榆神矿区基岩顶面土层缺失机理分析及其防治水意义_李智学.pdf

第 46 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.6 2018 年 12 月COALGEOLOGY P624.6文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2018.06.014 Genetic analysis of the bedrock top surface soil layer deletion and its significance for water prevention in Yushen mining area LI Zhixue1, 2, LI Mingpei2,3, SHEN Xiaolong2, LU Wenyu1 1. Shaanxi Investment Group Co., Ltd., Xi’an 710061, China; 2. Shaanxi Coalfield Geology Investigation Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710021, China; 3. Shaanxi Investment Group Research Institute, Xi’an 710061, China Abstract In order to study the genetic of the Miocene-Middle Pleistocene soil layer deletion and its relationship with the mine gushing water in Yushen mining area, we used core drilling, field observations and mathematical statistics to analyze the relationship between bedrock top elevation and soil layer residual thickness, and used the principle of “the present is the key to the past” to analyze the genesis and erosion mechanism of the soil layers. The results showed that the erosion of the soil layers in Yushen mining area was the result of the joint action of precipitation, wind, and the linear flowing water. The linear flowing water was the main controlling factor of soil layers vertical erosion until complete deletion. There was a positive linear correlation between the bedrock top elevation and soil layer residual thickness in Yushen mining area. The lack of soil layer could be used as a direct indicator of the development of paleorivers, thereby restoring the Miocene-Middle Pleistocene paleorivers ation, distribution and ancient watershed that communicated with the bedrock top surface. The aquifer filled with paleorivers on the bedrock top surface was the main source water for coal mine gushing, which would bring great harm for the coal mines safety production. Keywords soil layer; bedrock top surface; paleoriver; water prevention; Yushen mining area 榆神矿区最上可采煤层上覆基岩承压含水层顶 部的隔水层土层局部缺失，表现为第四系萨拉乌 苏组含水层与基岩风化层直接接触形成“天窗”。天 窗发育的直接后果是最上煤层开采后导水裂隙带与 上覆萨拉乌苏组含水层发生水力联系，成为煤矿顶 板涌水的主要灾害诱因之一[1-2]。榆神矿区中新世 中更新世发育厚度不等的土层隔水层，局部土层缺 失区域是煤矿天窗发育的主要地段，榆神矿区煤炭 勘探开发中已得到清晰的揭露，但是对于天窗的形 成、土层缺失机理等研究较少。笔者通过广泛收集 榆神矿区煤炭资源地质勘查资料、各类相关研究报 告及矿井开发相关资料，旨在系统研究残留土层分 ChaoXing 第 6 期李智学等 榆神矿区基岩顶面土层缺失机理分析及其防治水意义103 布特征、基岩顶面起伏形态特征及其之间的耦合关 系，尝试圈定基岩顶面古河流的分布，分析古河流 对煤矿生产的危害，为榆神矿区开发、矿井水防治 提供技术支撑。 1地质概况 陕北侏罗纪煤田榆神矿区位于鄂尔多斯盆地的 中北部。燕山运动以来区域构造稳定，以缓慢的地 壳升降运动为主[3-4]，在三叠纪末的沉积间断面之 上，依次沉积了富县组、延安组、直罗组、安定组、 洛河组等基岩地层。燕山运动末期，鄂尔多斯盆地 整体抬升，基岩沉积结束并伴随着白垩系的剥蚀。 中新世以来，榆神矿区基岩顶面向上依次沉积了中 新世保德组红土、中更新世离石组黄土、上更新世 萨拉乌苏组沙层和全新统风积沙等松散层图 1， 其 中，红土是榆神矿区的主要隔水层，黄土是弱含水 层，单位涌水量、渗透系数极小[1]。红土、黄土是 图 1榆神矿区地层综合柱状简图 Fig.1Comprehensive stratigraphic column diagram of Yushen mining area 萨拉乌苏组潜水含水层之下的区域性隔水层或相 对隔水层，土层完整性对于地表潜水的保护、矿井 顶板水害的防治具有巨大影响。 2残留土层分布特征 榆神矿区土层发育区黄土层中夹有多层松散 的细沙及粉沙状黄土，间或夹有红色、浅黄色、 褐色土壤层，垂直裂隙发育；红土层则相对均一， 夹有层状的钙质结核。榆神矿区煤炭资源勘查过 程中在曹家滩、金鸡滩、尔林滩等井田或勘查区 勘探过程中都发现有无土层沉积的钻孔。本次研 究系统收集了榆神矿区勘探开发施工的各类钻孔 589 口以及实测土层地质剖面，统计各钻孔、剖面 土层黄土红土厚度，绘制了榆神矿区残留土层 等厚线图剔除第四系冲洪积层厚度。总体来看， 残留土层基本全区分布，厚度在 0180 m，但尔 林兔东南部、锦界北及西部、河兴梁北部、大河 塔东部、孟家湾西部、小壕兔西部、牛家梁南部 等地区剥蚀殆尽图 2。 3基岩顶面形态特征 鄂尔多斯盆地白垩系沉积期后，由于气候变 化、地壳抬升运动，导致白垩系及下伏地层遭受剥 蚀，并伴有沉积间断[3]。通过统计所有钻孔内基岩 顶面的标高以及地质填图基岩顶面地质点高程， 绘 制了榆神矿区基岩顶面等高线图图 3，恢复了榆 神矿区基岩顶面形态。风、水等地质营力强烈的剥 蚀作用及构造作用导致基岩地层剥蚀， 基岩顶面从 西到东趋于平坦， 而线状水流对基岩顶面的剥蚀起 到了加深作用。 基岩顶面标高一般在 1 1001 300 m， 形成一系列的“准平原”古地貌，经计算地形坡度一 般在 13，少数接近 5，总体较为平坦，尔林兔 南锦界大河塔、小壕兔孟家湾马合牛家 梁等地区连片出现剥蚀低谷。 对比残留土层厚度图与基岩顶面等高线图， 结果显示两者分布形态存在着一定的相关性。即 基岩顶面较高处，古地形相对平坦，土层一般保 存相对较好，厚度亦较大。榆神矿区中鸡以北基 岩顶面标高一般在 1 2501 300 m，顶部的洛河组 保存较好，土层厚度 3070 m，局部超过 100 m； 小壕兔一号井及周边基岩顶面标高一般在 1 220 1 260 m，上覆土层平均厚度大于 50 m。反之，基 岩顶面标高越低，上覆土层厚度越小，小壕兔西 部基岩顶面标高在 1 1001 180 m，地表并无明显 较大沟系，但是土层残余厚度却在 20 m 以内，并 有大范围的缺失区。 ChaoXing 104煤田地质与勘探第 46 卷 图 2榆神矿区残留土层厚度图 Fig.2Soil layer residual thickness in Yushen mining area 图 3榆神矿区基岩顶面等高线图 Fig.3Bedrock top elevation contour in Yushen mining area ChaoXing 第 6 期李智学等 榆神矿区基岩顶面土层缺失机理分析及其防治水意义105 4讨 论 4.1土层剥蚀机理分析 本次研究以“将今论古”的方法，从土层的现代 剥蚀特征来看，榆神矿区古土层侵蚀的基本特征表 现为流水和风两种主导营力的共同作用，在地势平 坦、地势凹凸等不同的区域，二者的地质作用强烈 程度不尽相同[10-11]。 a. 风与降水地质营力对土层的侵蚀 一种是在风的搬运作用[5-9]下，土层颗粒沉降在 地形低洼的古水流中直接被冲刷，导致河流发育区 没有原地堆积的土层。另一种是土层颗粒沉降在地 表后，在风力及雨水的侵蚀下，在疏松的土层表层 形成一系列的击溅坑，并在面状水流侵蚀下土层逐 渐剥蚀，风、雨地质营力的长期作用使得地表的土 层厚度在平面上变薄、缺失。现今的陕北黄土坡面 依然持续着这种侵蚀作用，坡面散布遗留灰白色钙 质结核。 b. 线状流水对坡面土层的侵蚀 在降水与风地质营力对土层侵蚀的基础上，在 土层构造软弱区的沟槽地带容易汇水形成小型线状 水流图 4。在线状水流的长期侵蚀下，沟横截面积 逐渐扩大，加上水流的侧向迁移，侵蚀水道逐渐由 V 字型向 U 字型发展。 ab 图 4地表线状流水的侵蚀机理示意图a及古河床底部钙质结核堆积层b榆林大河塔乡银老湾沟 Fig.4Diagram of the linear flowing water erosion mechanism and calcareous nodule deposits at the bottom of ancient riverbed 这里需要说明的是土层颗粒沉降在地表后，地 表的水流、风等必然对颗粒进行二次搬运并改变土 层面貌，因此，风、水对土层的剥蚀作用在其堆积、 沉积、侵蚀各个阶段。 在以上两种侵蚀机理作用下，榆神矿区基岩上 覆土层逐渐变薄，地质历史时期水流对土层颗粒的 冲蚀以及局部地段线状流水多期次下蚀切入下伏基 岩，导致土层缺失，形成“天窗”。更新世晚期，榆 神矿区发育大规模的河湖相沉积[12-15]，形成了区域 性的萨拉乌苏组富含水层，土层缺失区的萨拉乌苏 组则直接与下伏基岩呈不整合接触。 4.2残留土层与基岩顶面形态耦合关系分析 基岩顶面古构造、古地形是控制土层沉积、侵蚀 的主要因素。为准确研究残留土层与基岩顶面形态的 关系，通过残留土层厚度剔除无土层钻孔的数据异常 值与基岩顶面标高两组数据拟合图 5， 可知基岩顶面 形态与残余土层厚度的变化近似呈正相关的关系。当 土层残余厚度在不大于 10 m 范围内，计算的基岩顶面 标高为 1 1351 150 m，因此研究推断，基岩顶面标高 在 1 150 m 以下的区域，土层剥蚀较严重，这与基岩顶 面等高线、残留厚度等值线反映的趋势基本一致。 4.3基岩顶面古河流特征分析 线状水流的发育一方面使得流水沟系中土层颗 图 5基岩顶面标高与残留土层厚度的关系 Fig.5Positive linear correlation between bedrock top elevation and soil layer residual thickness 粒无法原地沉积，另一方面使得有土层沉积区域开 始被下蚀[11]，随着侵蚀深度的加大，部分基岩裸露， 因此，可以推断土层缺失、极薄土层发育区以及古 河流冲积层发育区图 4与中新世中更新世古河 流的发育有着密切的关系。 本次研究将土层缺失区范围与基岩顶面等高 线套合，并依据顶面形态特征、野外古河流露头 剖面地质调查，重点恢复了与基岩顶面连通的中 新世中更新世古河流形态、分布范围及古分水 岭图 6。总体来看，基岩顶面古地形可勾绘出两 条大型古分水岭。规模较大的古分水岭位于矿区 中部，大致穿过小壕兔一号井中部小保当二号 井中西部小保当一号井西南部郭家滩东部 ChaoXing 106煤田地质与勘探第 46 卷 图 6榆神矿区中新世中更新世古河流的分布 Fig.6Distribution of Miocene-Middle Pleistocene paleorivers in Yushen mining area 曹家滩西南部杭来湾东部一线，呈 NNW 向展 布；规模次之的古分水岭位于矿区的东北部，大 致穿过中鸡勘查区中鸡南勘查区中部惠宝煤 矿西南一线，并在中鸡勘查区南部折返，总体呈 NW 向展布。 矿区内古分水岭将榆神矿区基岩顶面古水流自 西向东划分为古榆溪河、古秃尾河和古乌兰木伦河 三大水系。其中，古乌兰木伦河水系的二级支流位 于矿区的东北部与现今的考考乌素沟位置大致相 当。古河流的流向总体由北向南，但由于缺少古流 向的实测数据，本次研究仅根据古地形坡度、水重 力势能推测了古水流流向。 5土层缺失研究与防治水的意义 地质历史时期，由于基岩顶面古河流主河道不 断侧向迁移，时常发生河流改道，并侵蚀下伏基岩， 促使矿井两大充水水源的形成。第一，风化基岩与 第四系冲洪积层直接接触，构成同一含水层，风化 基岩富水性相对较好。第二，古河流常年流水，导 致河道中中新世保德红土与更新世离石黄土的大量 冲蚀，局部缺失，后期沉积的萨拉乌苏组含水层直 接与风化基岩接触，两者构成同一含水层。上述两 种含水层是煤矿开采顶板涌水的主要来源，由于缺 少隔水层的保护，煤矿开采中一旦导水裂隙带发育 至该含水层，将导通含水层与煤矿工作面[16]，导致 严重的矿井水害。2011 年 5 月，柠条塔煤矿 S1210 工作面发生涌水[17]，最大涌水量超过 1 200 m3/h， 经事故调查及研究分析，认为该涌水事故的直接水 源为直罗组风化带含水层，其上部土层虽然具有局 部隔水作用。但是工作面附近的芦草沟一带发育古 河流，由于煤层开采的影响，松散层含水层与直罗 组基岩风化带含水层产生了强烈的水力联系。地表 泉水断流、鱼塘干涸与 S1210 工作面涌水时间滞后 吻合，得出松散层含水层成为 S1210 工作面另一主 要涌水水源。因此，从区域上分析古河流的形态及 分布范围对于矿区的整体规划和矿井水综合防治具 有一定的指导作用。 6结 论 a. 榆神矿区基岩顶面土层缺失主要由降水、风 ChaoXing 第 6 期李智学等 榆神矿区基岩顶面土层缺失机理分析及其防治水意义107 和地表线状流水地质营力的共同作用导致的，其中 线状流水的冲刷与侵蚀是主要因素，对土层缺失区 的分布及基岩顶面古河流的形态及分布规模大小起 决定作用。 b. 榆神矿区基岩顶面标高与残留土层厚度具 有近正相关线性耦合关系，土层缺失区与基岩顶面 形态综合分析可以确定基岩顶面古河流的形态及分 布范围，这也是榆神矿区天窗的主要分布区域。 c. 基岩顶面土层缺失地段风化基岩与萨拉乌 苏组共同构成的含水层是煤矿涌水的主要充水水 源，在煤矿开发中应给予足够重视，提前做好矿井 防治水工作。 参考文献 [1] 杨建， 梁向阳， 丁湘. 蒙陕接壤区深埋煤层开发过程中矿井涌 水量变化特征[J]. 煤田地质与勘探，2017，454，97–101. YANG Jian ， LIANG Xiangyang ， DING Xiang. Variation characteristics of mine inflow during mining of deep buried coal seams in Shaanxi and Inner Mongolia contiguous area[J]. Coal Geology Exploration，2017，45497–101. [2] 李涛. 陕北煤炭大规模开采含隔水层结构变异及水资源动态 研究[D]. 徐州中国矿业大学，201214–35. [3] 中国煤田地质总局， 王双明. 鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资 源评价[M]. 北京煤炭工业出版社，1996. [4] 李明培，邵龙义，董大啸，等. 鄂尔多斯盆地东缘泥质岩黏土 矿物特征及其地质意义[J]. 煤田地质与勘探，2017，452 39–44. LI Mingpei，SHAO Longyi，DONG Daxiao，et al. Clay mineral characteristics and its geological significance in argillaceous rock ineasternmarginofOrdosbasin[J].CoalGeology Exploration，2017，45239–44. [5] 丁仲礼，孙继敏，朱日祥，等. 黄土高原红黏土成因及上新世 北方干旱化问题[J]. 第四纪研究，1997，172147–157. DING Zhongli，SUN Jimin，ZHU Rixiang，et al. Eolian origin of the red clay deposits in the loess plateau and implications for Pliocene climatic changes[J]. Quaternary Sciences， 1997， 172 147–157. [6] 鹿化煜，安芷生. 黄土高原红黏土与黄土古土壤粒度特征对 比红黏土风成成因的新证据[J]. 沉积学报，1999，172 226–232. LU Huayu，AN Zhisheng. Comparison of grain-size distribution of red clay and loess-paleosol deposits in Chinese loess plateau[J].Acta Sedimentologica Sinica， 1999， 172 226–232. [7] 安芷生，孙东怀，陈明扬，等. 黄土高原红黏土序列与新近纪 的气候事件[J]. 第四纪研究，2000，205435–446. AN Zhisheng， SUN Donghuai， CHEN Mingyang， et al. Red clay sequences in Chinese loess plateau and recorded paleoclimate events of the Late Tertiary[J]. Quaternary Sciences， 2000， 205 435–446. [8] 丁仲礼，杨石岭，孙继敏，等. 2.6 Ma 前后大气环流重构的黄 土红黏土沉积证据[J]. 第四纪研究，1999，193277–281. DING Zhongli ， YANG Shiling ， SUN Jimin ， et al. Re-organization of atmospheric circulation at about 2.6 Ma over Northern China[J]. Quaternary Sciences， 1999， 193 277–281. [9] 彭淑贞， 郭正堂. 风成三趾马红土与第四纪黄土的黏土矿物组 成异同及其环境意义[J]. 第四纪研究，2007，272277–285. PENG Shuzhen，GUO Zhengtang. Clay mineral composition of the Tertiary red clay and the Quaternary loess-paleosols as well as its environmental implication[J]. Quaternary Sciences，2007， 272277–285. [10] 周忠学， 孙虎， 李智佩. 黄土高原水蚀荒漠化发生特点及其防 治模式[J]. 干旱区研究，2005，22129–34. ZHOU Zhongxue，SUN Hu，LI Zhipei. Study on mechanism of water-eroded desertification and its control in the loess plateau[J]. Arid Zone Research，2005，22129–34. [11] 陈渭南. 陕北沙黄土区现代侵蚀过程及其成因[J]. 陕西师范 大学学报自然科学版，1989，17260–66. CHEN Weinan. The ground surface material features and the erosional interaction of wind and water in the sandy loess terrain in north Shaanxi Province[J]. Journal of Shaanxi Normal UniversityNatural Science Edition，1989，17260–66. [12] 孙继敏，丁仲礼，袁宝印，等. 再论萨拉乌苏组的地层划分及 其沉积环境[J]. 海洋地质与第四纪地质，1996，16123–31. SUN Jimin，DING Zhongli，YUAN Baoyin，et al. Stratigraphic division of the Salawusu ation and the inferred sedimentary environment[J]. Marine Geology Quaternary Geology，1996， 16123–31. [13] 郑洪汉. 中国北方晚更新世河湖相地层与风积黄土[J]. 地球 化学，19894343–351. ZHENG Honghan. Late Pleistocene fluvo-lacustrine deposits and aeolian loess in North China[J]. Geochimica，19894 343–351. [14] 欧先交，李保生，靳鹤龄，等. 萨拉乌苏河流域萨拉乌苏组沙 丘砂沉积特征[J]. 地理学报，2006，619965–975. OU Xianjiao，LI Baosheng，JIN Heling，et al. Sedimentary characteristics of paleo-eolian dune sands in Salawusu ation of the Salawusu river valley[J]. Acta Geographica Sinica，2006， 619965–975. [15] 杨劲松， 王永， 赵红梅. 晚更新世以来萨拉乌苏河流域主元素 的地球化学特征及古环境意义[J]. 干旱区资源与环境，2016， 3011148–153. YANG Jinsong ， WANG Yong ， ZHAO Hongmei. The geochemical characteristics and paleoenvironmental significance based on major elements of Salawusu river valley since Late Pleistocene[J].JournalofAridLandResourcesand Environment， 2016，3011148–153. [16] 冯洁，王苏健，陈通，等. 生态脆弱矿区土层中导水裂缝带发 育高度研究[J]. 煤田地质与勘探，2018，46197–100. FENG Jie，WANG Sujian，CHEN Tong，et al. Height of water flowing fractured zone of soil layer in the ceologically fragile mining area[J]. Coal Geology Exploration， 2018， 461 97–100. [17] 康英. 柠条塔矿井水文地质特征研究[D]. 西安西安科技大 学，201242–47. 责任编辑 晋香兰 范章群 ChaoXing