榆神府矿区含水层富水特征及保水采煤途径

侯恩科，车晓阳，冯 洁,2，段中会，高利军，李 军

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054; 2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 现代煤炭开采技术研究所，陕西 西安 710065; 3.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021; 4.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300;5.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 榆林 719316)

榆神府矿区生态环境脆弱，水资源匮乏，近年来由于煤炭资源的大规模开采，区域内的水资源环境问题愈发突出。针对榆神府矿区的水环境问题，范立民等于1992年提出了“保水采煤”的研究思路[1]，并于1995年首次采用“保水采煤”一词[2]。钱鸣高、缪协兴等[3-5]针对我国目前矿井生产中普遍存在的问题，建立了完善的绿色开采概念和技术体系，并将“保水采煤”作为主要的研究内容之一。“保水采煤”科学问题包含“保水”与“采煤”两大主要内容，其核心思想是通过赋存条件探查与采煤方法探究，达到水资源保护利用与煤炭资源开采协调发展的目的。水文地质条件分区和煤层赋存分区是保水采煤的关键[6]，而煤炭资源开采等因素正是榆神府矿区水体湿地面积变小的主要原因[7]。针对榆神府矿区的煤层赋存地质特征，李文平、叶贵钧等[8-9]对地质环境质量现状与采后变化进行了预测，提出了保水采煤分区以及保水采煤的工程技术措施。王双明等[10]研究了煤水赋存空间组合关系和保水开采条件分区，建立了保水采煤技术体系。在采煤技术方面，逐渐形成了“充填式”开采[11]、“采充并行式”开采[12]、“窄条带式”开采及“分层限高”开采等多种保水开采的技术方法，这些方法的提出对于进一步完善保水采煤技术体系，具有十分重要的作用。武强[13]、白海波[14]等总结了保水采煤与矿井水资源利用现状，指出了我国保水采煤面临的新问题及保水采煤研究趋势及将来的重点研究方向。

近年来，煤炭资源绿色开采受到政府与社会越来越多的关注，在我国广大的西部矿区，由于水资源短缺等问题，煤炭绿色开采首先要解决的便是如何有效地保护当地水资源，煤炭科技工作者在这方面也做了大量的工作[15]，但以往的工作重点多在于如何实现“保水”，而对于煤矿生产过程中的矿井水综合利用类型以及基于保水采煤途径的分类分区涉及较少，本文拟以榆神府矿区为例，在研究区内水文地质条件的基础上，对单个矿井的水资源保护与利用方式方法进行讨论。

1 研究区概况

榆神府矿区位于鄂尔多斯盆地北部的伊陕斜坡之上，毛乌素沙漠与黄土沟壑区的接壤地带，是国家重点建设的陕北大型煤炭基地的重要组成部分，包括榆神和神府(神府矿区包括神北和新民矿区)两大矿区(图1)，矿区面积8 369.1 km2，区内构造简单，地层平缓，为一向西倾斜的单斜构造。研究区年降雨量小于500 mm，属于干旱半干旱气候区，荒漠-半荒漠生态系统。区内主要水体包括有窟野河、秃尾河、榆溪河及红碱淖等。

图1 研究区基本情况Fig.1 Distribution of the study area

区内揭露地层由老至新依次为三叠系上统永坪组(T3y)、侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)、下白垩统洛河组(K1l)、新近系保德组(N2b)和第四系的三门组(Q1s)、离石组(Q2l)、萨拉乌苏组(Q3s)、马兰组(Q3m)及地表风积沙(Q4eol)(图2)。其中萨拉乌苏组以及侏罗系煤层上覆基岩经风化或烧变形成的风化基岩与烧变岩是榆神府矿区内的主要含水层。

图2 研究区综合地质柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column in Yushenfu Coal Mine Area

区内侏罗系地层含煤12层，可采煤层3～7层，一般厚3～5 m，最大厚度12.49 m，2-2煤为区内煤系上部主要可采煤层，目前开采区域煤层埋藏深度一般在50～300 m。根据区内个别矿井的“三带探查孔”资料显示，主采煤层裂采比一般不小于24，部分区域甚至达到了30以上。对于埋藏深度较浅的煤层，覆岩导水裂隙带一般能够导通至上覆松散含水层，甚至导通至地表，造成松散含水层及地表水渗漏，地下水位下降，破坏区内生态环境稳定。

2 主要含水层特征及其富水性

2.1 萨拉乌苏组含水层

(1)沉积环境

萨拉乌苏组地层是一套沉积于庐山—大理间冰期的连续河湖相沉积物，先期为湖相沉积，后为河流相沉积，是华北晚更新世标准地层之一[16]。第四纪晚期，地层沉降，在低洼地区形成了众多星罗棋布的小湖泊，河流携带上游泥沙在湖泊内沉积，随着泥沙沉积，地势趋于平坦，小湖泊形成了统一的大湖泊并逐渐消失，沉积作用减弱，后期随着气候变化，沉积作用逐渐转变为河流沉积并逐渐消失。沉积时期的古地貌特征及沉积条件使得萨拉乌苏组地层在垂向和平面上呈现出明显的不均一性，在平面上连续性较差，分布厚度不均。

(2)分布规律

萨拉乌苏组地层在研究区内广泛分布，与其下离石组隔水层呈不整合接触，分布形态受当时古地形控制，在区内的平面分布形态整体呈西南厚东北薄的特点(图3)，厚度变化范围较大，在0～160 m，主要分布于榆溪河与秃尾河流域，在乌兰木伦河上游哈拉沟井田一带有零星分布，局部出露地表。该层为区内的主要含水层之一。

(3)富水性特征

萨拉乌苏组地层为河湖相沉积物，湖相沉积物主要细砂和粉细砂为主，河流相沉积物主要以中粒砂和粗砂为主，底部分布有分选性中等的砾石层，上部一般为风积沙层所覆盖。一般为潜水含水层，水位埋深在10 m以内，不同地区富水性差异较大，富水性强弱与厚度分布呈明显的相关关系，整体呈西南强，东北

图3 萨拉乌苏组含水层厚度等值线Fig.3 Isopach map of Salawusu formation aquifer

弱的特点。根据区内钻孔抽水试验结果显示(表1)，强富水区钻孔平均单位涌水量为2.64 L/(s·m)，渗透系数7.43 m/d，中等富水区平均单位涌水量为0.34 L/(s·m)，渗透系数2.68 m/d，弱富水区平均单位涌水量为0.04 L/(s·m)，渗透系数0.87 m/d。

2.2 烧变岩含水体

(1)形成及分布规律

烧变岩含水层是榆神府矿区重要的生态水源之一[15,17]，其分布规律受煤层埋藏条件和地形地貌影响，区域上受地层倾角的影响，局部上受地表沟谷侵蚀的影响。伊陕斜坡为一向西缓倾的单斜构造，东北部地层抬升，煤层埋藏深度相对较浅，容易受到地表沟谷剥蚀形成烧变岩。历史时期煤层受到剥蚀作用影响与外部空气接触，发生自燃，上覆岩层受到高温作用形成烧变岩，烧变程度在垂向上由自燃煤层向上逐渐减弱，在平面上沿煤层剥蚀边界向内逐渐减弱。在研究区内主要沿秃尾河、窟野河及其上游的乌兰木伦呈明显的条带状分布，在悖牛川沿岸零星分布(图4)。

图4 烧变岩分布Fig.4 Distribution of burnt rock

(2)富水性特征

烧变岩储水性能不仅与其原岩岩性有关，也与其烧变程度有关，根据其结构及烧变强弱程度可将其分为类熔岩、烧结岩和烘烤岩3类[18]，类熔岩与烧结岩中一般发育有大量的孔隙和裂隙，易于储水。原岩烧变程度越强，岩层中的孔裂隙就越发育，其储水能力也就越强，反之则越弱。影响烧变岩富水性的另一个重要因素是岩层的补给条件，因其孔裂隙发育，连通性较好，补给来源充分，在研究区内容易形成强富水区。但部分出露位置高的地段，多不含水。

2.3 风化基岩含水层

形成于早白垩世至上新世之间的侏罗系风化基岩含水层是影响区内矿井涌(突)水的一个重要因素[19]，其富水程度主要受岩性和风化程度影响。

风化基岩在区内广泛分布，厚度一般在20 m左右，岩性主要以粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩为主。风化程度受当时的古地形影响，按照风化程度可以分为强风化、中等风化与弱风化3类，风化基岩含水层储水空间主要以风化裂隙为主，辅以原岩原生孔隙，具有良好的渗透性和储水条件。区内风化基岩富水性差异较大[9,19]，据勘探在锦界煤矿、柠条塔煤矿南翼等部位，风化基岩富水性较好，矿井涌水量较大。2011年柠条塔矿南翼S1210工作面顶板初次垮落时，突水量高达1 200 m3/h，至今仍有400 m3/h 的涌水量，事后分析原因主要是由于导水裂隙沟通上覆风化基岩含水层所致。因此，风化基岩含水层是区内部分矿井的主要充水水源。

3 保水采煤途径

煤炭资源在开采时会破坏采区煤层覆岩结构，造成相应地区的地下水漏失和地下水位下降，破坏区内的地质环境[20]。榆神府矿区各主要含水层在平面分布上具有明显的不均一性，受含水层分布特征及富水性影响，不同区域的矿井涌水量差异较大(表2)。

表2 部分矿井正常涌水量统计Table 2 Statistics of natural volume in coal mines

目前大部分学者对于“保水采煤”的研究重点都侧重于如何有效地保护煤层上覆含水层，使其在煤层开采过程中尽量不受扰动。范立民等[21-22]总结了“保水采煤”的研究现状，提出目前“保水采煤”的研究内容主要包括地质条件、岩层移动控制、隔水层改良以及充填开采等保水采煤技术，并提出了相应的保水采煤规划方案，目的是为保护煤层上覆含水层与区内地表径流流量稳定。但就现阶段榆神府矿区的开采实际而言，开采扰动难免波及到上覆含水层水，造成上覆含水层水资源的破坏。同时，按规划需要进行保水采煤的部分生产矿井，在实际生产中也并未严格按照“保水采煤”的技术要求进行开采，也会对上覆含水层造成破坏。因此，笔者认为从保护生态、节约资源的角度出发，“保水采煤”不仅包括如何“保水”，还应当包括如何“用水”，这里的“用水”指的是如何有效地利用已经被破坏并且涌入到井下的矿井水。对矿井水的有效利用，不仅能够提高水资源的利用效率，同时也能够减小由于矿井水的不合理排放造成的水资源浪费及水环境污染。

所以，笔者认为“保水采煤”不仅要通过各项技术措施减小煤层开采扰动对上覆含水层造成的影响，同时也要对已经受开采影响并涌入井下的矿井水进行合理的规划利用，从而达到更好的保护水资源的目的。

在前人“保水开采分区”等[10]研究的基础上，根据含水层富水性特征、煤层覆岩结构特征以及区内现有部分矿井涌水量特征和待采区矿井可能的涌水特征，将榆神府矿区煤矿需要保护和利用的水资源与矿井水划分为水量贫乏型、水量较丰富型、水量丰富型以及地表水体型共4种类型(表3)，并提出了相应“保水采煤”方案措施(图5)。

表3 水资源保护与矿井水利用类型Table 3 Classification of water preserving and mine water utilization

图5 保水采煤途径示意Fig.5 Schematic diagram of water-retaining mining approach

3.1 水量贫乏型

该类型主要分布于研究区的东北部与西南部，包含3种不同的类型:① 首采煤层埋藏深度浅，上覆基岩层厚度薄，含水层富水性弱，基本无萨拉乌苏组、烧变岩等强富水含水层分布(图6(Ⅰ1类));② 是首采煤层埋藏深度较浅，上覆基岩层较薄，含水层富水性较弱，局部分布有萨拉乌苏及烧变岩含水层(图6(Ⅰ2类));③ 是首采煤层埋藏深度大，上覆基岩层厚，含水层富水性强，全区分布有较厚的萨拉乌苏组含水层(图6(Ⅰ3类))。前2种类型(Ⅰ1,Ⅰ2类)煤层开采后可导通至上覆含水层乃至地表，但由于煤层上覆含水层富水性弱，矿井正常涌水量一般不大;第3种类型(Ⅰ3类)由于首采煤层埋藏深度大，上覆基岩厚度一般大于200 m，岩层结构完整，隔水层发育，煤层采后的导水裂隙难以沟通上覆的萨拉乌苏组强含水层，矿井正常涌水量也不大。因此，将这3种类型统一概括为水量贫乏型，该类型矿井正常涌水不会对矿井安全生产造成威胁，涌水量一般小于300 m3/h。对于这类矿井的水资源处理主要以循环利用为主，利用采空区修建地下水库进行水资源的存储和物理净化，再次净化达标后可用于矿井的生产生活用水。韩家湾煤矿、安山煤矿等属于此种类型。

图6 保水采煤类型分区Fig.6 Zoning map of water-preserved mining types

3.2 水量较丰富型

该类型主要分布于研究区中部，呈条带状分布，分布有萨拉乌苏组或烧变岩含水层，含水层厚度相对较薄、富水性中等，煤层埋藏较浅，根据其首采煤层上覆基岩厚度分为2个不同的等级类型(图6(Ⅱ1,Ⅱ2类))，Ⅱ1类型首采煤层上覆基岩厚度一般小于100 m，Ⅱ2类型首采煤层上覆基岩厚度一般大于100 m，小于200 m。煤层采后矿井正常涌水量较大，但不严重威胁矿井安全生产，涌水量一般大于300 m3/h，小于1 200 m3/h。对于这类矿井的水资源处理主要以循环利用、发展大棚农业、地表生态修复利用为主。矿井涌水一部分可利用采空区地下水库进行存储净化，用途同上;其余部分排至地表，净化达标后可用于农业灌溉及生态湿地建设。杭来湾、凉水井等煤矿属于此种类型。

3.3 水量丰富型

该类型也主要分布于研究区中部，分布有萨拉乌苏组及烧变岩含水层，含水层厚度局部较厚、富水性强。同样根据其首采煤层上覆基岩厚度分为2个不同的等级类型(图6(Ⅲ1,Ⅲ2类))，Ⅲ1类型首采煤层上覆基岩厚度一般小于100 m，Ⅲ2类型首采煤层上覆基岩厚度一般大于100 m、小于200 m。矿井涌水量大，且在一定程度上会影响到矿井的正常生产，涌水量一般大于1 200 m3/h。对于这类矿井在煤层开采时建议采用“条带填充”或“分层限高”的采煤方式进行开采，① 能够有效地减小开采扰动对上覆岩层的影响，保护萨拉乌苏组等主要含水层水资源，② 能够减小矿井正常涌水量，保证矿井安全生产。由于矿井涌水量大，对矿井水的处理利用已不适宜修建采空区地下水库，可在未采区修筑水库或人工湖，也可在已结束开采3 a以上，岩层垮落密实、变形稳定、地表低洼的区域，进行人工防渗处理，修建地表人工湖或水库，保护水资源。为工业、农业、生活和环保提供保障。锦界煤矿属于此种类型。

3.4 地表水体型

该类型主要分布于红碱淖及其周边区域(图6(Ⅳ类))，区内有较大的地表淡水湖泊，同时分布有厚度较大且富水性强的萨拉乌苏组含水层。该区域是研究区内几条主要河流的补给来源，可满足周边居民生活供水。对于该类地区主要以水资源的保护与利用为主，不建议规划煤炭矿井。地表水体型地区还需要特别强调水污染问题，对于该地区的保护既要“保水量”也要“保水质”。

4 讨 论

“保水采煤”的核心思想在于寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术[21]。“保水采煤”的研究意义在于，实现煤炭资源开采与生态环境保护的共赢。进行矿井规划和“保水采煤”方案设计时，既要考虑人类活动对于自然环境的影响，也要强调通过人为主动干预来改善当地生态，使能源开采区逐步向生态环境友好区转变，在资源开采的同时，能够利用矿产资源产生的经济效益来反哺当地的生态环境。有朝一日，当煤炭资源开采殆尽之时，不是给当地遗留一个满目疮痍的非宜居环境，而是在带走大量能源资源的同时，也为当地带来生态环境的改善。

笔者认为“保水采煤”的基本措施包括:保护浅部含水层以及完善矿井水资源利用模式。充填开采、限高开采等措施意在避免或减小开采扰动对含水层储水性能的影响，人为的将矿井水进行存储净化、工业利用、农业灌溉、湿地建设、人工湖泊等措施，则可有效提高水资源利用率，完善水资源利用模式。

把生态环境改善与将来的经济转型相结合，在经历了目前这种以能源开采为基础的掠夺式经济发展，考虑下一个发展周期中陕北能源基地在全国经济与人文社会中所要扮演的角色，一方面要靠生态环境的自我修复，一方面要人为干预，把陕北的生态环境提高到煤炭资源开采之前更高的水平。把人为干预条件下环境的自身修复纳入到保水采煤的研究当中，比如区域煤炭资源在开采结束3 a之后，随着矿区的塌陷密实，动态裂缝会自发闭合，岩层的导水性能减弱，水量的损失速率减小，地下水位会得到部分恢复，能够完成一定的自我修复，在开采规划和方案设计时，也应考量。生态环境在一定的影响范围内，具有一定的自我修复能力，但是当人类活动对于环境破坏超过环境的自我修复阈值时，生态环境就失去了自我修复的能力。“保水采煤”的重点在于满足能源开采经济利益最大化的同时，保证生态环境不发生质的破坏。

5 结 论

(1)萨拉乌苏组地层在垂向和平面上呈现明显的分布不均，富水性与分布特征在区内呈明显的西南强、东北弱的特点。

(2)受到伊陕斜坡抬升影响，烧变岩在东北部沿沟谷切割部位呈条带状分布，富水性受补给来源影响，除陡坡出露地段，普遍富水性较好。

(3)根据区域含水层富水特征与矿井涌水量大小等条件，将榆神府矿区煤矿需要保护和利用的水资源与矿井水划分为水量贫乏型、较丰富型、丰富型及地表水体型4类，并对不同类型进行了分区，提出了矿井水资源利用与保护的具体措施。

(4)将“保水”与“用水”相结合，使“保水采煤”由原有的保护煤层上覆含水层稳定扩展至了保护含水层稳定与矿井水资源合理开发利用两个方面。

(5)建议将“保水采煤”科学研究所关注的生态问题与矿区未来发展阶段的经济建设相结合，利用目前的煤炭经济效益 “反哺”当地生态建设和农业等产业发展，既要保护“绿色环境”发展，也要促进“绿色经济”发展。