论文部分内容阅读
摘要：在野外水文地质调查、原位测试试验和室内试验的基础上，对陕北神府矿区张家峁井田水体赋存特征和岩土体工程地质特征进行分析，并对该矿保水采煤水文地质条件进行分区，对井田范围内保水采煤提出建议。
关键词：张家峁井田；保水采煤；水资源赋存特征；水文地质条件分区
0引言
陕北侏罗纪煤田地处毛乌素沙漠南缘，煤层埋深浅，煤炭储量丰富，但水资源量总体缺乏，生态环境脆弱，煤炭开采与水资源保护的矛盾十分突出。如何有效的对西部采煤地区水资源进行保护和利用，是许多学者和专家研究和探讨的热点问题。该地区水体赋存特征和岩土体工程地质条件是保证保水采煤可行性实现的基础和关键。
保水采煤的基本思想形成于1990年之后。1995~1998 年，陕西煤田地质局一八五队、中煤水文地质局和中国矿业大学等单位联合承担开展的《中国西部侏罗纪煤田（榆神府矿区）保水采煤与地质环境综合研究》中，首次明确使用“保水采煤”一词。2007年以后，由缪协兴主持的国家重点基础研究发展计划（973）项目，将保水采煤作为中国煤炭资源绿色开采的一部分，丰富了保水采煤的涵义[1]。
针对西部地区煤层赋存特征，总结保水采煤的研究过程和途径主要为：（1）工程地质背景（条件）研究；（2）选择合适的采煤方法（工艺），减弱覆岩破坏程度[2]；（3）水资源的利用、转移存贮[1,3]。本文即在（1）的基础上，探讨陕北
神府矿区张家峁井田保水采煤的工程地质背景问题。
1井田概况
神府矿区位于陕西省北部，与内蒙和山西交界，处于陕北黄土高原与毛乌苏沙漠的接壤地带，整体上为西北高，東南低。矿区内地形主要受河流侵蚀控制，地貌类型可分为黄土丘陵沟壑区和风沙滩地区。主要水系由窟野河及其支流组成，河流域面积7 298km2，多年平均流量17.40m3/s，最大流量13 800m3/s(1976年8月2日，据神木县水文观测站资料)。
张家峁井田位于神府矿区中部，井田地形总的趋势为西部高，中东部低，一般在1 150~1 260m。井田西部为风沙滩地区，地表被松散砂层覆盖，地势相对平坦。区内其余地区属黄土丘陵沟壑区，地形支离破碎，沟壑纵横，坎陡沟深，梁峁相间，沟谷陡峻狭窄，地表侵蚀强烈。含煤地层为侏罗系延安组，井田内可采煤层从上到下依次为2-2煤、3-1煤、4-2煤和5-2煤，埋深均在240m以内，基岩厚度为40-180m，属薄基岩浅埋煤层。井田内地层如表1所示。
井田构造相对简单，未见断层，属构造相对稳定区域。地层倾向北-西，倾角一般为1°左右，局部地段可达3°，坡降5‰~17‰。
2 上覆岩土体工程地质特征
2.1粘（粉）土隔水层工程地质特征
粘（粉）土隔水层是指由离石黄土（Q2l）和保德红土（N2b）共同组成的粘（粉）土层，为砂层含水层的直接隔水底板[4]。井田西北部粘（粉）土隔水层直接出露地表，水力切割强烈，地表沟壑纵横，水资源保护的意义不大，而位于井田西、西南部风沙滩地区的粘（粉）土隔水层，对保护地表砂层水具有重要的意义。
2.1.1土层工程地质性质
由钻孔取样室内试验得黄土和红土的基本物理性质和水理性质指标如下。
2.1.2原位压水试验
根据《水电水利工程钻孔压水试验规程》，采用三级五段式压水试验方法，分别对离石黄土和保德红土进行原位压水试验，压力采用0.2MPa、0.4MPa和0.6MPa，在不同压力下测量单位压入流量（m3/d）。
依据规程公式 计算粘（粉）土隔水层的渗透系数：黄土为0.02~0.9m/d，红土为0.002~0.6m/d，极值差较大。式中： ——土体渗透系数（m/d）； ——单位压入流量（m3/d）； ——试验段水头高度（m）； ——试段长度（m）； ——钻孔半径（m）。
2.2.3三轴全应力应变渗透试验
分别对原状黄土和红土进行三轴全应力应变渗透试验，按天然埋深施加围压（黄土为0.4MPa，红土为0.6MPa）。试验结果如图1、图2所示。
由上图可知，在围压保持不变的情况下，随轴向应力的增大，土体发生塑性应变，渗透性递减。整体来看，黄土的渗透性要比红土的渗透性高一个数量级。黄土的渗透系数约为0.014~0.02m/d，红土的渗透系数约为0.005~0.007m/d，一定程度上，可以和压水试验取得的渗透系数进行参考比较。
井田内黄土和红土在天然条件下是良好的隔水层，而且只要其位于煤层开采上覆岩土层整体移动带内，采后可起到良好的隔水作用。
2.2上覆岩层工程地质特征
本区岩石以中硬类为主，抗压强度一般＞30MPa，岩石强度一般随深度增大而呈明显的增高之势。煤层直接顶板为炭质、砂质泥岩，强度弱（单轴抗压强度5~10MPa），随采随冒。直接顶板以上基本为强度较大的粉砂岩、细粒砂岩和石英砂岩（单轴抗压强度30~60MPa）。由混合抽水试验的资料知，各煤层顶板岩层渗透系数为0.000 4~0.002 m/d，为弱-极弱富水。
根据钻孔和物探测井曲线资料，井田范围内普遍发育有10~20m厚的风化带。由于基岩风化带的岩性、厚度、风化程度、粘土矿物成分、透水性等对煤层开采后覆岩导水裂隙带的发育高度及导水性能有较大影响，因而也是本区保水采煤的重要工程地质条件之一[4,5]。风化带内粘土矿物高岭石与蒙脱石的相对百分含量分别为35%和5%，遇水有一定膨胀性，渗透系数0.006~0.040 m/ d，具有良好的隔水性能[4~6]。
在河沟和水库地区，水体深切地表，直接与基岩接触，导水裂隙带发育高度以上的岩层是保护其上的水体不至溃入矿井，保障矿井安全生产的至关重要的保护层[3]。
3保水采煤水文地质条件分区
根据水体赋存特征，水量大小及对保水采煤影响的重要性，可将井田划分为A、B、C、D四个区域。如图3所示
A：梁峁区：位于井田东北部，黄土、红土直接出露地表，接受大气降水的补给。该区内冲沟密布，大气降雨往往在很短的时间内就顺冲沟流失殆尽。在局部黄土层中含有少量的毛细水，对保水采煤影响意义不大。
B：风沙滩地区：位于井田西、西南部，水体类型主要为砂层孔隙水。区内水体循环速度快，水质好，是井田西、西南部村庄的主要居民生活用水。砂层分布受先期黄土和红土沉积地形控制，厚度不均一，由于采矿沉陷的影响，造成砂层水渗流条件和方向的改变，水位可能发生比较剧烈的波动，对村民的生活会造成比较大的影响。但由于砂层下部发育有连续、较厚、可作为隔水层的黄土和红土层，局部地区存在较厚的风化带，采动裂隙易于迅速闭合[5]，这在一定程度上可以降低导水裂隙带的发育高度，减弱砂层水下渗的强度，使砂层水水位在采动影响后一段时期内有恢复的可能，这对保水采煤是有利的。
C：地表水体区：为考考乌素沟、常家沟和常家沟水库，以及相应的河漫滩和阶地。该区域是重要的工业生产和居民生活用水水源，供下游三万亩农田灌溉和人畜饮用（水库）。不宜在该区域下采煤，应留设足够的侧向煤柱。如采煤引起该区域水体与采空区连通，不仅对矿井安全生产构成严重的威胁（短时间内突水量大，水量集中），而且会使整个井田及周边区域的生态环境遭到不可恢复的破坏。此区域是保水采煤的重点区域。
D：烧变岩区：主要为位于井田东部边界的5-2煤火烧区和位于井田西部的2-2煤火烧区。由于火烧区孔隙度大，与砂层水和地表水体水力联系较大，部分火烧区直接接受大气降水的补给，因此是良好的地下储水区域，可以作为居民生活用水的稳定水源。由于采动裂隙的影响，火烧岩水可以顺裂隙直接汇入矿井，不仅增加了矿井的排水费用，同时还使火烧岩内水位下降，影响村民基本生活用水。如15201试采工作面，在5-2煤火烧区附近开切眼，矿井涌水量一直保持在20m3/h左右，位于井田东南部的王家沟以5-2火烧岩出水为主要水源，水位在此后的4个月中下降了十米左右，造成沟中泉眼干涸，村民生活用水困难。该区域也是保水采煤的重点区域，在工作面靠近或下组煤开采通过该区域时要留设足够的煤柱。
4结论和建议
（1）从张家峁井田水资源赋存特征出发，将井田分为梁峁区、风沙滩地区、地表水体区和烧变岩区四个区域。保水采煤时要特别注意地表水体区和烧变岩区，在通过这些区域时要留设足够的侧向保护煤柱。梁峁区由于富水性弱，对保水采煤意义不大。
（2）除沟谷和水库地区以外，井田范围内普遍发育较厚的离石黄土和保德红土，厚度一般为10~40m，渗透性差，可以作为隔水层，为保护井田西部砂层水提供了有利的条件。
（3）火烧岩孔隙大，发育连续，连通性好，可做为居民或矿区生活水源。同时也可作为地下储水构造，为地表潜水和矿井水的转移存储提供了空间条件。
（4）矿井水经处理、检验合格后供给矿区及周边生活用水，可缓解区域用水紧张的现状，提高矿井的效益，符合煤矿绿色开采的要求。此外对于部分矿井水可采取直接抽灌的方式，补充受煤炭开采影响的地表水体，维持地区生态环境的平衡。
关键词：张家峁井田；保水采煤；水资源赋存特征；水文地质条件分区
0引言
陕北侏罗纪煤田地处毛乌素沙漠南缘，煤层埋深浅，煤炭储量丰富，但水资源量总体缺乏，生态环境脆弱，煤炭开采与水资源保护的矛盾十分突出。如何有效的对西部采煤地区水资源进行保护和利用，是许多学者和专家研究和探讨的热点问题。该地区水体赋存特征和岩土体工程地质条件是保证保水采煤可行性实现的基础和关键。
保水采煤的基本思想形成于1990年之后。1995~1998 年，陕西煤田地质局一八五队、中煤水文地质局和中国矿业大学等单位联合承担开展的《中国西部侏罗纪煤田（榆神府矿区）保水采煤与地质环境综合研究》中，首次明确使用“保水采煤”一词。2007年以后，由缪协兴主持的国家重点基础研究发展计划（973）项目，将保水采煤作为中国煤炭资源绿色开采的一部分，丰富了保水采煤的涵义[1]。
针对西部地区煤层赋存特征，总结保水采煤的研究过程和途径主要为：（1）工程地质背景（条件）研究；（2）选择合适的采煤方法（工艺），减弱覆岩破坏程度[2]；（3）水资源的利用、转移存贮[1,3]。本文即在（1）的基础上，探讨陕北
神府矿区张家峁井田保水采煤的工程地质背景问题。
1井田概况
神府矿区位于陕西省北部，与内蒙和山西交界，处于陕北黄土高原与毛乌苏沙漠的接壤地带，整体上为西北高，東南低。矿区内地形主要受河流侵蚀控制，地貌类型可分为黄土丘陵沟壑区和风沙滩地区。主要水系由窟野河及其支流组成，河流域面积7 298km2，多年平均流量17.40m3/s，最大流量13 800m3/s(1976年8月2日，据神木县水文观测站资料)。
张家峁井田位于神府矿区中部，井田地形总的趋势为西部高，中东部低，一般在1 150~1 260m。井田西部为风沙滩地区，地表被松散砂层覆盖，地势相对平坦。区内其余地区属黄土丘陵沟壑区，地形支离破碎，沟壑纵横，坎陡沟深，梁峁相间，沟谷陡峻狭窄，地表侵蚀强烈。含煤地层为侏罗系延安组，井田内可采煤层从上到下依次为2-2煤、3-1煤、4-2煤和5-2煤，埋深均在240m以内，基岩厚度为40-180m，属薄基岩浅埋煤层。井田内地层如表1所示。
井田构造相对简单，未见断层，属构造相对稳定区域。地层倾向北-西，倾角一般为1°左右，局部地段可达3°，坡降5‰~17‰。
2 上覆岩土体工程地质特征
2.1粘（粉）土隔水层工程地质特征
粘（粉）土隔水层是指由离石黄土（Q2l）和保德红土（N2b）共同组成的粘（粉）土层，为砂层含水层的直接隔水底板[4]。井田西北部粘（粉）土隔水层直接出露地表，水力切割强烈，地表沟壑纵横，水资源保护的意义不大，而位于井田西、西南部风沙滩地区的粘（粉）土隔水层，对保护地表砂层水具有重要的意义。
2.1.1土层工程地质性质
由钻孔取样室内试验得黄土和红土的基本物理性质和水理性质指标如下。
2.1.2原位压水试验
根据《水电水利工程钻孔压水试验规程》，采用三级五段式压水试验方法，分别对离石黄土和保德红土进行原位压水试验，压力采用0.2MPa、0.4MPa和0.6MPa，在不同压力下测量单位压入流量（m3/d）。
依据规程公式 计算粘（粉）土隔水层的渗透系数：黄土为0.02~0.9m/d，红土为0.002~0.6m/d，极值差较大。式中： ——土体渗透系数（m/d）； ——单位压入流量（m3/d）； ——试验段水头高度（m）； ——试段长度（m）； ——钻孔半径（m）。
2.2.3三轴全应力应变渗透试验
分别对原状黄土和红土进行三轴全应力应变渗透试验，按天然埋深施加围压（黄土为0.4MPa，红土为0.6MPa）。试验结果如图1、图2所示。
由上图可知，在围压保持不变的情况下，随轴向应力的增大，土体发生塑性应变，渗透性递减。整体来看，黄土的渗透性要比红土的渗透性高一个数量级。黄土的渗透系数约为0.014~0.02m/d，红土的渗透系数约为0.005~0.007m/d，一定程度上，可以和压水试验取得的渗透系数进行参考比较。
井田内黄土和红土在天然条件下是良好的隔水层，而且只要其位于煤层开采上覆岩土层整体移动带内，采后可起到良好的隔水作用。
2.2上覆岩层工程地质特征
本区岩石以中硬类为主，抗压强度一般＞30MPa，岩石强度一般随深度增大而呈明显的增高之势。煤层直接顶板为炭质、砂质泥岩，强度弱（单轴抗压强度5~10MPa），随采随冒。直接顶板以上基本为强度较大的粉砂岩、细粒砂岩和石英砂岩（单轴抗压强度30~60MPa）。由混合抽水试验的资料知，各煤层顶板岩层渗透系数为0.000 4~0.002 m/d，为弱-极弱富水。
根据钻孔和物探测井曲线资料，井田范围内普遍发育有10~20m厚的风化带。由于基岩风化带的岩性、厚度、风化程度、粘土矿物成分、透水性等对煤层开采后覆岩导水裂隙带的发育高度及导水性能有较大影响，因而也是本区保水采煤的重要工程地质条件之一[4,5]。风化带内粘土矿物高岭石与蒙脱石的相对百分含量分别为35%和5%，遇水有一定膨胀性，渗透系数0.006~0.040 m/ d，具有良好的隔水性能[4~6]。
在河沟和水库地区，水体深切地表，直接与基岩接触，导水裂隙带发育高度以上的岩层是保护其上的水体不至溃入矿井，保障矿井安全生产的至关重要的保护层[3]。
3保水采煤水文地质条件分区
根据水体赋存特征，水量大小及对保水采煤影响的重要性，可将井田划分为A、B、C、D四个区域。如图3所示
A：梁峁区：位于井田东北部，黄土、红土直接出露地表，接受大气降水的补给。该区内冲沟密布，大气降雨往往在很短的时间内就顺冲沟流失殆尽。在局部黄土层中含有少量的毛细水，对保水采煤影响意义不大。
B：风沙滩地区：位于井田西、西南部，水体类型主要为砂层孔隙水。区内水体循环速度快，水质好，是井田西、西南部村庄的主要居民生活用水。砂层分布受先期黄土和红土沉积地形控制，厚度不均一，由于采矿沉陷的影响，造成砂层水渗流条件和方向的改变，水位可能发生比较剧烈的波动，对村民的生活会造成比较大的影响。但由于砂层下部发育有连续、较厚、可作为隔水层的黄土和红土层，局部地区存在较厚的风化带，采动裂隙易于迅速闭合[5]，这在一定程度上可以降低导水裂隙带的发育高度，减弱砂层水下渗的强度，使砂层水水位在采动影响后一段时期内有恢复的可能，这对保水采煤是有利的。
C：地表水体区：为考考乌素沟、常家沟和常家沟水库，以及相应的河漫滩和阶地。该区域是重要的工业生产和居民生活用水水源，供下游三万亩农田灌溉和人畜饮用（水库）。不宜在该区域下采煤，应留设足够的侧向煤柱。如采煤引起该区域水体与采空区连通，不仅对矿井安全生产构成严重的威胁（短时间内突水量大，水量集中），而且会使整个井田及周边区域的生态环境遭到不可恢复的破坏。此区域是保水采煤的重点区域。
D：烧变岩区：主要为位于井田东部边界的5-2煤火烧区和位于井田西部的2-2煤火烧区。由于火烧区孔隙度大，与砂层水和地表水体水力联系较大，部分火烧区直接接受大气降水的补给，因此是良好的地下储水区域，可以作为居民生活用水的稳定水源。由于采动裂隙的影响，火烧岩水可以顺裂隙直接汇入矿井，不仅增加了矿井的排水费用，同时还使火烧岩内水位下降，影响村民基本生活用水。如15201试采工作面，在5-2煤火烧区附近开切眼，矿井涌水量一直保持在20m3/h左右，位于井田东南部的王家沟以5-2火烧岩出水为主要水源，水位在此后的4个月中下降了十米左右，造成沟中泉眼干涸，村民生活用水困难。该区域也是保水采煤的重点区域，在工作面靠近或下组煤开采通过该区域时要留设足够的煤柱。
4结论和建议
（1）从张家峁井田水资源赋存特征出发，将井田分为梁峁区、风沙滩地区、地表水体区和烧变岩区四个区域。保水采煤时要特别注意地表水体区和烧变岩区，在通过这些区域时要留设足够的侧向保护煤柱。梁峁区由于富水性弱，对保水采煤意义不大。
（2）除沟谷和水库地区以外，井田范围内普遍发育较厚的离石黄土和保德红土，厚度一般为10~40m，渗透性差，可以作为隔水层，为保护井田西部砂层水提供了有利的条件。
（3）火烧岩孔隙大，发育连续，连通性好，可做为居民或矿区生活水源。同时也可作为地下储水构造，为地表潜水和矿井水的转移存储提供了空间条件。
（4）矿井水经处理、检验合格后供给矿区及周边生活用水，可缓解区域用水紧张的现状，提高矿井的效益，符合煤矿绿色开采的要求。此外对于部分矿井水可采取直接抽灌的方式，补充受煤炭开采影响的地表水体，维持地区生态环境的平衡。