1、专题部分专题部分 浅埋矿井水害防治实例分析及保水采煤摘要：文章首先分析神东矿区内水文地质结构类型，并列举了矿区内若干个矿井的突水事故及原因，举例分析了锦界煤矿、补连塔煤矿、活鸡兔煤矿的防治水措施及效果，最后提出保水采煤的两个常用措施留设保水煤柱和房柱式开采，其中留设保水煤柱以柠条塔、红柳林、张家峁煤矿三处大型现代化煤矿为例，房柱式保水开采六道沟煤矿为例，并分别进行了分析总结。关键词:浅埋矿井疏干防水保水采煤0概况神东煤田是我国已探明储量最大的煤田。神东被列为我国煤炭工业发展“十一五”规划13个大型煤炭基地之一，神东矿区集中了我国目前生产能力超过千万吨的大柳塔、哈拉沟、榆家梁、补连塔等矿井。神东
2、煤田南部精煤区东以5-2煤层露头及东会川为界，西到补连区和布尔台区勘探边界，南到陕蒙边界，北至铜匠川，煤层埋藏浅、赋存稳定、煤质优良、开采条件优越，为神东煤田先期重点开发区。自1990年神东矿区瓷窑湾矿一采区皮带巷2-2煤掘进工作面发生顶板冒落、溃沙，1993年大柳塔矿1-1煤1203工作面（神东矿区第一个综采工作面）发生顶板切落式垮落、突水以来，“浅埋深、薄基岩、厚松散层”井田的松散砂层突水和溃砂被认为是神东矿区最主要水害威胁。补连区和布尔台区勘探边界以北地区，中侏罗和下白奎统保存较为完整，地质和水文地质条件已经发生变化，煤层为中一深埋区，延安组上部1-1、2-2等煤层已经位于侵蚀基准面以下
3、。2005年以来，随着布尔台等井田的投产，神东矿区进人西北部非浅埋开发阶段。补连塔矿西北部以下白平统剥蚀地貌为主，基岩厚度达120190m。2007年6月补连塔矿31401工作面发生最大突水量为200m3/h顶板突水。神东煤炭集团公司的布尔台、寸草塔等新建、改扩及筹建中矿井（新街）位于乌兰木伦河中游西岸，井田内下白奎统志丹群和中侏罗统直罗组地层发育。目前，矿区西北部下白里统志丹群和中侏罗统直罗组发育及其引起的水文地质条件变化还未引起足够重视，矿区内地下水系统补径排规律还未彻底查清，直罗组及志丹群对矿井水害防治和保水开采的意义待深人研究。20世纪末，历时8年的中国地质调查局国土资源大地调查首批重
4、大项目“鄂尔多斯盆地地下水勘查”等研究成果表明鄂尔多斯盆地为既是巨大的侏罗系聚煤盆地又是白垩系“半开启型自流水蓄水盆地”，鄂尔多斯盆地下白垄统（也称志丹群）自下而上可分为洛河组、环河组、罗汉洞组等含水层段，下白垄统构成鄂尔多斯盆地最重要的含水盆地，白垄系裂隙孔隙水资源量达70108m3/a，可采资源量达42.4108m3/a，占整个鄂尔多斯盆地地下水可采资源量的70%。下白垄统裂隙孔隙水是西北能源基地重要的生活和工业水源。神东矿区恰处于下白些统裂隙孔隙水赋存区的东北边缘。1矿区水文地质结构类型划分1详细分析神东矿区地质及水文地质资料后可以看出：1）神东矿区位于鄂尔多斯侏罗纪聚煤盆和下白奎统蓄水
5、盆地东北边缘，横跨盆地东北部下侏罗统延安组（J1-2y）、中侏罗统直罗组（J2z）和下白翌统志丹群洛河组（K1l）浅部露头区，黄河二级支流乌兰木伦河中游（神东矿区段）实质沿白要系与侏罗系边界发育；2）以乌兰木伦河为界，神东矿区跨跃了鄂尔多斯盆地北部第四系孔隙水系统和中西部白垩系裂隙孔隙水系统分布区（见图1-1）。根据煤层埋藏特点及煤层与含水层组合特征，神东矿区矿井水文地质条件可以概化为两种基本类型：一类是浅埋的下侏罗统延安组煤层及顶部弱含水层直接上覆厚层中一强富水的第四系松散孔隙含水层，主要分布于先期重点开发的大柳塔等矿区南部井田；另一类是中至深埋的下侏罗统延安组煤层和直罗组（J2z）（局部发
6、育安定组）上覆厚层中一强富水的白坐系含水层，该类型覆盖矿区西部和北部。1.1薄基岩上班厚层第四系孔隙水系统图1-1神东矿区地下水系统分布图该类型分布于乌兰木伦河（中游）东岸，主要含水层属于鄂尔多斯盆地北部第四系孔隙水系统。地貌呈现第四系风积砂和少量黄土堆积作用的鄂尔多斯高原地貌特征；地形东高西低，标高为十11561300m；多年平均年降雨量为413.5mm，多年平均年蒸发量为2111.2mm，属于典型的半干旱区；最低侵蚀基准面标高为+1156m，乌兰木伦河次级支流公捏尔盖沟、哈拉沟、母花沟等沟谷水由东向西汇人乌兰木伦河。第四系地层主要由全新统和上更新统萨拉乌苏组组成，平均厚度为1550m。其中
7、，全新统（Q4）地层由灰黄色、棕黄色风积砂（Qeol4）、黄土（Q4）和冲洪积砂砾石（Q4al+pl）等组成；风积砂含水层平均厚度约3m，地下水位埋深。05m，渗透系数0.0609m/d，单位涌水量0.0188（Ls-1m-1），地下水化学类型为HC03-CaMg型，为弱富水含水层。上更新统萨拉乌苏组（Q3s）以河湖相沉积为主，上部为黄褐色粉细砂夹淤泥质透镜体，下部为中、粗砂，底部为砂砾石层；水平层理和斜交层理发育；主要分布于古冲沟、古洼地；含水层厚度1030m，水位埋深约39m，渗透系数0.8817.5m/d，单位涌水量0.12.11（Ls-1m-1），水质为HC03-Ca型或HC03-Ca
8、Mg型；中强富水；萨拉乌苏组既是鄂尔多斯盆地北部第四系孔隙水系统的主要含水层（乌兰木伦河东岸萨拉乌苏组水源地有考考赖沟水源地、公捏尔盖沟水源地、哈拉沟水源地等），又是薄基岩区大柳塔等矿主要突水和溃砂含水层。中下侏罗统地层主要由残存的中侏罗统直罗组（J2z）和下侏罗统延安组（J1-2y）组成。中侏罗统直罗组（J2z）为河湖相沉积，岩性以灰绿色泥质砂岩为主，为延安组煤层顶部主要隔水层。直罗组（J2z）在乌兰木伦河东岸残存不全（平均仅厚度38.4m），往往使第四系风积砂、黄土或冲洪积砂砾石层直接上覆于延安组煤层之上，形成延安组上部煤层典型的浅埋深、薄基岩、厚松散盖层赋存特点。下侏罗统延安组（J1-2
9、y）为一套河流一湖泊相为主的含煤地层，主要由灰色至灰白色粉砂岩、泥质岩、油页岩及煤层等组成，不整合于三叠系之上，平均厚度为193.8m；主要含水层为1-1煤，2-2煤，4-1煤，5-1煤与6煤顶板及煤层之间的中、细砂岩裂隙弱含水层，尤其以2号煤组和1号煤组顶部分河道相砂岩，粒度粗、砂体大，富水性较好；含水层渗透系数0.0007830.0579m/d，单位涌水量0.0003080.0128（Ls-1m-1），弱富水，水质类型HC03-CaIK+Na。延安组裂隙承压含水层为矿井主要直接充水含水层，不具有供水意义。由于直罗组（J2z）与延安组（J1-2y）为冲刷接触，延安组（J1-2y）上部地层不同
10、程度变薄、缺失，加上直罗组（J2z）本身也遭受剥蚀而残缺，因此，乌兰木伦河以东薄基岩区煤层与第四系含水层间距仅为20m左右。1.2厚基岩上部包含厚层白呈系孔隙裂隙水系统该类型分布于乌兰木伦河（中游）西岸，含水层属于白垩系孔隙裂隙水系统。区内地形西高东低，平均标高为11561450m，以白垩系剥蚀地貌为主，冲沟内白至系基岩裸露。乌兰木伦河西岸次级支流有补连沟、呼和乌素沟、湾兔沟等，沟谷水由西向东汇人乌兰木伦河。与乌兰木伦河东岸井田不同，西岸井田地层的最大特点在于：1）第四系零星分布；2）下白垄统志丹群洛河组（k1l）发育；3）直罗组（J2z）保存较完蟹系等因素，矿区内洛河组含水层一直被忽视甚至整
11、。矿区西部井田地质和水文地质条件类型已经明显改变。白奎统志丹群洛河组（k1l）分布于“准格尔安召乡一乌兰木伦河（中游）一补连塔矿西北边缘”一线以北，为一套冲积扇和河流相棕色紫红色砾层岩、含砾砂岩、粗砂岩等组成的粗碎屑沉积，分选差，磨圆度中等，砾粒以花岗岩、花岗片麻岩、石英岩为主，泥质胶结，结构疏松，最大孔隙度可达延安20%30%，平均厚度约84.81m.洛河组（k1l）含水层平均渗透系数0.451.3m/d，单位涌水量0.151.16（Ls-1m-1），中一强富水，与零星分布的全新统风积砂层和上更新统萨拉乌苏组冲湖积砂层构统一潜水含水层，矿区西部阿腾席热一新街富水区为拟建白垩系水源地，乌兰木伦
12、河及支流为白蛋系集中排泄边界.由于沿乌兰木伦河西岸洛河组（k1l）底板局部高于排泄基准面及矿区东部缺失白垩系等因素，矿区内洛河组含水层一直被忽视甚至被简单、错误地视作与直罗组一样的隔水层。直罗组（J2z）与延安组冲刷接触，假整合于延安组之上，为一套河流一湖泊相碎屑岩沉积，岩性为黄绿色至灰绿色砂质泥岩与粉砂岩、细砂岩层，泥岩与砂岩厚度比大于60%80%，平均厚度110m；较完整发育的直罗组使安组上部可采煤层与白垄含水层之间的距离达130m，直罗组成为岩为延安组顶部煤层重要的隔水层和白垄系保水开采屏障。直罗组底部“直罗组砂岩”也称“七里镇砂岩”为裂隙弱承压含水层，岩性为灰白色、浅灰色中粗厚约10m
13、，渗透系数0.002550.0668m/d，单位涌水量0.0004370.0399（Ls-1m-1）地下水化学类型C1HC03-K+Na，为延安组上部煤层直接充水含水层。总之，神东矿区东、西部两类水文地质结构地（k1l）底板局部高于排泄基准面及矿区东部缺失白层对比如表1-1所示。表1-1神东矿区东、西部井田地层对比分析表神东矿区松散层白垩系志丹群中侏罗统直落组分区井田厚度/m.平均/m厚度/m平均/m厚度/m平均/m东部大柳塔矿33.229.9缺失18.338.4哈拉沟矿29.834.2石圪台矿14.723.5西部布尔台矿13.1零星分布101.084.81136.4120.4寸草一矿11.4
14、61.671.5寸草二矿16.238.0138.91.3水文地质结构类型岩相古地理成因在深人分析矿区地层和水文地质条件实际资料的基础上，借鉴前人已有成果，矿区上述两类水文地质结构类型的岩相古地理成因解释如下：在印支期，以西伯利亚地台与华北一塔里木地台陆一陆相碰，中亚一蒙古海槽自西向东封闭，鄂尔多斯盆地北部隆起为背景，扬子地台与华北地台拚接，秦岭海槽自东向西闭合，鄂尔多斯盆地形成南北高，中间低，西高东低的大型内陆湖盆。在燕山期之初，鄂尔多斯盆地整体稳定下沉，围绕深水湖区形成下侏罗期聚煤沉积，神东矿区位于盆地北部冲积相与三角洲相聚煤区。在下侏罗世末，盆地整体抬升（燕山期第一幕），延安组与直罗组之间
15、冲刷接触；盆地北部的神东矿区抬升幅度较盆地南部小，直罗组和延安组上部煤层保存较为完整。至中侏罗世末，盆地经过直罗期短暂稳定、沉积之后，再次大范围抬升（燕山期第二幕），东部抬升幅度大，盆地向西萎缩，使神东矿区缺失上侏罗统沉积，形成直罗组与下白至统之间不整合。至下白翌世早期，盆地继续整体抬升（燕山第三幕），吕梁山、大青山、贺兰山、北秦岭等隆起，盆地东部边界已经向西退缩至神东矿区，在盆地稳定下降阶段，神东矿区沉积了冲积扇相和河流相洛河组。自洛河期未至古新世，神东矿区一直处于隆升、遭受剥蚀阶段（燕山期第四幕一第五幕），神东矿区洛河组以上至上新统（N2）之间地层缺失，同时神东矿区东部和南部延安组、直罗组遭受剥蚀变薄、缺失。在喜山期（始新世末），太平洋板块的NW方向俯冲和特提期洋壳的NE向挤压，使盆地受到NW-SE向拉伸应力，盆地周缘形成渭河、运城、河套、银川等盆地，盆地周边下沉，接受现代沉积，神东矿区内上新统（N2）零星分布。自更新世以来，盆地呈现总体抬升与局部差异升降并存的现代构造运动格局，鄂尔多斯盆地形成内部地形高、外围地形低的地貌特征，乌兰木伦河形成，控制了两岸第四系沉积特征；晚更新世，研究区下沉接受沉积，乌兰木伦河（中游）以东地势低，在遭受剥蚀的延安和直罗组地层直接沉积了更新世黄土、冲洪积砂（萨拉乌苏组）和全新世冲洪积砂、风积砂，形成薄基岩区；乌兰木伦河（中游）以西地势较高
