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采的礦井。西灣露天煤礦允許30 a露天開采區(qū)的面積為25.38 km2，開采標(biāo)高為1 099～1 030 m，露天開采的是2-2煤層。掌握露天礦水文地質(zhì)條件，對于科學(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)地勢較為平坦?？傮w趨勢呈西南高，東北低。區(qū)內(nèi)最高點位于南邊界處，海拔標(biāo)高1 270 m，最低點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，地勢相對平坦、開闊，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?？傮w含水性極差，塑性大，分布較穩(wěn)定，是區(qū)內(nèi)主要相對良好的隔水層。

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?？v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量大，動儲量受補(bǔ)給條件控制。在方家畔煤礦附近，從113、29-1、h38-2號鉆孔資料可見，此處2-2煤層燒變巖被古河道沖刷剝蝕，并從正在生產(chǎn)開采3-1煤層的方家畔煤礦井下涌水情況來看，水量很小，依此可見在無燒變巖含水層的地方開采3-1煤層，礦井涌水也不會影響正常生產(chǎn)。露天開采到煤層自燃邊界附近時，應(yīng)留有足夠的保安煤柱，否則會出現(xiàn)燒變巖區(qū)水向露天礦場倒灌現(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，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個水文單元。

北單元松散沙層接受大氣降水和來自西境外的潛水補(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，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)沒有排泄點，實質(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，是對初期采區(qū)開采影響較大的地表水系，但野雞河屬季節(jié)性河流，時有干涸現(xiàn)象，故在雨季野雞河將會是露天區(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，形成了以自燃邊界處最低的燒變巖儲水構(gòu)造。在開采2-2煤層時，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煤層冒落帶高度計算結(jié)果見表1；井工開采3-1各煤層冒落帶高度及導(dǎo)水裂隙帶最大高度計算結(jié)果見表2。

表1 GB12719-1991公式計算結(jié)果

表2 冒落帶高度及導(dǎo)水裂隙帶高度計算結(jié)果

以上2種計算結(jié)果較接近，因第一種方法計算的導(dǎo)水裂隙帶高度大，采用第一種方法計算結(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。按全疏干計算，初期采區(qū)的充水量為8 907 m3/d，先期開采地段充水量為13 019 m3/d。根據(jù)地下水動態(tài)分析，秋季至來年初夏(10～6月)地下水動態(tài)均衡，故在此期間地下水對露天礦場的充水量是較穩(wěn)定的。應(yīng)重視7、8、9月豐水期降雨量對礦場充水，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露天礦生產(chǎn)初期帶來的影響，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煤自燃邊界向采場內(nèi)的寬度為100 m。露天礦達(dá)產(chǎn)時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，參照《煤礦防治水規(guī)定》計算煤柱寬度公式，分段回采時防水煤(巖)柱時，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，對燒變巖孔洞裂隙潛水含水層，超前進(jìn)行探放水，根據(jù)實際情況作出水文地質(zhì)評價，進(jìn)行提前預(yù)報，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。但該方法造價相對過高，經(jīng)濟(jì)性差；②回采時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》，對于防止燒變巖孔洞裂隙潛水含水層中地下水對露天礦生產(chǎn)初期帶來的影響，留設(shè)足夠的防水煤柱?；夭杀０裁褐鶗r采用探采的方式，回采時分段進(jìn)行。

(2)防治水應(yīng)當(dāng)堅持“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的16字原則進(jìn)行。對燒變巖孔洞裂隙潛水含水層建立地下水動態(tài)觀察系統(tǒng)，進(jìn)行地下水動態(tài)觀測、水害預(yù)報，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，開采時伴隨涌出的地下水，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，回采保安煤柱時可考慮先從西南向東北方向開始探采。

(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，并利用大塊物料與粘土在涌水位置進(jìn)行覆蓋隔水。