“煤層頂板砂巖水資源保護與水害防治技術”專欄

專欄來自于《煤炭學報》2022年第10期，共6篇研究成果。專欄學術主持人為范立民教授和遲寶鎖總工程師（陜煤陜北礦業有限公司）。

鄂爾多斯盆地是我國煤炭主產區，原煤產量約占全國的70%左右，經過近30年的高強度建設和開采，煤礦防治水的防控對象已經從第四系、燒變巖（陜北）和底板巖溶水（渭北）轉化為煤層頂板砂巖地下水，尤其是以直羅組砂巖含水層為主的盆地北部地區，出現了礦井涌水量大、持續時間長、穩定性好的特征，這一特征不僅給煤礦企業帶來了巨大的防治水壓力和經濟負擔，也給直羅組砂巖地下水系統保護帶來難題。

但長期以來，直羅組水害防治停滯于以煤礦為單元開展的工作，一葉障目，不見森林，無法從根本上解決問題。為此，申請人在陜煤集團資助下，開展了區域性的直羅組沉積演化與控水機理、采煤擾動規律研究，取得了階段性成果。結合其他相關單位的研究，推出這一專題，不僅是鄂爾多斯盆地煤礦防治水的迫切需求，也是直羅組砂巖地下水系統保護（保水采煤）的迫切需求，對于黃河流域上中游煤炭工業高質量和環境保護，具有重要的現實意義和科學價值。

行業視野: 環境保護
類別; 18個
關鍵詞; 39位
專家; 6篇
論文; 322IP
點擊量; 2550次
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鄂爾多斯盆地北部直羅組含水層研究進展與水害防治建議

作者(Author)：范立民, 遲寶鎖, 王宏科, 馬雄德, 焦養泉, 孫魁, 苗彥平, 王建文, 胡儉, 馬萬超

摘要：鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田原煤產量持續增加，在國家能源安全中具有重要地位。近年來，隨著開采深度的增加，以直羅組含水層為突水水源的頂板水害威脅日益凸顯。從含煤巖系沉積學、礦井水文地質學的角度，系統闡述了鄂爾多斯盆地北部直羅組空間賦存特征、與煤層的空間關系、直羅組含水層為水源的礦井涌水特點、直羅組地下水賦存特征和運移規律，總結了直羅組含水層水害防治存在的問題及展望。結果表明：直羅組垂向上可分為上、中、下3段，其中下段為一套半干旱氣候條件下的河流相沉積，砂體規模較大，與下伏延安組沖刷結構明顯。平面上，直羅組廣泛分布于鄂爾多斯盆地北部，榆神北區—神府南區直羅組沉積時期，存在1條NW—SE向的古河道，形成了規模巨大的河流-三角洲充填沉積砂體；直羅組古河道砂體對延安組沖刷強烈，使延安組1-2煤、2-2煤和3-1煤在不同地區缺失。整體上，對延安組第5段沖刷作用最為強烈，第3段次之，僅有個別鉆孔可見對第3段具有沖刷；以直羅組含水層作為水源的礦井涌水具有涌水量大且持續時間長、水位變幅小、穩定“供水”能力強的特點，且具有很強的隱蔽性；直羅組下段砂巖厚度、砂地比、隔水巖組厚度等從宏觀上控制著直羅組地下水的賦存，良好的孔隙度、滲透率為直羅組地下水的賦存提供了良好的地下水微觀儲存空間；在研究區西部安定組覆蓋區，直羅組與上部洛河組以及第四系薩拉烏蘇組基本不存在水力聯系，主要接受側向的緩慢補給，補給條件較差，主要以靜儲量為主。而在研究區東部基巖風化區，直羅組與上部第四系薩拉烏蘇組之間具有較為強烈的水力交換，補給條件較好，以側向補給和上部含水層的垂向補給為主，地下水徑流速度快，交替頻繁，以動儲量為主；針對鄂爾多斯盆地北部直羅組含水層及其水害防控問題，應從直羅組沉積體系控水機理、水文地質條件、礦井涌水量與直羅組古河道砂體含水層持續“供水”關系、地下水源頭防治水技術、含水系統的供水及生態價值等方面開展深入研究。

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2022年第10期

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鄂爾多斯盆地煤-水協調開采下礦區水資源異位回灌-存儲技術思路

作者(Author)：孫亞軍, 李鑫, 馮琳, 徐智敏, 陳歌, 劉琪

摘要：首先，闡述了鄂爾多斯盆地煤層開采與水資源保護間的矛盾問題，包括礦井水害、區域水資源、礦區生態環境三者間的關系。其次，結合對研究區38座煤礦礦井水水質特征的調研統計，闡明了煤-水協調開采下的礦井水處理的瓶頸問題。研究區礦井水常規離子超標占比68.4%、鐵、錳超標占比20%、高鹽高氟等特征明顯，目前礦井水處理無法同時滿足較低成本、大規模的需求。然后，提出了煤礦區“三減一治”的水資源異位回灌保水技術思路，包括充水含水層水資源異位回灌、老空水異位回灌、露天礦坑水異位回灌及含特殊組分礦井水異位回灌。結合鄂爾多斯盆地某礦超深回灌存儲的工程案例闡述了超深存儲相關的理論與技術框架、技術內容、技術難點，建成了研究區高礦化度礦井水超深回灌-存儲的示范工程。最后，基于對全國87座煤礦TDS值和133座煤礦pH值的統計分析，提出將弱酸弱堿（44%）、高礦化度礦井水（69%）進行超深回灌存儲，以減少對地下水資源的消耗、浪費及對生態環境的影響，降低礦井水治理成本，該研究對類似條件礦區的地下水資源保護有長遠的參考價值。

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神府南區中侏羅統直羅組古河道沖刷帶的空間定位預測

作者(Author)：榮輝, 焦養泉, 高彬, 范立民, 張帆, 吳立群, 樂亮, 王建英, 郭亮亮

摘要：古河道沖刷帶是含煤巖系中常見的一種地質現象，不僅可以造成可采煤層幾何形態的變化，而且影響煤礦安全、高效生產。因此，準確預測古河道沖刷帶的空間分布一直是煤礦地質領域關心的重要問題。目前，對古河道沖刷帶的預測主要采用沉積分析、地球物理及地質統計等方法。由于地下地球物理探測干擾因素多、影響地質統計數學模型的地質條件復雜，導致物探方法和地質統計方法對古河道沖刷帶的預測結果存在多解性和不確定性，而沉積學分析被認為是解決古河道沖刷帶分布預測問題最直接、最有效的方法。神府南區是陜北侏羅紀煤田的主要礦區之一，該區延安組含煤巖系頂部發育的直羅組砂體屬辮狀河-辮狀河三角洲成因，其對可采煤層可以形成明顯的沖刷帶。以直羅組古河道含水層為水源的煤礦突水危險性較大，古河道頂板水害成為威脅礦區安全高效生產的重要致災因素之一。然而，目前對直羅組古河道沖刷帶的分布規律仍然不清楚，給該區域礦井防治水工作帶來了極大的挑戰。鑒于此，本文在野外地質調查、巖心編錄基礎上，通過砂分散體系、煤層厚度及古河道砂體與下伏地層的接觸關系編圖，實現對神府南區含煤巖系頂板古河道沖刷帶的空間定位預測。研究發現，直羅組下段古河道以大套厚層砂體發育為主，厚度多在30~70 m，由多個正韻律旋回構成，其對下伏延安組地層產生了明顯的沖刷作用，造成延安組第Ⅴ單元、第Ⅳ單元地層缺失或減薄。砂分散體系、煤層厚度及下伏地層單元及巖性分布編圖表明，神府南區古河道沖刷帶主要沿著紅堿淖-爾林兔-錦界一線發育，古河道對延安組第Ⅴ單元完全沖刷區域的寬度為17~28 km，而對延安組第Ⅴ單元沖刷區域的寬度卻更大，達到37~46 km。直羅組下段古河道沖刷帶對于神府南區煤炭開采的影響是區域性的，在古河道砂體沖刷帶附近進行煤炭開采時要做好煤層頂板水害防治工作。研究成果不僅對精準預測含煤巖系中古河道沖刷帶的空間分布具有重要借鑒意義，而且可為神府南區煤礦安全、高效生產提供指導。

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2022年第10期

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鄂爾多斯盆地北部直羅組賦存特征及富水性

作者(Author)：孫魁, 苗彥平, 陳小繩, 王宏科, 范立民, 楊磊, 馬萬超, 路波, 李成, 陳建平, 高帥

摘要：鄂爾多斯盆地分布有黃隴、陜北、神東、寧東4個煤炭基地，主要開采侏羅系延安組煤層，頂板水害是區內煤礦開采的主要災害，直羅組是主要突水水源之一。為研究直羅組含水層富水性特征，采用地學信息系統編圖、微觀孔隙結構測試與統計分析等手段，分析了直羅組含（隔）水巖組空間賦存特征，微觀孔隙結構特征及其與富水性的關系。結果表明：受沉積環境的控制，直羅組可分為上、中、下三段，主要含水巖組為風化基巖段，粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖段，主要隔水巖組為粉砂巖、砂質泥巖和泥巖段。風化基巖含水層段主要位于基巖頂部3.04～83.46m，呈南北向條帶狀分布于研究區中部，風化基巖厚度和風化程度從中部向南北兩側逐漸變薄和減弱；直羅組下段砂巖含水巖組厚度、砂地比明顯大于中上段，且下段砂體展布形態呈現出泛連式，連續性明顯好于中上段；直羅組下段隔水巖組累計厚度、層數明顯小于中上段，中上段含（隔）水巖組非均質性明顯強于下段；對于直羅組正?；鶐r而言，直羅組中上段砂巖孔隙度類型以低孔為主，滲透率類型以超低滲～特低滲為主。直羅組下段砂巖孔隙度類型以中孔為主，滲透率類型以中滲為主，相比中上段，下段孔隙度和滲透率較大。直羅組遭受風化后，巖石微裂隙明顯發育，相比正?；鶐r，風化基巖孔隙度和滲透率較大，孔隙度類型總體以中-高孔為主，滲透率類型以中-高滲為主，儲水空間相比正?；鶐r較發育。通過分形理論將直羅組砂巖孔隙結構類型劃分為4類，直羅組下段主要以I類孔隙為主，中上段以II、III和IV類孔隙為主；根據Pearson系數法相關性分析結果，直羅組下段砂體厚度、直羅組下段砂地比以及直羅組下段隔水巖組厚度從宏觀尺度上對直羅組富水性具有明顯的控制作用，下段是直羅組富水性的主要“貢獻”層段，根據3項指標將直羅組下段砂體分為3級；通過典型鉆孔直羅組下段孔隙結構與富水性之間關系的分析，孔隙結構從微觀尺度上對直羅組下段富水性具有一定的控制作用，微觀孔隙越發育，富水性越好；通過相關性分析和抽水試驗數據對比發現，風化作用使得直羅組下段砂體富水性明顯增強，直羅組下段風化砂體厚度和風化程度對風化基巖富水性控制作用較為明顯；通過層次分析法對直羅組下段富水性進行了評價，基巖風化區富水性總體強于未風化區域，一級砂體區域富水性強于二級砂體及三級砂體區域。

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2022年第10期

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榆林地區北部侏羅紀古河道砂體與采煤涌（突）水關系分析

作者(Author)：吳立群, 王建英, 楊帆, 鄭宇航, 焦養泉, 榮輝, 王宏科, 馬雄德, 孫魁, 陳雪永, 屈伸, 李金輝

摘要：在水文地質條件看似簡單的榆神-神府礦區，采煤涌（突）水事故時有發生，一些煤礦的涌水量位居鄂爾多斯盆地之首，以往普遍認為的充水含水層難以解釋這些現象?；?0年來對直羅組底部鈾儲層（古河道砂巖）的研究，結合直羅組古河道砂體與延安組可采煤層的空間配置關系，以及砂巖型鈾礦形成與開發的基本條件，特別是直羅組古河道隱伏露頭與地表泉群（帶）、采煤涌（突）水的相關性分析，認為直羅組古河道可能是榆神-神府礦區礦井涌（突）水的主要水源。主要認識有：（1）直羅組古河道砂體具有區域性的分布規模，在其上游形成的具有世界級規模的東勝鈾礦田證實直羅組古河道是一套區域含水層，因為含水層是砂巖型鈾礦形成發育和未來開發的必要條件。（2）在直羅組古河道隱伏露頭的上方，集中發育了具有超常流量的泉群和泉帶，它們距直羅組古河道越近其流量越大，說明直羅組古河道為重要的含水層，它為榆神-神府礦區泉帶提供了主要的水源。（3）直羅組古河道含水層構成了延安組含煤巖系的直接頂板，采煤證實直羅組古河道含水層與煤礦涌（突）水具有明顯的關系。位于古河道潛伏露頭附近的煤礦易于發生涌（突）水事故，而位于古河道下方的煤礦涌水量罕見，且采煤涌（突）水量與古河道砂體厚度呈正相關。（4）從關鍵水文地質參數的空間配置、耦合關系及其采煤時域的角度，構建了榆神-神府礦區采煤涌（突）水的成因機理模型，該模型闡明了泉帶的形成發育和演化機理，揭示了采煤涌（突）水的形成機制，為未來水害防治、保水采煤、煤-鈾兼采等提供了基礎地質“預警”信息。

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神府南區直羅組下段古河道沖刷帶水動力條件的定量表征

作者(Author)：郭亮亮, 胡儉, 張池, 榮輝, 任智智, 王建英, 鄭宇航, 王宏科, 孫魁

摘要：古河道沖刷帶是造成煤炭開采過程中水害的關鍵地質因素，然而，目前國內外對古河道帶沖刷帶的古水動力條件量化表征方面的研究卻很少，限制了對含煤巖系中河道沖刷帶形成過程的深入理解和精準預測。本文以鄂爾多斯盆地東北部神府南區直羅組下段古河道沖刷帶為例，通過粒度分析方法量化表征了古河道沖刷帶形成的古水動力條件。研究發現，直羅組下段從下往上可識別出a、b、c、d四個沉積旋回，從a旋回到d旋回，直方圖中粒徑逐漸分布集中；概率累積曲線以兩段式為主，懸浮總體含量逐漸增多；顆粒粒徑（Mz）表現為以細砂為主，含少量極細砂、粗砂；標準偏差（σ）集中在0.50～1.16，指示分選性呈中等-較好；偏度（Sk）以對稱和正偏為主；峰度（Kg）主要表現為中等到尖銳；在C-M圖上對應為PQ和QR段。a旋回到c旋回為辨狀河三角洲平原分流河道沉積，而d旋回為曲流河三角洲平原分流河道沉積。以粒度參數及沉積環境為約束計算古水動力條件顯示，a旋回底部礫石沉積的平均起動流速為1.78m/s，佛勞德數為1.05，屬于高流態河道搬運，而a旋回到d旋回中砂巖沉積的起動流速分別為0.27m/s、0.26m/s、0.25m/s、0.25m/s，佛勞德數為0.16、0.15、0.14、0.14，屬于低流體態河道搬運。直羅組下段底部礫巖沉積時期是形成河道沖刷帶形態的關鍵時期，而其中砂巖沉積時期為對早期形成的古河谷的充填作用。成果對認識含煤巖系中古河道沖刷帶的成因及研究區古河道沖刷帶的預測具有指導意義。

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