曹家灘井田煤層賦存及保水開采條件

王永巖

(陜西省煤田地質局一八五隊,陜西榆林 719000)

0 引言

榆神礦區是陜北大型煤炭基地的核心建設區,煤炭資源豐富,煤質優良[1]。曹家灘井田是該礦區中部一期規劃的大型煤礦,主要可采煤層有 9層,煤炭資源總量達 31.17×108t,其中 2-2煤 18.70×108t,占總量的 60.01%,是井田內最上部的可采煤層,其開采是否會引起上覆第四系薩拉烏蘇組含水層地下水的滲漏[2],不僅關系到礦區供水安全,也涉及到生態安全問題,如何做到采煤過程中最大限度的保護薩拉烏蘇組地下水的含水結構不受破壞,是礦井建設面臨的重大課題,也得到了廣泛關注,并取得了重要進展,合理選擇開采區域、采取合適的采煤方法和工程措施達到采煤保水之目的[3]。王雙明等[4-6]針對陜北榆神府礦區煤炭資源富集,生態環境脆弱,區內唯一具有供水意義和重要生態價值的含水層位于煤層之上,開展了保水采煤系統研究,指出陜北生態脆弱地區合理生態地下水位埋深為 1.5～5.0 m[7],煤層開采的導水裂隙導致地下水位下降,表生生態退化,控制地下水水位是生態脆弱礦區科學開采的核心,提出當煤層上覆隔水巖組厚度≥33～35倍采高時,煤層開采不會導致地下水位下降;煤層丄覆隔水巖組厚度≤18倍采高時,煤層開采會破壞隔水層,導致水位下降;18～35倍采高時,可采取“限制采高”等措施實現保水開采[6],剖析了煤層、含水層的空間關系,劃分了保水開采條件分區,提出了區域采煤方法規劃方案,指出以控制地下水水位為目標,以采動隔水層穩定性分區為基礎,以采煤方法規劃為手段的開采方法是生態脆弱礦區煤炭資源科學開采的有效途徑。

本文論述了曹家灘井田各煤層特征、保水開采條件,以促進礦區開發持續健康發展。

1 煤層特征

本井田延安組含煤 9～23層,平均 18層,具有對比意義的煤層共 12層。其中主要可采煤層 4層:2-2、3-1、4-3、5-3上(5-3);局部可采煤層 3層:4-2、5-3下、5-4;零星可采煤層2層 1-2、5-2。其余向 4-1、4-4等煤層無可采點,為不可采煤層。可采煤層總厚為 15.80～23.39m,一般 18～20m,其厚度變化趨勢由南至北逐漸增厚,含煤系數為 6.5～9.8%,其變化趨勢亦由南而北有增大趨勢(圖 1)。

1-2煤層為零星可采煤層,可采區連續可采面積 13.51 km2。全區見煤點僅 3個,煤厚 0.78～1.57 m,平均 1.13 m,可采煤厚 0.80～1.04 m,平均 0.92 m,變異系數 0.14。C1鉆孔下部夾 1層夾矸,厚度 0.40m,巖性細粒砂巖。另兩個鉆孔均無夾矸,屬較穩定型煤層。

圖1 可采煤層總厚等值線圖

2-2煤層是本區最厚的主要可采煤層,全區可采,可采面積 127.74 km2(圖 2)。全區見煤點 25個,全為特厚煤點,煤厚 8.08～12.58m,平均 11.50m,最薄處在 P133號孔,最厚在 C 4號孔。可采煤厚 8.08～12.36m,平均 11.22 m,煤厚變化小,變異系數 0.09,說明其厚度變化不大,總的趨勢由北向南緩慢增厚。C8號孔煤厚同周圍孔相比明顯變薄是因為該煤層上部分岔所致。該煤層一般不含夾矸,局部頂部或底部有一到兩層夾矸,厚度 0.04～0.26m,夾矸主要分布在東南地帶,層位較穩定,夾矸巖性為泥巖或炭質泥巖,少數為粉砂巖、細粒砂巖。2-2煤層煤類以長焰煤 41號(CY 41)為主,部分不粘煤 31號(BN 31),灰分、硫分的標準差分別為 1.65、0.15,均小于 5和 0.5。該煤層為特厚煤層,變化緩慢且規律明顯,結構較簡單,全區可采、煤類以長焰煤為主,部分不粘煤,灰分、硫分穩定,屬穩定型煤層。

圖2 2-2煤層等厚線圖

3-1煤層是本區主要可采煤層之一。全區可采,可采面積 127.74 km2。本區見煤點 25個,全為中厚煤層,可采厚度1.93～2.70m,平均 2.33m,煤厚變化趨勢由南至北逐漸增厚。變異系數 0.07,單一結構,不含夾矸。煤類以不粘煤 31號(BN 31)為主,部分長焰煤 42號(CY 42)和長焰煤 41號(CY 41),灰分、硫分的標準差分別為 2.32、0.21,均小于 5和0.5。該煤層為中厚煤層,厚度變化較小,結構較簡單,煤類不粘煤為主,部分長焰煤,灰分、硫分穩定,屬穩定型煤層。

4-2煤層為局部可采煤層,可采區分布連續,位于井田西南部,可采面積 48.57 km2。井田內見煤點 24個,煤厚為 0～1.52m,平均 0.67m;可采點 9個,其中中厚煤點 1個,薄煤點 8個,可采煤厚為 0.80～1.38m,平均 1.01 m,變異系數為 0.16,煤厚變化趨勢由北至南緩慢增厚。以單一結構為主,一般無夾矸,少數鉆孔有 1層夾矸。厚 0.05～0.34m,夾矸巖性為粉砂巖。煤類以不粘煤 31號(BN 31)為主,部分弱粘煤煤 32號(RN 32)和長焰煤 42號(CY 42)。灰分、硫分的標準差均小于 5和 0.5。該煤層基本為薄煤層,結構較簡單,煤厚變化規律性明顯,煤類不粘煤為主,部分長焰煤,灰分、硫分穩定,屬較穩定型煤層。

4-3煤層是本區主要可采煤層之一。全區可采,可采面積 127.74 km2。井田內見煤點 25個,全為可采點,其中中厚煤點 24個,薄煤點 1個,煤厚為 1.07～3.13 m,平均 2.06 m;可采煤厚為 1.07～3.13 m,平均 1.86 m,變異系數為 0.25,煤厚變化趨勢由南至北緩慢增厚。一般無夾矸,少數鉆孔有 1層夾矸。厚 0.05～0.34 m,夾矸巖性為粉砂巖、泥巖。煤類以不粘煤 31號(BN 31)為主,部分弱粘煤煤 32號(RN 32)和長焰煤 42號(CY 42)。灰分、硫分的標準差均小于 5和 0.5。該煤層基本為中厚煤層,結構較簡單,煤厚變化小且規律性明顯,煤類以不粘煤為主,部分長焰煤,灰分、硫分穩定,屬穩定型煤層。

5-2煤層為局部可采煤層,可采面積 20.73 km2。可采區分布于井田西南 D 11、P50號孔一線以西,該煤層在本井田屬變薄帶。井田內見煤點 25個,煤厚為 0.12～1.89m,平均0.75m;可采點 1個,為中厚煤層,可采煤厚為 0.80～1.47 m,平均 1.16m,變異系數為 0.38。結構單一,一般無夾矸,少數鉆孔有 1層夾矸。夾矸巖性為粉砂巖、泥巖。該煤層基本為薄煤層,結構簡單,煤厚變化較小,煤類以不粘煤 31號(BN 31)為主,屬較穩定型煤層。

5-3煤層是本區主要可采煤層之一。分布于井田的東北角角,在 C 1、P133、P62號孔以西分岔為 5-3上、5-3下煤層 。井田內 5-3合并區見煤點 3個,全為可采點,均為厚煤層,煤厚 4.24～5.27m,平均 4.76m。可采煤厚 4.10～4.78m,平均 4.39 m,變異系數為 0.08,煤厚變化趨勢由南至北緩慢增厚,含 1～2層夾矸,夾矸巖性炭質泥巖、泥巖。

5-3上煤層是 5-3煤層分岔后的上分層,是本區主要可采煤層之一。除西南角 P160局部不可采外,其余均可采,為大部可采煤層,可采面積 118.55 km2。井田內見煤點 22個,其中可采點 21個,20個中厚煤點,1個薄煤層,1個不可采點(P160),煤厚 0.45～2.61 m,平均 1.71m;可采煤厚 0.80～2.61m,平均 1.78 m,變異系數為 0.24,煤厚變化趨勢由南至北緩慢增厚。單一結構為主,一般無夾矸,少數鉆孔有 1層 0.07～0.17m夾矸。夾矸巖性炭質泥巖、泥巖。煤類以不粘煤 31號(BN 31)為主,部分弱粘煤煤 32號(RN 32)和長焰煤 42號(CY 42)。灰分、硫分的標準差均小于 5和 0.5。該煤層為中厚煤層,變化小且規律性明顯,結構簡單,大部可采,煤類以不粘煤為主,部分長焰煤,灰分、硫分穩定,屬穩定型煤層。

5-3下煤層是 5-3煤層為局部可采煤層,可采面積 40.41 km2,煤厚 0～2.71m,平均 0.93m;可采煤厚 0.80～2.37m,平均 1.20m,變異系數為 0.23,煤厚變化趨勢由南至北緩慢增厚,一般無夾矸,少數鉆孔有 1層夾矸,屬較穩定型煤層。5-4煤層為零星可采煤層,可采面積 45.16 km2。煤厚為 0～1.21m,平均 0.60 m,可采煤厚為 0.80～1.07m,平均 0.95 m,變異系數為 0.58,煤層結構簡單,屬較穩定型煤層。

2 曹家灘井田保水開采條件

曹家灘井田煤層埋藏深度適中,煤層厚度大而穩定,適合建設機械化礦井,有利于提高煤炭資源回收率。煤層上覆有穩定的隔水層分布,除井田西部外,其他區域紅土隔水層厚度大于 50 m(圖 3),2-2煤層冒落帶高度 32.32～50.32 m,導水裂隙帶最大高度為 64.08～96.92 m,加之上部風化基巖最大厚度為 29.83 m。而上覆基巖厚度為 146.27～267.87 m,一般采煤時冒落帶、導水裂隙帶不會波及到基巖頂面,薩拉烏蘇組含水層只能成為間接含水層[8]。3-1煤上基巖段導水裂隙帶與 2-2煤導水裂隙帶相互貫通,4-3、5-3上煤冒落帶、導水裂隙帶與 3-1煤層基巖段不會貫通,采煤對薩拉烏蘇組地下水及泉的影響較小[9],可以實現采煤保水、保護生態環境并舉,礦井涌水量小[10,11],排水成本低。開采技術條件方面,井田內煤層瓦斯含量低,煤礦安全隱患小。

3 結論

曹家灘井田煤層厚度大,埋藏深度適中,適合建設機械化綜采礦井。開采條件方面,煤系上覆隔水層分布穩定,厚度大,采煤對薩拉烏蘇組地下水水位影響小,采煤引起的生態環境和地下水滲漏問題不突出,是保水采煤研究劃分的可控保水開采區和自然保水開采區接壤區域,采取適當的措施,如條帶開采[12],可以達到保水開采之目標,建議列為陜北煤炭基地近期建設的大型煤礦之一。

圖3 新生界土層厚度等值線圖

[1]王雙明.鄂爾多斯盆地聚煤規律及煤炭資源評價[M].北京:煤炭工業出版社,1996.

[2]范立民.陜北地區采煤造成的地下水滲漏及對策[J].礦業安全與環保,2007,34(5):62-64.

[3]范立民.論保水采煤問題[J].煤田地質與勘探,2005,33(5):50-53.

[4]王雙明,黃慶享,范立民,王文科.生態脆弱區煤炭開發與生態水位保護[M].北京:科學出版社,2010.

[5]王雙明,范立民,黃慶享,等.陜北生態脆弱礦區煤炭與地下水組合特征及保水開采[J].,金屬礦山——第八屆全國采礦學術會議論文集,2009,(增刊):697-702,707.

[6]王雙明,黃慶享,范立民,等.生態脆弱礦區含(隔)水層特征及保水開采分區研究[J].,煤炭學報,2010,35(1):7-14.

[7]楊澤元,王文科,黃金廷,等.陜北風沙灘地區生態安全地下水位埋深研究[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2006,34(8):67-74.

[8]蔣澤泉,姚建明,陳利平.曹家灘井田保水開采的水文地質背景[A].,見:高產高效煤礦建設的地質保障技術[C].,地質出版社,2009:205-209.

[9]馬雄德,王文科,范立民,等.生態脆弱礦區采煤對泉的影響[J].,中國煤炭地質,2010,22(1):32-36.

[10]范立民,王雙明,劉社虎,等.榆神礦區礦井涌水量特征及影響因素[J].,西安科技大學學報,2009,29(1):7-11,27.

[11]王雙明,范立民,黃慶享,等.榆神礦區煤水地質條件及保水開采思路[J].西安科技大學學報,2010,30(1):1-6.

[12]邵小平,石平五,王懷賢.陜北中小礦井條帶保水開采煤柱穩定性研究[J].煤炭技術,2009,28(12):58-61.