神南矿区地下水资源及采煤影响分析.pdf

第 5 期 王宏科蒋泽泉神南矿区地下水资源及采煤影响分析 ’ 词囊 匿 探讨 神南矿区地下水资源 及采煤影 响分析 冰 王宏科 ， 蒋泽泉 1 ． 神木柠条塔矿业有限公司， 陕西 神木7 1 9 3 1 5 ； 2 ． 陕西省煤 田地质局一八五队， 陕西 榆林7 1 9 0 0 0 摘要 神南矿区位于陕北侏罗纪煤田腹地， 目 前建设即将投产的矿井有柠条塔煤矿、 红柳林煤矿 和张家峁煤矿， 总设计生产能力2 8 N t／ a ， 矿区水资源贫乏， 主要地下水赋存于萨拉乌苏组和烧变岩 中， 文中论述了各含水层基本特征， 提出了保护矿区南部萨拉鸟苏组地下水的建议。 关键词 萨拉鸟苏组； 烧变岩； 保水采煤 保水开采 ； 影响； 分析 中图分类号 P 6 4 1 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 7 4 9 X 2 0 1 1 0 5 0 0 0 1 0 4 0 前言 神南矿区总面积约 3 7 3 ． 4 k m ， 煤炭总资源量 巨大 ， 正在建设柠条塔 、 红柳林 、 张家峁三处特大 型 现代化煤矿， 并于近期投产。矿区生产、 生活用水多 取自矿区地下水及地表水等， 随着煤炭大规模回采， 矿区各类水资源受到不 同程度 的影 响 I 2 J ， 神南矿 区煤炭资源开采与水资源保护 的矛盾 日益突出。2 0 世纪 9 0年代初期 ， 范立民就提 出了通过开采区域 的 科学选择和采煤方法的合理调整， 控制煤层顶板冒 裂带发育 J ， 保护萨拉乌苏组含水层结构不受破 坏， 达到陕北地区采煤与保水、 保护生态的协调统一 的意见 J 。红柳林煤矿、 张家峁煤矿首采工作面均 临近火烧 区， 在煤炭 回采过程 中工作 面涌水量初始 较大， 后逐渐衰减并趋于稳定， 工作面底板标高以上 的泉水 、 河沟均出现干涸现象 ， 严重影响了矿 区的生 产和生活； 柠条塔煤矿为矿区水资源较丰富的煤矿 之一， 其西南部砂层水源地是芦草沟、 肯铁令河、 小 侯家母河沟 后两条河汇入考考乌素沟 的源头， 近 年来 由于煤炭的开采 使得水源地水量大幅减少 ， 而 下游的张家峁煤矿原设计从考考乌素沟取水用于生 收稿 日期 2 O l 1 0 11 O 基金项目 陕西神南矿业公司2 0 0 8 2 0 1 0年科学技术计划。 作者简介 王宏科 1 9 7 5 一 ， 男， 陕西扶风人， 1 9 9 9年毕业于华东地 质学 院 ， 工程师 ， 从事矿井地质工作。 产、 生活， 这进一步使得张家峁煤矿用水紧张， 因此， 研究矿区水资源特征及采煤影响， 提出水资源保护 对策 ， 保护地 下水水位稳定 ， 是 矿区面临 的重大课 题。 1 含水层水文地质特征 1 ． 1 松散层孔隙潜水含水层 第四系全新统冲、 洪积层 Q 口 l 邮 孔隙潜水含水 层组 主要分布于考考乌素沟、 肯铁令河及常家沟等 大沟谷两侧河漫滩和一级阶地之上组成河漫滩及堆 积阶地， 呈条带状断续分布。地层厚度0 8 ． 1 4 m， 一 般 5 ． 0 0 m左右。上部为浅黄灰色粉细砂及亚砂 土 ； 下部为细 、 中粒砂和含卵砂石层。卵砂石成分以 砂岩碎块 、 烧变岩块及钙质结核为主， 砾径一般 2～ 6 c m， 磨圆度和分选性较差。水位埋藏深度 0 ． 5 0～ 4 ． 4 0 m， 一般 2 m左右 ， 富水性受含水层厚度及分布 范围所控制 ， 即含水层厚度大 ， 分布面积广 ， 涌水量 则大。据以往水文钻孔抽水资料表明 单位涌水量 0 ． 0 5 4 6 0 ．2 4 4 L ／ s ．m， 渗 透 系 数 1 ．3 3 7 6 ． 4 2 m ／ d ， 水矿化度 3 9 6～ 5 8 4 mg ／ L ， 水化学类 型为 H C O 一C a或 HC O 一N a C a型。 第四系上更新统 萨拉 乌苏组 Q s 孔 隙潜水含 水层 J 该组地层主要分布于考考乌素沟以南地 区、 常家沟西南地区， 在芦草沟、 五磅石沟、 庙沟山 坡、 黄花界及毛驴滩沟脑处， 有零星出露， 厚度仅几 米， 上部为灰褐、 灰黑色粉细砂夹亚砂土及砂质亚粘 2 陕西煤炭 土； 中、 下部为黄褐色中粗粒砂 ， 具有水平层理 ， 夹亚 粘土及淤泥条带或透镜体 ， 结构疏松 、 透水性好 ， 含 水丰富 ， 并与上覆风积沙构成同一含水层 。 研究区内该组 地层厚 度为 04 0 ． 1 9 m， 一般 1 0 ． 0 o～1 5 ． 0 0 m左右 ， 低洼 区堆积厚 ， 梁 峁区薄 ， 沉 积厚度与 中更新世晚期古地形相一致。含水层厚 0 2 5 ． 0 4 m， 一般厚 1 O ． 0 0 m左右 ， 水位埋深 2 ． 8 0 1 6 ． 2 0 m。沙层结构松散， 大孑 L 隙， 透水性强， 易于接 受大气降水补给 ， 储集条件 良好 。地下水 的赋存受 古地形的严格控制 ， 地下水在侧 向运动中补 给下伏 含水层， 尤其是烧变岩主要靠萨拉乌苏组地下水的 转化补给， 由于受下伏土层起伏形态制约 ， 含水 区主 要位于隐伏 沟谷 区， 是 区内主要含水层 和透水层。 据 以 往 水 文 孑 L抽 水 试 验 ， 涌 水 量 为 0 ．0 1 8 ～ 8 ． 0 4 7 L ／ s ， 单 位涌水量为0 ． 0 0 4 6～ 1 ． 4 1 3 2 L ／ s m， 渗透系数为 0 ． 0 4 4 86 ． 8 8 3 m／ d 。 矿化度为 1 8 0～ 2 5 7 mg ／ L ， 水化学类型以 H C O 一C a 型为主。 据水文地质调查资料显示， 萨拉乌苏组在部分 沟谷、 沟脑低洼、 沙丘滩地等小范围分布， 由于有较 好的补给源 ， 富水性较好 ， 有 泉出露 ， 流量 0 ． 1 1 4～ 5 ． 6 4 8 L ／ s ， 水质类型 H C O 一C a型水 ， 矿化度 0 ． 2 6 4 ～ 0 ． 3 0 7 g ／ L 。乌兰不拉沟q 0 8 号泉， 流量l 4 ． 5 lMs ， 出水层位为 2 I 2 号煤层烧变岩， 但补给来源为上覆 萨拉乌苏组潜水含水层。 总体看 ， 考考乌素沟以北含水微弱； 考考乌素沟 以南的小侯家母河沟、 肯铁铁令河附近和南部的芦 草沟附近， 含水层厚度大、 岩性粗、 孔隙率高、 水泉密 度大、 流量较大。 1 ． 2 第 四 系中、 上更 新 统 Q 。 黄 土相 对 隔水 层 】 广泛分布于研究区内， 在柠条塔井 田北部、 张家 峁井田东部及北部、 红柳林井田中东部出露地表， 组 成黄土梁峁丘陵地貌， 厚度 0～ 5 9 ． 2 6 m， 一般 2 2 m 左右。岩性以黄褐色亚粘土、 亚砂土为主， 其中夹数 层灰褐色古土壤层， 含大量钙质结核， 局部钙质结核 成层分布， 柱状节理发育。其下有新近系红土隔水 层存在时 ， 在雨季可形成上层滞水 ， 但很快便 以泉及 潜流的形式排泄殆尽 。在缺失新近系保德组红土的 地段， 低洼处或沟脑部位常与基岩风化带潜水构成 同一含水层。因此， 该层仅局部含水， 水量微弱。 1 ． 3 碎屑岩风化裂隙含水层 分布较普遍 ， 浅埋区的侏罗系安定组 、 直罗组 、 延安组地层 ， 受到不 同程度的风化 ， 岩石结构杂乱 ， 松软易碎 ， 孔隙度增大 ， 岩石透水性增强 ， 节理裂隙 显现。岩石风化程度受 出露条件和岩性影响 ， 安定 组 、 直罗组岩层的风化程度 比延安组岩层严重。地 表和浅埋区， 剥蚀残 留厚度 0 ． 5 8～1 0 1 ． 6 0 m， 一般 3 0 ． 0 0 m左右 ， 含水层厚度 l 0 ． 0 o～3 3 ． 7 6 m， 一般 2 0 ． 0 0 3 0 ． 0 0 m。其岩性由黄绿色、 紫杂色泥岩 、 粉 砂层和灰 白色砂岩组成。含水层为底部中粗粒含砾 长石砂岩 ， 厚层状 ， 泥质胶结 ， 底部偶有0 ． 5 01 ． 0 0 m砾岩 ， 结构疏松 ， 孔隙度增大 ， 岩石透水性增强 ， 裂 隙较发育。赋存于风化裂隙中的地下水， 在高地势 区为潜水水力特征 ， 在河谷 区则常具有承压水特征。 地下水多以下降泉 的形式排泄。泉水 流量 为 0 ． 0 8 0 ． 5 0 6 L ／ s ， 一般 0 ． 2 L ／ s ， 富水性弱。据 以往抽水 试验结果 涌水量为0 ． 2 4 0 ． 5 0 6 L ／ s ， 单位涌水量 为0 ． 0 1 8 6～ 0 ． 0 3 2 L ／ s m， 渗透系数为0 ． 0 5 6 5 9～ 0 ． 1 l 1 m ／ d ， 矿化度为 2 1 2～ 2 2 8 m g ／ L ， 水化学类 型 为 H C O 3 一C a M g或 H C O 一C a N a型。 1 ． 4 烧变岩裂隙孔洞潜水含水层 烧 变岩烧变程度在平面与剖面上均有较大变 化 ， 完整而典型的烧变岩剖面上 ， 自上而下可分为烘 烤岩 、 烧变岩及烧熔岩 类熔岩 三类。实际上在火 烧区的不同地段， 只有其一或其二。研究区各大井 田范围内空间分布不尽相同各具特点。 柠条塔 井田范围内考考乌素沟北部 1 I 2 及 2 I 2 煤层烧变岩区， 呈北东一南西 向带状分布， 宽约 3 0 0 ． 0 08 0 0 ． 0 0 m。烧变 岩总厚 度 2 0 ． o 0～6 0 ． 0 0 m， 一般 3 O ． 0 0 m。考考乌素沟南部 2 煤层火烧边 界线迂 回曲折 ， 由此界到露头形成 了宽度不等的烧 变岩区。烧变岩主要为 2 - 2 煤层 自燃形成 ， 但也有 3 煤层烧变岩区。烧变岩厚度 6 ． 2 4～ 8 4 ． 6 6 m， 一 般 3 0 ． 0 0 4 0 ． 0 0 m。 红柳 林井 田 内主要分 布有 4 ～、 5 煤 的烧 变 岩 4 煤烧变岩据钻孔揭露及磁法资料反映， 在先 期开采地段南部、 中北部边界磁异常明显， 有烧变岩 存在 ， 且不具连续性 ， 大部分地区 ， 磁法勘探无异常 区， 表明无烧变岩存在。5 I 2 煤烧变岩分布于红柳林 井 田东部边界， 且受沟谷切割地下水排泄 ， 成为透水 岩层 。 张家峁井田内各煤层在露头处大部分自燃， 烧 第 5期 王宏科蒋泽泉神南矿区地下水资源及采煤影响分析’ 3 变岩在沟谷区广为出露 煤层 自燃后上部岩石受到 烘烤变质， 直至熔融并产生大量气孔。垮落后又形 成大量的裂隙空洞， 最大可达 3 0 c m， 个别地点裂隙 率高达 1 5 ％ 常家沟南沟 ， 为地表水、 大气降水的 渗入和地下水的迳流创造了有利条件。烧变岩厚度 各处不一， 主要与煤层厚度、 自 燃程度及所处地貌部 位有关， 一般 1 5～ 3 0 m， 最厚可达 4 0 余米。 柠条塔井田内考考乌素沟以北烧变岩区虽裂隙 孑 L 洞发育 ， 但上覆 地层主要为黄 红 土 ， 其 补给条 件差， 该区烧变岩富水性远不如南区。位于张家峁 井 田西南的风沙滩地 区的 2 煤层 ， 由于煤层厚 度 大、 出露层位高， 因而大面积自燃 ， 形成大范围的烧 变岩， 烧变岩中裂隙孑 L 洞极为发育， 便与上覆第四系 松散含水层发生水力联系 ， 使 萨拉乌苏组及松散沙 层潜水进入烧变岩裂隙内， 形成了极强富水区； 并沿 煤层底板泥岩隔水层向低洼处汇集， 并以泉的形式 排泄， 故泉水出露较多。如乌兰不拉沟 q o 8号泉流 量达 1 4 ． 5 L ／ s ， 考考乌素沟从沙渠 到四门沟地段 ， 烧 变岩泉水总流量为9 0 ． 6 3 5～ 1 0 2 ． 5 0 3 L ／ s ， 其中沙渠 及水头两大泉合计平均流量达 6 5 ． 1 6 7 IMs 。据 1 9 9 0年在沙渠附近施工的 N 4 7 8号钻孔抽水试验资 料， 含水层厚度4 ． 2 2 5 m， 静止水位深度4 5 ． 2 2 m， 单 位涌水量 7 7 ． 3 4 L ／ s m， 渗透系数1 3 1 6 ． 4 4 m ／ d ， 水 矿化度 1 8 9 m g ／ L ， 水化学类型为 HC O 一C a型。 2 采煤对地下水的影响分析 2 ． 1 煤炭开采对水资源的影响 煤炭开采对水资源会产生不 同程度 的影响 ， 关 键是要减轻影响程度， 保证生态脆弱区生态水位的 基本稳定和不产生大幅度下降 l8 j ， 减少地面塌陷 和环境破坏 J ， 影响水资源的因素有导水裂隙带发 育高度、 上覆基岩工程地质条件 。 及厚度、 隔水粘 土层厚度 以及含水层厚度。 导水裂隙带高度 根据矿区内近 3 0 0多个钻孔 的统计数据 坐标、 标高、 砂层厚度、 土层厚度、 首采 煤层上覆基岩厚度及首采煤层厚度 ， 按照拟合公 式 H 9 ． 5 9 M 1 3 ． 5 5计算裂隙带发育高度， 应用克 里格插值方法生成首采煤层导水裂隙带发育高度等 值线图。张家峁井 田西部、 柠条塔井 田东南部以及 红柳林井田东部导水裂隙带发育高度较大， 均超过 了8 0 m； 柠条塔井田和张家峁井田北部导水裂隙带 发育高度普遍低于南部， 由于两矿砂层含水层主要 分布在南部， 因此， 导水裂隙带的分布规律对保护砂 层水是不利 的； 红柳林井 田的情况与此相反 ， 导水裂 隙带高度西部普遍小于东部， 而砂层水主要分布在 中、 西部， 因此红柳林井田导水裂隙带分布规律利于 砂层水 的保护。 基岩厚度 导水裂隙带发育是否波及隔水粘土 层是水资源评价的一个关键 ， 即基岩厚度是保水采 煤的重要工程地质条件 ， 整个矿 区上覆基 岩厚度分 布西部厚东部薄， 基本由地层倾向决定。考考乌素 沟两侧基岩较薄 ， 厚度基本在 6 08 O m。红柳林东 部基岩厚度基本在 3 O一 6 0 m， 西部则可以达到 1 6 0 ～ 2 0 0 m以上 ， 这对保护红柳林砂层水是有利的。 隔水粘土层厚度 矿 区内土层分布主要由沟谷 控制， 凡是有沟谷、 河流的区域， 土层分布明显变薄， 如考考乌素沟、 常家沟、 芦草沟以及敖包沟等的两侧 区域。这些河流的河床一般都深切土层， 发育在基 岩中。张家峁井田内土层相对较薄， 是保护砂层水 的薄弱环节。柠条塔井田和红柳林井田内土层厚度 大部分大于 4 0 m， 是保护砂层水 的有利 的工程地质 条件 。 含水砂层厚度 根据 钻孔统计资料 矿 区砂层 厚度和砂层底面标高 ， 应用克里格插值方法分别 生成矿区砂层厚度表面图和矿区砂层底面标高图， 矿区北部 考考乌素沟以北 砂层厚度基本为零 ， 沿 红柳林井田与张家峁井田边界分布一东西向条带分 布的砂层带， 厚度 l 5 2 0 m， 矿区内砂层大致均匀 分布， 厚度 5～1 0 m 。火烧区、 水库区、 海子区和河 流沟谷区标高比周围区域低， 直观上反映了砂层水 沿底界面的汇流趋势。从图中可以近似圈出其流域 [ 水 面积 。 2 ． 2 水资源采动影响分区 分区标准见表 1 。 表 1 分区标准 根据成导水裂隙带导穿基岩区域分 布图 基岩 厚度等值线图一 裂隙带发育高度等值线图 和导水 裂隙带导穿土层区域分布图 基岩厚度等值线图 土层厚度等值线图 一裂隙带发育高度等值线图 ， 4 陕西煤炭 得出导水裂隙带导穿土层部分 、 导水裂隙带导穿基 岩但上覆土层厚度为0- 4 0 m部分和导水裂隙带导 穿基岩但上覆土层厚度 4 0 m部分， 依据分区标准 依次划分为严重失水区、 一般失水区和轻微失水区， 生成水资源漏失量分区图 图 1 。 3 7 4 3 0 0 0 0 3 7 “ [ 3 5 0 00 3 7 , 1 一 t 0 00 3 7 , i 45 0 0 0 图 1 神南矿区采煤对地下水的影响程度分区 矿区内失水区范围主要分布在柠条塔井田中、 东部， 张家峁井田中西部和红柳林井田东南部 ， 范围 以轻微失水和一般失水为主 ， 严重失水区范 围主要 分布在柠条塔井 田火烧 区周边 、 张家峁井 田中部和 原敖包沟煤矿东部部分区域 。由图可知 ， 柠条塔火 烧区周边严重失水区分布较广， 说明此区域受采动 影响剧烈 ， 因此在采矿 中应留设足够的侧向煤柱 ， 保 护火烧岩水， 防止火烧岩水溃人矿井。张家峁井田 的严重失水区范围通过 2 煤和 3 煤火烧区， 采矿 极有可能疏干火烧 岩中的积水 ， 因此也要引起相 当 的重视。 3 结论 1 神南矿区主要含水层是萨拉乌苏组含水层 和烧变岩含水层， 萨拉乌苏组广泛分布于矿区考考 乌素沟以南， 烧变岩主要分布于柠条塔煤矿考考乌 素沟以南及红柳林煤矿东部， 富水性较强， 是矿区主 要供水水源和维系生态环境的物质基础。 2 神南矿区浅部煤层开采对地下水影响明 显， 其中柠条塔煤矿中部、 张家峁煤矿大部影响严 重， 采煤将疏干地下水， 并可能进一步扩大影响范 围。不失水 区主要分布于红柳林煤矿西部 、 柠条塔 煤矿北部区域。 3 煤矿开采应该通过调整开采 区域或 改变采 高等方法， 减轻对萨拉乌苏组含水层及烧变岩含水 层的损害 ， 以保护地下水水位 的稳定和生态 系统平 衡， 促进煤炭基地健康发展。 参考文献 [ 1 ] 范立民． 陕北地区采煤造成的地下水渗漏及对策 [ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 0 7 ， 3 4 5 6 2 6 4． [ 2 ] 马雄德， 王文科， 范立 民， 等． 生态脆弱矿区采煤 对泉的影响[ J ] ． 中国煤炭地质， 2 0 1 0 ， 2 2 1 3 2 3 6． [ 3 ] 范立民， 蒋泽泉． 厚煤层综采冒落带高度的确定 [ J ] ． 中国煤田地质， 2 0 0 0 ， 1 2 3 3 l 一 3 3 ． [ 4 ] 范立民． 论保水采煤问题 [ J ] ． 煤 田地质与勘探 ， 2 0 0 5 ， 3 3 5 5 O一 5 3 ． [ 5 ] 蒋泽泉． 萨拉乌苏组含水层水文地质特征[ A] ／ ／ 安全高效矿井建设于开采技术[ c ] ， 北京 煤炭工 业出版社 ， 2 0 1 0 2 3 4～2 3 8 ． [ 6 ] 范立民， 蒋泽泉， 许开仓． 榆神矿区强松散含水层 下采煤隔水岩组特性的研究[ J ] ． 中国煤田地质， 2 0 0 3 ， 1 5 4 2 5 3 0 ． [ 7 ] 王双明， 范立民， 马雄德． 生态脆弱区煤炭开发与 生态水位保护[ A] ／ ／ 2 0 1 0年全国采矿科学技术 高峰论坛论文集[ c ] ． 中国矿业 ， 2 0 1 0 ， 1 9 专刊 2 1 22 1 6 ． [ 8 ] 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， 2 0 1 0 ， 3 5 1 7一l 4 ． [ 9 ] 侯恩科． 神府矿区地面塌陷特征及形成机理分析 [ A ] ／ ／ 陕西省煤矿采空区地面塌陷防治技术经济 研讨会论文集[ c] ． 陕西省地质学会， 2 0 0 7 3 2 3 8 ． [ 1 0 ] 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， 2 0 0 4 ， 3 2 5 3 2 3 S