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鄂尔多斯盆地北部直罗组古河道砂体分布区矿井涌水模式
近十几年来,鄂尔多斯盆地北部煤矿开采频频受到直罗组地下水威胁,甚至出现了突水事故,直罗组含水层及其致灾机理与防控技术的研究日益成为研究的热点。针对直罗组沉积体系的研究,主要有二分法的辫状河、曲流河成因观点,以及三分法的辫状河−辫状河三角洲、曲流河−曲流河三角洲和湖泊三角洲成因观点,但基本达成共识的是,直罗组为河流或河流三角洲沉积,特别是直罗组下段规模巨大、分布稳定的骨架砂体,其成因类型被解释为辫状河和辫状河三角洲沉积体系的产物。沉积控水理论认为,沉积环境对含水层介质结构等条件具有一定的控制作用。对于河道砂体而言,沉积环境控制了其展布、厚度和内部非均质性,从而影响河道砂体内部地下水的赋存和运移能力,进而影响矿井涌水量。
目前,鄂尔多斯盆地北部有关古河道砂体与矿井涌水量关系的研究,主要集中在榆神矿区东部、神府矿区南部的直罗组浅埋区以及呼吉尔特矿区、东胜矿区的直罗组深埋区。在榆神矿区东部、神府矿区南部,直罗组埋藏浅,局部出露地表,并遭受风化,区内矿井涌水量一直处于稳定增长的态势,近年来的研究表明,锦界煤矿及柠条塔煤矿南翼矿井涌(突)水来源主要为直罗组砂岩含水层,涌(突)水区域与直罗组古河道冲刷带、直罗组基岩风化带联系密切,且直罗组风化基岩厚度越大,矿井涌水量越大。位于鄂尔多斯盆地北部的呼尔吉特矿区直罗组深埋区,直罗组地下水呈现出“水量大、水压高、富水不均一”的特征。2017年5月,全矿区矿井总涌水量达到7 029.75m3/h,并呈现出逐年上升趋势。其中,母杜柴登煤矿首采工作面矿井涌水量超过1 000 m3/h,矿井主要充水水源为直罗组底部古河道砂体含水层。通过将葫芦素井田、门克庆井田北翼和南翼、母杜柴登全井田及巴彦高勒井田煤层上部的直罗组古河床冲刷带内的“七里镇”砂岩厚度与钻孔涌水量大小进行对比,发现位于直罗组古河床冲刷带中部砂岩厚度较大区域的钻孔涌水量(平均大于100 m3/h)和矿井涌水量(920~1 200 m3/h)均较大,位于古河床冲刷带两侧的钻孔涌水量(平均小于30 m3/h)和矿井涌水量(稳定在490~592 m3/h)均相对较小。而在东胜矿区,陈丽通过放水试验对多个工作面上部直罗组沉积环境和富水性进行了研究,研究发现湖泊相、曲流河相、富泥辫状河相、辫状河相的富水性依次增强,当工作面巷道未掘进至河道冲刷带时,无顶板滴水和淋水现象,越接近冲刷带,滴水和淋水现象越明显。
以上研究表明,古河道砂体与矿井涌水关系密切。在鄂尔多斯盆地北部直罗组沉积早期,地貌高差较大,物源充足,古气候环境温暖湿润,辫状河−辫状河三角洲普遍发育,且规模较大。河道充填沉积砂体粒度较粗,定向展布明显,侧向延展性好,对地下水的赋存和运移具有较强的控制作用。相比分流间湾或三角洲间湾,主河道砂体具有较强的储水和导水性能,尤其是在后期风化改造作用下,储水和导水性能大幅度提升,地下水水动力条件较强,地下水系统受煤矿采动的影响较为强烈。随着近年来盆地北部煤炭资源的大规模持续开发,直罗组古河道砂体含水层已经成为矿井充水的重要充水水源,甚至形成连片分布的大水矿井。然而,以往研究,鲜见从古河道砂体角度深入研究矿井涌水和水害防控的相关文献报道。因此,笔者团队聚焦鄂尔多斯盆地北部直罗组古河道砂体,在阐释直罗组古河道砂体空间分布及其对地下水赋存控制作用的基础上,从研究区尺度、井田尺度和工作面尺度,分析直罗组古河道砂体与矿井涌水的关系,提出直罗组古河道砂体下矿井涌水模式,以期为直罗组地下水资源保护和水害防控提供依据。
图 1 神府南区古河道冲刷带空间分布
图 2 研究区直罗组古河道砂体分级平面
图 3 岩石孔隙度、渗透率与中粗粒质量分数的关系
图 4 岩石孔隙度、渗透率与泥质杂基质量分数的关系
图 5 不同砂体级别正常基岩与风化基岩单位涌水量箱型
图 6 不同级别古河道砂体分布与矿井吨煤涌水量的关系
图 7 直罗组下段风化砂体厚度与矿井吨煤涌水量的关系
图 8 柠条塔井田地质剖面
图 9 柠条塔井田矿井涌水量折线
图 10 柠条塔井田直罗组下段古河道砂体、风化砂体厚度等值线
图 11 锦界煤矿 31409 工作面古河道砂体厚度等值线
图 12 研究区东部古河道砂体下生产矿井涌水模式
图 13 研究区东部古河道砂体下生产矿井涌水模式空间分布
范立民,男,1965年生,山西曲沃人。现任中国矿业大学教授,博士生导师。合著出版《保水采煤的理论与实践》《生态脆弱区煤炭开发与生态水位保护》等专著10部。主编的《中国地质灾害科普丛书》,2020年入选应急管理部全国十佳应急科普图书和陕西省优秀科普作品。主持制定了《保水采煤术语》《保水采煤技术规范》等10余项标准。授权国内外发明专利12项。荣获2011年度国家科学技术进步二等奖1项(R2)。获得省部级科学技术一等奖12项(含发明1项,4R1)。被中共陕西省委、省政府授予陕西省有突出贡献专家和陕西省先进工作者称号。2015年获李四光地质科学奖。
研究方向
煤炭绿色开采、煤矿区水资源保护与水害防控、矿山地质环境监测与生态修复
主要成果
提出了保水采煤科学理念及实现途径,创建了保水采煤科学技术体系;揭示了浅埋煤层突水溃沙与煤矿地质灾害成灾机理,研究了矿山地质灾害防控技术,主持建立了陕西境内矿山地质灾害监测预警系统;研发了大型煤炭基地地下水智能监测预警技术,主持建成了陕西省三个煤炭基地的地下水监测预警网。
来源:
范立民,孙魁,马万超,等. 鄂尔多斯盆地北部直罗组古河道砂体分布区矿井涌水模式[J]. 煤炭学报,2024,49(2):917−928.