黃陵地區(qū)煤、鈾礦開采水文地質(zhì)條件及影響因素分析

(中陜核工業(yè)集團(tuán)地質(zhì)調(diào)查院有限公司，陜西 西安 710100)

黃陵地區(qū)的鈾礦和煤炭在空間分布關(guān)系表現(xiàn)為，在平面上處于同一區(qū)域內(nèi)，在垂向上分別位于上下不同的地層當(dāng)中。鈾礦產(chǎn)于上部侏羅系中統(tǒng)直羅組下段含水層中，煤炭賦存層位為下部侏羅系中統(tǒng)延安組。由于煤礦和鈾礦勘查程度和開發(fā)進(jìn)展不同，對開采技術(shù)條件的要求不同，目前鈾礦還處于調(diào)查和勘查階段，開發(fā)相對滯后，而該區(qū)煤礦大部分已處于勘探開發(fā)階段。由于本區(qū)內(nèi)鈾、煤產(chǎn)出在空間上具有密切關(guān)系， 若進(jìn)行煤炭的先行開采，必然將會造成地層結(jié)構(gòu)和地下水系統(tǒng)的破壞和變化，是否對將來砂巖型鈾礦地浸開采的基本水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件產(chǎn)生影響。 本文就黃陵地區(qū)煤、鈾資源賦存區(qū)的水文地質(zhì)條件作一簡要分析，并對黃陵地區(qū)煤、鈾資源開發(fā)相互影響關(guān)系進(jìn)行簡單論述。

1 地質(zhì)背景

黃陵地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部，陜北斜坡帶的南部邊緣，構(gòu)造簡單，總體構(gòu)造格架是一個具有波狀起伏的傾向北西的單斜構(gòu)造。

本區(qū)發(fā)育地層包括中生界的三疊系(T)、侏羅系(J)、下白堊統(tǒng)(K1)和新生界的古近系(E)、新近系(N)及第四系(Q)，其中三疊系、侏羅系和下白堊統(tǒng)地層是區(qū)內(nèi)沉積地層的主體。區(qū)內(nèi)地層出露特點(diǎn)為黃土廣覆，基巖出露差，僅在主要水系及其支溝兩側(cè)出露有侏羅系(J)、白堊系(K)地層。地層傾向北西-北，傾角平緩，一般3°～4°。其中含煤含鈾地層分別為中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)，含礦上覆地層由下白堊統(tǒng)洛河組(K1l)、華池-環(huán)河組(K1h)和新生界第四系(Q)構(gòu)成。

中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)地層為本區(qū)含煤地層，全區(qū)分布，局部地段出露地表，巖性以灰色泥巖、粉砂巖為主，發(fā)育煤層，是該區(qū)主要的產(chǎn)煤巖段；砂巖中含大量的炭屑，局部巖性段煤線中見鈾礦化。厚度40～150.81 m，平均約92.30 m，北厚南薄，向兩側(cè)變薄，西厚東薄。與下伏富縣組地層呈假整合接觸。全組地層從下至上可分為四段六個沉積旋回。各旋回底部以灰白色砂巖開始，向上為深灰色粉砂巖及灰黑色泥巖。含煤四層，自上而下編號為0、1、2、3號煤層，其中0號和1號煤為薄層無開采價值，主采煤層2號煤及零星可采的3號煤(組)位于第一旋回的中、下部[1]。2號煤層位于延安組下部，為主要可采煤層，煤層厚度0～5.6 m，平均厚2.02 m。中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z) 據(jù)該組地層結(jié)構(gòu)、巖性～巖相特征可劃分為上段(J2z2)和下段(J2z1)。

2 鈾礦資源賦存狀況

2.1 鈾礦賦存層位

本區(qū)鈾礦賦礦層位有兩個，一是中侏羅統(tǒng)延安組，礦化產(chǎn)于劣質(zhì)煤和炭質(zhì)頁巖中；二是中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)，鈾礦化產(chǎn)于直羅組下段下亞段(J2z1-1)和直羅組下段上亞段(J2z1-2)。中侏羅統(tǒng)延安組成礦遠(yuǎn)景不大，中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)鈾礦屬于后生氧化帶型鈾礦化，為區(qū)內(nèi)主要的鈾礦產(chǎn)出層位。

2.2 鈾礦賦存平面特征

黃陵礦區(qū)煤層在平面上呈大范圍面狀分布，規(guī)模大，分布面積約1 000 km2，層位穩(wěn)定，厚度變化不大。煤層埋深自東向西逐漸增大，底板平緩稍有起伏。區(qū)內(nèi)鈾礦礦化體在平面上呈不規(guī)則的條帶狀分布，或數(shù)條平行展布，其大體走向為近東西向展布。一般長度為幾百米至幾公里，寬度100～500多m。其分布范圍絕大多數(shù)在煤層分布范圍內(nèi)，在東部邊緣部位局部地段超出煤層賦存范圍。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

3.1 地形地貌及地表水

黃陵礦區(qū)地處陜北黃土高原南部，屬黃土高原中等切割區(qū)，侵蝕構(gòu)造地形。地勢西高東低，具典型的黃土高原地貌特征。東北部以黃土塬地形為主，溝谷縱橫，塬面支離破碎，切割深度100～200 m，西南部山巒起伏，溝壑縱橫，地形復(fù)雜相對高差200～400 m；水系及其兩側(cè)的溝谷內(nèi)，基巖露頭較好；山頂平坦開闊，黃土廣泛覆蓋，植被發(fā)育。沮水河為區(qū)內(nèi)最大水系，其支流發(fā)育，各支流自西向東流經(jīng)礦區(qū)匯入沮水河，最后在黃陵縣向東注入洛河，全長100 km，平均流量2.07 m3/s。

3.2 區(qū)內(nèi)主要含水導(dǎo)和隔水層

3.2.1 主要含水層

(1)第四系孔隙-裂隙潛水含水巖組(Q4)

主要分布于工作區(qū)梁峁、溝谷內(nèi)。分為孔隙-裂隙潛水含水層和沖洪積、沖積碎石含水層。

其中孔隙-裂隙潛水賦存于峁梁、山坡地帶；巖性以亞粘土、亞砂土為主，中夾多層鈣質(zhì)結(jié)核層和古土壤層，厚度4.4～99.3 m，平均47.5 m，地下水類型為潛水，以季節(jié)性下降泉的形式排泄。

沖洪積、沖積碎石含水層賦存于沮水河及其支流河谷內(nèi)，巖性為亞沙土、沙土和砂礫石層，厚度0～8.87 m，平均5.73 m，分選性極差，滲透性好，未膠結(jié)；，與基巖地下水和河流有水力聯(lián)系，相互補(bǔ)給。

(2)下白堊統(tǒng)洛河組孔隙-裂隙含水層(K1l)

該含水巖組由洛河組砂巖構(gòu)成，具單一型含水層特點(diǎn)。地表在礦區(qū)中西部溝谷出露，中東部剝蝕殆盡；深部隱伏于華池-環(huán)河隔水巖組之下，厚度0～229.2 m，平均166.8 m；巖性相對單一，主體為中砂巖，夾薄層狀細(xì)砂巖和粉砂巖，碎屑物分選、磨圓均好，孔隙式泥質(zhì)膠結(jié)，較疏松；含水層滲透系數(shù)0.18～0.83 m/d，單位涌水量0.17～1.381/s·m，富水性中等-強(qiáng)。巖層出露地段接受大氣降水的直接補(bǔ)給，順層向深部徑流，隨著埋深增加，地下水交替速度逐漸減弱。北部及東部為潛水區(qū)，南部與西部為承壓區(qū)。上段水頭低，富水性相對較強(qiáng)；下段水頭高，富水性相對較弱。

(3)中侏羅統(tǒng)直羅組下段含水層(J2z1)

該含水層為區(qū)內(nèi)含礦含水層，厚度穩(wěn)定連續(xù)性好，巖性頂部為灰綠色、灰紫色泥巖、夾灰-灰綠色細(xì)砂巖；中、下部以灰白色中、粗粒長石石英砂巖為主，底部含礫。該層俗稱“直羅砂巖”。粒度由上而下逐漸變粗。砂巖分選性差，次棱角狀，孔隙-基底式泥質(zhì)膠結(jié)?；旧蠟槿珔^(qū)分布，僅在雙龍鎮(zhèn)附近的溝谷中缺失，厚0～276.21 m，平均177.05 m，巖性以中粒砂巖為主。水位埋深1.13～153.37 m，單位涌水量 0.007 11～2.904 6L/(s·m)，滲透系數(shù)0.008 28～8.458 6 m/d。富水性中等-強(qiáng)。在煤礦的東部及北部， 受到切割剝蝕，地層不全，厚度小，而到西部及南部地層逐漸加厚。砂巖露頭遍布各個梁峁溝谷，接受大氣降水的直接補(bǔ)給，順層向深部徑流，隨著埋深增加，地下水交替速度逐漸減弱。北部及東部為潛水區(qū)，南部與西部為承壓區(qū)。上段水頭低，富水性相對較強(qiáng)；下段水頭高，富水性相對較弱

(4)侏羅系中統(tǒng)延安組中部含水層(J2y中)

該層包括2號煤層與煤層老頂“七里鎮(zhèn)”砂巖， 厚5.99～36.50 m。七里鎮(zhèn)砂巖為灰白色中、細(xì)粒砂巖，分選性差-中等，孔隙式鐵泥質(zhì)膠結(jié)，厚1.00～34.20 m,一般厚6 m左右，分布較為穩(wěn)定。據(jù)煤田鉆孔抽水試驗資料，水位埋深17.00～99.32 m，涌水量0.000 7～0.014 L/s。單位涌水量0.000 007 26～0.000 066 5 L/s·m,滲透系數(shù)0.000 004 576～0.000 215 m/d,水質(zhì)礦化度0.348～14.302 g/L,屬Cl·SO4-Na型。該層富水性屬弱的承壓含水層。

3.2.2 主要隔水層

(1)侏羅系中統(tǒng)直羅組上段相對隔水層

該層全區(qū)分布，厚度33.36～139.93 m，平均95.28 m。巖性以泥巖、粉砂巖為主，可作為上、下含水層的相對隔水層。

(2)侏羅系中統(tǒng)延安組上部相對隔水層

該層為“七里鎮(zhèn)”砂巖頂板以上延安組，全區(qū)分布。厚度0～102.83 m，巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，夾細(xì)砂巖，厚度由南向北加厚。該層厚度大，分布穩(wěn)定,是直羅組下段與煤系含水層的穩(wěn)定隔水層。

(3)侏羅系中統(tǒng)延安組下部及富縣組相對隔水層

延安組下部為2號煤底板以下延安組，厚0.40～26.70 m，一般厚度3 m左右，巖性主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成；富縣組，厚度0～40.70 m，一般8 m左右，南部缺失，北部加厚，巖性由雜色泥巖、粉砂巖組成，具滑面。該層可作為相對隔水層。

4 煤、鈾資源開發(fā)對水文地質(zhì)條件影響

4.1 煤、鈾資源開發(fā)水文地質(zhì)影響因素

4.1.1 煤礦開采水文地質(zhì)影響因素

煤礦開采方式一般分為露天開采和地下開采，區(qū)內(nèi)煤礦開采方式為地下開采。從煤礦開采方式、開采過程及礦坑涌水方面分析，對煤礦開采造成影響的主要水文地質(zhì)因素有地下水類型、地下水含水層的埋深及富水性、各含水層之間的水力聯(lián)系及地下水化學(xué)特征等。

根據(jù)黃陵礦區(qū)水文地質(zhì)條件和煤礦礦井充水因素分析，礦井主采煤層為2號煤層，坑道系統(tǒng)主要位于延安組第一段二號煤層附近，因此，侏羅系中統(tǒng)延安組中部含水層(J2y中)為礦井直接充水含水層，中侏羅統(tǒng)直羅組下段含水層(J2z1)為礦井間接充水含水層。由于侏羅系中統(tǒng)延安組中部含水層(J2y中)與2號煤層直接觸，其地下水通過含水層中的裂隙和孔隙直接滲入到礦坑當(dāng)中，形成礦坑涌水。而中侏羅統(tǒng)直羅組下段含水層(J2z1)與2號煤層及其直接充水含水層之間有侏羅系中統(tǒng)延安組上部相對隔水層的存在，中侏羅統(tǒng)直羅組下段含水層的地下水，一般不會對礦坑充水構(gòu)成影響，只有在遇見導(dǎo)水?dāng)嗔鸦蛟诓擅哼^程中形成的導(dǎo)水裂隙帶高度突破直羅組下段含水層底板的情況下，該含水層的地下水才有可能對礦坑涌水構(gòu)成影響。

表1 黃陵礦區(qū)主采2號煤層導(dǎo)水裂隙帶高度統(tǒng)計表 m

4.1.2 鈾礦開采水文地質(zhì)影響因素

目前砂巖型鈾礦多采用原地浸出的開采工藝，是通過鉆孔工程(注液鉆孔、抽液鉆孔)從天然埋藏條件下，從具有一定滲透性能的砂巖鈾礦中石中選擇性地浸出和回收鈾金屬的一種采治工藝[2]。地浸采鈾具有投資少，效益高、環(huán)境保護(hù)和安全防護(hù)好等優(yōu)點(diǎn)。

能否采用地浸采鈾工藝，首先要考慮礦區(qū)的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件是否滿足地浸采鈾工藝的參數(shù)要求。適宜地浸采鈾的水文地質(zhì)條件為：礦體埋藏淺，一般小于300 m，最大不超過500～600 m；鈾礦化賦存于厚度適中的充水巖層中，含礦含水層頂?shù)装鍘r石為不透水層，含礦含水層和其它含水層不能有水力聯(lián)系[3]；地下水埋深一般小于50m，且具承壓性，承壓水頭大于50 m；礦石(礦層)的滲透系數(shù)以1～10 m/d最為適宜(0.1～1.0 m/d，可地浸開采)，太大或太小都對浸出不利；地下水的總礦化度不超過5 g/L，pH值為7左右，水中氯、鈣、鎂等離子濃度不能大高。

黃陵礦區(qū)含礦含水層厚度32～81 m，平均60 m，埋深絕大多數(shù)地段小于500 m,具南西厚北東薄，東淺西深埋藏型層狀特點(diǎn)；巖性為含礫中粗粒砂巖，含少量細(xì)礫巖、細(xì)砂巖，局部夾薄層透鏡狀泥質(zhì)巖體，碎屑巖成分主要為長石石英，次為巖屑，分選較差，磨圓度為次棱角狀；孔隙式-接觸式泥鐵質(zhì)膠結(jié)為主，孔隙率2.99%～16.84%，平均7.25%，巖石固結(jié)程度較高；滲透率0.005 1～0.26 m/d。其頂板可分為間接頂板和直接頂板兩類，其中直接頂板由直羅組下段上亞段含水巖組中的隔水層構(gòu)成，間接頂板由直羅組上段隔水巖組構(gòu)成，頂板總厚度77.86～105.54 m，厚度大且相對穩(wěn)定，巖性主要為紫紅色、灰綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，整體隔水性能良好；底板由穩(wěn)定層狀延安組隔水巖組構(gòu)成，以灰黑色、黑色泥巖為主，局部夾灰色中砂巖，泥巖厚度穩(wěn)定，隔水性能良好，頂?shù)装甯羲阅芰己茫话l(fā)生越流補(bǔ)給。地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca和HCO3-Ca·Na型為主，礦化度486.21～1 431.74 mg/L。由此，可認(rèn)為黃陵礦區(qū)采用地浸采鈾的水文地質(zhì)條件較適宜。

4.2 煤、鈾資源開采對環(huán)境地質(zhì)影響

4.2.1 煤礦開采對環(huán)境地質(zhì)影響

煤礦開采過程中，會形成大面積的采空區(qū)，同時需要長期抽排地下水，對充水巖層進(jìn)行疏干，從而產(chǎn)生一系列的人為地質(zhì)作用，誘發(fā)多種環(huán)境地質(zhì)問題。黃陵礦區(qū)煤礦開采，將引起以下幾方面的環(huán)境問題：

(1)隨著采空區(qū)的形成及后期塌陷，地表變形將以地面沉陷為主，一般情況下沉陷中心以垂向下沉為主，盆地邊緣以傾斜位移和水平位移為主。地面變形可誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，建筑物不均勻沉陷等地質(zhì)災(zāi)害。

(2)長期抽排地下水，將造成含水層的疏干和區(qū)域地下水位的下降，改變地表水和地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給排關(guān)系，可能會出現(xiàn)水源枯竭，生態(tài)環(huán)境破壞等問題。

(3)礦井所排出高礦化度的地下水及其所含的有害元素，將對地下潛水水質(zhì)造成污染，影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康，造成生態(tài)環(huán)境的惡化。

(4)采煤產(chǎn)生的煤矸石和廢渣堆放于地表，風(fēng)化后釋放出有害氣體，污染大氣環(huán)境；或其遭受雨水淋濾，滲入地下，對地下水水質(zhì)造成污染。

(5)由于采煤形成導(dǎo)水裂隙帶溝通了中侏羅統(tǒng)直羅組下段含鈾礦化含水層，有可能破壞原含鈾礦化層的氧化還原平衡狀態(tài)，導(dǎo)致鈾礦的氧化并隨地下水的排放，造成放射性污染等問題。

4.2.2 鈾礦開采對環(huán)境地質(zhì)影響

地浸開采鈾礦工藝基本過程：將配制好的溶浸液通過注液鉆孔注入到地下礦層中，注入液在礦層中順層滲流，氧化和溶解礦石中的鈾，形成含鈾溶液即浸出液，再將浸出液通過抽液鉆孔抽到地面，在地表采治工廠進(jìn)行鈾的分離提取，尾液在加入藥劑后再次作為溶浸液循環(huán)利用。整個過程采用閉路循環(huán)，廢水的排放量很少。

地浸開采鈾礦過程無井巷開拓，只采用單一的鉆探施工方式，并對含鈾含水層頂?shù)装暹M(jìn)行水泥封孔，不會破壞地層結(jié)構(gòu)，不會造成礦層開啟，無廢渣堆放地表。對礦山及周邊環(huán)境產(chǎn)生放射性污染甚微，其主要污染對象是大氣、土壤、地表水和地下水，對于前三者的污染，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施是可以減少污染或防止污染。

地浸開采鈾礦對環(huán)境影響主要表現(xiàn)為對地下水的影響。由于地浸開采時，向地下含礦含水層中注入了大量的化學(xué)藥劑，引起了部分含礦地段含水層的地球化學(xué)環(huán)境的變化，同時帶入了部分有毒有害的元素。針對不同鈾礦賦存形式，采用酸、堿不同方法，因此不同的溶浸液所造成的污染也不一樣。

一般在地浸開采鈾礦的工藝中，采用抽液量大于注液量，使在采區(qū)范圍內(nèi)形成一定的負(fù)壓漏斗區(qū)，從而有效控制溶浸液的范圍，防止溶浸液外泄，不會引起大范圍的污染。

4.3 煤、鈾資源開發(fā)相互影響關(guān)系

黃陵礦區(qū)煤、鈾兩種資源在同一區(qū)域同時產(chǎn)出，在空間位置上關(guān)系密切。通過上面分析，煤、鈾兩種礦產(chǎn)資源的開采均對環(huán)境造成一定的影響，那么，不論那種礦產(chǎn)先行開采必對另外一種資源開采造成影響，現(xiàn)將煤、鈾資源開發(fā)相互影響關(guān)系進(jìn)行討論。

4.3.1 煤礦先開采對鈾礦利用及環(huán)境的主要影響

(1)采煤過程會形成大范圍的采空區(qū)，最終引發(fā)采空區(qū)上部地層的塌落，以及巖層移動帶的地面變形，破壞地層結(jié)構(gòu)。黃陵礦區(qū)鈾礦礦體位于煤層之上，由于煤礦采空區(qū)的塌陷，鈾礦層必然遭到破壞，最終導(dǎo)致鈾礦資源成為不能開采的呆礦。

(2)煤礦開采長期抽排地下水，這樣不僅造成煤層直接充水含水層的疏干和地下水位的下降，局部地段有可能擴(kuò)展至上部中侏羅統(tǒng)直羅組下段含水層(含鈾礦含水層)中的地下水疏干，造成地下水系統(tǒng)的破壞， 破壞了地浸開采的基本水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，使鈾礦資源因無法開采而被浪費(fèi)。

(3)煤礦開采過程中形成導(dǎo)水裂隙不僅使直羅組下段承壓含礦含水層地下水系統(tǒng)遭到破壞，同進(jìn)有可能溝通上部潛水含水層，這樣，上部富含氧氣的氧化地下潛水進(jìn)入到含鈾礦含水層中。由于氧氣的加入，原本處于還原環(huán)境下的鈾礦層的水化學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生變化，鈾礦石中的鈾元素在氧化作用下再次活化，隨地下水疏干排泄而遷移，發(fā)生放射性污染，危害環(huán)境安全。

4.3.2 鈾礦先開采對煤礦利用及環(huán)境的影響

(1)鈾礦地浸開采僅僅采用鉆孔工程進(jìn)行采礦，且對含礦含水層的上下底板進(jìn)行封堵，不會形成地下采空區(qū)，不破壞地下巖層結(jié)構(gòu)，沒有礦渣堆放等問題，基本上對煤礦的開采技術(shù)條件不會產(chǎn)生影響。

(2)雖然地浸開采鈾礦對地下水會造成污染，但其污染一般可控制在一定的范圍內(nèi)。地浸開采污染只發(fā)生直羅組下段承壓含礦含水層中，且在生產(chǎn)設(shè)計中，抽液量大于注液量，使在采區(qū)內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)，可有效控制溶浸的范圍，防止溶浸液外泄，污染周圍地下水環(huán)境。

(3)整個地浸開采的工藝流程中不產(chǎn)生任何尾礦， 對礦山及周邊環(huán)境基本不產(chǎn)生放射性污染。

(4)鈾礦開采完后可繼續(xù)開采煤礦并不會影響采煤工作。

5 結(jié)語

通地對黃陵地區(qū)水文地質(zhì)條件陳述以及對區(qū)內(nèi)煤、鈾資源開發(fā)相互影響關(guān)系進(jìn)行分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)黃陵地區(qū)煤、鈾礦水文地質(zhì)勘探類型為以裂隙、孔隙含水層充水為主的水文地質(zhì)條件簡單的礦床。

(2)黃陵地區(qū)砂巖型鈾礦床原地地浸采鈾的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件基本適宜。

(3)在部分地段優(yōu)先開采煤礦，可對鈾礦層及其可地浸的水文地質(zhì)條件造成破壞，最終導(dǎo)致鈾資源浪費(fèi)和放射性環(huán)境污染。

(4)在黃陵地區(qū)煤、鈾共同賦存的地段，盡量優(yōu)先開采鈾礦；或先進(jìn)行煤、鈾開發(fā)影響評價，根據(jù)評價結(jié)果，在煤的開采對鈾礦開采不造成影響的地區(qū)，可優(yōu)先開采煤炭資源。

[1]何進(jìn)軍，梁秋利，等.陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田黃陵礦區(qū)二號井田勘探地質(zhì)報告[R].陜西省煤田地質(zhì)局一九四隊.2004.

[2]姚益軒，劉乃忠，霍建黨，等.砂巖鈾礦床原地浸出開采條件評價[J].鈾礦治.2002(04)：169-175.

[3]郭三民.某砂巖型鈾礦床原地浸出采礦的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件可行性探討[J].鈾礦地質(zhì).1991(5)：279-284+306.