神南矿区保水采煤工程地质条件评价.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 神南矿区保水采煤工程地质条件评价神南矿区保水采煤工程地质条件评价 常金源，李文平* 作者简介常金源（1985-），中国矿业大学硕士研究生，研究方向为工程地质和水文地质. E-mail jinyuan2199 通信联系人李文平（1966-），中国矿业大学教授，博士生导师，研究方向为煤矿水文地质工程地质。 E-mailwpli1688 （中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008） 摘要摘要通过野外水文地质调查，了解了神南矿区水体的赋存和分布特征，通过原位压水试验5 和室内土工试验，了解了矿区内岩土体的水文地质特征。经过对以上资料的分析和总结，结 合地貌特征，依据保水采煤水文地质条件（水体赋存和分布特征，水量大小及对保水采煤影 响的重要性），将神南矿区划分为四个区，分别为黄土梁峁区（A）、风沙滩地区（B）、 地表水体区（C）和烧变岩区（D），并根据每个分区的特点，分别对矿区范围内保水采煤 措施及注意事项提出建议。 10 关键词关键词工程地质；神南矿区；保水采煤；水资源赋存特征；水文地质条件分区 中图分类号中图分类号TD12 uation of Engineering Geological Condition on Water Preserved Mining in Shennan Mine Area 15 CHANG Jingyuan, LI Wenping School of Resources and Earth Science, China University of Mining Shennan mine area; water preserved mining; characteristics of water resources occurrence; division of hydrogeology condition 30 0 引言引言 陕北侏罗纪煤田地处毛乌素沙漠南缘，煤层埋深浅，煤炭储量丰富，但水资源量总体缺 乏，生态环境脆弱，煤炭开采与水资源保护的矛盾十分突出。如何有效的对西部采煤地区水 资源进行保护和利用， 是许多学者和专家研究和探讨的热点问题。 该地区水体赋存特征和岩 土体工程地质条件是保证保水采煤可行性实现的基础和关键。 35 保水采煤的基本思想形成于 1990 年之后。19951998 年，陕西煤田地质局主持开展的 中国西部侏罗纪煤田 （榆神府矿区） 保水采煤与地质环境综合研究 中， 首次明确使用 “保 水采煤”一词。 针对西部地区煤层赋存特征，总结保水采煤的研究过程和途径主要为（1）工程地质 背景（条件）研究；（2）选择合适的采煤方法（工艺），减弱覆岩破坏程度[1]；（3）水资40 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 源的利用、转移存贮[2,3]。本文即在（1）的基础上，探讨神南矿区保水采煤的工程地质背景 问题 1 矿区地理位置及地质概况矿区地理位置及地质概况 1.1 矿区地理位置矿区地理位置 神南矿区位于陕北侏罗纪煤田神木北部矿区的南部，总面积约 373.4km2，煤炭总资源45 量约 55 亿 t，设计年生产能力为 3000 万 t，后期可增产至 4000 万 t/a。神南矿区由三个相邻 的各持有独立矿权的煤矿组成，分别是柠条塔煤矿、张家峁煤矿、红柳林煤矿。其相关关系 见矿权设置示意图（图 1）。 红 柳 林 井 田 柠 条 塔 井 田 张 家 峁 井 田 北 50 图1 矿权设置示意图 Fig. 1 Diagram of Mining right arrangement 1.2 矿区地质概况矿区地质概况 神南矿区位于陕西省北部， 与内蒙和山西交界， 处于陕北黄土高原与毛乌苏沙漠的接壤 地带。矿区内地形主要受河流侵蚀控制，地貌类型可分为黄土丘陵沟壑区和风沙滩地区。主55 要水系由窟野河及其支流组成。 矿区南部为风沙滩地区，地表被松散砂层覆盖，地势相对平坦，北部地区属黄土丘陵沟 壑区，地形支离破碎，沟壑纵横，坎陡沟深，梁峁相间，沟谷陡峻狭窄，地表侵蚀强烈。含 煤地层为侏罗系延安组，矿区内可采煤层从上到下依次为 2-2煤、3-1煤、4-2煤和 5-2煤，埋 深均在 240m以内，基岩厚度为 40-180m，属薄基岩浅埋煤层。地层特征如表 1 所示。 60 65 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 表 1 矿区地层 70 Tab. 1 Mine area’s ation 地 层 界 系 统 组 岩 性 特 征 厚 度 m 全新统 Q4 Q4eol Q4al 灰黄色半固定沙-流动沙。沙、砾等河流 冲积物分布于常家河、考考乌素沟及各支 沟地带。 036， 一般 918 马兰组 Q3m 灰黄色、 灰褐色亚沙土及粉沙， 岩性较均一， 结构疏松。 015 上更 新统 Q3 萨拉乌 苏组 Q3s 灰褐色粉沙-细沙， 具明显的水平层理和波状 层理，湖相沉积。 025.31，一般 210 第 四 系 中更 新统 Q2 离石组 Q2l 棕黄色黄褐色亚粘土，无层理，质地均一， 有稀疏的垂直节理。 050， 一般 510 新 近 系 上新统 N2 保德组 N2b 浅棕红色粘土、 亚粘土， 夹多层钙质结核层， 粘土层厚度 0.502.00m，结构紧密，具粘滑 感，塑性好。 068.18，一般 5.0030.00 直罗组 J2z 紫杂泥岩、砂质泥岩、砂岩。 最大 43.80，平 均 21.91 新 生 界 侏 罗 系 中统 （J2） 延安组 J2y 浅灰色中细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩、灰 黑色砂质泥岩、泥岩及煤层，是主要含煤 地层。 28.80225.52 2 水体赋存特征水体赋存特征 区内水资源类型主要为地表水系（河流和水库）、松散层孔隙潜水、火烧岩水和基岩裂 隙水四部分。 2.1 松散层孔隙潜水松散层孔隙潜水 75 （1）砂层水主要分布于矿区南部风沙滩地区，由风积砂和萨拉乌苏组组成，两者常 构成同一含水层。 以大气降水和凝结水补给为主。 砂层水的排泄方式为顺地形以水平渗流为 主，当砂层下伏火烧岩时，砂层水排泄方式为垂直渗流，补给火烧岩水，在火烧边界形成降 落漏斗。 （2）河谷区潜水主要分布于河流两侧河漫滩和一级阶地之上，分布不连续，厚度变80 化较大（08.14m）。富水性受含水层厚度及分布范围所控制，属中等富水性含水层。主要 为第四系冲积层和基岩风化带潜水，一般彼此上下重叠，为具有双重结构的统一含水体。冲 积层孔隙大，透水性好，易于接受大气降水的补给。河谷区潜水与地表水体有极密切的水力 联系，一般枯水期潜水排泄补给地表水，丰水期河流补给冲积层潜水。 （3）地表水系以泉水、地表径流和水库为主。泉水主要分布于沟谷两侧，水量为85 0.010.40L/s，其中在乌兰不拉沟上游 qz08 号泉水量为 12.63 L/s，为矿区内水量最大的泉， 由上部松散层潜水进入 2-2煤烧变岩裂隙内，并沿煤层底板泥岩隔水层向低洼处汇集形成。 地表水系主要有考考乌素沟、常家沟、卢草沟和常家沟水库，其中考考乌素沟从矿区中部通 过。为黄土丘陵沟壑区和风沙滩地区的天然分界线。 2.2 火烧岩水火烧岩水 90 矿区内各煤层在露头处大部分自燃，烧变岩在沟谷区广为出露，主要有 2-2、3-1、4-2和 5-2煤火烧区。火烧岩地区岩体呈散体构造，裂隙空洞发育，最大可达 30cm，个别地点裂隙 空洞率高达 15，渗透系数 5.10780.6m/d，一般 1050m/d，为地表水、大气降水的渗入和 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 地下水的迳流创造了有利条件，同时也可以作为良好的地下储水构造。 2.3 基岩裂隙水基岩裂隙水 95 主要为侏罗系中统直罗组（J2z）弱富水性含水层和延安组（J2y）极弱富水性含水层。由 于各岩层粗细相间，砂岩含水，泥岩粉砂岩相对隔水。因此，基岩裂隙水有一定的成层性和 承压性特征。基岩裂隙水矿化度较高，一般0.2 g/L，并随深度增加而递增，说明基岩裂隙 水的补给、排泄不畅，与外部的水力联系弱。 3 上覆岩土体工程地质特征上覆岩土体工程地质特征 100 3.1 粘（粉）土工程地质特征粘（粉）土工程地质特征 粘（粉）土隔水层是指由离石黄土（Q2l）和保德红土（N2b）共同组成的粘（粉）土层， 为砂层含水层的直接隔水底板[4]。矿区北部粘（粉）土隔水层直接出露地表，水力切割强烈， 地表沟壑纵横，水资源保护的意义不大，而位于矿区南部风沙滩地区的粘（粉）土隔水层， 对保护地表砂层水具有重要的意义。 105 3.1.1 土层工程地质性质土层工程地质性质 由钻孔取样室内试验得黄土和红土的基本物理性质和水理性质指标如下。 表 2 粘（粉）土物理、水理性质指标 Tab. 2 Laterite/ loessal’s physical/water-physical properties 110 物理性质 水理性质 粘 （粉） 土类型 含水 率 密度 g/cm3 比重 孔隙 比 饱和 度 液限 塑限 塑性 指数 液性 指数 黄土 13.8 17.6 1.75 2.06 2.70 2.71 0.50 0.76 49.0 91.0 26.1 28.2 17.4 18.1 9.8 10.2 0 红土 14.5 56.5 1.80 2.04 2.71 2.73 0.57 0.77 60.0 86.0 29.4 37.1 18.4 20.7 11.0 13.7 0 0.35 3.1.2 原位压水试验原位压水试验 根据水电水利工程钻孔压水试验规程，采用三级五段式压水试验方法，分别对离 石黄土和保德红土进行原位压水试验，压力采用 0.2MPa、0.4MPa 和 0.6MPa，在不同压力 下测量单位压入流量（m3/d）。 依据规程公式 0 ln 2r l Hl Q K π 计算粘 （粉）土隔水层的渗透系数黄土为 0.020.9m/d，115 红土为 0.0020.6m/d，极值差较大。式中K土体渗透系数（m/d）；Q单位压入 流量 （m3/d） ；H试验段水头高度 （m） ；l试段长度 （m） ； 0 r钻孔半径 （m）。 矿区内黄土和红土在天然条件下是良好的隔水层，而且只要其位于煤层开采上覆 岩土层整体移动带内，采后可起到良好的隔水作用。 3.2 上覆岩层工程地质性质上覆岩层工程地质性质 120 本区岩石以中硬类为主，抗压强度一般＞30MPa，岩石强度一般随深度增大而呈明显的 增高之势。煤层直接顶板为炭质、砂质泥岩，强度弱（单轴抗压强度 510MPa），随采随 冒。直接顶板以上基本为强度较大的粉砂岩、细粒砂岩和石英砂岩（单轴抗压强度 3060MPa）。 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 在河沟和水库地区，水体深切地表，直接与基岩接触，导水裂隙带发育高度以上的岩层125 是保护其上的水体不至溃入矿井，保障矿井安全生产的至关重要的保护层[3]。 4 保水采煤水文地质条件分区保水采煤水文地质条件分区 根据水体赋存特征，水量大小及对保水采煤影响的重要性，可将矿区划分为 A、B、C、 D 四个区域。如图 2 所示 火烧岩区 （D区） 地表水系 （C区） 区和 区 分界线 风沙滩地区 黄土梁峁区 北北 B A D C C A B A B C 130 图 2 矿区保水采煤水文地质条件分区示意图 Fig. 2 Diagram of hydrogeology condition division on water preserved mining in mine area A黄土梁峁区位于矿区北部，黄土、红土直接出露地表，接受大气降水的补给。该 区内冲沟密布， 大气降雨往往在很短的时间内就顺冲沟流失殆尽。 在局部黄土层中含有少量135 的毛细水，对保水采煤影响意义不大。 B风沙滩地区位于矿区南部，水体类型主要为砂层孔隙水。区内水体循环速度快， 水质好，是各村庄的主要居民生活用水。砂层分布受先期黄土和红土沉积地形控制，厚度不 均一，由于采矿沉陷的影响，造成砂层水渗流条件和方向的改变，水位可能发生比较剧烈的 波动，对村民的生活会造成比较大的影响。但由于砂层下部发育有连续、较厚、可作为隔水140 层的黄土和红土层，局部地区存在较厚的风化带，采动裂隙易于迅速闭合[5]，这在一定程度 上可以降低导水裂隙带的发育高度， 减弱砂层水下渗的强度， 使砂层水水位在采动影响后一 段时期内有恢复的可能，这对保水采煤是有利的。 C地表水体区为考考乌素沟、常家沟、卢草沟和常家沟水库，以及相应的河漫滩和 阶地。该区域是重要的工业生产和居民生活用水水源，不宜在该区域下采煤，应留设足够的145 侧向煤柱。如采煤引起该区域水体与采空区连通，不仅对矿井安全生产构成严重的威胁（短 时间内突水量大，水量集中），而且会使整个矿区及周边区域的生态环境遭到不可恢复的破 坏。此区域是保水采煤的重点区域。 D烧变岩区主要为各火烧条带和柠条塔火烧区。由于火烧区孔隙度大，与砂层水和 地表水体水力联系较大， 部分火烧区直接接受大气降水的补给， 因此是良好的地下储水区域，150 可以作为居民生活用水的稳定水源。 由于采动裂隙的影响， 火烧岩水可以顺裂隙直接汇入矿 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 井，不仅增加了矿井的排水费用，同时还使火烧岩内水位下降，影响村民基本生活用水。该 区域也是保水采煤的重点区域，在工作面靠近或下组煤开采通过该区域时要留设足够的煤 柱。 5 结论和建议结论和建议 155 （1）从神南矿区水资源赋存特征出发，将矿区分为黄土梁峁区、风沙滩地区、地表水 体区和烧变岩区四个区域。 保水采煤时要特别注意地表水体区和烧变岩区， 在通过这些区域 时要留设足够的侧向保护煤柱。梁峁区由于富水性弱，对保水采煤意义不大。 （2）除沟谷和水库地区以外，矿区范围内普遍发育较厚的离石黄土和保德红土，厚度 一般为 1090m，渗透性差，可以作为隔水层，为保护矿区南部砂层水提供了有利的条件。 160 （3）火烧岩孔隙大，发育连续，连通性好，可做为居民或矿区生活水源。同时也可作 为地下储水构造，为地表潜水和矿井水的转移存储提供了空间条件。 （4）矿井水经处理、检验合格后供给矿区及周边生活用水，可缓解区域用水紧张的现 状，提高矿井的效益，符合煤矿绿色开采的要求。此外对于部分矿井水可采取直接抽灌的方 式，补充受煤炭开采影响的地表水体，维持地区生态环境的平衡。 165 [参考文献参考文献] References [1] 马立强，张东升，刘玉德等. 薄基岩浅埋煤层保水开采技术研究[J]. 湖南科技大学学报（自然科学版）， 2008，23（1）1-5. 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