曹家灘井田煤層賦存及保水開(kāi)采條件

王永巖

(陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊(duì),陜西榆林 719000)

0 引言

榆神礦區(qū)是陜北大型煤炭基地的核心建設(shè)區(qū),煤炭資源豐富,煤質(zhì)優(yōu)良[1]。曹家灘井田是該礦區(qū)中部一期規(guī)劃的大型煤礦,主要可采煤層有 9層,煤炭資源總量達(dá) 31.17×108t,其中 2-2煤 18.70×108t,占總量的 60.01%,是井田內(nèi)最上部的可采煤層,其開(kāi)采是否會(huì)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(guān)系到礦區(qū)供水安全,也涉及到生態(tài)安全問(wèn)題,如何做到采煤過(guò)程中最大限度的保護(hù)薩拉烏蘇組地下水的含水結(jié)構(gòu)不受破壞,是礦井建設(shè)面臨的重大課題,也得到了廣泛關(guān)注,并取得了重要進(jìn)展,合理選擇開(kāi)采區(qū)域、采取合適的采煤方法和工程措施達(dá)到采煤保水之目的[3]。王雙明等[4-6]針對(duì)陜北榆神府礦區(qū)煤炭資源富集,生態(tài)環(huán)境脆弱,區(qū)內(nèi)唯一具有供水意義和重要生態(tài)價(jià)值的含水層位于煤層之上,開(kāi)展了保水采煤系統(tǒng)研究,指出陜北生態(tài)脆弱地區(qū)合理生態(tài)地下水位埋深為 1.5～5.0 m[7],煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙導(dǎo)致地下水位下降,表生生態(tài)退化,控制地下水水位是生態(tài)脆弱礦區(qū)科學(xué)開(kāi)采的核心,提出當(dāng)煤層上覆隔水巖組厚度≥33～35倍采高時(shí),煤層開(kāi)采不會(huì)導(dǎo)致地下水位下降;煤層丄覆隔水巖組厚度≤18倍采高時(shí),煤層開(kāi)采會(huì)破壞隔水層,導(dǎo)致水位下降;18～35倍采高時(shí),可采取“限制采高”等措施實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采[6],剖析了煤層、含水層的空間關(guān)系,劃分了保水開(kāi)采條件分區(qū),提出了區(qū)域采煤方法規(guī)劃方案,指出以控制地下水水位為目標(biāo),以采動(dòng)隔水層穩(wěn)定性分區(qū)為基礎(chǔ),以采煤方法規(guī)劃為手段的開(kāi)采方法是生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭資源科學(xué)開(kāi)采的有效途徑。

本文論述了曹家灘井田各煤層特征、保水開(kāi)采條件,以促進(jìn)礦區(qū)開(kāi)發(fā)持續(xù)健康發(fā)展。

1 煤層特征

本井田延安組含煤 9～23層,平均 18層,具有對(duì)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(wú)可采點(diǎn),為不可采煤層?？刹擅簩涌偤駷?15.80～23.39m,一般 18～20m,其厚度變化趨勢(shì)由南至北逐漸增厚,含煤系數(shù)為 6.5～9.8%,其變化趨勢(shì)亦由南而北有增大趨勢(shì)(圖 1)。

1-2煤層為零星可采煤層,可采區(qū)連續(xù)可采面積 13.51 km2。全區(qū)見(jiàn)煤點(diǎn)僅 3個(gè),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(shù) 0.14。C1鉆孔下部夾 1層夾矸,厚度 0.40m,巖性細(xì)粒砂巖。另兩個(gè)鉆孔均無(wú)夾矸,屬較穩(wěn)定型煤層。

圖1 可采煤層總厚等值線圖

2-2煤層是本區(qū)最厚的主要可采煤層,全區(qū)可采,可采面積 127.74 km2(圖 2)。全區(qū)見(jiàn)煤點(diǎn) 25個(gè),全為特厚煤點(diǎn),煤厚 8.08～12.58m,平均 11.50m,最薄處在 P133號(hào)孔,最厚在 C 4號(hào)孔?？刹擅汉?8.08～12.36m,平均 11.22 m,煤厚變化小,變異系數(shù) 0.09,說(shuō)明其厚度變化不大,總的趨勢(shì)由北向南緩慢增厚。C8號(hào)孔煤厚同周圍孔相比明顯變薄是因?yàn)樵撁簩由喜糠植硭?。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(wěn)定,夾矸巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖,少數(shù)為粉砂巖、細(xì)粒砂巖。2-2煤層煤類以長(zhǎng)焰煤 41號(hào)(CY 41)為主,部分不粘煤 31號(hào)(BN 31),灰分、硫分的標(biāo)準(zhǔn)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(guī)律明顯,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,全區(qū)可采、煤類以長(zhǎng)焰煤為主,部分不粘煤,灰分、硫分穩(wěn)定,屬穩(wěn)定型煤層。

圖2 2-2煤層等厚線圖

3-1煤層是本區(qū)主要可采煤層之一。全區(qū)可采,可采面積 127.74 km2。本區(qū)見(jiàn)煤點(diǎn) 25個(gè),全為中厚煤層,可采厚度1.93～2.70m,平均 2.33m,煤厚變化趨勢(shì)由南至北逐漸增厚。變異系數(shù) 0.07,單一結(jié)構(gòu),不含夾矸。煤類以不粘煤 31號(hào)(BN 31)為主,部分長(zhǎng)焰煤 42號(hào)(CY 42)和長(zhǎng)焰煤 41號(hào)(CY 41),灰分、硫分的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,煤類不粘煤為主,部分長(zhǎng)焰煤,灰分、硫分穩(wěn)定,屬穩(wěn)定型煤層。

4-2煤層為局部可采煤層,可采區(qū)分布連續(xù),位于井田西南部,可采面積 48.57 km2。井田內(nèi)見(jiàn)煤點(diǎn) 24個(gè),煤厚為 0～1.52m,平均 0.67m;可采點(diǎn) 9個(gè),其中中厚煤點(diǎn) 1個(gè),薄煤點(diǎn) 8個(gè),可采煤厚為 0.80～1.38m,平均 1.01 m,變異系數(shù)為 0.16,煤厚變化趨勢(shì)由北至南緩慢增厚。以單一結(jié)構(gòu)為主,一般無(wú)夾矸,少數(shù)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(hào)(BN 31)為主,部分弱粘煤煤 32號(hào)(RN 32)和長(zhǎng)焰煤 42號(hào)(CY 42)?；曳帧⒘蚍值臉?biāo)準(zhǔn)差均小于 5和 0.5。該煤層基本為薄煤層,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,煤厚變化規(guī)律性明顯,煤類不粘煤為主,部分長(zhǎng)焰煤,灰分、硫分穩(wěn)定,屬較穩(wěn)定型煤層。

4-3煤層是本區(qū)主要可采煤層之一。全區(qū)可采,可采面積 127.74 km2。井田內(nèi)見(jiàn)煤點(diǎn) 25個(gè),全為可采點(diǎn),其中中厚煤點(diǎn) 24個(gè),薄煤點(diǎn) 1個(gè),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(shù)為 0.25,煤厚變化趨勢(shì)由南至北緩慢增厚。一般無(wú)夾矸,少數(shù)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(hào)(BN 31)為主,部分弱粘煤煤 32號(hào)(RN 32)和長(zhǎng)焰煤 42號(hào)(CY 42)?；曳?、硫分的標(biāo)準(zhǔn)差均小于 5和 0.5。該煤層基本為中厚煤層,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,煤厚變化小且規(guī)律性明顯,煤類以不粘煤為主,部分長(zhǎng)焰煤,灰分、硫分穩(wěn)定,屬穩(wěn)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(qū)分布于井田西南 D 11、P50號(hào)孔一線以西,該煤層在本井田屬變薄帶。井田內(nèi)見(jiàn)煤點(diǎn) 25個(gè),煤厚為 0.12～1.89m,平均0.75m;可采點(diǎn) 1個(gè),為中厚煤層,可采煤厚為 0.80～1.47 m,平均 1.16m,變異系數(shù)為 0.38。結(jié)構(gòu)單一,一般無(wú)夾矸,少數(shù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,煤厚變化較小,煤類以不粘煤 31號(hào)(BN 31)為主,屬較穩(wěn)定型煤層。

5-3煤層是本區(qū)主要可采煤層之一。分布于井田的東北角角,在 C 1、P133、P62號(hào)孔以西分岔為 5-3上、5-3下煤層 。井田內(nèi) 5-3合并區(qū)見(jiàn)煤點(diǎn) 3個(gè),全為可采點(diǎn),均為厚煤層,煤厚 4.24～5.27m,平均 4.76m?？刹擅汉?4.10～4.78m,平均 4.39 m,變異系數(shù)為 0.08,煤厚變化趨勢(shì)由南至北緩慢增厚,含 1～2層夾矸,夾矸巖性炭質(zhì)泥巖、泥巖。

5-3上煤層是 5-3煤層分岔后的上分層,是本區(qū)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(nèi)見(jiàn)煤點(diǎn) 22個(gè),其中可采點(diǎn) 21個(gè),20個(gè)中厚煤點(diǎn),1個(gè)薄煤層,1個(gè)不可采點(diǎn)(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(shù)為 0.24,煤厚變化趨勢(shì)由南至北緩慢增厚。單一結(jié)構(gòu)為主,一般無(wú)夾矸,少數(shù)鉆孔有 1層 0.07～0.17m夾矸。夾矸巖性炭質(zhì)泥巖、泥巖。煤類以不粘煤 31號(hào)(BN 31)為主,部分弱粘煤煤 32號(hào)(RN 32)和長(zhǎng)焰煤 42號(hào)(CY 42)?；曳?、硫分的標(biāo)準(zhǔn)差均小于 5和 0.5。該煤層為中厚煤層,變化小且規(guī)律性明顯,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,大部可采,煤類以不粘煤為主,部分長(zhǎng)焰煤,灰分、硫分穩(wěn)定,屬穩(wěn)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(shù)為 0.23,煤厚變化趨勢(shì)由南至北緩慢增厚,一般無(wú)夾矸,少數(shù)鉆孔有 1層夾矸,屬較穩(wěn)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(shù)為 0.58,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,屬較穩(wěn)定型煤層。

2 曹家灘井田保水開(kāi)采條件

曹家灘井田煤層埋藏深度適中,煤層厚度大而穩(wěn)定,適合建設(shè)機(jī)械化礦井,有利于提高煤炭資源回收率。煤層上覆有穩(wěn)定的隔水層分布,除井田西部外,其他區(qū)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(dǎo)水裂隙帶最大高度為 64.08～96.92 m,加之上部風(fēng)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(shí)冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶不會(huì)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(dǎo)水裂隙帶與 2-2煤導(dǎo)水裂隙帶相互貫通,4-3、5-3上煤冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶與 3-1煤層基巖段不會(huì)貫通,采煤對(duì)薩拉烏蘇組地下水及泉的影響較小[9],可以實(shí)現(xiàn)采煤保水、保護(hù)生態(tài)環(huán)境并舉,礦井涌水量小[10,11],排水成本低。開(kāi)采技術(shù)條件方面,井田內(nèi)煤層瓦斯含量低,煤礦安全隱患小。

3 結(jié)論

曹家灘井田煤層厚度大,埋藏深度適中,適合建設(shè)機(jī)械化綜采礦井。開(kāi)采條件方面,煤系上覆隔水層分布穩(wěn)定,厚度大,采煤對(duì)薩拉烏蘇組地下水水位影響小,采煤引起的生態(tài)環(huán)境和地下水滲漏問(wèn)題不突出,是保水采煤研究劃分的可控保水開(kāi)采區(qū)和自然保水開(kāi)采區(qū)接壤區(qū)域,采取適當(dāng)?shù)拇胧?如條帶開(kāi)采[12],可以達(dá)到保水開(kāi)采之目標(biāo),建議列為陜北煤炭基地近期建設(shè)的大型煤礦之一。

圖3 新生界土層厚度等值線圖

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