榆神矿区首采煤层及上覆岩层工程地质特征

周阳， 邓念东， 张卉， 金光， 袁喜东， 高海峰， 杨佩

(1.陕西省地质调查中心，西安 710068； 2.西安科技大学地质与环境学院，西安 710054; 3.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，西安 710054；4.陕西秦洲核与辐射安全技术有限公司，西安 710054)

0 引言

中国的能耗结构以化石燃料为主[1-3]，榆神矿区是国家确定重点建设的14个大型煤炭基地之一——中陕北基地的重要组成部分。区内煤炭资源丰富，煤质优等，但生态环境脆弱[4-6]。近年来，榆林地区煤炭开发与环境保护的矛盾日益突出。针对该矿区地质资料零散，不完整、不系统等情况，本文在系统总结榆神矿区首采煤层及其上覆岩层工程地质特征，充分研究区域水环境的基础上，对首采煤层上覆岩层进行了分类分组，可为切实转变陕西煤炭发展方式，做好水资源保护，支撑榆神四期矿区规划，以及指导一期、二期、三期煤炭开发提供参考。

1 矿区概况

1.1 交通位置

榆神矿区位于陕西省榆林市北部，属榆林市榆阳区和神木县管辖。该区域交通发达，G65包(头)茂(名)高速公路、G210国道、西(安)包(头)铁路、榆神矿区铁路专用线及榆林榆阳机场等交通运输体系并存。

1.2 矿区范围及规划分区

榆神矿区西北部以陕蒙边界为界，西南部以榆横矿区北边界为界，东北部以神府矿区西边界为界。矿区地理坐标为109°08′24″～110°27′59″E，38°19′33″～39°11′23″N。矿区东西最宽约97 km，南北最长约95 km，面积约5 160 km2。榆神矿区分为4期规划区(图1)。

一期规划区： 东、南界为2-2煤层火烧边界； 西界为榆溪河； 北界为大保当先期开发区详查边界。面积约873 km2。

二期规划区： 北界为麻家塔沟； 西界为2-2煤层火烧边界，与一期规划区相接； 东、南界为5-3煤层露头线。面积约1 098 km2。

三期规划区： 东界为二期规划区西边界； 西界为包茂高速； 北界为尔林兔普查区南边界； 南界为一期规划区北边界。面积约864 km2。

四期规划区： 南界为榆横矿区北边界； 东部以榆神矿区二期规划区、神府矿区西边界为界； 西北部至陕蒙边界。面积约2 325 km2。

图1 榆神矿区地貌分区图[7]

1.3 气象水文

榆神矿区地处中纬度地区，属温带干旱-半干旱大陆性季风气候。冬季寒冷，降水稀少，夏季降水增多，易发暴雨和冰雹。年均降水量316～513 mm，集中在7—9月，降水量由南东向北西递减，蒸发量由南东向北西递增。

矿区地表水系自东向西分属黄河一级支流的窟野河、秃尾河流域和黄河二级支流的榆溪河流域。窟野河、榆溪河的主河道虽未穿过矿区，但主要支流分布于矿区内。矿区内湖泊和水库较多。

1.4 地形地貌

榆神矿区位于鄂尔多斯高原东南部，毛乌素沙漠东南缘与陕北黄土高原北部接壤带。区内地势西北高、东南低，最高海拔在矿区北部的雷家梁，标高1 385 m，最低海拔在矿区东部秃尾河的河谷地带，标高950 m，最大相对高差435 m。

按地形地貌的形态成因，将榆神矿区划分为风沙滩地区、黄土梁峁区和河谷阶地区三大地貌类型(图1)[8]。

黄土梁峁区分布于榆神矿区东缘，占矿区总面积的1/6，梁、峁相间分布，树枝状冲沟发育，源头及上游段多呈“V”型，下游段及主干河谷呈“U”型； 风沙滩地区分布于矿区中、西部，约占矿区总面积的5/6，由沙丘沙地、半封闭或封闭的相对低洼滩地断续间布而成； 河谷阶地区分布于秃尾河、榆溪河及其支流。

2 区域地质特征

2.1 构造

榆神矿区总体为NE走向、倾向NWW、倾角1°的单斜构造，属鄂尔多斯盆地构造相对稳定区[9-10]。据矿区内各煤矿开发利用资料[9]，区内断层发育，断距普遍<20 m。例如，隆德煤矿巷道掘进中，揭露小型正断层28条，断距0.5～3.4 m； 榆树湾煤矿巷道掘进中，揭露小型正断层8条，断距5～10 m。

2.2 地层

区内地表多为第四系、新近系覆盖，基岩在沟谷中零星出露。主要地层(表1)由老到新为： 三叠系上统永坪组(T3y)中细粒长石石英砂岩； 侏罗系下统富县组(J1f)粗粒长石石英砂岩、含砾粗粒砂岩，中统延安组(J2y)中细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩及钙质砂岩，中统直罗组(J2z)泥岩与细中粒砂岩互层，中统安定组(J2a)泥岩与粗粒长石砂岩互层； 白垩系下统洛河组(K1l)中粗粒长石砂岩； 新近系(N)黏土及亚黏土； 第四系(Q)黄土和现代风积沙[7，11]。

表1 榆神矿区主要地层概况

(续表)

2.3 煤层

侏罗系中统延安组(J2y)是榆神矿区内唯一的含煤地层，赋存煤层达20余层(含煤线)，具有对比意义的煤层共15层，自上而下编号为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。其中主要可采煤层共5层，编号分别为 1-2、2-2、3-1、4-2、5-2。

3 首采煤层及其上覆岩层

3.1 首采煤层分布及厚度

1-2煤层分布在四期规划区东北部，厚度由东向西逐渐增厚； 三期规划区西北部； 四期规划区中部及西南部，煤层由东北向西南逐渐增厚。

2-2煤层除二期规划区外，全区可见。一期规划区，煤层由西向东逐渐增厚； 三期规划区东部，煤层由东北部、西南部向中东部逐渐增厚； 四期规划区东北部和中部，煤层由东南向西北逐渐增厚。

3-1煤层见于二期规划区西北部，三、四期规划区东北部。煤层东部厚，西部薄，分布区边界以东煤层不可采或被剥蚀。

4-2煤层见于二期规划区中部，煤层由南向北逐渐增厚，分布区边界以东煤层不可采或被剥蚀。

5-2煤层见于二期规划区中部和东部，煤层由东北部向中部逐渐增厚，分布区边界以东煤层不可采或被剥蚀。

矿区除5-2煤层为薄—中厚煤层，其余均为中厚—厚煤层。5层煤层均为稳定型煤层，煤类以长焰煤41号(CY41)和不粘煤31号(BN31)为主，灰分、硫分变化中等，不含或含1～2层夹矸，结构较简单。

3.2 首采煤层埋深及底板标高

矿区煤层埋深总体特征为东浅西深，沿中鸡镇—尔林兔镇—大保当镇一线，煤层埋深自东向西逐渐增大； 沿金鸡滩镇—孟家湾一线，煤层埋深呈向北西逐渐增大的趋势； 在大保当镇—金鸡滩镇，煤层埋深局部增大(图2)。煤层底板标高呈东高西低，变化梯度较小(图3)。

图2 首采煤层埋深等值线图

图3 首采煤层底板等高线图

3.3 上覆岩层厚度及顶面形态

首采1-2煤层上覆岩层厚度为165.05～650.55 m，多为373.58 m，由东向西逐渐变厚，岩性以厚层粉砂岩、砂质泥岩、细粒砂岩、中粒砂岩和粗粒砂岩为主； 首采2-2煤层上覆岩层厚度为16.28～531.54 m，多为218.63 m，由东向西逐渐变厚，岩性以厚层粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩为主； 首采3-1煤层上覆岩层厚度为2.98～257.86 m，多为90.79 m，由东南向西北逐渐变厚，岩性以厚层粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩为主； 首采4-2煤层上覆岩层厚度为3.59～87.85 m，多为36.07 m，由东向西逐渐变厚，岩性以厚层粉砂岩、细粒砂岩为主； 首采5-2煤层上覆岩层厚度为12.55～103.80 m，多为59.09 m，由东南向西北逐渐变厚，岩性以厚层粉砂岩、细粒砂岩为主(图4)。

图4 首采煤层上覆岩层等厚线图

上覆岩层节理、裂隙均不甚发育，顶面形态为一古剥蚀面，控制了萨拉乌苏组(Q3s)的沉积厚度，形成了岩层厚度变薄区与富水区重叠的地质特征。

3.4 上覆岩层工程地质特征

根据榆神矿区岩石成因、工程地质特征及物理力学性质，将矿区岩(土)体划分为4个类型和7个岩组。

3.4.1 松散岩类

松散岩类为散体结构，岩层组分为沙层组和土层组。沙层组为含水层，土层组为相对隔水层。

(1)沙层组。松散沙层在矿区广泛分布，厚度为0～162.00 m，多为34.29 m左右，主要为第四系风积、湖积、冲洪积沙层，局部为砾石层，矿物以石英和长石为主，黏土矿物含量较低，粒径以粉、细粒沙为主，属级配不良的均粒沙。颗粒密度、含水率、容重、饱和度等随粒度增大而减小，渗透系数随粒度增大而升高。

(2)土层组。第四系中更新统离石组(Q2l)黄土及新近系保德组(N2b)红土在区内广泛分布，局部在梁峁及沟谷出露。黄土厚度为0～145.56 m，多为23.35 m左右，黄土以粉土为主，密实度以密实为主，湿度呈湿—稍湿，土质疏松，垂直节理较发育，透水性较好，黄土不具湿陷性。红土厚度为0～139.5 m，多为36.22 m左右，空间分布断续，在矿区东部及北部黄土梁峁区出露。红土以黏土为主，多为硬塑—可塑状态，不具湿陷性，颗粒细小致密，隔水性较强。该岩组具有一定的抗压强度和抗剪强度。

矿区北部考考乌素沟及矿区东部窟野河、秃尾河沟谷地带的黄土和红土较干燥，受水力及风力作用侵蚀，沟谷切割较深，土梁坡度较大，降水后地表径流强度较大，易产生不良地质现象。土的物理学性质与其矿物粒度及成分密切相关，红土呈致密半固结态，较坚硬，工程地质性质优于黄土。

3.4.2 软岩类

软岩类岩层组主要分为风化岩组、煤岩组和烧变岩组。

(1)风化岩组。岩层顶部风化带全区可见，剥蚀残留厚度一般20 m左右，岩层顶面厚度较大，岩体不连续，呈散体-碎裂结构，结构面粗糙，岩块大小及形状不一，发育隐形微裂隙，地下水对其稳定性有一定的破坏作用。地层为洛河组、安定组、直罗组及延安组上部。

风化岩层由上到下风化程度逐渐减弱，强风化带岩石结构基本被破坏，岩石破碎，裂隙率及孔隙率较大，含水率较高，黏土矿物含量逐渐增加，在岩体的结构面富集黏土矿物形成软弱泥化夹层，对岩体强度具有控制作用。以往采样测试结果表明，风化岩层中高岭石占35%，蒙脱石占5%，遇水易膨胀，多数岩石遇水后短时间内全部崩解或沿裂隙离析。

岩层遭受长期风化后，性质明显改变，含水率增加，干容重减小，孔隙率增大，耐崩解能力减弱。风化作用往往破坏岩体结构面，使岩体组织结构发生变化，力学强度降低，破坏岩体完整性。与原岩相比，风化岩力学强度低。不同岩石抗压强度不同，抗压强度降低幅度也不同，泥岩抗压强度损失率最大，砂岩抗压强度降低幅度比粉砂岩、砂质泥岩大。

(2)煤岩组。矿区煤层属层状软岩类，岩体呈层状结构，具脆性，无韧性，易软化，易冲击破碎。主要可采煤层平均饱和抗压强度为14.80 MPa。

(3)烧变岩组。该岩组是煤层自燃后，上覆岩层受高温烧烤和低温烘烤后收缩垮塌破碎形成的岩石组合，呈条带状分布于矿区东部沟谷两侧，厚度为30～50 m。自上而下，一个完整的烧变岩剖面由3类典型的烧变岩石组成： 烘烤岩、烧变岩及烧熔岩(类熔岩)。岩石烧变自燃所形成的裂隙杂乱无章，空洞发育，易形成崩塌落石。单块烧变岩较硬，表面较光滑，水理性较好，不易泥化，块体形态复杂多样。该岩组稳定性及岩体完整性较差，属碎裂结构。

3.4.3 较软岩类

粉砂岩与泥岩互层岩组主要指矿区内延安组中的泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，多以互层状产出，泥质胶结，局部钙质胶结，黏土矿物和有机质含量较高。该岩组多见于煤层直接顶和底板，是煤系地层的主要岩组，层状结构多具水平层理、缓波状层理及小型斜层理，有时节理、裂隙较发育，岩石质量中等，岩体中等完整。岩石遇水易泥化、崩解、碎裂，泥岩类岩石黏土矿物含量高，亲水性强，水稳定性较差。岩石采动后易冒落，但冒裂带发育高度较小，裂隙导水性也较差。

3.4.4 较坚硬岩类

砂岩组以中、细粒砂岩为主，次为粗粒砂岩，岩性以石英、长石为主，含云母及暗色矿物，一般泥质胶结，局部钙质胶结，多为煤层老顶或老底。原生结构面一般有块状层理、槽状层理及大型板状交错层理，单层厚度大，构造结构面不发育。砂岩类岩性多硬脆，在外力作用下易碎裂、崩塌或垮落，隔水性能骤减或丧失，冒裂带发育较高，裂隙导水性好。岩石质量中等—好，岩体中等—较完整，岩组稳定性较好，呈块状结构。

4 首采煤层顶、底板

4.1 首采煤层顶、底板类型特征

煤层直接顶多为细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及其互层，多属较坚硬岩类。砂岩类力学强度大于粉砂岩及泥岩类，粉砂岩强度大于泥岩，泥岩长时间暴露于空气中，多沿层理方向离析呈薄片状，易崩解。粉砂岩弹性模量高于泥岩，上部1-2、2-2煤层顶板弹性模量较下部3-1、4-2、5-2煤层低，说明下部煤层抗压缩变形能力较上部煤层强。煤层基本顶多以细粒砂岩、中粒砂岩和厚层粉砂岩为主，局部为粗粒砂岩，多属较坚硬岩类。

首采1-2、4-2和5-2煤层直接顶与基本顶分布面积相当，伪顶零星分布。首采2-2煤层直接顶与基本顶分布面积相当，伪顶分布相对较为广泛。首采3-1煤层直接顶分布广，厚度大，介于2～6 m间，伪顶零星分布。

煤层底板多以粉砂岩、砂质泥岩和细粒砂岩为主，多属较坚硬岩类。矿区各煤层底板多以直接底为主，基本底次之。

4.2 首采煤层顶、底板稳定性

煤层顶板多属中等—难冒落型顶板，局部地段如泥岩厚度较大或互层频繁的直接顶，有伪顶存在，埋藏浅，受地表水及风化作用影响较大，属易冒落型顶板。

煤层底板以粉砂岩为主，另有泥岩和细粒砂岩。粉砂岩及细粒砂岩底板强度较大，属稳定型底板； 泥岩底板强度小，稳定性差，局部地段底板出现轻微底鼓现象。

5 结论

(1)通过分析榆神矿区首采煤层(1-2、2-2、3-1、4-2、5-2)及其上覆岩层分布、厚度、埋深等特征,将榆神矿区岩层划分为4个类型和7个岩组： 松散岩类(沙层组、土层组)、软岩类(风化岩组、煤岩组、烧变岩组)、较软岩类(粉砂岩与泥岩互层岩组)、较坚硬岩类(砂岩组)，总结了各岩组的分布、厚度和物理力学特征。

(2)根据首采煤层顶、底板特征，对其稳定性进行了评价。矿区煤层顶板多为中等—难冒落型顶板，局部地段属易冒落型顶板； 粉砂岩及细粒砂岩底板属稳定型底板，泥岩底板稳定性差。

本研究成果为支撑矿区规划、环境评估及指导矿区煤炭开发提供了基础依据，对切实转变陕西煤炭发展方式、促进生态环境友好型社会的发展具有积极意义。但本次工作涉及区域面积大，影响因素多，所参考资料因勘查程度、目的任务、主观认识的差异而导致质量参差不齐，建议进一步开展矿区工程地质和水文地质研究，为榆神矿区实现科学开采、绿色开采提供技术支撑。