榆神矿区矿井充水因素及矿井水的利用.doc

榆神矿区矿井充水因素及矿井水的利用蒋泽泉，姚建明（陕西省煤田地质局一八五队，陕西 榆林 719000）摘 要：以榆树湾井田为例，论述了榆神矿区矿井水文地质条件及矿井充水因素。认为榆神矿区矿井水资源较丰富，部分煤矿的涌水量可达8000m3/d左右，是矿区供水和生态环境建设宝贵的水资源，提出了利用矿井水的建议。关键词：矿井水；水文地质条件；充水因素；保水采煤中图分类号： 文献标示码：A 文章编号：1671-749X（2008）02-基金项目：陕西省软科学基金项目（2007KR18）。收稿日期：2007-10-28作者简介：蒋泽泉（1967-），男，陕西临潼人，1988年毕业于陕西水利学校，曾经获陕西省科学技术奖一等奖（2006）和三等奖（2004），工程师，从事水文地质工程地质工作。0 前言榆神矿区是我国新建的一个大型矿区，也是陕北大型煤炭基地建设的核心区，目前矿区一期建设的煤矿主要有锦界、凉水井、榆树湾煤矿等。为了合理利用资源，促进基地建设持续健康发展1，作者认为，应该充分利用矿区有限的水资源，保护生态环境，做到采煤与保水并举2。榆树湾井田分属秃尾河和榆溪河流域，东部绝大部分面积属秃尾河流域，西部以分水岭为界以西属榆溪河流域，约占井田面积的1/51/6。东部发育的河流主要有东南部的东、西清水河、高家沟、草湾沟、贺家沟和东北部的田家沟、尚家沟两大沟系，最终都经红柳沟汇入秃尾河。东南部的东、西清水河属常年性河流，流量随季节变化较小，年总径流量为115万m3/a ,其它各支沟属季节性河流，流量较小且随季节变化幅度较大。东北部的田家沟和尚家沟为季节性河流年总径流量约为25万m3/a。本文以榆树湾井田为例，简要论述榆神矿区矿井充水因素和矿井水资源化利用问题。1 矿区水文地质条件榆神矿区地下水主要有萨拉乌苏组潜水和烧变岩潜水3，其中榆树湾井田主要是萨拉乌苏组潜水，附近的煤矿在采煤过程中，曾经发生过矿井突水事故4，矿井水较大，因此，对矿井水加以利用，不仅可以缓解矿区供水紧张的矛盾，还有利于煤矿安全生产。1.1 含（隔）水层萨拉乌苏组潜水含水层：主要分布于井田中部及西北部，多被风积沙覆盖，在低洼处与其构成统一含水层，厚度变化较大，一般为019.20m，岩性主要为细砂，偶为中粗砂，局部夹有含泥及腐殖质粉砂条带和透镜体。水位埋藏较浅，一般为0.732.86m。富水性强弱皆有分布。井田较大部分属富水性弱区，在首采区富水性中等区占较大优势。含水层主要接受大气降水的补给，在沙漠滩地区，地势平缓，降水入渗系数为0.6。据钻孔抽水资料，榆树湾井田萨拉乌苏组含水层单位涌水量0.06550.230L/sm，渗透系数0.9682.332m/d，矿化度224262mg/L 。离石黄土及三趾马红土隔水层：广布全区，厚度83.75175.0m，该层上部为亚砂土、亚粘土，局部柱状节理发育。下部岩性为棕红、浅紫红色粉质粘土，含钙质结核。据C52号钻孔抽水资料，上部黄土层单位涌水量为0.000174L/sm，渗透系数为0.0027m/d。富水性极差，为区内主要隔水层。碎屑岩裂隙承压含水层：区内主要含水层段为基岩顶面至2-2煤层顶板（J2Z2-2）含水层段。含水岩层岩性主要为中细粒砂岩，局部为粗粒砂岩，在含煤地层含水岩层为粉砂岩、砂质泥岩等成互层状，裂隙发育微弱，透水性差，该层段顶部平均25m范围内为风化岩层，岩石风化后，次生结构面发育，使之含水性能稍强于下部正常岩段。该含水层全段具承压性，在局部地段据Y15号钻孔揭露，水头高出地表自流而出，用压力表测出水头高度为5.05m，自流涌水量为0.828L/s。据区内Y10、Y15钻孔抽水资料，该层段单位涌水量0.02880.187 L/sm，渗透系数0.01680.173m/d。富水性弱中等。1.2 地下水的补径排条件第四系松散层潜水以大气降水补给为主，并接受少量的沙漠凝结水的补给。潜水面起伏与地形起伏基本一致，所以地下水的径流受地形控制，流向由高至低与现代地形吻合，局部受地层结构影响有所改变。在井田西部，以古庙梁为最高点，形成一条南北向分布的地表分水岭，分水岭以西，地下水向西径流汇入榆溪河。其东部树枝状沟谷发育，地下水向东径流，在低洼地带转换成沟流向东汇入秃尾河。其排泄方式主要以泉、渗流转化成沟流地表水，此外有蒸发、垂向渗漏和人工开采。承压水除在区外基岩裸露区通过风化裂隙带间接得到大气降水补给外，潜水的越流补给及通过“天窗”补给为其主要补给途径。径流方向基本顺岩层倾向由东向西南方向运移。整体剖析本区承压水无统一隔水顶板，无统一补给区，因沉积层序的粒级不同，粒度横向均有交替变化性。承压水含水岩体在横向上具不连续性，垂向上具分段性。储水空间相对封闭，水量小、水质差、排泄条件差。2 矿井充水条件分析依据本区水文地质条件及煤层覆岩结构类型，矿井充水方式可分为直接充水和间接充水两种。它们分别受大气降水、地表水和地下水等因素的控制，且具有一定的水力联系，对未来矿井开采有不同程度的影响。2.1 充水水源勘探区内2-2煤层开采后导水裂隙带不会穿透土层，因此大气降水和地表水只能成为间接充水水源。而直接充水水源是地下水。本区第四系冲湖积层潜水，大部地段煤层上覆基岩厚度大于冒裂带高度，且有土层阻隔，因此其不构成矿床直接充水水源。煤系地层含水层是煤层的直接充水含水层，煤层顶板含水层均为承压水，它们虽有较高的水头压力，但涌水量甚微，富水性弱，易于疏干，对开采不会造成危害。但是，在局部地段，承压水含水性较强的地带，将有可能引起矿井涌水量突然增大。2.2 矿井充水通道与矿井水涌水量预测神北矿区瓷窖湾煤矿及大柳塔煤矿1203工作面发生的突水溃沙事故可以看出，神北矿区由于采煤引起的覆岩移动、冒裂带发育，导致矿井突水溃沙，严重影响安全生产，对本区亦有借鉴意义。就本区而言，充水通道主要为煤层采空顶板岩层冒落形成的导水裂隙带，本区间接充水含水层（即萨拉乌苏组）富水性远高于神北矿区。因此，对所采煤层顶板复合岩体发生的冒裂带发育情况的研究尤为重要。根据公式计算出2-2煤层冒落带最大高度为36.00m，导水裂隙带最大高度为91.60m，另外区内风化岩平均厚度为20 m，当导水裂隙发育至风化层底部时，风化裂隙与其共同作用将基岩承压水全段沟通。故本报告以2-2煤层上覆基岩厚度110m为基准，低于110m范围为导水裂隙带发育范围，即在该范围内基岩水将全部被裂隙导通。所以在此应特别指出的是尚家沟一带，2-2煤上覆基岩富水性强于区内其它地段，根据Y15号孔流量测井曲线及抽水资料综合分析，其主要含水层为基岩顶部岩石强风化段，且补给充足。煤层开采顶板岩层垮落形成的导水裂隙将会导通该含水层，使间接充水含水层转化为直接充水含水层，提请矿建设计部门及矿井水文地质工作者注意，在井下排水设备选型时予以重视，并在将来矿井生产中对此地段的矿井涌水量的动态变化重点监测。除此以外的大部地段岩层富水性弱极弱，将不会对采矿造成危害，需要说明的是此结论是在目前勘探程度上得出的，除首采区外，其它地区还缺少钻孔的控制。建议在未来的工作中，应对尚家沟地段Y15号孔附近风化岩承压含水层的水文地质特征做进一步探明。对于上覆萨拉乌苏组潜水，榆神府矿区保水采煤研究成果2，针对矿区第四系萨拉乌苏组含水层下存在有较厚粘土隔水层，且考虑到导水裂隙带进入强风化带和粘土层。采用有限元法建立对应的模拟几何模型，使用该模型试验计算得出：基岩顶部有巨厚粘土层时（粘土层厚度大于18m），达到保水采煤的目的则保水煤柱要求最小尺寸为Hbsh，即导水裂隙带最大高度。该种状况时，煤层上覆岩层实际保水煤柱尺寸为Hbsh实=基岩厚度+粘土层厚度，当Hbsh实Hbsh时则属于安全保水采煤区，即松散层潜水不会因采煤而漏失。报告着重强调了粘土层的隔水作用。对榆树湾井田而言：Hbsh=91.60m，分析本区2-2煤上覆岩层特征，在基岩最薄区和土层最薄区所计算得Hbsh实均大于Hbsh。因此，本井田全区均处于安全保水采煤区2。需要说明该结果是在较细致的理论研究基础上得出，截止目前还没有例证说明，因而，应在矿井生产中对涌水量进行重点监测，取得实测数据，并对其进行系统的分析，总结规律以指导以后生产。据预测7，榆树湾煤矿主斜井涌水量为1583.9m3/d。用“大井法”计算，首采区开采2-2煤层时的矿井涌水量为8875m3/d。用“积水廊道法”计算，首采区开采2-2煤层时的矿井涌水量为9040m3/d。因此，矿井具有较丰富的矿井水资源。3 矿井水利用矿井水主要来源于地下水，研究区地下水水质较好，未受到污染：区内地下水化学特征主要受古地理环境及补给、径流、排泄条件的控制。本区浅层潜水一般为无色、无味、无嗅、透明度好的中性淡水，矿化度一般小于300mg/L，水质良好。而基岩承压水因富水性差，水化学类型复杂，多为淡水微咸水，水质相对较差，并且在垂向上表现出随深度增加，地层沉积时代变老，地下水运动变慢、交替不畅，水化学类型由简单到复杂，由重碳酸盐逐渐向硫酸盐和氯化盐转化，矿化度也逐渐升高的规律（表1）。表1 地下水化学特征表采样位置含水层时代总硬度(mg/L)矿化度(mg/L)水化学类型PH值尚家沟泉10Q3s65.33214.22HCO3-Ca7.5榆树湾井36Q3s82.72274.00HCO3-Ca7.8西清水沟掌37Q3s68.98221.20HCO3-CaMg7.7田家沟水井12Q3s75.99362.65HCO3-CaNa7.8Y10钻孔Q3s61.69224.16HCO3-Ca7.7Y15钻孔Q3s65.05262.07HCO3-CaNa8.1磨家庄井53Q2L115.80370.0HCO3-CaMg7.7大海则湾井94Q2L77.11235.0HCO3-Ca7.6田家沟长观井N276.55252.01HCO3-CaNa7.6西窑则井23N288.89282.99HCO3-Ca7.6Y10钻孔(J2z-2-2)J2z-J2y69.26345.52HCO3-NaCaMg8.4Y15钻孔(J2z-2-2)J2z-J2y73.46281.86HCO3-CaMgNa7.7D9钻孔4-3、5-3J2y46.981368.00ClHCO3SO4-Na8.5矿井水可通过简单的渗滤净化：榆神矿区的黑龙沟煤矿和神北矿区的活鸡兔矿矿井水质分析结果表明，矿井水的主要超标项是浊度、悬浮物、油类、BOD5、CODcr、砷和硫化物5，6。而且PH值、矿化度、硫酸根和氯化物等指标与地下水水质分析相应指标略有升高，但不超标，这一点基本上反映了由地下水转化为矿井水的过程中，因受井下污染而引起的水质变化情况，总体上呈现出悬浮物升高和有机物污染的特点。基于以上的分析，可以认为进行矿井水处理的主要目标是去除浊度、悬浮物等六项超标污染成分，使矿井水转化为可利用水资源。按目前的技术条件，这些超标项目的污染物均比较容易通过过滤或吸附过程得到较好处理，这对利用吸附力较强的风积沙为过滤原材料，通过自然净化方法，对矿井水资源化无疑具有十分有利的条件。对矿井水研究结果表明5-9，利用风积沙对矿井水进行吸附过滤自然净化，超标项目最低去除率为23%，最高可达100%，平均去除率为58.98%和37.15%。只要有足够的渗透路径，使矿井水水质达到净化要求是完全可能的5。对于矿井水可进行一级沉淀处理，然后用于农田灌溉或将其排放于距生活区一定距离的下游地带，使矿井水经过风积沙层的吸附过滤，自然进入地下水体，补给地下水，实现矿井水资源化利用6，8。参考文献：1王双明，范立民，杨宏科.陕北煤炭资源可持续发展之开发思路J.中国煤田地质，2003，15（5）：68，11.2范立民.论保水采煤问题J.煤田地质与勘探，2005，33（5）：50-53.3蒋泽泉.榆神矿区烧变岩及地下水资源特征J .陕西煤炭，2005，24（4）：20-21.4蒋泽泉.浅埋煤层开采的矿井突水与治理J .陕西煤炭，2006，25（3）：35-36.5范立