陕北凉水井煤矿古河道分布及其对矿井涌水量的影响(1).pdf

第32卷5期 中 国 煤 炭 地 质 Vol. 32 No. 5 2020 年 5 月________________________________COAL GEOLOGY OF CHINA________________________________May. 2020 doi 10. 3969/j. issn. 1674-1803. 2020. 05. 10 文章编号1674-1803 2020 05 - 0045 - 05 陕北凉水井煤矿古河道分布及其对矿井涌水量的影响 李 瑾 \ 李 明 培 2 1 .中煤科工集团西安研究院有限公司， 西 安710054; 2 .陕西投资集团创新技术研究院有限公司， 西 安710061 摘 要 为研究陕北侏罗纪煤田榆神矿区凉水井煤矿基岩顶面古河道控水规律， 从地质及水文地质条件分析， 并结 合采动覆岩破坏， 研究了 煤上覆岩层空间分布特征、 导水裂隙带发育、 基岩顶面古河道及其控水规律。结果表 明 ，煤为典型浅埋薄基岩煤层， 基岩和沙层东薄西厚， 土层基本全区分布， 局部有条带状缺失。根据基岩顶面形 态 、 土层缺失区， 研究圈定了基岩顶面古河道， 划分为有沙层充填的古河道和无沙层充填的古河道； 工作面跨古河 道 幵 采“前-中-后”， 涌水量表现出“稳定-突增-稳定”的规律， 有沙层充填的古河道区涌水量增大幅度明显高于 无沙层充填的古河道区。古河道控水规律研究为榆神矿区浅埋薄基岩煤层开采矿井涌水危险性评价提供一种新 思 路， 可为古河道发育区矿井防治水工作提供一定地质依据。 关键词古河道;控水规律;导水裂隙带;凉水井煤矿 中图分类号P641.43; P624.6 文献标识码A Paleochannels Distribution and Impact on Mine Water Inflow in Liangshuijing Coalmine, Northern Shaanxi Li Jin1， Li Mingpei- 1. Xi an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi * an Shaanxi 710054； 2. Innovation Technology Research Institute, Shaanxi Investment Group Co. Ltd. , Xian, Shaanxi 710061 AbstractTo study bedrock surface paleochannel water control pallern in ihe Liangshuijing coalmine, Yushen mining area, Jurassic coal field, northern Shaanxi, from geological and hydrogeological conditions combined with mining overburden destruction have ana lyzed coal No. 4 overburden spatial distribution features, water conducted fissure zone development, bedrock surface channels and their water control pattern. The result has shown that the coal No. 42 is typical shallow buried thin bedrock coal seam, bedrock and sand layer thickening from east to west, soil layer basically distributed in whole area, locally banded hiatus. According to bedrock sur face configuration and soil hiatus area have delineated bedrock surface paleochannels, and partitioned into paleochannels have sand lay er filling and without sand layer filling. During paleochannel area coal mining “earlier-middle- later” stages, water inflow shows “sta- ble-uprush-stableM pattern； water inflow increasing extent in where sand layer filled paleochannel is obviously larger than where with out sand layer filled paleochannel. The study on paleochannel water control pattern has provided a new thinking for Yushen mining area coal mining mine water inrush hazard assessment, and provided certain geological basis for paleochannel developed mine area water control works as well. Keywords paleochannel ； water control pattern ； water conducted fissure zone ； Liangshuijing coalmine 陕北侏罗纪煤田是我国重要的能源化T基地， 煤炭资源丰富， 埋藏条件较好。中生代以来受构造 运动及风化剥蚀作用， 陕北侏罗纪煤田东部基岩剥 蚀严重、 残留较薄， 形成了典型的浅埋薄基岩赋煤 区[1_3],以榆神矿区中东部为代表。以往针对浅埋 薄基岩赋煤区含（ 隔） 水层控水规律研究主要从煤 层上覆地层的空间组合|44]、 含隔水层的空间8]分 第一作者简介 李瑾（1993， 女， 陕西西安人,工程师， 主要从事水 文地质工作。 收稿日期20丨9 -丨2-17 责任编辑樊小舟 布角度分析， 并结合煤层开采后覆岩导水裂隙带的 发育规律[ 9 〜]， 对赋煤区水文地质条件;〜14]、 开采 后引起矿井涌水量变化规律[4]等进行大量研究， 成为陕北生态脆弱区采煤保水、 生态水位保护的基 础内容， 形成了大量研究成果。前人在 控水规律方面， 以地层空间组合关系为基础， 提出了 巨厚土隔水层控水U’ 8]、 工程地质条件控水[〜17]等 成果， 而 基 于 古 河 道 控 水 规 律 的 研 究 涉 及 较 少13_M]。本文以榆神矿区东部凉水井煤矿为对象， 研究浅埋薄基岩赋煤区首采煤层基岩顶面古河道发 育及其控水规律， 为浅埋薄基岩赋煤区煤矿开采涌 水量预测、 危险性评价提供参考。 4646 中国煤炭地质 第 3 2 卷第 3 2 卷 1地质及水文地质特征 1 . 1 地质 凉水井煤矿位于陕西陕北侏罗纪煤田榆神矿区 东部， 北部与神北矿区相接， 西与锦界煤矿相邻， 南 以神延铁路为界， 东部为梁家村和沙沟峁煤矿， 面积 68. 91 km2,矿井生产能力为800万t/a。 研究区大地构造位置位于鄂尔多斯盆地一级构 造单元伊陕斜坡的东部， 地质构造简单， 断层不发 育， 地层倾角小于3。受鄂尔多斯盆地抬升影响， 含煤地层延安组及其上覆地层剥蚀严重。钻孔揭露 煤系及上覆地层由老到新分别为中侏罗统延安组和 直罗组， 新近系上统保德组红土， 第四系中更新统离 石组黄土,上更新统萨拉乌苏组和现代风积沙。可 采煤层自上而下分别为4 2、 4 4 4、 5_2、 5_3 煤 ， 首 采煤层为4 2 煤 ， 可 采 厚 度 0.80〜 4. 65m， 平均厚 度 3. 25m。 1 . 2水 文 地 质 4_2煤上部含水层自上而下分别为萨拉乌苏组 沙层孔隙含水层、 延安组基岩裂隙含水层、 延安组与 直罗组风化基岩裂隙含水层。直罗组裂隙含水层主 要分布于煤矿西部边界一带， 分布范围较小。主要 隔水层为离石组黄土与保德组红土。现将对矿井开 采影响较大的含水层与隔水层介绍如下 1.2. 1沙层 孔 隙 含 水 层 包括萨拉乌苏组和风积沙， 共同构成松散沙层 含水层。沙层主要分布于凉水井煤矿的中西部低洼 滩地， 东部黄土沟壑梁峁区缺失， 总厚度〇40m， 平 均 13. 46m,呈由西至东厚度逐渐变薄乃至缺失的趋 势（ 图 1 。沙 层 含 水 层 单 位 涌 水 量 〇 . 049 5 0. 103 3L/s m， 富水性弱一中等。 1.2. 2延 安 组 基 岩 裂 隙 含 水 层 为陆相河流三角洲沉积， 灰-灰白色砂岩、 深灰 色粉砂岩、 深灰-黑色泥岩互层。42煤上覆延安组 厚度9.3780. 10m,埋 深 45 145m， 为典型的浅埋 深薄基岩煤层。4_2 煤上覆延安组正常基岩（ 未风 化岩层） 残留厚度为2. 8463. 10m,由东向西逐渐 增厚， 正常基岩单位涌水量0.001 〇 0.003 9iys m， 富水性弱。 1.2. 3隔 水 层 为保德组红土与离石组黄土。土层总厚度〇 96. 68m,平均厚度约为40. 10m图 2,煤矿中部近 东西向土层厚度较大， 为 60 90m,向南北两侧逐渐 变薄。由于古河道冲刷剥蚀作用， 南北两侧土层厚 度相对较薄， 存在条带状缺失区。底部含有砾石层 和耗质结核。 图 2隔水层厚度等值线图 2隔水层厚度等值线 Figure 2 Isopach map of aquifuge thicknesses 2古河道分布特征 根据前人对榆神矿区基岩顶面古河流的研究成 果， 晚更新世古河流的恢复主要依靠基岩顶面形态、 土层缺失和古分水岭三种要素[ 1 3 _〜。由于古河流 规模较大、 且侧向迁移明显， 一般认为土层连续缺失 的区域为古河道发育区域。据野外地质调查和钻孔 揭露， 凉水井煤矿基岩顶面发育有规模不等的古冲 沟， 古水流对基岩顶面冲刷剥蚀， 造成基岩下蚀、 土层 缺失等现象， 并在低洼处形成一系列的古河道[ 14\ 2. 1基 岩 顶 面 形 态 与 古 分 水 岭 通过统计所有钻孔内基岩顶面的标高， 绘制了 研究区基岩顶面等高线图， 恢复了基岩顶面形态。 受古水流的冲刷剥蚀， 研究区中部基岩顶面相对平 5 期5 期李 瑾 ， 等 陕北凉水井煤矿古河道分布及其对矿井涌水量的影响李 瑾 ， 等 陕北凉水井煤矿古河道分布及其对矿井涌水量的影响 4747 坦,高程在1 180 1 200m,向两侧逐渐降低。基岩 顶面高程一般在1 160m以下， 且高程降低幅度大， 出现条带状剥蚀低谷。以钻孔内基岩顶面标高数据 为基础， 采用插值法， 划分了凉水井煤矿基岩顶面古 分水岭。古分水岭呈近东西向展布， 西高东低（ 图 3。 2. 2基 岩 顶 面 形 态 与 土 层 分 布 对比基岩顶面形态、 土层厚度等值线以及4_2 煤层上覆岩层空间组合关系可知， 基岩顶面高程与 土层厚度呈正相关关系， 即基岩顶面较高处土层厚 度较大， 基岩顶面较低处， 土层厚度相对较小甚至缺 失。煤 矿 中 部 近 东 西 向 基 岩 顶 面 高 程 1 180 1 200m， 土层厚度6090m， 特别是分水岭附近， 土 层厚度达80 90m。煤矿南北两侧， 基岩顶面高程 一般在1 170m以下， 土层厚度一般40m以内， 绝大 部分区域小于20m。 2 . 3古 河 道 圈 定 及 其 分 布 通过凉水井煤矿基岩顶面形态、 古分水岭和土 层分布特征及其相互关系分析， 基于基岩顶面起伏 形态、 土层缺失与古水流之间的成因关联， 以土层缺 失区为主控因素， 本次研究圈定了凉水井煤矿基岩 顶面古河道。古河道主要分布于煤矿的南北两侧， 近煤矿南北边界。古河道分布区基岩顶面标高一般 低 于 1 600m， 土层明显缺失。 2 . 4古 河 道 与 沙 层 的 关 系 根据古河道与沙层的分布关系（ 图 4 ,结合沙 层的厚度， 可知研究区古河道存在两种发育模式 1 有沙层充填的古河道。基岩顶面标高1 160m 以下， 土层缺失， 基岩直接与沙层接触。主要分布在 研究区西北和东南部， 古河道区沙层相对较厚， 为 20m左右， 东南部古河道沙层最厚可达33. 90m。 2 无沙层充填的古河道。基岩顶面标高1160m 以下， 土层缺失， 基岩直接与冲洪积层或薄层第四系 风积沙接触， 下游可见基岩裸露。主要分布于研究 区东北部边界附近， 南部和东南部梁峁区也有局部 发育。 Figure 4 Relationship between paleochannels and sand layers distribution 3古河道与矿井涌水量关系 3. 1充 水 水 源 及 通 道 3. 1. 1 充 水 水 源 根据井田地质与水文地质条件， 第四系沙层孔 隙含水层水是凉水井煤矿主要的直接充水水源。其 次为风化基岩裂隙含水层。 3. 1 . 2充 水 通 道 及 发 育 规 律 根据凉水井煤矿42101和 42102工作面探测覆 岩破坏情况（ 表 1， 工作面导水裂隙带发育高度分 别为45. 85m和 64. 18ni， 均大于煤层上覆基岩厚度， 导水裂隙带已发育至土层中。 表 丨 4_2 煤层导水裂隙带发育高度探测结果表 丨 4_2 煤层导水裂隙带发育高度探测结果 Table 1 Coal No. 42 water conducted fissure zone development height explored results 工作面编号钻孔号煤层厚度/ni沙层厚度/m土层厚度/m上覆基岩厚度/m实测导水裂隙带高度/m 42101CG-23. 1210.0049.0037. 1864. 18 42102CG-13.4515.8030. 2028. 8545.85 4848 中国煤炭地质 第 3 2 卷第 3 2 卷 导水裂隙带发育高度探测区域4_2煤层覆岩保 存相对完整。由于煤矿的开采工艺、 回采推进速度、 岩石强度、 煤层厚度等基本一致。因此， 根据凉水井 煤矿基岩厚度、 土层厚度和沙层厚度分布， 以及生产 实际可知， 导水裂隙带沟通了正常基岩与风化基岩 裂隙承压水， 局部沟通沙层孔隙含水层， 是煤矿主要 充水通道。 3 . 2古 河 道 分 布 与 工 作 面 涌 水 关 系 凉水井煤矿421盘区工作面回采中多次跨越古 河道开采（ 图 5， 从表2 可知， 由于导水裂隙带的发 育 ， 回采工作面跨越古河道前涌水量一般为130 160mVh， 推进位置距离古河道越近， 涌水量越大， 跨越古河道开采过程中工作面涌水量最大可达364 mVh， 跨越古河道后涌水量逐渐减小， 并稳定在丨30 150 mVh。跨古河道开采“ 前-中-后” ， 涌水量表 现为“ 稳定-突增-稳定” 。从古河道发育区域沙层 厚度及下部工作面涌水量变化得出， 古河道相对低 洼的汇聚形态， 对于沙层含水层的堆积厚度具有一 定的控制作用， 从而决定了沙层富水性及矿井回采 工作面涌水量大小。 表 2工作面跨古河道开采涌水量变化统计表 2工作面跨古河道开采涌水量变化统计 Table 3 Statistics of paleochannel area working face extraction water inflow variations T.作面编号沙层厚度/m 基本顶初次跨落 涌水量/m 3 h 1 过古河道前稳定 涌水量/m 3 过古河道最大 涌水量/m 3 . h_1 过古河道后稳定 涌水量/m 3 . h_l 古河道类型 4210520. 30-33. 90105130242-364150有沙层充填古河道 421081 _ 16 〜 8. 59120130182. 40135无沙层充填古河道 421091. 16-8. 59120155196. 06150.4无沙层充填古河道 4211015. 40-31.95135160281-325280有沙层充填古河道 注 凉水汴煤矿已对T作面上部含水层水预疏放， 故实测数据整体偏小 对比分析可知， 由于古河道发育区工作面上部 缺少土层隔水层， 采动导水裂隙带连通基岩裂隙含 水层与风化基岩裂隙含水层， 局部导通沙层孔隙含 水层， 导致跨古河道开采时T. 作面涌水量较大。其 中， 无 沙 层 充 填 古 河 道 区 涌 水 量 增 大 26. 4 40. 3 ， 有沙层充填古河道区涌水量增大约180。 4结 论 1 根据基岩顶面起伏形态、 土层缺失、 古分水 岭等因素， 圈定了凉水井煤矿基岩顶面古河道。依 据古河道与沙层的分布关系， 将古河道划分为有沙 层充填的古河道和无沙层充填的古河道。 2 提出凉水井煤矿古河道控水规律， 即古河道 对于沙层含水层的厚度具有控制作用， 古河道充填 沙层越厚， 跨沟开采工作面涌水量越大。跨古河道 开采工作面涌水量大小与距离古河道远近具有相关 性 ， 即距离古河道越近， 矿井涌水量越大， 跨古河道 开采时工作面涌水量显著增大， 最大可达正常涌水 量 的 1.8倍。 3古河道控水规律研究可为煤层开采涌水量 预测提供依据， 为矿井涌水危险性评价提供一种新 致灾因素， 对古河道发育区煤矿防治水工作具有一 定指导作用。 参 考 文 献 [1] 王双明， 黄庆享， 范立民， 等.生态脆弱区煤炭开发与生态水位保 护[M].北京科学出版社.201067-106. [2] 范立民， 马雄德， 冀瑞君.西部生态脆弱矿IX保水采煤研究与实 践进展[J].煤炭学报,2015,408 1711-1717. FAN Limin, MA Xiongde, JI Ruijun. Progress in engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area J ]. Journal of China Coal Society, 2015 , 40 8 1711-1717. [3 ] 缪协兴， 钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望[ J ] .采 矿与安全丁.程学报， 2009,261丨 -14. LIAO Xiexing, QIAN Minggao. Research on Green Mining of CoaJ Re sources in China Current Status and Future Prospects [ J . Journal of Mining Safety Engineering, 2009, 26 1 1-14. [4 ] 范立民.榆神府区煤炭开采强度与地质灾害研究[J ].中国煤炭， 2014,405 52-55. 下转第 82 页） 8282 中国煤炭地质 第 3 2 卷第 3 2 卷 分布、 水质类型为S04-N a型， 富含有特殊离子氟 F和可溶性偏硅酸（H2Si0 3的区域性低电阻区开 展地热地质工作， 为寻找新能源提供有价值的地质 资料。 参 考 文 献 [ 1 ]李四光.地质力学概论（ 第二版） [M ].北京 地质出版社，1999. [2] 张德忠， 刘志刚， 卢红柳， 等.河北地热[ M ] .北京 地质出版 社，2013. [3] 徐世光， 郭远生， 等.地热学基础[M].北京科学出版社，2009. [4] 马静晨.北京郑各庄地区地热地质特征及资源评价研究[D].长 春吉林大学，2016. [5] 李攻科， 王卫星， 李宏， 等.河北汤泉地热田地温场分布及其控制 因素研究[J].中国地质，2014,4106 ,2099-2109. [6] 李攻科.河北汤泉地热田成因与资源潜力评价[D].北京 中国 地质大学（ 北京） ，2014. [7] 河北省煤田地质局第四地质队.张家口市经济区区域地热资源 调査研究报告[ R ] .河北张家口.河北省煤田地质局第四地质 队，2001. [8] 河北省地勘局第三地质大队.河北省张家口市地热资源调查评 价报告[R].河北张家口.河北省地勘局第三地质大队，2003. [9] 李业震.蔚县地热地质特征及地热资源开发利用[J].中国煤炭 地质（ 原中国煤田地质） ，2004，16S1 72-73. [10] 河北省地矿局国土资源勘查中心.张家口市地热资源分布规律 与开发利用研究报告[R].石家庄.河北省地矿局国土资源勘查中 心，2014. [11] 河北省煤田地质局第四地质队.河北省张家口市崇礼区冬奥会 场馆及周边地区地热资源调查报告[R].河北张家口.河北省煤田地 质局第四地质队，2018. 上接第48 页） FAN Limin. On coal mining intensity and geo-hazard in Yulin-Shenmu- Fugu mine area[J]. China Coal, 2014, 405 52-55. [5] 王双明， 黄庆享， 范立民， 等.生态脆弱矿区含（ 隔） 水层特征及保 水开采分区研究[J].煤炭学报，2010,35 1 7-14. W A N G Shuangming, H U A N G Qingxiang, FAN Limin, et a l . Study on o - verburden aquclude and water protection mining regionazation in the eco logical fragile mining area[J]. Journal of China Coal Society, 2010, 35 I 7-14. [6] 范立民， 向茂西， 彭捷， 等.西部生态脆弱矿区地下水对高强度采 煤的响应[J ].煤炭学报，2016,41 U 2672-2678. FAN Limin, XIANG Maoxi, PENG Jie,et a l . Groundwater response t o intensive mining in ecologically fragile area [ J ]. Journal of China Coal Society, 2016, 41 11 2672-2678. [7] 夏玉成， 杜荣军， 孙学阳， 等.陕北煤田生态潜水保护与矿井水害 预防对策[J].煤炭科学技术，2016,44839-45. XIA Yucheng, DU Rongjun, SUN Xueyang， et a l . Countermeasures of ecologic phreatic water protection and mine water disaster prevention i n northern Shaanxi Coalfield [ J ]. Coal Science and Technology, 2016, 44 [8] 39-45. [8] 王双明， 范立民， 黄庆享， 等.基于生态水位保护的陕北煤炭开采 条件分区[J].矿业安全与环保，2010,373 81-83. W A N G Shuangmin, FAN Limin, H U A N G Qingxiang, et a l . Zoning of coal mining conditions in northern Shaanxi based on ecological water level protection[ J]. Mining SafetyEnvironmental Protection, 2010, 373 81-83. [9] 李涛， 王苏健， 韩磊， 等.生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土 层合理厚度[J].煤炭学报，2017,42198-105. LI Tao, W A N G Sujian, H A N Lei,et a l . Reasonable thickness of protec ted loess under loose aquifer in ecologically fragile mining area[ J]. Jour nal of China Coal Society, 2017, 42 1 98-105. [10] 赵兵朝.榆神府矿区保水开采覆岩导水裂缝带发育高度研究 [M].江苏徐州 中国矿业大学出版社，2016120-150. [II] 李涛， 冯海,王苏健， 等.微电阻率扫描成像测井探测采动土层 导水裂隙研究[J].煤炭科学技术，2016,448 52-55,73. LI Tao， FENG Hai， W A N G Sujian， et a l . Study on micro resistivity scan imaging logging applied to detect water flow cracks of mining soil layer [J]. Coal Science and Technology, 2016, 448 52-55,73. [12] 郑磊， 白海波， 马凯.凉水井煤矿顶板导水裂隙发育机理分析 [J].煤炭技术，2017,36 1 182-184. ZHE NG Lei, BAI Haibo, M A Kai. Development Mechanism Analysis of Water-flowing Fractured Zone in Roof of Liangshuijing Coal Mine[ J]. Coal Technology, 2017, 36 1 182-184. [13] 李智学， 申小龙， 李明培， 等.榆神矿区最上可采煤层赋存规律 及开采危害程度[J].煤田地质与勘探，2019,473 130-139. LI Zhixue, SHEN Xiaolong, LI Mingpei, e t a l . Occurrence regularity of uppermost minable coal seams and their harmful level ofmining in Yushen mining area[J]. Coal Geology Exploration, 2019, 473 130-139. [14] 李智学， 李明培， 申小龙， 等.榆神矿区基岩顶面土层缺失机理 分析及其防治水意义[J].煤田地质与勘探，2019,466 102-107. LI Zhixue, LI Mingpei, SHEN Xiaolong, et a l . Genetic analysis of the bedrock top surface soil layer deletion and i t s significance for water pre vention in Yushen mining area[J]. Coal Geology Exploration, 2018, 466102-107. [15] 范立民， 蒋泽泉.榆神矿区保水采煤的工程地质背景[J].煤田 地质与勘探，2004,325 32-35. FAN Limin, JIANG Zequan. Engineering geologic background of coal mining under water-containing condition in Yushen coal mining area[ J]. Coal Geology Exploration, 2004, 325 32-35. [16] 赵兵朝， 同超， 刘樟荣， 等.西部生态脆弱区地表开采损害特征 [J].中南大学学报（ 自然科学版） ，2017,4811 2990-2997. Z HA O Bingchao, TONG Chao, LIU Zhangrong, et a l . Characteristics of mining-induced surface damage in western ecological fragile region[J]. Journal of Central South University Science and Technology , 2017, 48 11 2990-2997. [17] 黄庆享.浅埋煤层保水开采岩层控制研究[J].煤炭学报，2017， 421 50-55. H U A N G Qingxiang. Research on roof control of water conservation mining in shallow seam[ J]. Journal of China Coal Society ,2017 ,42 1 50-55.