榆神礦區(qū)西灣露天煤礦水文地質(zhì)條件分析

任璽寧

(神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

西灣露天煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)的中部，是目前榆神礦區(qū)規(guī)劃井田中唯一適宜露天開(kāi)采的礦井。西灣露天煤礦允許30 a露天開(kāi)采區(qū)的面積為25.38 km2，開(kāi)采標(biāo)高為1 099～1 030 m，露天開(kāi)采的是2-2煤層。掌握露天礦水文地質(zhì)條件，對(duì)于科學(xué)合理地進(jìn)行煤礦防治水規(guī)劃十分重要。

1 露天煤礦水文地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

西灣井田露天區(qū)位于榆神礦區(qū)中部風(fēng)沙灘地中，區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平坦。總體趨勢(shì)呈西南高，東北低。區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)位于南邊界處，海拔標(biāo)高1 270 m，最低點(diǎn)位于下方家畔的溝谷中，海拔標(biāo)高為1 133 m。區(qū)內(nèi)地表大部分被第四系風(fēng)積沙覆蓋，以固定沙及半固定沙為主，植被覆蓋較好，地勢(shì)相對(duì)平坦、開(kāi)闊，有利于降水入滲補(bǔ)給地下水。

1.2 地表水系

西灣井田露天區(qū)屬黃河一級(jí)支流禿尾河流域，區(qū)內(nèi)主要地表水系有野雞河、白瑤則溝及紅崖溝，均排泄第四系薩拉烏蘇組潛水。

1.3 含(隔)水層水文地質(zhì)特征

全新統(tǒng)沖積層孔隙潛水：區(qū)內(nèi)呈條帶狀分布于白瑤則溝及紅崖溝的階地中。巖性以粉砂土、細(xì)砂及中砂為主，厚度2～10 m不等。據(jù)鄰區(qū)以往資料顯示，單位涌水量0.060 38 L/s·m，滲透系數(shù)0.833 m/d，富水性弱。

上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水：區(qū)內(nèi)廣泛分布，多被風(fēng)積沙掩蓋，并以灘地形式出露。據(jù)勘探成果，風(fēng)積沙與薩拉烏蘇組累計(jì)厚度0～53.22 m，一般厚度約10～25 m。含水巖性主要為黃褐色中、細(xì)沙，其結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大，極易接受大氣降水補(bǔ)給，其厚度主要受下伏地層頂面形態(tài)的制約，其厚度變化大，0～49.22 m不等，含水層平均厚度約10 m。據(jù)初期采區(qū)16-11、16-7、17-9號(hào)孔該層抽水資料顯示：含水層厚度2.86～26.56 m，單位涌水量0.084 84～0.318 2 L/s·m，滲透系數(shù)2.023～5.424 2 m/d，富水性中等～弱，水化學(xué)類型HCO3-Ca·Mg型，礦化度<0.3 g/L。另在2-2煤自燃邊界外因松散沙層潛水補(bǔ)給燒變巖含水層，一般富水性弱，故自燃邊界附近及火燒區(qū)鉆孔大多沒(méi)有潛水位。

弱含水層及隔水層：第四系中更新統(tǒng)離石組黃土分布在17-13、21-5、25-2、25-3、33-2、33-3號(hào)孔周圍，呈棕黃色，以亞粘土為主，含鈣質(zhì)結(jié)核，具柱狀節(jié)理。鉆孔揭露厚度為0～20.44 m，據(jù)鄰區(qū)資料，該層含水微弱，透水性差，為弱透水層。新近系保德組紅土基本全區(qū)分布，除東北部一小片未見(jiàn)外，大部地區(qū)平均厚度約45 m左右，南部厚度較北部大。初期采區(qū)較薄，平均厚度20 m左右。巖性為棕紅色粉質(zhì)粘土，大部分地段底部含鈣質(zhì)結(jié)核層。總體含水性極差，塑性大，分布較穩(wěn)定，是區(qū)內(nèi)主要相對(duì)良好的隔水層。

侏羅系中統(tǒng)延安組裂隙承壓水：延安組為本區(qū)的含煤地層，且連續(xù)沉積、連續(xù)分布，依據(jù)沉積巖石在垂向上的變化，將區(qū)內(nèi)延安組裂隙承壓水可分為風(fēng)化巖裂隙水和基巖裂隙承壓水，①風(fēng)化巖裂隙水。延安組第五段在區(qū)內(nèi)連續(xù)沉積，厚度為16.39～88.19 m，其頂部均有一段風(fēng)化巖石存在，風(fēng)化巖厚度平均約15 m。由于風(fēng)化后其顏色較復(fù)雜，多為灰黃色，黃綠色，黃褐色等，其結(jié)構(gòu)較疏松，裂隙較發(fā)育，含水巖性以中、細(xì)粒砂巖為主。單位涌水量0.004 01～0.170 8 L/s·m，滲透系數(shù)0.011 45～1.287 2 m/d。初期采區(qū)風(fēng)化巖裂隙水富水性以弱為主，但16-11鉆孔統(tǒng)徑統(tǒng)降涌水量0.111 0 L/s·m，富水性中等；②基巖裂隙承壓水。延安組第Ⅴ段巖性以灰白色的中、細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖、泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，其結(jié)構(gòu)致密，裂隙極不發(fā)育，滲透性能較差，富水性弱。據(jù)11-2和29-2號(hào)鉆孔抽水成果，單位涌水量0.004 17～0.017 6 L/s·m，滲透系數(shù)0.020 89～0.114 2 m/d。縱觀延安組Ⅰ～Ⅴ段，其含水層巖性均為中、粗、細(xì)粒砂巖。結(jié)構(gòu)致密，富水性差。

燒變巖裂隙孔洞潛水：2-2煤層自燃邊界呈不規(guī)則形狀，以南北向延伸分布于勘查區(qū)東部，也是露天區(qū)的東部邊界。勘查區(qū)范圍的火燒區(qū)面積約22.6 km2。巖石經(jīng)煤層自然烘烤后，其原有的顏色及物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，巖石燒變后其顏色多呈磚紅色、棕紅色、褐紅色，裂隙孔洞發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，整體性差，為地下水的儲(chǔ)存及運(yùn)移提供了良好的條件。燒變巖在剖面上由上而下可分為烘烤巖，燒結(jié)巖及類熔巖3類。據(jù)鉆孔抽水成果，含水層厚度32.44～50.31 m，q=9.217～16.337 6 L/s·m，滲透系數(shù)28.27～28.29 m/d，可見(jiàn)燒變巖富水性強(qiáng)，在北部2-2煤層火燒巖底板最低處其靜儲(chǔ)量大，動(dòng)儲(chǔ)量受補(bǔ)給條件控制。在方家畔煤礦附近，從113、29-1、h38-2號(hào)鉆孔資料可見(jiàn)，此處2-2煤層燒變巖被古河道沖刷剝蝕，并從正在生產(chǎn)開(kāi)采3-1煤層的方家畔煤礦井下涌水情況來(lái)看，水量很小，依此可見(jiàn)在無(wú)燒變巖含水層的地方開(kāi)采3-1煤層，礦井涌水也不會(huì)影響正常生產(chǎn)。露天開(kāi)采到煤層自燃邊界附近時(shí)，應(yīng)留有足夠的保安煤柱，否則會(huì)出現(xiàn)燒變巖區(qū)水向露天礦場(chǎng)倒灌現(xiàn)象。

2 地下水的補(bǔ)、徑、泄條件

大氣降水和西境外潛水是本區(qū)地下水主要補(bǔ)給源。據(jù)神木縣氣象局1961～2003年資料統(tǒng)計(jì)，多年平均降雨量434.1 mm，多年平均蒸發(fā)量1 712.0 mm，蒸發(fā)量是降雨量的4倍。降雨量集中在7～9月汛期，約占全年降雨量66%。露天區(qū)地表為沙層覆蓋，其入滲系數(shù)0.30～0.60，滲透系數(shù)2.023～5.424 m/d，極有利于降水收蓄與運(yùn)移。根據(jù)地形地貌和補(bǔ)、逕、排條件不同，以李家梁和閻家梁分水嶺為界，可將露天區(qū)分為南北2個(gè)水文單元。

北單元松散沙層接受大氣降水和來(lái)自西境外的潛水補(bǔ)給后，向低處運(yùn)移，部分潛水經(jīng)紅土“天窗”補(bǔ)給風(fēng)化巖裂隙含水層外，最終潛流進(jìn)入2-2煤層自燃邊界外，補(bǔ)給燒變巖潛水。野雞河自西向東逕流至2-2煤層自燃邊界附近干枯，也排泄于燒變巖潛水。

南單元松散沙層接受大氣降水后，自西北向東南運(yùn)移，排補(bǔ)給白窯則溝。在后畔與白窯則溝之間存在一個(gè)小泉域界線，沙層潛水自泉域界線運(yùn)移匯聚于后畔，以下降泉形式排泄給紅崖溝。白窯則溝及紅崖溝徑流匯入東境外紅柳林溝。

風(fēng)化巖裂隙承壓含水層，自紅土“天窗”接受沙層潛水補(bǔ)給后，向東潛流補(bǔ)給燒變巖孔洞裂隙潛水層。西灣露天區(qū)南北兩水文單元的松散沙層潛水及地表水的排泄場(chǎng)所及排泄方式不同，因地質(zhì)情況有異，沿紅崖溝h38-2、29-1、113孔一線2-2煤層自燃了，但燒變巖卻被古紅崖溝沖蝕掉。

故以寬條帶燒變巖剝蝕區(qū)為界，以紅土層為隔水壁障，燒變巖孔洞裂隙潛水分為3區(qū)：①北區(qū)燒變巖潛水的排泄點(diǎn)在清水溝泉群，流量20 000 m3/d；②南區(qū)紅崖溝以東燒變巖潛水區(qū)，以香水溝泉為排泄點(diǎn)，流量10 000 m3/d；③南區(qū)紅崖溝以西存在一寬條帶狀展布的燒變巖潛水區(qū)，此區(qū)沒(méi)有排泄點(diǎn)，實(shí)質(zhì)與北區(qū)相連，未作水文工作，其富水性不詳。

3 煤礦充水條件分析

露天區(qū)2-2煤層的直接充水含水層是薩拉烏蘇組沙層潛水、風(fēng)化巖裂隙承壓水，前者中等富水性，后者大部弱富水性，易于排疏。相對(duì)隔水層保德組紅土在區(qū)內(nèi)連續(xù)分布。依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719-1991)和《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T0215-2002)的有關(guān)內(nèi)容確定，露天區(qū)水文地質(zhì)勘探類型為一類二型，即以孔隙含水層充水為主，水文地質(zhì)條件中等的礦床。

3.1 充水水源

大氣降水：區(qū)內(nèi)多年平均降水量434.1 mm，且多集中在7～9月份，占全年降水量的66%，最大日降水量141.1 mm(1991年7月21日)。露天區(qū)地表多為第四系松散沙層覆蓋，十分有利于接受降水補(bǔ)給。

地表水：野雞河從露天區(qū)的西界P74孔處逕流進(jìn)入初期采區(qū)的流量為2 600 m3/d，是對(duì)初期采區(qū)開(kāi)采影響較大的地表水系，但野雞河屬季節(jié)性河流，時(shí)有干涸現(xiàn)象，故在雨季野雞河將會(huì)是露天區(qū)北部主要的地表充水因素。紅崖溝和白窯則溝則是南部地表水充水因素。

地下水：露天區(qū)充水水源主要為第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水、燒變巖孔洞裂隙潛水及風(fēng)化基巖裂隙承壓水。①第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水—區(qū)內(nèi)大面積分布，有利于接受大氣降水直接補(bǔ)給。且下部為巨厚紅土隔水層，是此沙層潛水富集的有利條件，是露天礦直接充水源；②燒變巖孔洞裂隙潛水—露天區(qū)東邊界以2-2煤層自燃邊界為界，在自燃邊界以東，2-2煤層已自燃。從而形成了孔洞裂隙發(fā)育的燒變巖儲(chǔ)水構(gòu)造。由于煤層底板形態(tài)從自燃邊界向東呈升高趨勢(shì)，形成了以自燃邊界處最低的燒變巖儲(chǔ)水構(gòu)造。在開(kāi)采2-2煤層時(shí)，在自燃邊界附近應(yīng)留有足夠的保安煤柱，以防涌水事故發(fā)生；③風(fēng)化基巖裂隙水—風(fēng)化基巖裂隙水是露天礦床的直接充水含水層。

3.2 充水通道

露天坑形成后，含水層均以露頭泉形式流入露天坑。露天復(fù)墾盆地形成新的含水層與井采3-1煤層的水力聯(lián)系：井采3-1煤層冒落帶高度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1；井工開(kāi)采3-1各煤層冒落帶高度及導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 GB12719-1991公式計(jì)算結(jié)果

表2 冒落帶高度及導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果

以上2種計(jì)算結(jié)果較接近，因第一種方法計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶高度大，采用第一種方法計(jì)算結(jié)果，這表明露天區(qū)在后畔泉以南地段，3-1煤導(dǎo)水裂隙帶高度不能溝通2-2煤底板之外，其余露天區(qū)3-1煤導(dǎo)水裂隙帶均抵達(dá)露采復(fù)墾盆地。

3.3 充水強(qiáng)度分析

露天礦場(chǎng)充水因素主要是薩拉烏蘇沙層潛水、風(fēng)化巖裂隙水和野雞河徑流。按全疏干計(jì)算，初期采區(qū)的充水量為8 907 m3/d，先期開(kāi)采地段充水量為13 019 m3/d。根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)分析，秋季至來(lái)年初夏(10～6月)地下水動(dòng)態(tài)均衡，故在此期間地下水對(duì)露天礦場(chǎng)的充水量是較穩(wěn)定的。應(yīng)重視7、8、9月豐水期降雨量對(duì)礦場(chǎng)充水，至于歷史高峰日降雨量則極其嚴(yán)重。

4 防突水安全保證措施

為防止燒變巖孔洞裂隙潛水含水層中地下水對(duì)露天礦生產(chǎn)初期帶來(lái)的影響，采用預(yù)留安全煤(巖)柱的方式進(jìn)行隔水，安全煤柱留設(shè)自2-2煤自燃邊界向采場(chǎng)內(nèi)的寬度為100 m。露天礦達(dá)產(chǎn)時(shí)將采用探采的方式盡可能將預(yù)留安全煤柱采出。

4.1 回采時(shí)保安煤(巖)柱的留設(shè)

根據(jù)本礦燒變巖孔洞裂隙潛水含水層特點(diǎn)，參照《煤礦防治水規(guī)定》計(jì)算煤柱寬度公式，分段回采時(shí)防水煤(巖)柱時(shí)，可取安全系數(shù)K=3，則L=20.9 m，取保安煤巖柱留設(shè)寬度25 m，符合《煤礦防治水規(guī)定》的≥20 m的要求。即在探明燒變巖含水層邊界的情況下，可回采至距離該邊界25 m距離。

4.2 回采時(shí)防治水安全措施

根據(jù)西灣露天礦煤層賦存條件和水文地質(zhì)條件，對(duì)燒變巖孔洞裂隙潛水含水層，超前進(jìn)行探放水，根據(jù)實(shí)際情況作出水文地質(zhì)評(píng)價(jià)，進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，以便采取相應(yīng)的防治水措施。主要采取以下安全保證措施：①回采前可采用防滲墻(防水帷幕)隔斷燒變巖水與采區(qū)的水力聯(lián)系，主要的施工工藝有注漿加固、強(qiáng)制攪拌、高壓旋噴等方法。但該方法造價(jià)相對(duì)過(guò)高，經(jīng)濟(jì)性差；②回采時(shí)按照先探后采的原則，超前鉆探疏放，在保留好足夠安全煤(巖)柱的基礎(chǔ)上，盡量多回收儲(chǔ)量。根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理的原則，推薦采用該措施；③進(jìn)行保安煤柱的回采,建立完善的排水系統(tǒng)。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，對(duì)于防止燒變巖孔洞裂隙潛水含水層中地下水對(duì)露天礦生產(chǎn)初期帶來(lái)的影響，留設(shè)足夠的防水煤柱。回采保安煤柱時(shí)采用探采的方式，回采時(shí)分段進(jìn)行。

(2)防治水應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的16字原則進(jìn)行。對(duì)燒變巖孔洞裂隙潛水含水層建立地下水動(dòng)態(tài)觀察系統(tǒng)，進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)、水害預(yù)報(bào)，并制定相應(yīng)的“探、防、堵、截、排”綜合防治措施。

(3)建立排水系統(tǒng)，并保證足夠的排水能力，開(kāi)采時(shí)伴隨涌出的地下水，采用平盤集水溝、集水坑的方式進(jìn)行平行疏干。

(4)首采區(qū)非工作幫燒變巖孔洞裂隙潛水水位低，底板高，含水層厚度較小，富水性中等。本著先易后難的原則，回采保安煤柱時(shí)可考慮先從西南向東北方向開(kāi)始探采。

(5)如局部位置出現(xiàn)明顯的地下水涌水情況，則停止涌水位置附近的探采活動(dòng)，并利用大塊物料與粘土在涌水位置進(jìn)行覆蓋隔水。