榆神礦區(qū)首采煤層及上覆巖層工程地質(zhì)特征

周陽， 鄧念東， 張卉， 金光， 袁喜東， 高海峰， 楊佩

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710068； 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054; 3.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，西安 710054；4.陜西秦洲核與輻射安全技術(shù)有限公司，西安 710054)

0 引言

中國的能耗結(jié)構(gòu)以化石燃料為主[1-3]，榆神礦區(qū)是國家確定重點(diǎn)建設(shè)的14個(gè)大型煤炭基地之一——中陜北基地的重要組成部分。區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，煤質(zhì)優(yōu)等，但生態(tài)環(huán)境脆弱[4-6]。近年來，榆林地區(qū)煤炭開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出。針對(duì)該礦區(qū)地質(zhì)資料零散，不完整、不系統(tǒng)等情況，本文在系統(tǒng)總結(jié)榆神礦區(qū)首采煤層及其上覆巖層工程地質(zhì)特征，充分研究區(qū)域水環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)首采煤層上覆巖層進(jìn)行了分類分組，可為切實(shí)轉(zhuǎn)變陜西煤炭發(fā)展方式，做好水資源保護(hù)，支撐榆神四期礦區(qū)規(guī)劃，以及指導(dǎo)一期、二期、三期煤炭開發(fā)提供參考。

1 礦區(qū)概況

1.1 交通位置

榆神礦區(qū)位于陜西省榆林市北部，屬榆林市榆陽區(qū)和神木縣管轄。該區(qū)域交通發(fā)達(dá)，G65包(頭)茂(名)高速公路、G210國道、西(安)包(頭)鐵路、榆神礦區(qū)鐵路專用線及榆林榆陽機(jī)場等交通運(yùn)輸體系并存。

1.2 礦區(qū)范圍及規(guī)劃分區(qū)

榆神礦區(qū)西北部以陜蒙邊界為界，西南部以榆橫礦區(qū)北邊界為界，東北部以神府礦區(qū)西邊界為界。礦區(qū)地理坐標(biāo)為109°08′24″～110°27′59″E，38°19′33″～39°11′23″N。礦區(qū)東西最寬約97 km，南北最長約95 km，面積約5 160 km2。榆神礦區(qū)分為4期規(guī)劃區(qū)(圖1)。

一期規(guī)劃區(qū)： 東、南界為2-2煤層火燒邊界； 西界為榆溪河； 北界為大保當(dāng)先期開發(fā)區(qū)詳查邊界。面積約873 km2。

二期規(guī)劃區(qū)： 北界為麻家塔溝； 西界為2-2煤層火燒邊界，與一期規(guī)劃區(qū)相接； 東、南界為5-3煤層露頭線。面積約1 098 km2。

三期規(guī)劃區(qū)： 東界為二期規(guī)劃區(qū)西邊界； 西界為包茂高速； 北界為爾林兔普查區(qū)南邊界； 南界為一期規(guī)劃區(qū)北邊界。面積約864 km2。

四期規(guī)劃區(qū)： 南界為榆橫礦區(qū)北邊界； 東部以榆神礦區(qū)二期規(guī)劃區(qū)、神府礦區(qū)西邊界為界； 西北部至陜蒙邊界。面積約2 325 km2。

圖1 榆神礦區(qū)地貌分區(qū)圖[7]

1.3 氣象水文

榆神礦區(qū)地處中緯度地區(qū)，屬溫帶干旱-半干旱大陸性季風(fēng)氣候。冬季寒冷，降水稀少，夏季降水增多，易發(fā)暴雨和冰雹。年均降水量316～513 mm，集中在7—9月，降水量由南東向北西遞減，蒸發(fā)量由南東向北西遞增。

礦區(qū)地表水系自東向西分屬黃河一級(jí)支流的窟野河、禿尾河流域和黃河二級(jí)支流的榆溪河流域?？咭昂印⒂芟拥闹骱拥离m未穿過礦區(qū)，但主要支流分布于礦區(qū)內(nèi)。礦區(qū)內(nèi)湖泊和水庫較多。

1.4 地形地貌

榆神礦區(qū)位于鄂爾多斯高原東南部，毛烏素沙漠東南緣與陜北黃土高原北部接壤帶。區(qū)內(nèi)地勢(shì)西北高、東南低，最高海拔在礦區(qū)北部的雷家梁，標(biāo)高1 385 m，最低海拔在礦區(qū)東部禿尾河的河谷地帶，標(biāo)高950 m，最大相對(duì)高差435 m。

按地形地貌的形態(tài)成因，將榆神礦區(qū)劃分為風(fēng)沙灘地區(qū)、黃土梁峁區(qū)和河谷階地區(qū)三大地貌類型(圖1)[8]。

黃土梁峁區(qū)分布于榆神礦區(qū)東緣，占礦區(qū)總面積的1/6，梁、峁相間分布，樹枝狀沖溝發(fā)育，源頭及上游段多呈“V”型，下游段及主干河谷呈“U”型； 風(fēng)沙灘地區(qū)分布于礦區(qū)中、西部，約占礦區(qū)總面積的5/6，由沙丘沙地、半封閉或封閉的相對(duì)低洼灘地?cái)嗬m(xù)間布而成； 河谷階地區(qū)分布于禿尾河、榆溪河及其支流。

2 區(qū)域地質(zhì)特征

2.1 構(gòu)造

榆神礦區(qū)總體為NE走向、傾向NWW、傾角1°的單斜構(gòu)造，屬鄂爾多斯盆地構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)[9-10]。據(jù)礦區(qū)內(nèi)各煤礦開發(fā)利用資料[9]，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，斷距普遍<20 m。例如，隆德煤礦巷道掘進(jìn)中，揭露小型正斷層28條，斷距0.5～3.4 m； 榆樹灣煤礦巷道掘進(jìn)中，揭露小型正斷層8條，斷距5～10 m。

2.2 地層

區(qū)內(nèi)地表多為第四系、新近系覆蓋，基巖在溝谷中零星出露。主要地層(表1)由老到新為： 三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)中細(xì)粒長石石英砂巖； 侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)粗粒長石石英砂巖、含礫粗粒砂巖，中統(tǒng)延安組(J2y)中細(xì)粒長石砂巖、巖屑長石砂巖及鈣質(zhì)砂巖，中統(tǒng)直羅組(J2z)泥巖與細(xì)中粒砂巖互層，中統(tǒng)安定組(J2a)泥巖與粗粒長石砂巖互層； 白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)中粗粒長石砂巖； 新近系(N)黏土及亞黏土； 第四系(Q)黃土和現(xiàn)代風(fēng)積沙[7，11]。

表1 榆神礦區(qū)主要地層概況

(續(xù)表)

2.3 煤層

侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)是榆神礦區(qū)內(nèi)唯一的含煤地層，賦存煤層達(dá)20余層(含煤線)，具有對(duì)比意義的煤層共15層，自上而下編號(hào)為1-1上、1-1、1-2上、1-2(1-2下)、2-2上、2-2(2-2下)、3-1、4-1、4-2、4-3、4-4、5-2(5-2上)、5-2下、5-3上、5-3下。其中主要可采煤層共5層，編號(hào)分別為 1-2、2-2、3-1、4-2、5-2。

3 首采煤層及其上覆巖層

3.1 首采煤層分布及厚度

1-2煤層分布在四期規(guī)劃區(qū)東北部，厚度由東向西逐漸增厚； 三期規(guī)劃區(qū)西北部； 四期規(guī)劃區(qū)中部及西南部，煤層由東北向西南逐漸增厚。

2-2煤層除二期規(guī)劃區(qū)外，全區(qū)可見。一期規(guī)劃區(qū)，煤層由西向東逐漸增厚； 三期規(guī)劃區(qū)東部，煤層由東北部、西南部向中東部逐漸增厚； 四期規(guī)劃區(qū)東北部和中部，煤層由東南向西北逐漸增厚。

3-1煤層見于二期規(guī)劃區(qū)西北部，三、四期規(guī)劃區(qū)東北部。煤層?xùn)|部厚，西部薄，分布區(qū)邊界以東煤層不可采或被剝蝕。

4-2煤層見于二期規(guī)劃區(qū)中部，煤層由南向北逐漸增厚，分布區(qū)邊界以東煤層不可采或被剝蝕。

5-2煤層見于二期規(guī)劃區(qū)中部和東部，煤層由東北部向中部逐漸增厚，分布區(qū)邊界以東煤層不可采或被剝蝕。

礦區(qū)除5-2煤層為薄—中厚煤層，其余均為中厚—厚煤層。5層煤層均為穩(wěn)定型煤層，煤類以長焰煤41號(hào)(CY41)和不粘煤31號(hào)(BN31)為主，灰分、硫分變化中等，不含或含1～2層夾矸，結(jié)構(gòu)較簡單。

3.2 首采煤層埋深及底板標(biāo)高

礦區(qū)煤層埋深總體特征為東淺西深，沿中雞鎮(zhèn)—爾林兔鎮(zhèn)—大保當(dāng)鎮(zhèn)一線，煤層埋深自東向西逐漸增大； 沿金雞灘鎮(zhèn)—孟家灣一線，煤層埋深呈向北西逐漸增大的趨勢(shì)； 在大保當(dāng)鎮(zhèn)—金雞灘鎮(zhèn)，煤層埋深局部增大(圖2)。煤層底板標(biāo)高呈東高西低，變化梯度較小(圖3)。

圖2 首采煤層埋深等值線圖

圖3 首采煤層底板等高線圖

3.3 上覆巖層厚度及頂面形態(tài)

首采1-2煤層上覆巖層厚度為165.05～650.55 m，多為373.58 m，由東向西逐漸變厚，巖性以厚層粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和粗粒砂巖為主； 首采2-2煤層上覆巖層厚度為16.28～531.54 m，多為218.63 m，由東向西逐漸變厚，巖性以厚層粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖為主； 首采3-1煤層上覆巖層厚度為2.98～257.86 m，多為90.79 m，由東南向西北逐漸變厚，巖性以厚層粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖為主； 首采4-2煤層上覆巖層厚度為3.59～87.85 m，多為36.07 m，由東向西逐漸變厚，巖性以厚層粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主； 首采5-2煤層上覆巖層厚度為12.55～103.80 m，多為59.09 m，由東南向西北逐漸變厚，巖性以厚層粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主(圖4)。

圖4 首采煤層上覆巖層等厚線圖

上覆巖層節(jié)理、裂隙均不甚發(fā)育，頂面形態(tài)為一古剝蝕面，控制了薩拉烏蘇組(Q3s)的沉積厚度，形成了巖層厚度變薄區(qū)與富水區(qū)重疊的地質(zhì)特征。

3.4 上覆巖層工程地質(zhì)特征

根據(jù)榆神礦區(qū)巖石成因、工程地質(zhì)特征及物理力學(xué)性質(zhì)，將礦區(qū)巖(土)體劃分為4個(gè)類型和7個(gè)巖組。

3.4.1 松散巖類

松散巖類為散體結(jié)構(gòu)，巖層組分為沙層組和土層組。沙層組為含水層，土層組為相對(duì)隔水層。

(1)沙層組。松散沙層在礦區(qū)廣泛分布，厚度為0～162.00 m，多為34.29 m左右，主要為第四系風(fēng)積、湖積、沖洪積沙層，局部為礫石層，礦物以石英和長石為主，黏土礦物含量較低，粒徑以粉、細(xì)粒沙為主，屬級(jí)配不良的均粒沙。顆粒密度、含水率、容重、飽和度等隨粒度增大而減小，滲透系數(shù)隨粒度增大而升高。

(2)土層組。第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)黃土及新近系保德組(N2b)紅土在區(qū)內(nèi)廣泛分布，局部在梁峁及溝谷出露。黃土厚度為0～145.56 m，多為23.35 m左右，黃土以粉土為主，密實(shí)度以密實(shí)為主，濕度呈濕—稍濕，土質(zhì)疏松，垂直節(jié)理較發(fā)育，透水性較好，黃土不具濕陷性。紅土厚度為0～139.5 m，多為36.22 m左右，空間分布斷續(xù)，在礦區(qū)東部及北部黃土梁峁區(qū)出露。紅土以黏土為主，多為硬塑—可塑狀態(tài)，不具濕陷性，顆粒細(xì)小致密，隔水性較強(qiáng)。該巖組具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。

礦區(qū)北部考考烏素溝及礦區(qū)東部窟野河、禿尾河溝谷地帶的黃土和紅土較干燥，受水力及風(fēng)力作用侵蝕，溝谷切割較深，土梁坡度較大，降水后地表徑流強(qiáng)度較大，易產(chǎn)生不良地質(zhì)現(xiàn)象。土的物理學(xué)性質(zhì)與其礦物粒度及成分密切相關(guān)，紅土呈致密半固結(jié)態(tài)，較堅(jiān)硬，工程地質(zhì)性質(zhì)優(yōu)于黃土。

3.4.2 軟巖類

軟巖類巖層組主要分為風(fēng)化巖組、煤巖組和燒變巖組。

(1)風(fēng)化巖組。巖層頂部風(fēng)化帶全區(qū)可見，剝蝕殘留厚度一般20 m左右，巖層頂面厚度較大，巖體不連續(xù)，呈散體-碎裂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面粗糙，巖塊大小及形狀不一，發(fā)育隱形微裂隙，地下水對(duì)其穩(wěn)定性有一定的破壞作用。地層為洛河組、安定組、直羅組及延安組上部。

風(fēng)化巖層由上到下風(fēng)化程度逐漸減弱，強(qiáng)風(fēng)化帶巖石結(jié)構(gòu)基本被破壞，巖石破碎，裂隙率及孔隙率較大，含水率較高，黏土礦物含量逐漸增加，在巖體的結(jié)構(gòu)面富集黏土礦物形成軟弱泥化夾層，對(duì)巖體強(qiáng)度具有控制作用。以往采樣測試結(jié)果表明，風(fēng)化巖層中高嶺石占35%，蒙脫石占5%，遇水易膨脹，多數(shù)巖石遇水后短時(shí)間內(nèi)全部崩解或沿裂隙離析。

巖層遭受長期風(fēng)化后，性質(zhì)明顯改變，含水率增加，干容重減小，孔隙率增大，耐崩解能力減弱。風(fēng)化作用往往破壞巖體結(jié)構(gòu)面，使巖體組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，力學(xué)強(qiáng)度降低，破壞巖體完整性。與原巖相比，風(fēng)化巖力學(xué)強(qiáng)度低。不同巖石抗壓強(qiáng)度不同，抗壓強(qiáng)度降低幅度也不同，泥巖抗壓強(qiáng)度損失率最大，砂巖抗壓強(qiáng)度降低幅度比粉砂巖、砂質(zhì)泥巖大。

(2)煤巖組。礦區(qū)煤層屬層狀軟巖類，巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，具脆性，無韌性，易軟化，易沖擊破碎。主要可采煤層平均飽和抗壓強(qiáng)度為14.80 MPa。

(3)燒變巖組。該巖組是煤層自燃后，上覆巖層受高溫?zé)竞偷蜏睾婵竞笫湛s垮塌破碎形成的巖石組合，呈條帶狀分布于礦區(qū)東部溝谷兩側(cè)，厚度為30～50 m。自上而下，一個(gè)完整的燒變巖剖面由3類典型的燒變巖石組成： 烘烤巖、燒變巖及燒熔巖(類熔巖)。巖石燒變自燃所形成的裂隙雜亂無章，空洞發(fā)育，易形成崩塌落石。單塊燒變巖較硬，表面較光滑，水理性較好，不易泥化，塊體形態(tài)復(fù)雜多樣。該巖組穩(wěn)定性及巖體完整性較差，屬碎裂結(jié)構(gòu)。

3.4.3 較軟巖類

粉砂巖與泥巖互層巖組主要指礦區(qū)內(nèi)延安組中的泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，多以互層狀產(chǎn)出，泥質(zhì)膠結(jié)，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，黏土礦物和有機(jī)質(zhì)含量較高。該巖組多見于煤層直接頂和底板，是煤系地層的主要巖組，層狀結(jié)構(gòu)多具水平層理、緩波狀層理及小型斜層理，有時(shí)節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖石質(zhì)量中等，巖體中等完整。巖石遇水易泥化、崩解、碎裂，泥巖類巖石黏土礦物含量高，親水性強(qiáng)，水穩(wěn)定性較差。巖石采動(dòng)后易冒落，但冒裂帶發(fā)育高度較小，裂隙導(dǎo)水性也較差。

3.4.4 較堅(jiān)硬巖類

砂巖組以中、細(xì)粒砂巖為主，次為粗粒砂巖，巖性以石英、長石為主，含云母及暗色礦物，一般泥質(zhì)膠結(jié)，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，多為煤層老頂或老底。原生結(jié)構(gòu)面一般有塊狀層理、槽狀層理及大型板狀交錯(cuò)層理，單層厚度大，構(gòu)造結(jié)構(gòu)面不發(fā)育。砂巖類巖性多硬脆，在外力作用下易碎裂、崩塌或垮落，隔水性能驟減或喪失，冒裂帶發(fā)育較高，裂隙導(dǎo)水性好。巖石質(zhì)量中等—好，巖體中等—較完整，巖組穩(wěn)定性較好，呈塊狀結(jié)構(gòu)。

4 首采煤層頂、底板

4.1 首采煤層頂、底板類型特征

煤層直接頂多為細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及其互層，多屬較堅(jiān)硬巖類。砂巖類力學(xué)強(qiáng)度大于粉砂巖及泥巖類，粉砂巖強(qiáng)度大于泥巖，泥巖長時(shí)間暴露于空氣中，多沿層理方向離析呈薄片狀，易崩解。粉砂巖彈性模量高于泥巖，上部1-2、2-2煤層頂板彈性模量較下部3-1、4-2、5-2煤層低，說明下部煤層抗壓縮變形能力較上部煤層強(qiáng)。煤層基本頂多以細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和厚層粉砂巖為主，局部為粗粒砂巖，多屬較堅(jiān)硬巖類。

首采1-2、4-2和5-2煤層直接頂與基本頂分布面積相當(dāng)，偽頂零星分布。首采2-2煤層直接頂與基本頂分布面積相當(dāng)，偽頂分布相對(duì)較為廣泛。首采3-1煤層直接頂分布廣，厚度大，介于2～6 m間，偽頂零星分布。

煤層底板多以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖為主，多屬較堅(jiān)硬巖類。礦區(qū)各煤層底板多以直接底為主，基本底次之。

4.2 首采煤層頂、底板穩(wěn)定性

煤層頂板多屬中等—難冒落型頂板，局部地段如泥巖厚度較大或互層頻繁的直接頂，有偽頂存在，埋藏淺，受地表水及風(fēng)化作用影響較大，屬易冒落型頂板。

煤層底板以粉砂巖為主，另有泥巖和細(xì)粒砂巖。粉砂巖及細(xì)粒砂巖底板強(qiáng)度較大，屬穩(wěn)定型底板； 泥巖底板強(qiáng)度小，穩(wěn)定性差，局部地段底板出現(xiàn)輕微底鼓現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)通過分析榆神礦區(qū)首采煤層(1-2、2-2、3-1、4-2、5-2)及其上覆巖層分布、厚度、埋深等特征,將榆神礦區(qū)巖層劃分為4個(gè)類型和7個(gè)巖組： 松散巖類(沙層組、土層組)、軟巖類(風(fēng)化巖組、煤巖組、燒變巖組)、較軟巖類(粉砂巖與泥巖互層巖組)、較堅(jiān)硬巖類(砂巖組)，總結(jié)了各巖組的分布、厚度和物理力學(xué)特征。

(2)根據(jù)首采煤層頂、底板特征，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。礦區(qū)煤層頂板多為中等—難冒落型頂板，局部地段屬易冒落型頂板； 粉砂巖及細(xì)粒砂巖底板屬穩(wěn)定型底板，泥巖底板穩(wěn)定性差。

本研究成果為支撐礦區(qū)規(guī)劃、環(huán)境評(píng)估及指導(dǎo)礦區(qū)煤炭開發(fā)提供了基礎(chǔ)依據(jù)，對(duì)切實(shí)轉(zhuǎn)變陜西煤炭發(fā)展方式、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展具有積極意義。但本次工作涉及區(qū)域面積大，影響因素多，所參考資料因勘查程度、目的任務(wù)、主觀認(rèn)識(shí)的差異而導(dǎo)致質(zhì)量參差不齊，建議進(jìn)一步開展礦區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)研究，為榆神礦區(qū)實(shí)現(xiàn)科學(xué)開采、綠色開采提供技術(shù)支撐。