基岩顶面土层缺失机理分析及防治水范文
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摘要:为研究榆神矿区局部基岩顶面中新世—中更新世土层缺失的机理及其与矿井涌水灾害的关系，采用地质钻探、野外观测、数理统计的方法分析了基岩顶面标高与残留土层厚度的关系，运用“将今论古”的方法分析了土层成因及剥蚀机理。结果表明：榆神矿区土层剥蚀是降水、风和线状流水地质营力共同作用的结果，线状流水是土层颗粒冲蚀以及土层纵向剥蚀直至缺失的主要因素。榆神矿区基岩顶面标高与残留土层厚度呈正相关线性耦合关系，土层缺失可以作为古河流发育的直接标志，据此恢复了与基岩顶面连通的古河流形态、分布范围及古分水岭。基岩顶面古河床充填的含水层是煤矿涌水的主要充水来源，将对煤矿安全生产构成威胁。
关键词：土层；基岩顶面；古河流；防治水；榆神矿区
榆神矿区最上可采煤层上覆基岩承压含水层顶部的隔水层(土层)局部缺失，表现为第四系萨拉乌苏组含水层与基岩风化层直接接触形成“天窗”。天窗发育的直接后果是最上煤层开采后导水裂隙带与上覆萨拉乌苏组含水层发生水力联系，成为煤矿顶板涌水的主要灾害诱因之一[1-2]。榆神矿区中新世—中更新世发育厚度不等的土层隔水层，局部土层缺失区域是煤矿天窗发育的主要地段，榆神矿区煤炭勘探开发中已得到清晰的揭露，但是对于天窗的形成、土层缺失机理等研究较少。笔者通过广泛收集榆神矿区煤炭资源地质勘查资料、各类相关研究报告及矿井开发相关资料，旨在系统研究残留土层分布特征、基岩顶面起伏形态特征及其之间的耦合关系，尝试圈定基岩顶面古河流的分布，分析古河流对煤矿生产的危害，为榆神矿区开发、矿井水防治提供技术支撑。
1地质概况
陕北侏罗纪煤田榆神矿区位于鄂尔多斯盆地的中北部。燕山运动以来区域构造稳定，以缓慢的地壳升降运动为主[3-4]，在三叠纪末的沉积间断面之上，依次沉积了富县组、延安组、直罗组、安定组、洛河组等基岩地层。燕山运动末期，鄂尔多斯盆地整体抬升，基岩沉积结束并伴随着白垩系的剥蚀。中新世以来，榆神矿区基岩顶面向上依次沉积了中新世保德组红土、中更新世离石组黄土、上更新世萨拉乌苏组沙层和全新统风积沙等松散层(图1)，其中，红土是榆神矿区的主要隔水层，黄土是弱含水层，单位涌水量、渗透系数极小[1]。红土、黄土是萨拉乌苏组潜水含水层之下的区域性隔水层(或相对隔水层)，土层完整性对于地表潜水的保护、矿井顶板水害的防治具有巨大影响。
2残留土层分布特征
榆神矿区土层发育区黄土层中夹有多层松散的细沙及粉沙状黄土，间或夹有红色、浅黄色、褐色土壤层，垂直裂隙发育；红土层则相对均一，夹有层状的钙质结核。榆神矿区煤炭资源勘查过程中在曹家滩、金鸡滩、尔林滩等井田或勘查区勘探过程中都发现有无土层沉积的钻孔。本次研究系统收集了榆神矿区勘探开发施工的各类钻孔589口以及实测土层地质剖面，统计各钻孔、剖面土层(黄土+红土)厚度，绘制了榆神矿区残留土层等厚线图(剔除第四系冲洪积层厚度)。总体来看，残留土层基本全区分布，厚度在0~180m，但尔林兔东南部、锦界北及西部、河兴梁北部、大河塔东部、孟家湾西部、小壕兔西部、牛家梁南部等地区剥蚀殆尽(图2)。
3基岩顶面形态特征
鄂尔多斯盆地白垩系沉积期后，由于气候变化、地壳抬升运动，导致白垩系及下伏地层遭受剥蚀，并伴有沉积间断[3]。通过统计所有钻孔内基岩顶面的标高以及地质填图基岩顶面地质点高程，绘制了榆神矿区基岩顶面等高线图(图3)，恢复了榆神矿区基岩顶面形态。风、水等地质营力强烈的剥蚀作用及构造作用导致基岩地层剥蚀，基岩顶面从西到东趋于平坦，而线状水流对基岩顶面的剥蚀起到了加深作用。基岩顶面标高一般在1100~1300m，形成一系列的“准平原”古地貌，经计算地形坡度一般在1°~3°，少数接近5°，总体较为平坦，尔林兔南—锦界—大河塔、小壕兔—孟家湾—马合—牛家梁等地区连片出现剥蚀低谷。对比残留土层厚度图与基岩顶面等高线图，结果显示两者分布形态存在着一定的相关性。即基岩顶面较高处，古地形相对平坦，土层一般保存相对较好，厚度亦较大。榆神矿区中鸡以北基岩顶面标高一般在1250~1300m，顶部的洛河组保存较好，土层厚度30~70m，局部超过100m；小壕兔一号井及周边基岩顶面标高一般在1220~1260m，上覆土层平均厚度大于50m。反之，基岩顶面标高越低，上覆土层厚度越小，小壕兔西部基岩顶面标高在1100~1180m，地表并无明显较大沟系，但是土层残余厚度却在20m以内，并有大范围的缺失区。
4讨论
4.1土层剥蚀机理分析本次研究以“将今论古”的方法，从土层的现代剥蚀特征来看，榆神矿区古土层侵蚀的基本特征表现为流水和风两种主导营力的共同作用，在地势平坦、地势凹凸等不同的区域，二者的地质作用强烈程度不尽相同[10-11]。a.风与降水地质营力对土层的侵蚀一种是在风的搬运作用[5-9]下，土层颗粒沉降在地形低洼的古水流中直接被冲刷，导致河流发育区没有原地堆积的土层。另一种是土层颗粒沉降在地表后，在风力及雨水的侵蚀下，在疏松的土层表层形成一系列的击溅坑，并在面状水流侵蚀下土层逐渐剥蚀，风、雨地质营力的长期作用使得地表的土层厚度在平面上变薄、缺失。现今的陕北黄土坡面依然持续着这种侵蚀作用，坡面散布遗留灰白色钙质结核。b.线状流水对坡面土层的侵蚀在降水与风地质营力对土层侵蚀的基础上，在土层构造软弱区的沟槽地带容易汇水形成小型线状水流(图4)。在线状水流的长期侵蚀下，沟横截面积逐渐扩大，加上水流的侧向迁移，侵蚀水道逐渐由V字型向U字型发展。这里需要说明的是土层颗粒沉降在地表后，地表的水流、风等必然对颗粒进行二次搬运并改变土层面貌，因此，风、水对土层的剥蚀作用在其堆积、沉积、侵蚀各个阶段。在以上两种侵蚀机理作用下，榆神矿区基岩上覆土层逐渐变薄，地质历史时期水流对土层颗粒的冲蚀以及局部地段线状流水多期次下蚀切入下伏基岩，导致土层缺失，形成“天窗”。更新世晚期，榆神矿区发育大规模的河湖相沉积[12-15]，形成了区域性的萨拉乌苏组富含水层，土层缺失区的萨拉乌苏组则直接与下伏基岩呈不整合接触。
4.2残留土层与基岩顶面形态耦合关系分析基岩顶面古构造、古地形是控制土层沉积、侵蚀的主要因素。为准确研究残留土层与基岩顶面形态的关系，通过残留土层厚度(剔除无土层钻孔的数据异常值)与基岩顶面标高两组数据拟合(图5)，可知基岩顶面形态与残余土层厚度的变化近似呈正相关的关系。当土层残余厚度在不大于10m范围内，计算的基岩顶面标高为1135~1150m，因此研究推断，基岩顶面标高在1150m以下的区域，土层剥蚀较严重，这与基岩顶面等高线、残留厚度等值线反映的趋势基本一致。
4.3基岩顶面古河流特征分析线状水流的发育一方面使得流水沟系中土层颗粒无法原地沉积，另一方面使得有土层沉积区域开始被下蚀[11]，随着侵蚀深度的加大，部分基岩裸露，因此，可以推断土层缺失、极薄土层发育区以及古河流冲积层发育区(图4)与中新世—中更新世古河流的发育有着密切的关系。本次研究将土层缺失区范围与基岩顶面等高线套合，并依据顶面形态特征、野外古河流露头剖面地质调查，重点恢复了与基岩顶面连通的中新世—中更新世古河流形态、分布范围及古分水岭(图6)。总体来看，基岩顶面古地形可勾绘出两条大型古分水岭。规模较大的古分水岭位于矿区中部，大致穿过小壕兔一号井中部—小保当二号井中西部—小保当一号井西南部—郭家滩东部—曹家滩西南部—杭来湾东部一线，呈NNW向展布；规模次之的古分水岭位于矿区的东北部，大致穿过中鸡勘查区—中鸡南勘查区中部—惠宝煤矿西南一线，并在中鸡勘查区南部折返，总体呈NW向展布。矿区内古分水岭将榆神矿区基岩顶面古水流自西向东划分为古榆溪河、古秃尾河和古乌兰木伦河三大水系。其中，古乌兰木伦河水系的二级支流位于矿区的东北部(与现今的考考乌素沟位置大致相当)。古河流的流向总体由北向南，但由于缺少古流向的实测数据，本次研究仅根据古地形坡度、水重力势能推测了古水流流向。
5土层缺失研究与防治水的意义
地质历史时期，由于基岩顶面古河流主河道不断侧向迁移，时常发生河流改道，并侵蚀下伏基岩，促使矿井两大充水水源的形成。第一，风化基岩与第四系冲洪积层直接接触，构成同一含水层，风化基岩富水性相对较好。第二，古河流常年流水，导致河道中中新世保德红土与更新世离石黄土的大量冲蚀，局部缺失，后期沉积的萨拉乌苏组含水层直接与风化基岩接触，两者构成同一含水层。上述两种含水层是煤矿开采顶板涌水的主要来源，由于缺少隔水层的保护，煤矿开采中一旦导水裂隙带发育至该含水层，将导通含水层与煤矿工作面[16]，导致严重的矿井水害。2011年5月，柠条塔煤矿S1210工作面发生涌水[17]，最大涌水量超过1200m3/h，经事故调查及研究分析，认为该涌水事故的直接水源为直罗组风化带含水层，其上部土层虽然具有局部隔水作用。但是工作面附近的芦草沟一带发育古河流，由于煤层开采的影响，松散层含水层与直罗组基岩风化带含水层产生了强烈的水力联系。地表泉水断流、鱼塘干涸与S1210工作面涌水时间滞后吻合，得出松散层含水层成为S1210工作面另一主要涌水水源。因此，从区域上分析古河流的形态及分布范围对于矿区的整体规划和矿井水综合防治具有一定的指导作用。
6结论
a.榆神矿区基岩顶面土层缺失主要由降水、风和地表线状流水地质营力的共同作用导致的，其中线状流水的冲刷与侵蚀是主要因素，对土层缺失区的分布及基岩顶面古河流的形态及分布规模大小起决定作用。
b.榆神矿区基岩顶面标高与残留土层厚度具有近正相关线性耦合关系，土层缺失区与基岩顶面形态综合分析可以确定基岩顶面古河流的形态及分布范围，这也是榆神矿区天窗的主要分布区域。
c.基岩顶面土层缺失地段风化基岩与萨拉乌苏组共同构成的含水层是煤矿涌水的主要充水水源，在煤矿开发中应给予足够重视，提前做好矿井防治水工作。
作者：李智学 李明培 申小龙 鲁文宇 单位：陕西投资集团有限公司