤立的黄土残丘。厚度0～56.04 m，一般18.48 m左右。

黄土受水流侵蚀作用，出露区冲沟发育，沟帮多形成陡坎，沟头可见潜蚀现象。区内黄土为浅黄色、土黄色粉质粘土、亚砂土。据勘探水X3、水X21钻孔采样分析：孔隙比0.66～0.83，塑限18.1%～19.8%，液限25.8%～31.0%，天然含水量19.8%～27.2%，液性指数0.22～0.66，土体处于可塑状态。力学试验表明：黄土层具有一定的抗剪强度和抗压强度，压缩系数0.06～0.19 MPa-1，压缩模量8.77～30.47 Mpa，为低压～中压缩性土。据勘探化验资料，渗透系数仅1.83×10-5cm/s，显示其良好的阻隔水能力，为非湿陷性黄土。黄土孔隙度大，结构疏松，发育直立柱状节理，易被地表水流冲蚀而引起坍塌，浸水易失稳。

保德组红土层主要分布于黄土层之下，岩性为钙质结核层与棕～浅红色粘土、亚砂土互层。主要出露于井田东、北部各沟谷两侧。钻孔揭露厚度0～125.64 m，一般厚38.37 m左右，厚度变化较大。红土层土质较细腻，含少量亚砂土。该土层上部为古土壤层，局部钙质结核成层分布，底部常有3～5 m厚半胶结状砾石层，砾石分选性差。全区从上至下有钙质结核变薄减少，浅红色亚粘土逐渐增厚的特点。据勘探水X3、水X21钻孔采样分析：红土塑性指数较黄土高，粘性较黄土好。其孔隙比0.68～0.83，塑限19.6%～21.0%，液限30.4%～34.1%，天然含水量18.4%～27.6%，液性指数-0.11～0.50，土体处于坚硬～可塑状态。由于其含水量和天然孔隙比较大，压缩系数0.22～0.58 MPa-1，属中等偏高压缩性土。

2.2 煤层上覆基岩隔水层厚度及特征

在一定的煤层赋存状况和开采方法、顶板控制条件下，影响浅部煤层开采的直接原因是冒落带的发育状况，而影响冒落带高度的主要因素则是煤层顶板及覆岩层的工程地质特征。3-1号煤层上覆正常基岩厚度为4.62～68.36 m，平均约32.96 m。

根据钻孔资料对比及3-1煤层导水裂隙带发育高度等值线及顶板导水危险性分区分析，井田内大部分钻孔3-1煤层导水裂隙带未导通烧变岩地层内，仅X28、X32、X16、X18、X31、X29、X30、X34、X42、H12号钻孔共10个钻孔导水裂隙带导通突破烧变岩地层，其中X28、X32、X16、X42、H12号钻孔共5个钻孔导水裂隙带导通突破至Q2L+N2b地层内，但未导通突破Q2L+N2b地层，特别X18钻孔已导通突破至萨拉乌苏组内。通过经验公式理论性得出以上结论，但裂隙导水带发育规律实际上应该比以上情况更复杂、煤层更难开采。3-1煤层导水裂隙带发育高度已到烧变岩含水层，烧变岩含水层是3-1煤层顶板直接充水水源，借鉴周边煤矿开采情况，未来必须释放顶部烧变岩含水层才能确保3-1煤层顺利开采。本区萨拉乌苏组含水层厚度较周边井田较薄，富水性相对较小，但在河滩地区和较强富水区地段应引起重视，以防个别钻孔(X18)导通到松散层萨拉乌苏组而使上下水体连通，易发生水害事故。同时部分地段3-1煤层地表已露头，开采3-1煤层可能引起沟谷地表水下泄。所以在沟谷地段采煤时应留设足够的防水煤柱。

3 结语

影响本区保水采煤的主要因素有煤层埋深、上覆基岩厚度、冒裂带高度、钻孔是否封闭等。冒裂带高度开采煤层所形成的垮落带及导水裂隙带是煤层充水的主要通道，研究其发育规律及高度，是进行矿井充水因素分析及矿井开采技术条件综合评价的重要内容。本次综合预测3-1号煤层开采垮落带最大高度为10.08 m，导水裂隙带最大高度为40.59 m。结合上述“煤层上覆基岩隔水层厚度及特征”中所述，导水裂隙带发育导通区域主要位于先期开采地段东北角，除导通烧变岩水之外，甚至导通萨拉乌苏组含水层。若采用目前常用的疏水降压方法采煤，虽然排除了水害，解放了3-1煤层，但使脆弱的陕北地下水系统遭到破坏，造成泉水枯干、地裂缝等地质灾害发生，难以达到保水采煤的目的和保护沙漠生态建设。所以，建议本地区3-1号煤层可待缓开采(仅个人意见)，待今后开采技术发展成熟后，利用充填方式或其他合适的方式开采，达到真正的保水采煤，使陕北脆弱的生态环境真正逐步恢复。

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1004-1184(2016)06-0173-02

2016-05-23

王少锋(1983-)，男，陕西宝鸡人，工程师，主要从事水文地质工作。