郭 涛,苗彦平,马万超,杨 磊,路 波

(1.陕西省一八五煤田地质有限公司,陕西 榆林 719000;2.陕煤集团神木红柳林矿业公司,陕西 榆林 719300;3.陕西省地质环境监测总站,陕西 西安 710054)

0 引言

红柳林煤矿是神府南区生产能力18 Mt/a的特大型矿井,近年来,煤矿东盘区开采已经接近尾声,西一盘区即将开发。与东盘区比较,西一盘区水文地质条件发生了很大变化,直罗组古河道砂岩含水层成为西盘区煤矿防治水的重点防控对象[1]。直罗组古河道砂岩很早就被认识到,1989年陕西省一八五煤田地质有限公司及李思田教授等就在科研成果中阐述了直罗组古河道的分布范围[2-3],但当时地质勘查程度、对于古河道砂岩控制精度较低。近年来,直罗组古河道砂岩含水层成为陕北侏罗纪煤田中西部矿井涌水的主要充水水源,也直接威胁着煤矿安全,大水矿井形成多与直罗组砂岩含水层有关[4-7],其成为陕北侏罗纪煤田顶板水害防治的重要防控目标层位,红柳林煤矿西一盘区2-2煤层开采就直接受到直罗组砂岩含水层地下水的威胁。为此,论述直罗组古河道砂岩含水层分布、富水性,以提出红柳林煤矿西一盘区防治水对策。

1 直罗组砂岩含水层分布及厚度

直罗组古河道砂岩含水层在区域上分布于内蒙古自治区东胜市到陕西省神木市一带,形成了一个巨大的古河道砂体含水层。砂体上段以泥岩为主,下段以中粗粒砂岩为主,下段厚度0～93 m,厚度最大的区域,也是古河道发育的中心地带,从红碱淖—红柳林煤矿一带厚度最大,普遍在70 m以上,形态总体上呈带状,且向北东和南西方向逐渐减薄,在中鸡镇东部及孙家岔镇西部,砂体呈指状分叉,局部有星点状砂体发育,形成向东和东南方向展布的多个小分支,东方向的砂体分支延伸较长,但东南方向的砂体分支延伸较短,如图1所示。

图1 直罗组古河道砂岩厚度变化趋势示意[9]

在红碱淖西南方向也出现了多个分支,砂体的厚度变薄,呈指状分叉,且延伸都较短;在锦界镇西南方向存在一个高值区,呈朵状展布,其北部和西南部各出现了2个分支,且西南方向的分支砂体规模较大,在锦界镇东北方向和正东方向发育一个较大的朵状砂体;在高值区内部有零星的低值区存在,但其厚度大小都在50 m以上,且规模不大。

直罗组古河道砂岩底部局部地段发育有砾岩,砾岩厚度最大14 m,一般为1～6 m,砾石厚度分布整体上呈西北—东南方向的趋势,与古河道发育方向一致,呈串珠状,有一定的连续性。在研究区的东北与南部出现零星的高值区域,呈孤岛状,展布区域较小。砾岩厚度高值区域多分布在北西至南东轴线一带,东北与西南大部分地区均未出现砾岩。砾岩厚度等值线图长轴方向具有一定的定向性,与古河道砂体方向具有很好的一致性。

2 直罗组砂岩含水层富水性

直罗组含水层主要分布于研究区的中西部,厚度总体变化趋势为由西向东、由南向北逐渐变薄,在柠条塔、红柳林、锦界井田东部边界处尖灭。直罗组由于沉积环境及构造运动的影响,垂向上主要发育2层含水层组,是区内矿井主要的充水含水层。其一是安定组缺失区由于基岩顶部风化形成的风化基岩含水层组;其二是直罗组正常基岩含水层。

2.1 直罗组风化基岩含水层段

研究区东部安定组剥蚀区,直罗组顶部遭受不同风化形成南北向分布的直罗组风化基岩条带,风化基岩厚度3.04～83.46 m,平均26.33 m,厚度较大区域主要位于柠条塔井田南翼、红柳林井田西区及锦界煤矿西北部,直罗组残存地层基本全部风化。由于直罗组岩石强烈风化,次生结构面及风化裂隙网络发育,为地下水储存创造了良好的空间,使之含水性能强于下部正常岩段,是研究区东部矿井的主要充水水源。

2.2 直罗组正常基岩含水层段

直罗组正常基岩段主要分布在直罗组安定组覆盖区,直罗组地层保存完整。研究表明,直罗组具有明显的河流相沉积特征,可分为上、中、下3段,中上段以灰绿色泥岩和褐红色细砂岩为主,沉积相以曲流河三角洲和湖泊三角洲为主,平面上非均质性强。下段上部主要为粗砂岩,中部以细砂岩为主,并夹有粗砂岩、中砂岩和细砂岩,底部主要发育巨厚层状粗砂岩,局部地段为含砾砂岩或砾岩,沉积相为辫状河三角洲和曲流河三角洲,砂体平面上连续性较强,砂体规模巨大,即“古直罗河”河道砂体。

根据45件直罗组岩石样测试结果,中上段孔隙度、渗透率分别为9.18%～27.71%,0.040 4～2.924μm2,其中大于15%的样品占比42.84%,主要集中在8%～20%,渗透率大于100×10-3μm2的样品占比28.48%。下段孔隙度、渗透率分别为7.61%～30.36%,0.171～2.157 μm2,其中孔隙度大于15%的样品占比90.26%,主要集中在20%～32%,渗透率大于100×10-3μm2的样品占比64.52%。直罗组中上段以低孔、特低孔为主,占比57%,渗透率类型主要为低渗和特低渗,渗透率小于50×10-3的样品占比71.42%。直罗组下段砂岩以中孔为主,占比75%以上,渗透率类型主要为中渗,部分由于钙质胶结作用形成超低渗含水层。因此,直罗组下段砂体是含水层段,中上段含水性稍差,可视为隔水层。

2.3 直罗组正常基岩含水层富水性特征

直罗组正常基岩含水层厚度11.56～175.83 m,根据抽水试验资料,单位涌水量0.002 9～0.092 4 L/(s·m),渗透系数0.007 5～0.081 0 m/d。根据《煤矿防治水细则》对含水层的富水性给出的等级划分标准,直罗组正常基岩含水层富水性等级均为弱,但在采动影响下,直罗组裂隙发育后,地下水连通性增大,巨大的含水体会形成较大的矿井涌水量,甚至造成矿井水害。2010年柠条塔煤矿南翼S1210工作面发生的水害事故,就是直罗组古河道砂岩地下水所致。

3 西一盘区防治水对策

3.1 直罗组砂岩对矿井涌水量的影响

直罗组分布面积大,下段物性条件较好,地下水整体自西北向东南流动,承压高度30.14～173.79 m,自西向东逐渐降低。直罗组矿化度自西北向东南逐渐降低,西北区域溶解性总固体含量较高,大部分在1 000～3 000 mg/L范围内波动,在尔林兔东勘查区的YS32钻孔直罗组地下水矿化度达到4 692 mg/L。根据矿区西部边界以外的呼吉尔特矿区开采情况,矿井涌水来源主要为直罗组砂岩含水层,矿井总涌水量达到7 029.75 m3/h,并呈现逐年上升趋势。矿区南部紧邻的锦界煤矿,自2006年投产以来,矿井涌水量一直较大,最大达到5 499 m3/h。从2010年至今,矿井涌水量均保持在5 000 m3/h左右,2021年全年矿井涌水量平均值达到5 400 m3/h,矿井水也以直罗组古河道砂岩地下水为主。由此说明,直罗组含水层具有储存空间好、水压大、矿井涌水量大、供水能力强等特点,在采动影响下,是矿井充水的主要水源。

3.2 直罗组砂岩水害防治对策

通过范立民等[8]课题组研究,已经初步查明了包括红柳林煤矿西一盘区在内的神府南区直罗组古河道砂岩水文地质条件,从区域上阐明了直罗组砂岩沉积演化、形成过程和物质组成,分析了直罗组砂岩富水性,为煤矿防治水提供了依据。但从红柳林西一盘区的工程实际出发,仍然需要进一步加强直罗组砂岩含水层的勘探,重点研究西一盘区一带古河道砂岩含水层水文地质条件及其与煤层的空间赋存关系,揭示直罗组古河道砂岩含水层对煤矿的矿井突水的作用机理,划分突水危险性区域,并提出针对直罗组古河道砂岩水害防控、水资源保护[9-12]的采煤技术方法。因此,建议尽快开展红柳林煤矿西一盘区水文地质补充勘探,为煤矿防治水和水资源利用提供科学依据。

4 结论

(1)红柳林煤矿西一盘区煤矿防治水的重点是直罗组古河道砂岩含水层,该含水层具有分布面积大,区域连通性好等特征,是未来煤矿防治水的重点防控层位。

(2)区域上,直罗组古河道砂岩水文地质条件基本查明,但从红柳林西一盘区的工程实际出发,仍然需要进一步查明直罗组砂岩含水层与煤层的空间赋存关系,揭示直罗组砂岩含水层水文地质条件及对煤矿开采的影响,确保煤矿安全生产。