紅柳林煤礦直羅組砂巖含水層特征及防治水對策*

郭 濤,苗彥平,馬萬超,楊 磊,路 波

(1.陜西省一八五煤田地質有限公司,陜西 榆林 719000;2.陜煤集團神木紅柳林礦業公司,陜西 榆林 719300;3.陜西省地質環境監測總站,陜西 西安 710054)

0 引言

紅柳林煤礦是神府南區生產能力18 Mt/a的特大型礦井,近年來,煤礦東盤區開采已經接近尾聲,西一盤區即將開發。與東盤區比較,西一盤區水文地質條件發生了很大變化,直羅組古河道砂巖含水層成為西盤區煤礦防治水的重點防控對象[1]。直羅組古河道砂巖很早就被認識到,1989年陜西省一八五煤田地質有限公司及李思田教授等就在科研成果中闡述了直羅組古河道的分布范圍[2-3],但當時地質勘查程度、對于古河道砂巖控制精度較低。近年來,直羅組古河道砂巖含水層成為陜北侏羅紀煤田中西部礦井涌水的主要充水水源,也直接威脅著煤礦安全,大水礦井形成多與直羅組砂巖含水層有關[4-7],其成為陜北侏羅紀煤田頂板水害防治的重要防控目標層位,紅柳林煤礦西一盤區2-2煤層開采就直接受到直羅組砂巖含水層地下水的威脅。為此,論述直羅組古河道砂巖含水層分布、富水性,以提出紅柳林煤礦西一盤區防治水對策。

1 直羅組砂巖含水層分布及厚度

直羅組古河道砂巖含水層在區域上分布于內蒙古自治區東勝市到陜西省神木市一帶,形成了一個巨大的古河道砂體含水層。砂體上段以泥巖為主,下段以中粗粒砂巖為主,下段厚度0～93 m,厚度最大的區域,也是古河道發育的中心地帶,從紅堿淖—紅柳林煤礦一帶厚度最大,普遍在70 m以上,形態總體上呈帶狀,且向北東和南西方向逐漸減薄,在中雞鎮東部及孫家岔鎮西部,砂體呈指狀分叉,局部有星點狀砂體發育,形成向東和東南方向展布的多個小分支,東方向的砂體分支延伸較長,但東南方向的砂體分支延伸較短,如圖1所示。

圖1 直羅組古河道砂巖厚度變化趨勢示意[9]

在紅堿淖西南方向也出現了多個分支,砂體的厚度變薄,呈指狀分叉,且延伸都較短;在錦界鎮西南方向存在一個高值區,呈朵狀展布,其北部和西南部各出現了2個分支,且西南方向的分支砂體規模較大,在錦界鎮東北方向和正東方向發育一個較大的朵狀砂體;在高值區內部有零星的低值區存在,但其厚度大小都在50 m以上,且規模不大。

直羅組古河道砂巖底部局部地段發育有礫巖,礫巖厚度最大14 m,一般為1～6 m,礫石厚度分布整體上呈西北—東南方向的趨勢,與古河道發育方向一致,呈串珠狀,有一定的連續性。在研究區的東北與南部出現零星的高值區域,呈孤島狀,展布區域較小。礫巖厚度高值區域多分布在北西至南東軸線一帶,東北與西南大部分地區均未出現礫巖。礫巖厚度等值線圖長軸方向具有一定的定向性,與古河道砂體方向具有很好的一致性。

2 直羅組砂巖含水層富水性

直羅組含水層主要分布于研究區的中西部,厚度總體變化趨勢為由西向東、由南向北逐漸變薄,在檸條塔、紅柳林、錦界井田東部邊界處尖滅。直羅組由于沉積環境及構造運動的影響,垂向上主要發育2層含水層組,是區內礦井主要的充水含水層。其一是安定組缺失區由于基巖頂部風化形成的風化基巖含水層組;其二是直羅組正常基巖含水層。

2.1 直羅組風化基巖含水層段

研究區東部安定組剝蝕區,直羅組頂部遭受不同風化形成南北向分布的直羅組風化基巖條帶,風化基巖厚度3.04～83.46 m,平均26.33 m,厚度較大區域主要位于檸條塔井田南翼、紅柳林井田西區及錦界煤礦西北部,直羅組殘存地層基本全部風化。由于直羅組巖石強烈風化,次生結構面及風化裂隙網絡發育,為地下水儲存創造了良好的空間,使之含水性能強于下部正常巖段,是研究區東部礦井的主要充水水源。

2.2 直羅組正常基巖含水層段

直羅組正常基巖段主要分布在直羅組安定組覆蓋區,直羅組地層保存完整。研究表明,直羅組具有明顯的河流相沉積特征,可分為上、中、下3段,中上段以灰綠色泥巖和褐紅色細砂巖為主,沉積相以曲流河三角洲和湖泊三角洲為主,平面上非均質性強。下段上部主要為粗砂巖,中部以細砂巖為主,并夾有粗砂巖、中砂巖和細砂巖,底部主要發育巨厚層狀粗砂巖,局部地段為含礫砂巖或礫巖,沉積相為辮狀河三角洲和曲流河三角洲,砂體平面上連續性較強,砂體規模巨大,即“古直羅河”河道砂體。

根據45件直羅組巖石樣測試結果,中上段孔隙度、滲透率分別為9.18%～27.71%,0.040 4～2.924μm2,其中大于15%的樣品占比42.84%,主要集中在8%～20%,滲透率大于100×10-3μm2的樣品占比28.48%。下段孔隙度、滲透率分別為7.61%～30.36%,0.171～2.157 μm2,其中孔隙度大于15%的樣品占比90.26%,主要集中在20%～32%,滲透率大于100×10-3μm2的樣品占比64.52%。直羅組中上段以低孔、特低孔為主,占比57%,滲透率類型主要為低滲和特低滲,滲透率小于50×10-3的樣品占比71.42%。直羅組下段砂巖以中孔為主,占比75%以上,滲透率類型主要為中滲,部分由于鈣質膠結作用形成超低滲含水層。因此,直羅組下段砂體是含水層段,中上段含水性稍差,可視為隔水層。

2.3 直羅組正常基巖含水層富水性特征

直羅組正常基巖含水層厚度11.56～175.83 m,根據抽水試驗資料,單位涌水量0.002 9～0.092 4 L/(s·m),滲透系數0.007 5～0.081 0 m/d。根據《煤礦防治水細則》對含水層的富水性給出的等級劃分標準,直羅組正常基巖含水層富水性等級均為弱,但在采動影響下,直羅組裂隙發育后,地下水連通性增大,巨大的含水體會形成較大的礦井涌水量,甚至造成礦井水害。2010年檸條塔煤礦南翼S1210工作面發生的水害事故,就是直羅組古河道砂巖地下水所致。

3 西一盤區防治水對策

3.1 直羅組砂巖對礦井涌水量的影響

直羅組分布面積大,下段物性條件較好,地下水整體自西北向東南流動,承壓高度30.14～173.79 m,自西向東逐漸降低。直羅組礦化度自西北向東南逐漸降低,西北區域溶解性總固體含量較高,大部分在1 000～3 000 mg/L范圍內波動,在爾林兔東勘查區的YS32鉆孔直羅組地下水礦化度達到4 692 mg/L。根據礦區西部邊界以外的呼吉爾特礦區開采情況,礦井涌水來源主要為直羅組砂巖含水層,礦井總涌水量達到7 029.75 m3/h,并呈現逐年上升趨勢。礦區南部緊鄰的錦界煤礦,自2006年投產以來,礦井涌水量一直較大,最大達到5 499 m3/h。從2010年至今,礦井涌水量均保持在5 000 m3/h左右,2021年全年礦井涌水量平均值達到5 400 m3/h,礦井水也以直羅組古河道砂巖地下水為主。由此說明,直羅組含水層具有儲存空間好、水壓大、礦井涌水量大、供水能力強等特點,在采動影響下,是礦井充水的主要水源。

3.2 直羅組砂巖水害防治對策

通過范立民等[8]課題組研究,已經初步查明了包括紅柳林煤礦西一盤區在內的神府南區直羅組古河道砂巖水文地質條件,從區域上闡明了直羅組砂巖沉積演化、形成過程和物質組成,分析了直羅組砂巖富水性,為煤礦防治水提供了依據。但從紅柳林西一盤區的工程實際出發,仍然需要進一步加強直羅組砂巖含水層的勘探,重點研究西一盤區一帶古河道砂巖含水層水文地質條件及其與煤層的空間賦存關系,揭示直羅組古河道砂巖含水層對煤礦的礦井突水的作用機理,劃分突水危險性區域,并提出針對直羅組古河道砂巖水害防控、水資源保護[9-12]的采煤技術方法。因此,建議盡快開展紅柳林煤礦西一盤區水文地質補充勘探,為煤礦防治水和水資源利用提供科學依據。

4 結論

(1)紅柳林煤礦西一盤區煤礦防治水的重點是直羅組古河道砂巖含水層,該含水層具有分布面積大,區域連通性好等特征,是未來煤礦防治水的重點防控層位。

(2)區域上,直羅組古河道砂巖水文地質條件基本查明,但從紅柳林西一盤區的工程實際出發,仍然需要進一步查明直羅組砂巖含水層與煤層的空間賦存關系,揭示直羅組砂巖含水層水文地質條件及對煤礦開采的影響,確保煤礦安全生產。