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1、萨拉乌苏组地下水及采煤影响与保护*范立民, 王国柱(陕西省煤田地质局, 陕西 西安 710054)摘 要: 第四系萨拉乌苏组是陕北地区的主要含水层。论述了萨拉乌苏组地下水的分布、 特征及开采利用条件, 并就其与煤炭资源开采的关系进行了论述, 提出了煤炭开采中保护萨拉乌苏组地下水的合理建议。关键词: 地下水保护; 萨拉乌苏组; 煤炭开采; 保水采煤; 陕北能源化工基地2004年国家批准建设的 13个大型煤炭基地, 有 2个在陕北地区即神东、 陕北基地, 其中神东基地陕西境内 2005年生产原煤突破 1亿 , t 陕北基地正在建设锦界、 榆树湾、 凉水井和西湾等大型煤矿,2010年之前投产, 形成
2、年产约 5000万 t原煤的生产 规模。萨拉乌苏组 ( Q3s)是陕北地区的主要含水层, 地下水不仅是本地区的供水水源, 也是维系沙漠地区脆弱生态环境的主要水源, 由于下部煤炭资源 (陕北侏罗纪煤田 )开采对其影响显著, 造成地下水渗漏和疏干, 严重影响了生态环境。因此, 保护萨拉乌苏组地下水不受煤炭开采的破坏是非常重要的。1 萨拉乌苏组地下水特征1 . 1 含水层特征萨拉乌苏组形成于晚更新世, 是一套河湖相沉 积物, 松散, 未固结。含水层岩性以细砂、 中砂为主,具水平层理和斜交层理, 夹砂质泥岩薄层, 疏松、 分选较好。粉砂质粘土中含大量平卷螺、 塔螺化石, 下部地层中含哺乳动物化石。本组
3、地层颜色以灰色为 基色, 并随沉积部位不同而有变化, 一般沉积边缘颜色浅为灰白、 灰黄色, 而至沉积中心变为灰、 灰绿、 灰黑色, 另外粘性土多为浅灰、 灰绿色, 而砂层多为灰 白、 灰黄色。由于沉积时受古地形制约, 各地厚度差异较大, 最大厚度 147 . 75 m, 一般 20 60 m (见图1), 主要分布于神木北部矿区的北部大柳塔一带和榆神矿区, 在古沟槽及低洼中心沉积最厚, 向两侧逐 渐变薄, 有些至分水岭处尖灭。萨拉乌苏组含水层水位埋藏较浅, 约 0 . 99 . 27m。由于受地形地貌及岩性、 厚度及补给范围的制约, 其渗透性与富水性各地差异很大。据抽水 资料, 渗透系数一般为
4、 0 . 88 17 . 515 m /d , 最大为20 . 467 44. 957 m /d。富水性在相同条件下, 含水层厚度大的地方富水性较好, 此处单井涌水量多在1000 m3/d以上, 最大可达 3000 m3/d左右, 其中以 孟家湾和沟岔水源地富水性较好。含水层薄的地方涌水量为 200 300m3/d , 沿秃尾河分布的烧变岩,凡是有大泉出露或富水地段, 其附近均有萨拉乌苏 组分布, 且水质类型亦无差别, 说明二者水力联系密切。总观全区, 萨拉乌苏组沉积厚度受古地形的制约, 各沟槽之间有相对的分水岭。各沟槽或泉域均 具独立的水文地质单元, 各沟槽或泉域之间的分界,与现在地表分水岭
5、一致, 有继承性。1 . 2 地下水水化学特征 本区地下水水化学特征主要受地形地貌、 气象、地层岩性及补迳排条件的制约, 潜水矿化度大部分地区小于 0 . 5 g/ , l 水化学成分简单, 水质较好。萨拉乌苏组含水层多为大气降水补给, 受沉积 时古地形影响, 向古沟槽中心运移, 由分水岭至低洼中心水力坡度较大, 地下水处在积极的循环交替之中, 地层中盐分不易富集, 水质大部分为 HCO3- Ca 型, 矿化度为 0 . 2 0 . 3 g/ , l 局部地段为 HCO3- Ca# Na或 HCO3- Ca# Mg型水, 矿化度小于 0. 5 g / l 。在草滩地区, 地下水迳流条件相对较差
6、, 水位埋藏浅, 蒸发浓缩作用较强, 水质多为 HCO3- Ca# Na 型。而往下游, 由于迳流条件相对较好, 水质变为或HCO3- Ca型, 矿化度亦由 0 . 3变为 0 . 2 g/ l左右。在水化学成分中主要是硝酸根离子超标, 硝酸ISSN 1671- 2900 CN 43- 1347/TD 采矿技术 第 6卷 第 3期 M ining Technology , Vo.l 6, No . 3 2006年 9月 Sep . 2006*基金项目: 陕西省发展和改革委员会 陕北榆神矿区保水采煤综合研究 的部分成果.根离子超标主要是在居民区附近及草滩区, 由于地下水埋藏较浅, 受人畜粪便和腐
7、植质下渗造成的。 挥发超标则是因小煤窑多沿沟邦开采, 煤堆及矸石随意堆放, 受雨水淋滤污染所致。图 1 萨拉乌苏组的分布范围及厚度等值线1 . 3 地下水动态特征浅层地下水的动态变化, 除与补迳条件有关外, 还与含水层岩性、 植被、 气象等因素有关, 其中主要是气象要素, 尤其是大气降水对地下水位的变化更为敏感。 据资料分析, 地下水位一般在一年中出现两个明显的周期变化, 即每年 1月份水位最低, 以后由于气温逐渐回升, 冰雪冻土开始融化, 到 3 , 4月份潜水 位出现一个峰值, 随后因春季干旱多风, 降水较少,蒸发强烈, 水位开始下降, 至 7 , 8月份出现第 2个峰值, 然后水位又缓慢
8、下降, 形成周期性的变化。造成上述两年中出现两个峰值的原因, 一是因冰雪融化, 二是因降水增多而形成的。由于受众多因素的影响, 气象在年际和月际变化也很大, 如丰水和枯水年最大与最小降水量相差 7倍多, 并常有春旱、 夏旱、 秋旱发生, 因而影响到地下水水位的升降, 使峰值和低值有提前和滞后现象, 降水对地下水位的影响除与补给范围有关外, 一般要滞后 2 4个月。 由于含水层岩性、 厚度、 分布范围, 水位埋深及周围植被的差异, 以及所处补迳排位置的不同, 地下水位年变幅各地不一样, 石圪台一带为 0 . 3 0 . 77 m, 哈拉沟一带为 0 . 10 0 . 22 m, 沟岔水源区年变幅
9、在 0. 10 2 . 65 m, 其中排泄型长观孔变幅为 0 . 090 . 25m, 而补给型长观孔变幅较大。其次, 水位埋深越大, 地下水位对大气降水入渗补给反应越迟顿, 反之, 则灵敏。泉水流量的变化, 在岩性、 厚度、 范围一定情况 下, 主要受大气降水制约, 在平水年和丰水年, 其最大流量一般出现在每年的 7, 8月份, 如果是干旱年份, 因降水量少, 最大流量则出现在每年的 3 , 4月份, 而最小流量一般在每年的 5 , 6月份或 12月和 1 月份。再之, 泉水流量与泉域范围大小密切相关, 补给范围大, 泉水动态稳定; 范围小, 则泉水流量变化较 大。地下水化学成分在丰、 枯
10、水期, 经采样化验变化甚微, 水质无明显差异。1 . 4 地下水补迳排特征萨拉乌苏组主要分布于古沟槽或盆地中, 地势 一般低洼或平缓, 又多为现代风积沙所覆盖, 结构松散。沙丘沙地及沙丘草滩因受风蚀作用, 地面多呈沙丘、 沙垄及丘间洼地相间分布, 形成大小不一相对封闭的低洼地。本区虽然年降水量较少, 但比较集 中, 7, 8 , 9约占全年降水量的 67 %以上, 且降水强度大, 含水层具有面状补给的特点, 为地下水的主要补给期, 其中尤以沙地及草滩地接受补给条件好。其 次, 夏季沙漠地区昼夜温差大, 于 7 , 8 , 9三个月有部分凝结水补给。另外, 在矿区西部一带还有一部分地下水侧向补给
11、。在地形、 地貌条件控制下, 地下水天然流场由地 形较高处向沟谷迳流, 而后流至河谷, 流向与地形坡向一致并具多向性, 而深部潜水则受区域地貌控制,基本由中部分水岭流向北东、 南西。 本含水层主要以下降泉或渗流形式排泄至沟谷和河流, 一些较大沟谷中见有大泉出露, 有的自萨拉乌苏组中流出, 有的从烧变岩中流出, 两者水力联系密切, 主要是萨拉乌苏组砂层水所补给。2 煤炭开采对地下水的影响陕北地区煤炭资源丰富, 国家已经批准建设陕 北能源化工基地, 未来 10年左右将是煤炭及延伸产业发展的快速增长期。但是, 煤炭资源的开采, 对浅部萨拉乌苏组地下水的影响较大, 甚至产生不可逆转的环境破坏。为此,
12、研究煤炭开采对萨拉乌苏组 地下水的影响并提出对策, 是目前迫切需要解决的技术问题。2 . 1 采煤对地下水的影响根据本区水文地质条件及煤层的赋存特征, 煤 炭开采后, 产生的冒落带、 裂隙带将发育到第四系萨423范立民, 等: 萨拉乌苏组地下水及采煤影响与保护拉乌苏组含水层底部, 甚至发育到地表, 从而疏干第四系地下水。 曾经对煤炭开采对地下水的影响进行了系统研究, 认为神木北部矿区、 榆神矿区秃尾河沿岸地区是强烈影响区域, 煤层开采将导致地下水位的大幅度下降。外围是缓冲地区, 采取一定的措施, 可以达到 保水采煤之目的。榆神矿区西部区是安全开采区,煤炭开采与水资源保护可以并举。大柳塔煤矿是开
13、采最早的矿井, 也具有典型的 采煤影响地下水的自然条件。该矿井范围内有母河沟泉域完整的水文地质单元。开采的煤层赋存在泉域下部, 煤层厚度 6 7m, 埋深 80 90m, 开采厚度4 m。 母河沟泉域是一个完整的第四系地下水流含水盆地, 萨拉乌苏组是本泉域唯一的含水岩层, 泉域汇水面积 14 . 25 k m2, 接受大气降水的入渗补给, 自然下渗, 除少量越流补给下部的弱含水层外, 地下水汇 集到母河沟沟口, 母河沟侵蚀下切到含水层使地下水溢出地表, 补给地表水, 以下降泉的形式排泄。据长期观测, 母河沟泉月平均流量为 5961 m3/d , 最大 月平均流量 10627 m3/d, 神府矿
14、区开发初期, 一直以母河沟泉域地下水为矿区的供水水源, 2002年 4月观测的泉流量只有 1680 m3/d , 而且最大的泉口已经干枯, 泉流量衰减 72 %。 大柳塔煤矿是陕北侏罗纪煤田建设的第一个综采矿井, 20601工作面是大柳塔煤矿的第一个综采工作面, 该工作面处于供水水源地 ) 母河沟泉域 范围内, 该工作面首采区离母河沟泉口 2 km, 该工作面开采 2- 2煤, 煤层平均厚度 4 . 47 m, 工作面宽228m, 长度 2700 m。1995年 7月 31日开始开采,1996年采完, 采高 4 . 20 m。采前对地下水位进行了 统一观测, 开采过程中, 利用疏降水钻孔进行地
15、下水位变化规律观测研究。煤层开采前, 地下水原始流场为以母河沟泉为 中心的自流盆地, 由于受基岩面古地形的影响, 在工作面的初期采区即古冲沟区形成相对富水区, 地下水由东、 西、 北 3个方向向古冲沟区运移, 而且以东部的补给强度较大, 中心部位含水层厚度 20 m, 向 边沿逐渐变薄, 地下水的径流明显受古地形的控制,地下水位标高 1212 m ?, 最低处位于母河沟泉口,母河沟泉域地下水最终以母河沟泉的形式排泄。煤层开采过程中, 地下水流场随着开采强度的加大, 不 断变化, 并逐渐形成了以采空区为中心的排泄区, 地下水位等高线也向采空区一侧倾斜, 形成了以采空区为中心的降落漏斗。该盘区 4
16、个工作面全部采完 后, 地下水位已经下降到基岩面以下, 第四系萨拉乌苏组含水层已经失去水文地质意义。1995年 6月 1996年 11月的长期观测, 发现煤矿初次放顶后, 地下水位迅速下降, 之后曾经一度 上升, 并随着回采面积的扩大, 逐渐下降, 最终稳定在基岩界面附近, 地下水位下降幅度达 10 12 m。1997年陕西省一八五煤田地质勘探队在该区完成 了一个观测钻孔的施工, 目的一是了解煤层开采后冒落带的发育高度, 二是探测煤层开采后, 地下水位的深度。经过施工观测发现, 煤层开采后, 萨拉乌苏组已经不含水, 地下水位已经下降到基岩面以下, 母 河沟泉流量明显减少, 失去了供水意义。2002年 8月 29日 9月 4日, 陕西省政协经济委员会专家组对榆林风沙草滩区地下水资源与生态环境进行了调研, 重点调查了煤矿采空区的地下水 问题, 发现大柳塔煤矿双沟已经干枯, 原流量为7344 m3/d , 现已完全干枯, 原来灌溉 600亩农田, 现已无法灌溉, 沟头杨树有大片干死现象。 榆家梁煤矿原
