基巖頂面土層缺失機理分析及防治水范文

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摘要:為研究榆神礦區局部基巖頂面中新世—中更新世土層缺失的機理及其與礦井涌水災害的關系，采用地質鉆探、野外觀測、數理統計的方法分析了基巖頂面標高與殘留土層厚度的關系，運用“將今論古”的方法分析了土層成因及剝蝕機理。結果表明：榆神礦區土層剝蝕是降水、風和線狀流水地質營力共同作用的結果，線狀流水是土層顆粒沖蝕以及土層縱向剝蝕直至缺失的主要因素。榆神礦區基巖頂面標高與殘留土層厚度呈正相關線性耦合關系，土層缺失可以作為古河流發育的直接標志，據此恢復了與基巖頂面連通的古河流形態、分布范圍及古分水嶺。基巖頂面古河床充填的含水層是煤礦涌水的主要充水來源，將對煤礦安全生產構成威脅。

關鍵詞：土層；基巖頂面；古河流；防治水；榆神礦區

榆神礦區最上可采煤層上覆基巖承壓含水層頂部的隔水層(土層)局部缺失，表現為第四系薩拉烏蘇組含水層與基巖風化層直接接觸形成“天窗”。天窗發育的直接后果是最上煤層開采后導水裂隙帶與上覆薩拉烏蘇組含水層發生水力聯系，成為煤礦頂板涌水的主要災害誘因之一[1-2]。榆神礦區中新世—中更新世發育厚度不等的土層隔水層，局部土層缺失區域是煤礦天窗發育的主要地段，榆神礦區煤炭勘探開發中已得到清晰的揭露，但是對于天窗的形成、土層缺失機理等研究較少。筆者通過廣泛收集榆神礦區煤炭資源地質勘查資料、各類相關研究報告及礦井開發相關資料，旨在系統研究殘留土層分布特征、基巖頂面起伏形態特征及其之間的耦合關系，嘗試圈定基巖頂面古河流的分布，分析古河流對煤礦生產的危害，為榆神礦區開發、礦井水防治提供技術支撐。

1地質概況

陜北侏羅紀煤田榆神礦區位于鄂爾多斯盆地的中北部。燕山運動以來區域構造穩定，以緩慢的地殼升降運動為主[3-4]，在三疊紀末的沉積間斷面之上，依次沉積了富縣組、延安組、直羅組、安定組、洛河組等基巖地層。燕山運動末期，鄂爾多斯盆地整體抬升，基巖沉積結束并伴隨著白堊系的剝蝕。中新世以來，榆神礦區基巖頂面向上依次沉積了中新世保德組紅土、中更新世離石組黃土、上更新世薩拉烏蘇組沙層和全新統風積沙等松散層(圖1)，其中，紅土是榆神礦區的主要隔水層，黃土是弱含水層，單位涌水量、滲透系數極小[1]。紅土、黃土是薩拉烏蘇組潛水含水層之下的區域性隔水層(或相對隔水層)，土層完整性對于地表潛水的保護、礦井頂板水害的防治具有巨大影響。

2殘留土層分布特征

榆神礦區土層發育區黃土層中夾有多層松散的細沙及粉沙狀黃土，間或夾有紅色、淺黃色、褐色土壤層，垂直裂隙發育；紅土層則相對均一，夾有層狀的鈣質結核。榆神礦區煤炭資源勘查過程中在曹家灘、金雞灘、爾林灘等井田或勘查區勘探過程中都發現有無土層沉積的鉆孔。本次研究系統收集了榆神礦區勘探開發施工的各類鉆孔589口以及實測土層地質剖面，統計各鉆孔、剖面土層(黃土+紅土)厚度，繪制了榆神礦區殘留土層等厚線圖(剔除第四系沖洪積層厚度)。總體來看，殘留土層基本全區分布，厚度在0~180m，但爾林兔東南部、錦界北及西部、河興梁北部、大河塔東部、孟家灣西部、小壕兔西部、牛家梁南部等地區剝蝕殆盡(圖2)。

3基巖頂面形態特征

鄂爾多斯盆地白堊系沉積期后，由于氣候變化、地殼抬升運動，導致白堊系及下伏地層遭受剝蝕，并伴有沉積間斷[3]。通過統計所有鉆孔內基巖頂面的標高以及地質填圖基巖頂面地質點高程，繪制了榆神礦區基巖頂面等高線圖(圖3)，恢復了榆神礦區基巖頂面形態。風、水等地質營力強烈的剝蝕作用及構造作用導致基巖地層剝蝕，基巖頂面從西到東趨于平坦，而線狀水流對基巖頂面的剝蝕起到了加深作用。基巖頂面標高一般在1100~1300m，形成一系列的“準平原”古地貌，經計算地形坡度一般在1°~3°，少數接近5°，總體較為平坦，爾林兔南—錦界—大河塔、小壕兔—孟家灣—馬合—牛家梁等地區連片出現剝蝕低谷。對比殘留土層厚度圖與基巖頂面等高線圖，結果顯示兩者分布形態存在著一定的相關性。即基巖頂面較高處，古地形相對平坦，土層一般保存相對較好，厚度亦較大。榆神礦區中雞以北基巖頂面標高一般在1250~1300m，頂部的洛河組保存較好，土層厚度30~70m，局部超過100m；小壕兔一號井及周邊基巖頂面標高一般在1220~1260m，上覆土層平均厚度大于50m。反之，基巖頂面標高越低，上覆土層厚度越小，小壕兔西部基巖頂面標高在1100~1180m，地表并無明顯較大溝系，但是土層殘余厚度卻在20m以內，并有大范圍的缺失區。

4討論

4.1土層剝蝕機理分析本次研究以“將今論古”的方法，從土層的現代剝蝕特征來看，榆神礦區古土層侵蝕的基本特征表現為流水和風兩種主導營力的共同作用，在地勢平坦、地勢凹凸等不同的區域，二者的地質作用強烈程度不盡相同[10-11]。a.風與降水地質營力對土層的侵蝕一種是在風的搬運作用[5-9]下，土層顆粒沉降在地形低洼的古水流中直接被沖刷，導致河流發育區沒有原地堆積的土層。另一種是土層顆粒沉降在地表后，在風力及雨水的侵蝕下，在疏松的土層表層形成一系列的擊濺坑，并在面狀水流侵蝕下土層逐漸剝蝕，風、雨地質營力的長期作用使得地表的土層厚度在平面上變薄、缺失。現今的陜北黃土坡面依然持續著這種侵蝕作用，坡面散布遺留灰白色鈣質結核。b.線狀流水對坡面土層的侵蝕在降水與風地質營力對土層侵蝕的基礎上，在土層構造軟弱區的溝槽地帶容易匯水形成小型線狀水流(圖4)。在線狀水流的長期侵蝕下，溝橫截面積逐漸擴大，加上水流的側向遷移，侵蝕水道逐漸由V字型向U字型發展。這里需要說明的是土層顆粒沉降在地表后，地表的水流、風等必然對顆粒進行二次搬運并改變土層面貌，因此，風、水對土層的剝蝕作用在其堆積、沉積、侵蝕各個階段。在以上兩種侵蝕機理作用下，榆神礦區基巖上覆土層逐漸變薄，地質歷史時期水流對土層顆粒的沖蝕以及局部地段線狀流水多期次下蝕切入下伏基巖，導致土層缺失，形成“天窗”。更新世晚期，榆神礦區發育大規模的河湖相沉積[12-15]，形成了區域性的薩拉烏蘇組富含水層，土層缺失區的薩拉烏蘇組則直接與下伏基巖呈不整合接觸。

4.2殘留土層與基巖頂面形態耦合關系分析基巖頂面古構造、古地形是控制土層沉積、侵蝕的主要因素。為準確研究殘留土層與基巖頂面形態的關系，通過殘留土層厚度(剔除無土層鉆孔的數據異常值)與基巖頂面標高兩組數據擬合(圖5)，可知基巖頂面形態與殘余土層厚度的變化近似呈正相關的關系。當土層殘余厚度在不大于10m范圍內，計算的基巖頂面標高為1135~1150m，因此研究推斷，基巖頂面標高在1150m以下的區域，土層剝蝕較嚴重，這與基巖頂面等高線、殘留厚度等值線反映的趨勢基本一致。

4.3基巖頂面古河流特征分析線狀水流的發育一方面使得流水溝系中土層顆粒無法原地沉積，另一方面使得有土層沉積區域開始被下蝕[11]，隨著侵蝕深度的加大，部分基巖裸露，因此，可以推斷土層缺失、極薄土層發育區以及古河流沖積層發育區(圖4)與中新世—中更新世古河流的發育有著密切的關系。本次研究將土層缺失區范圍與基巖頂面等高線套合，并依據頂面形態特征、野外古河流露頭剖面地質調查，重點恢復了與基巖頂面連通的中新世—中更新世古河流形態、分布范圍及古分水嶺(圖6)。總體來看，基巖頂面古地形可勾繪出兩條大型古分水嶺。規模較大的古分水嶺位于礦區中部，大致穿過小壕兔一號井中部—小保當二號井中西部—小保當一號井西南部—郭家灘東部—曹家灘西南部—杭來灣東部一線，呈NNW向展布；規模次之的古分水嶺位于礦區的東北部，大致穿過中雞勘查區—中雞南勘查區中部—惠寶煤礦西南一線，并在中雞勘查區南部折返，總體呈NW向展布。礦區內古分水嶺將榆神礦區基巖頂面古水流自西向東劃分為古榆溪河、古禿尾河和古烏蘭木倫河三大水系。其中，古烏蘭木倫河水系的二級支流位于礦區的東北部(與現今的考考烏素溝位置大致相當)。古河流的流向總體由北向南，但由于缺少古流向的實測數據，本次研究僅根據古地形坡度、水重力勢能推測了古水流流向。

5土層缺失研究與防治水的意義

地質歷史時期，由于基巖頂面古河流主河道不斷側向遷移，時常發生河流改道，并侵蝕下伏基巖，促使礦井兩大充水水源的形成。第一，風化基巖與第四系沖洪積層直接接觸，構成同一含水層，風化基巖富水性相對較好。第二，古河流常年流水，導致河道中中新世保德紅土與更新世離石黃土的大量沖蝕，局部缺失，后期沉積的薩拉烏蘇組含水層直接與風化基巖接觸，兩者構成同一含水層。上述兩種含水層是煤礦開采頂板涌水的主要來源，由于缺少隔水層的保護，煤礦開采中一旦導水裂隙帶發育至該含水層，將導通含水層與煤礦工作面[16]，導致嚴重的礦井水害。2011年5月，檸條塔煤礦S1210工作面發生涌水[17]，最大涌水量超過1200m3/h，經事故調查及研究分析，認為該涌水事故的直接水源為直羅組風化帶含水層，其上部土層雖然具有局部隔水作用。但是工作面附近的蘆草溝一帶發育古河流，由于煤層開采的影響，松散層含水層與直羅組基巖風化帶含水層產生了強烈的水力聯系。地表泉水斷流、魚塘干涸與S1210工作面涌水時間滯后吻合，得出松散層含水層成為S1210工作面另一主要涌水水源。因此，從區域上分析古河流的形態及分布范圍對于礦區的整體規劃和礦井水綜合防治具有一定的指導作用。

6結論

a.榆神礦區基巖頂面土層缺失主要由降水、風和地表線狀流水地質營力的共同作用導致的，其中線狀流水的沖刷與侵蝕是主要因素，對土層缺失區的分布及基巖頂面古河流的形態及分布規模大小起決定作用。

b.榆神礦區基巖頂面標高與殘留土層厚度具有近正相關線性耦合關系，土層缺失區與基巖頂面形態綜合分析可以確定基巖頂面古河流的形態及分布范圍，這也是榆神礦區天窗的主要分布區域。

c.基巖頂面土層缺失地段風化基巖與薩拉烏蘇組共同構成的含水層是煤礦涌水的主要充水水源，在煤礦開發中應給予足夠重視，提前做好礦井防治水工作。

作者：李智學 李明培 申小龍 魯文宇 單位：陜西投資集團有限公司