范立民，遲寶鎖，王宏科，馬雄德，焦養(yǎng)泉，孫 魁，苗彥平，王建文，胡 儉，馬萬超

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 211116；2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站 自然資源部礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；4.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；5.中國地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，湖北，武漢 430074；6.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)公司，陜西 神木 719300；7.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300；8.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

2021年鄂爾多斯盆地原煤產(chǎn)量約28億t，占全國的72%左右，盆地北部的陜北侏羅紀(jì)煤田，2021年原煤產(chǎn)量6.99億t，占我國原煤產(chǎn)量的17.17%，其安全、智能、綠色開采對(duì)于國家能源安全具有重要意義。煤礦水害是盆地內(nèi)的主要礦井災(zāi)害，盆地北部以頂板水害為主，尤其是侏羅紀(jì)煤田的開采礦井，頂板水害防控是防治水的最重要任務(wù)[1]。

由于侏羅系為一套砂巖、泥巖不等互層，且在蒙陜邊界以西被白堊系覆蓋，地層埋藏深，基本無現(xiàn)代大氣降水和地表水補(bǔ)給的可能，因此被認(rèn)為儲(chǔ)水量不大，富水性弱，水質(zhì)差，屬非徑流型含水層。以往水文地質(zhì)研究，一般將包括直羅組在內(nèi)的侏羅系當(dāng)作白堊系含水系統(tǒng)的隔水底板，很少述及直羅組地下水賦存規(guī)律，研究程度較低。

鑒于直羅組具有辮狀河成因，砂體規(guī)模大、連通性好，是油氣、鈾等能源礦產(chǎn)的重要運(yùn)移通道和儲(chǔ)集空間。自2001年起，核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)部門開始關(guān)注鄂爾多斯盆地東北部直羅組。這一時(shí)期的研究成果集中反映了直羅組沉積體系及鈾成礦規(guī)模等。

燕山運(yùn)動(dòng)使鄂爾多斯盆地整體抬升，地層暴露剝蝕，河流強(qiáng)烈侵蝕下切，在局部地區(qū)沖刷剝蝕延安組1-2,2-2煤層，使直羅組底部巨厚砂體與延安組煤層之間的距離縮短，直羅組構(gòu)成下伏煤層開采過程中的充水含水層。如榆神礦區(qū)東部的錦界煤礦投產(chǎn)后，涌水量曾達(dá)到5 499 m3/h，10余年來一直維持在5 000 m3/h左右，其充水水源為直羅組和薩拉烏蘇組含水層[2]。因此，直至2010年以后，直羅組水害問題逐漸受到重視。

根據(jù)榆神礦區(qū)東部—神府礦區(qū)西部錦界煤礦、檸條塔煤礦南翼等礦井的多年涌水量觀測資料，這些礦井具有涌水量大，且持續(xù)穩(wěn)定的特點(diǎn)，這不僅增加了礦井的排水、水處理成本，而且增加了礦井安全隱患，成為煤礦企業(yè)的一塊“心病”，如果不從根本上治理，勢必會(huì)影響到區(qū)內(nèi)脆弱的生態(tài)環(huán)境以及礦工的生命安全。因此，系統(tǒng)研究揭示鄂爾多斯盆地北部直羅組含水層的持續(xù)涌水機(jī)理和防控技術(shù)，不僅是煤礦安全生產(chǎn)的迫切需求，更是黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求。

筆者以鄂爾多斯盆地北部直羅組為研究對(duì)象，闡述了直羅組下段古河道含水層空間賦存、與煤層的空間關(guān)系、充當(dāng)主要水源的礦井涌水特點(diǎn)以及直羅組地下水的賦存和運(yùn)移規(guī)律，總結(jié)了直羅組含水層水害防治存在的問題及研究展望，以期為直羅組含水系統(tǒng)的水資源保護(hù)以及區(qū)內(nèi)煤礦水害防控提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 直羅組空間賦存特征

1.1 地層垂向結(jié)構(gòu)

鄂爾多斯盆地北部存在4個(gè)區(qū)域不整合界面(J1f/T3y，J2y/J1f，J2z/J2y，K1/J2+3)和4個(gè)區(qū)域性的標(biāo)志層(延安組含煤巖系、直羅組底部大套砂體、直羅組中部大套雜色泥巖、白堊下統(tǒng)洛河組大套紅色砂巖)。據(jù)此可將區(qū)內(nèi)鉆遇地層劃分為富縣組(SQJ1f)、延安組(SQJ2y)、直羅組(SQJ2z)和安定組(SQJ2a)4個(gè)層序地層單元。

陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局對(duì)直羅組的描述是“以塊狀長石砂巖與雜色泥巖、粉砂巖為主的粗粒碎屑巖組合，以富含砂巖為特征。下以一層塊狀中、粗粒長石砂巖的出現(xiàn)與延安組形成平行不整合分界，上以一層灰綠色泥巖夾砂質(zhì)長石砂巖結(jié)束與安定組整合接觸”[3]。

近20 a來，部分學(xué)者研究了直羅組的物質(zhì)組成和沉積演化。劉池洋等[4]對(duì)鄂爾多斯盆地多種能源同盆共存的研究，闡述了直羅組砂巖型鈾礦的形成，對(duì)直羅組進(jìn)行了深入研究。雷開宇等[5]、張龍等[6]研究了直羅組沉積的物源。焦養(yǎng)泉等[7-8]研究了直羅組的沉積演化與成煤規(guī)律，對(duì)直羅組的物質(zhì)組成、形成演化、砂體成因與煤聚集等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為研究直羅組含水層奠定了基礎(chǔ)。

直羅組下部為一套半干旱氣候條件下的河流相沉積，由于直羅組底部砂體規(guī)模較大，所以更多的地方表現(xiàn)為區(qū)域沖刷面。直羅組下部為粗碎屑巖段，巖性以灰色、灰綠色含礫砂巖和粗粒砂巖為主，局部夾泥巖和煤線；直羅組中部為細(xì)碎屑巖段，其下部發(fā)育灰色、灰綠色泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖等；上部多為磚紅色、棕紅色泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖等。區(qū)域分布的泥巖是劃分直羅組下段與中段的重要標(biāo)志層，其界線位于泥巖的底部。這預(yù)示著該時(shí)期存在較大規(guī)模的湖泊擴(kuò)張事件，該湖泛面可以標(biāo)定為直羅組中段和下段的界線(圖1)。

1.2 直羅組平面分布

直羅組的研究主要集中于20世紀(jì)80年代以后。1982年12月陜西省一八五煤田地質(zhì)勘探隊(duì)提交了《陜北侏羅紀(jì)煤田榆(林)神(木)府(谷)區(qū)普查找煤地質(zhì)報(bào)告》，利用部分鉆孔數(shù)據(jù)圈定了直羅組厚度范圍，這是第1次在煤炭地質(zhì)成果中研究直羅組，并在1987年完成、1989年出版的專著中公開發(fā)表[10]。錢麗君等[11]在研究陜北侏羅紀(jì)煤田古植物演化過程中，引用了陜西省一八五煤田地質(zhì)勘探隊(duì)的編圖成果，在其專著中展示了直羅組分布范圍。隨著煤田勘探程度的提高，部分井田勘探報(bào)告中編繪有直羅組厚度等值線圖，但區(qū)域上的范圍分布不清。張泓等[12]在研究西北侏羅紀(jì)含煤盆地的過程中，認(rèn)為直羅組下段是粗粒砂巖沉積物。對(duì)直羅組物質(zhì)組成、沉積體系和成礦作用進(jìn)行系統(tǒng)研究，主要集中于近20 a來砂巖型鈾礦研究領(lǐng)域。趙俊峰等[13]研究盆地多種能源同盆地共存時(shí)，編繪了鄂爾多斯盆地直羅組厚度等值線，但由于數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，只能在區(qū)域上展示直羅組的厚度變化規(guī)律。焦養(yǎng)泉等在研究鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦時(shí)，利用大量數(shù)據(jù)編繪了直羅組厚度變化趨勢圖(圖2)[14]，較好地反映了盆地內(nèi)直羅組厚度變化趨勢和沉積體系。

圖1 孫家梁地區(qū)直羅組地層結(jié)構(gòu)剖面[9]Fig. 1 Sstratigraphic structure section of Zhiluo Formation in Sunjialiang area[9]

圖2 鄂爾多斯盆地直羅組厚度變化趨勢[14]Fig. 2 Thickness variation trend of Zhiluo Formation in Ordos Basin[14]

2019年筆者團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了榆神北區(qū)—神府南區(qū)(3 798 km2)直羅組古河道砂巖含水層的物質(zhì)組成、沉積演化及其與礦井涌水量的關(guān)系，利用2 897個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)和部分地震勘探資料、采掘工程揭露數(shù)據(jù)，編繪了直羅組下段砂體厚度等值線(圖3)。這一研究表明，直羅組沉積時(shí)期，存在1條NW—SE向的古河道，形成了規(guī)模巨大的河流-三角洲充填沉積砂體(含水層)。

2 直羅組古河道砂體與延安組煤層空間關(guān)系

直羅組沉積范圍廣，沉積厚度大，沉積過程中對(duì)下伏地層有多期次的剝蝕、沖刷，使直羅組與煤層的空間關(guān)系極為復(fù)雜。

2.1 煤層沖刷情況

由圖4(a)可知，從北西方向Ys16鉆孔至ZK11-1鉆孔直羅組下段砂體與2-1煤層頂板或2-1煤層直接接觸，且2-1煤層沿此方向變薄逐漸尖滅。可知延安組第5單元被直羅組河道砂體沖刷，1號(hào)煤層被河道砂體完全剝蝕。2-1煤層從北西方向至南東方向逐漸被沖刷，自鉆孔SJ-06處向南西方向完全被剝蝕掉。從SJ-06鉆孔至J212鉆孔部分，直羅組下段河道砂體直接和延安組第4單元相接，下伏煤層為3-1煤層，故而判斷1號(hào)煤層與2號(hào)煤層全部被河道砂體沖刷(圖4(a))。

由圖4(b)可知，從R17-8鉆孔至R15-9鉆孔直羅組下段砂體與延安組第5單元接觸，1-2煤層逐漸尖滅。鉆孔R(shí)15-9至鉆孔ZK9-1區(qū)域以及鉆孔SJ-08至鉆孔28區(qū)域的直羅組砂體直接接觸的下伏地層中的煤層為2-2煤層，故而判斷延安組第5單元中的1號(hào)煤層被河道砂體沖刷，且2-2煤層在鉆孔ZK9-1以及鉆孔28右側(cè)被上層砂巖完全沖刷。鉆孔ZK9-1至鉆孔SJ-08部分直羅組下段與延安組第4單元相接，延安組四段先變薄再尖滅再出現(xiàn)變厚，僅在鉆孔ZK9-1，SJ-08附近可見2-2號(hào)煤層，故而延安組五段及其中1號(hào)煤層被完全沖刷，2-2號(hào)煤層在該區(qū)域絕大部分被沖刷，局部波及至3-1煤層。鉆孔28～296范圍內(nèi)直羅組河道砂體與延安組第5單元接觸，接觸位置為1-1煤頂板或1-2煤(圖4(b))。

以上分析表明，延安組遭受了直羅組古河道砂體沖刷，使延安組1-2煤、2-2煤和3-1煤在不同地區(qū)缺失。整體上，對(duì)延安組第5段沖刷作用最為強(qiáng)烈，第4段次之，僅有個(gè)別鉆孔可見對(duì)第3段的沖刷作用。

圖3 榆神北區(qū)—神府南區(qū)直羅組下段砂體厚度等值線Fig.3 Contour of sand body thickness in the lower member of Zhiluo Formation in Yushen North Shenfu south area

2.2 延安組煤層與直羅組底部砂體的接觸關(guān)系

在窟野河流域，直羅組沖刷了延安組第4段、第5段，部分地段沖刷到2-2煤層，但多數(shù)沖刷了1-1,1-2煤層，局部地段直羅組與煤層直接接觸。在禿尾河流域，直羅組沖刷到2-2煤層，在錦界、紅柳林煤礦西部一帶，直羅組下段砂巖含水層與2-2煤層直接接觸(圖5)。

3 直羅組含水層為水源的礦井涌水特點(diǎn)

近年來，部分學(xué)者圍繞鄂爾多斯盆地北部的錦界、檸條塔、門克慶等煤礦開展了研究。楊鵬等[15]研究了直羅組砂巖孔隙結(jié)構(gòu)類型及富水性。馮潔等[16]、楊建等[17]分析了侏羅系沉積控水規(guī)律與沉積控水模式。陳安清等[18]、薛銳等[19]分析了直羅組砂體儲(chǔ)集特征及聚砂成藏模式。趙華雷等[20]研究了直羅組砂巖的黏土礦物特征。李志偉等[21]分析了內(nèi)蒙古門克慶井田水文地質(zhì)條件對(duì)礦井開采順序的影響。劉基等[22]分析了紅慶河煤礦煤層頂板含水層沉積規(guī)律。姬中奎[23]分析了檸條塔礦S1210工作面突水條件。筆者團(tuán)隊(duì)[14]分析并建立了鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)含煤巖系地下水系統(tǒng)關(guān)鍵要素與格架模型，探討了直羅組地下水系統(tǒng)及其與煤礦開采的關(guān)系。以上研究，系統(tǒng)分析了直羅組含水層作為主要涌水水源的礦井涌水特征，總結(jié)發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)直羅組含水層充當(dāng)水源的礦井涌水具有以下特點(diǎn)。

3.1 涌水量大且持續(xù)時(shí)間長

以錦界煤礦為例，該礦2006年投產(chǎn)以來，直羅組含水層一直是礦井涌水的主要來源。2011年礦井涌水量曾達(dá)到5 499 m3/h，2019年以來有繼續(xù)增大的趨勢(圖6)。如此大的礦井涌水量，是基于提前疏放部分地下水的條件下產(chǎn)生的，如果沒有提前疏放，礦井涌水量將更大。

2011-05-30檸條塔煤礦南翼首采工作面S1210出現(xiàn)較大規(guī)模涌水，最大涌水量達(dá)到1 300 m3/h，迫使S1210工作面停產(chǎn)。2017年5月，紅柳林煤礦2號(hào)進(jìn)風(fēng)斜井掘進(jìn)至風(fēng)化基巖段時(shí)巷道涌水，最大涌水量超過700 m3/h。一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了認(rèn)真分析，認(rèn)為檸條塔煤礦、紅柳林煤礦礦井涌水量始終維持在較高的水平上，與該區(qū)域NW—SE向分布的直羅組古河道沖刷帶密切相關(guān)，涌水量監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，直羅組含水層具有長期、持續(xù)、穩(wěn)定形成礦井涌水量的“供水”能力。

通過陜北侏羅紀(jì)煤田生產(chǎn)礦井涌水量調(diào)查和統(tǒng)計(jì)可知，礦井涌水量大于1 000 m3/h的礦井條帶狀分布于禿尾河沿岸和榆溪河流域的直羅組地下水排泄邊界處(圖7)，這些區(qū)域煤層埋藏較淺，且受直羅組底部河道砂體的沖刷作用，直羅組含水層與煤層直接接觸或短距離間隔，是礦井的直接充水水源，富水性以弱～中等為主，局部存在強(qiáng)富水區(qū)域，造成礦井涌水量較大。

3.2 水位變幅小且穩(wěn)定“供水”能力強(qiáng)

2012年檸條塔煤礦南翼涌水量約為300 m3/h。從2013—2018年，檸條塔煤礦南翼在采取超前探放、強(qiáng)疏強(qiáng)排的情況下，礦井涌水量依然逐步增至1 000 m3/h以上，但根據(jù)水文長觀孔監(jiān)測數(shù)據(jù)，南翼地下水流場基本形態(tài)未發(fā)生較大變化，最高水位均為+1 295 m。由此表明，長期大量排水的情況下，排水量和直羅組的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量基本持平。另根據(jù)榆神北區(qū)—神府南區(qū)12個(gè)直羅組地下水位監(jiān)測資料，2019年至今直羅組含水層水位變幅只有0.8 m。由此可見，直羅組含水層局部富水性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量大，持續(xù)“供水”能力強(qiáng)，而且具有很強(qiáng)的隱蔽性，是礦井防治水工作面臨的一大難題。

圖6 錦界煤礦礦井涌水量歷時(shí)曲線[2]Fig.6 Water inflow duration curves of Jinjie Coal Mine[2]

4 直羅組地下水賦存特征與運(yùn)移規(guī)律

4.1 直羅組宏觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)地下水賦存的控制

直羅組含(隔)水層宏觀結(jié)構(gòu)特征可以用地層厚度、含水巖組厚度、砂地比、隔水巖組厚度及層數(shù)等參數(shù)進(jìn)行表征，這些參數(shù)指標(biāo)從宏觀上控制著儲(chǔ)水空間的發(fā)育程度，進(jìn)而控制著地下水的賦存條件。本文以鉆孔抽水試驗(yàn)所獲取的單位涌水量(q)作為地下水賦存能力的表征指標(biāo)，分析其富水性的控制要素。

筆者團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)[24]，直羅組下段砂巖厚度、砂地比與富水性之間呈現(xiàn)出強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，而隔水巖組厚度與富水性之間呈現(xiàn)出強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系。其他因素與富水性之間的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均小于0.5，說明他們與富水性之間弱相關(guān)。由此看來，砂體的規(guī)模和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是控制砂體富水性的關(guān)鍵要素，砂體厚度越大，砂地比越大，隔水巖組厚度越小，則砂體規(guī)模越大，砂體內(nèi)部的側(cè)向、垂向連通性越強(qiáng)，宏觀非均質(zhì)性越弱，地下水的儲(chǔ)存空間越大，富水性越強(qiáng)。

4.2 直羅組微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)地下水賦存的控制

直羅組古河道砂體的孔隙結(jié)構(gòu)代表了其微觀層面的儲(chǔ)水空間特征，微觀孔隙結(jié)構(gòu)可以通過孔隙度和滲透率來表征。直羅組下段以粗、中粒砂巖為主，砂巖側(cè)向延伸相比中上段較穩(wěn)定?？傮w來看，直羅組下段砂巖礦物成分以石英為主，長石和巖屑次之，填隙物含量中偏少，巖石類型屬于巖屑長石砂巖和長石巖屑石英砂巖?？紫额愋椭饕粤ｉg和粒間改造孔隙為主，面孔率主要集中在5%～15%，最高達(dá)20.0%，孔隙配位數(shù)多大于2，巖石中的裂隙罕見。實(shí)測砂巖孔隙度分布為2.00%～29.52%，平均為20.66%。實(shí)測砂巖滲透率分布范圍為0.016×10-15～2 156.52×>10-15m2。從油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)來看，直羅組下段古河道砂體整體屬于中高孔中高滲的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層，為多孔介質(zhì)中地下水的高滲透流體流動(dòng)單元的形成創(chuàng)造了良好物質(zhì)條件(圖8)。

圖7 陜北侏羅紀(jì)煤田礦井涌水量級(jí)別分布Fig.7 Distribution of water inflow level of Jurassic coalfield in Northern Shaanxi

通過對(duì)直羅組下段粗粒砂巖和中粒砂巖的巖石學(xué)孔滲特征進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直羅組下段粗粒砂巖厚度約占直羅組下段厚度的50%，巖石密度1.98～2.20 g/m3，孔隙度18.93%～27.84%，巖石滲透率11.91×10-15～851.36×10-15m2，滲透系數(shù)0.000 6～0.074 6 m/d，孔隙結(jié)構(gòu)類型以溶蝕孔-粒間孔為主，滲透性整體好，整體屬于承壓中等透水孔隙含水巖組。直羅組下段中粒砂巖厚度約占直羅組下段厚度的45%，巖石密度1.94～2.04 g/m3，孔隙度7.61%～29.52%，巖石滲透率2.00×10-15～2 156.52×10-15m2，滲透系數(shù)0.000 11～0.159 12 m/d，整體滲透性好，整體屬于承壓中等透水孔隙含水巖組(圖9)。

4.3 直羅組含水層的運(yùn)移轉(zhuǎn)化特征

榆神北區(qū)—神府南區(qū)直羅組地下水的氫氧同位素、地下水化學(xué)離子含量以及區(qū)域地下水水化學(xué)特征具有相同的指向特征，即直羅組和薩拉烏蘇組地下水主要來源于大氣降水的補(bǔ)給，但直羅組地下水為“古水”，薩拉烏蘇地下水為現(xiàn)代水。研究區(qū)西部安定組覆蓋區(qū)，直羅組地下水氫氧同位素特征、水化學(xué)類型與洛河組和薩拉烏蘇組地下水差異極大，說明直羅組與上部洛河組以及第四系薩拉烏蘇組地下水之間基本不存在水力聯(lián)系，主要接受側(cè)向的緩慢補(bǔ)給，地下水流場較為平緩，水力坡度較小，補(bǔ)給條件較差，主要以靜儲(chǔ)量為主。而研究區(qū)東部直羅組基巖風(fēng)化區(qū)，風(fēng)化基巖地下水氫氧同位素特征、水化學(xué)類型與第四系薩拉烏蘇組地下水較為接近，說明直羅組風(fēng)化基巖與上部第四系薩拉烏蘇組地下水發(fā)生了較為強(qiáng)烈的水力交換，補(bǔ)給條件較好，以側(cè)向補(bǔ)給和上部含水層的垂向補(bǔ)給為主，地下水儲(chǔ)存形式以動(dòng)儲(chǔ)量為主。

總體來看，天然條件下直羅組地下水補(bǔ)給不暢，流速緩慢，多處于非徑流或緩慢徑流狀態(tài)。直羅組淺埋或露頭區(qū)，河網(wǎng)侵蝕基準(zhǔn)面以上，一般由高至低轉(zhuǎn)化為潛水排泄于河谷中，侵蝕基準(zhǔn)面以下，徑流順地勢由西北向東南排泄，或透過天窗補(bǔ)給上覆含水層。如在考考烏素溝、肯鐵嶺溝等直羅組零星出露區(qū)，以泉的形式直接排泄；在直羅組深埋區(qū)，根據(jù)地層空間結(jié)構(gòu)的不同，直羅組含水層與相鄰含水層之間產(chǎn)生水力聯(lián)系，可間接排泄，如頂托補(bǔ)給薩拉烏蘇組含水層、越流補(bǔ)給延安組含水層和通過燒變巖間接排泄等。煤層采動(dòng)條件下，直羅組地下水直接或間接涌入礦坑，地下水徑流速度加快。

5 直羅組含水層水害防治問題及展望

(1)加強(qiáng)直羅組沉積體系控水機(jī)理研究。鄂爾多斯盆地北部直羅組河流相沉積的認(rèn)識(shí)已得到了業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可。丁湘等[25]研究了直羅組沉積控水規(guī)律。楊建等[26]認(rèn)為地形地貌和地質(zhì)沉積是控制鄂爾多斯盆地北部直羅組直接充水含水層富水性和工作面涌水量的關(guān)鍵要素。馮潔等[16]研究了陜北侏羅系沉積控水機(jī)理，劃分沉積控水模式。以上研究取得的成果和認(rèn)識(shí)促進(jìn)了沉積控水理論的發(fā)展，但對(duì)直羅組而言，尚有一些問題需要進(jìn)一步深入探討。就水文地質(zhì)學(xué)和礦井水害防治而言，其關(guān)注點(diǎn)主要集中在具有一定規(guī)模且具有良好的地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移能力的河道砂體。因此，應(yīng)深入挖掘研究區(qū)40 a來所實(shí)施的直羅組鉆孔數(shù)據(jù)，利用沉積學(xué)的手段，精準(zhǔn)圈定具有一定規(guī)模的古河道砂體，對(duì)不同期次古河道砂體的時(shí)間和空間變遷進(jìn)行精細(xì)解剖，揭示沉積環(huán)境對(duì)直羅組宏觀展布和微觀物性時(shí)空演變的控制機(jī)理。

圖8 神府南區(qū)直羅組下段砂巖孔隙度、滲透率變化區(qū)間Fig.8 Variation interval of porosity and permeability of sandstone in the lower member of Zhiluo Formation in Shenfu south area

圖9 直羅組下段粗粒、中粒砂巖孔隙結(jié)構(gòu)Fig.9 Pore structure of coarse grained and medium grained sandstone in the lower member of Zhiluo Formation

(2)深化直羅組含水層水文地質(zhì)條件研究。直羅組是鄂爾多斯盆地北部主要含水層之一。候光才等[27]系統(tǒng)研究了鄂爾多斯盆地地下水系統(tǒng)，識(shí)別出第四系、白堊系和奧陶系3個(gè)大型地下水系統(tǒng)，但未單獨(dú)闡述直羅組地下水系統(tǒng)。魏久傳團(tuán)隊(duì)[28]對(duì)寧東礦區(qū)直羅組含水層富水性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。張保建等[29]將鄂爾多斯盆地侏羅系分為直羅組砂巖與延安組煤層間砂巖兩大含水巖組，其中直羅組砂巖裂隙、孔隙發(fā)育，富水性相對(duì)較強(qiáng)。代革聯(lián)等[30-31]對(duì)包括檸條塔煤礦在內(nèi)的直羅組水文地質(zhì)條件進(jìn)行了研究，初步查明了檸條塔、紅柳林、張家峁井田范圍內(nèi)直羅組水文地質(zhì)條件。以上研究多集中在一個(gè)或多個(gè)礦井，導(dǎo)致直羅組區(qū)域含水系統(tǒng)的劃分不清。一是要建立和完善包括直羅組含水層水位在內(nèi)的區(qū)域煤礦地下水智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[32]，查清直羅組地下水區(qū)域補(bǔ)徑排條件，從區(qū)域上查明直羅組水流系統(tǒng)特征；二是深入挖掘以往實(shí)施的直羅組鉆孔物性測試、測井曲線和抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立直羅組宏觀展布、微觀物性與水文地質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系，揭示直羅組水文地質(zhì)參數(shù)空間分異規(guī)律，細(xì)致劃分直羅組含水層系統(tǒng)。

(3)揭示直羅組含水層對(duì)礦井涌水量的持續(xù)“供水”機(jī)理。通過煤礦開采區(qū)直羅組含水層水文地質(zhì)參數(shù)實(shí)測、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)等，研究采動(dòng)條件下直羅組含水層滲透系數(shù)、單位涌水量等參數(shù)變化規(guī)律，結(jié)合礦井涌水量監(jiān)測數(shù)據(jù)，從時(shí)間角度研究采動(dòng)中的直羅組含水層裂隙發(fā)育、滲透性、地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，從空間角度研究采動(dòng)影響下直羅組含水層徑流變化與礦井涌水量之間的關(guān)系，分析大水礦井形成機(jī)理及其主控因素，揭示直羅組弱富水含水層對(duì)礦井涌水量的持續(xù)“供水”機(jī)理。

(4)研發(fā)直羅組地下水源頭防治水技術(shù)。神府南區(qū)直羅組古河道含水層與下覆可采煤層之間距離近，處于煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍之內(nèi)，目前國內(nèi)外對(duì)于類似條件的煤層頂板水害防治主要采取超前疏放水的技術(shù)方法[2,33]。如錦界煤礦在防治水實(shí)踐中逐步形成了超前疏放、強(qiáng)疏強(qiáng)排的技術(shù)方法體系，采用這種方法，已安全生產(chǎn)了10余年。然而，由于煤層頂板直羅組富水性強(qiáng)，礦井涌水量一直居高不下，現(xiàn)礦井正常涌水量達(dá)5 000 m3/h左右，年排水總量超過3 000萬m3，礦井水排放、處理費(fèi)用高昂。未來開采下部的4-2，5-2煤層時(shí)，若采用同樣的技術(shù)方法，直羅組地下水將逐步下滲進(jìn)入到3-1和4-2煤層采空區(qū)，然后再從4-2或5-2煤層開采水平中排出，排水的揚(yáng)程越來越高，排水費(fèi)用持續(xù)增加，水資源浪費(fèi)也在所難免，并直接影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境。此外，直羅組含水層地下水系統(tǒng)巨大，以內(nèi)蒙古一帶直羅組露頭為補(bǔ)給來源[14]，經(jīng)過長距離徑流，在侏羅紀(jì)煤田東南邊緣一帶轉(zhuǎn)化為地表水或補(bǔ)給給其他含水層，形成新的地下水系統(tǒng)。由于補(bǔ)給來源充沛，在采動(dòng)條件下具有持續(xù)供水的能力，形成大水礦井。采用局部的截、堵、排等方式都難以有效防控。因此，直羅組含水層為突水水源的礦井，防治水難度大。在部分地段，尤其是煤層與直羅組底部距離較近的區(qū)段，極易發(fā)生突水。一旦突水，水源穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間長，突水量大，目前尚未形成成熟的防控技術(shù)，成為煤礦防治水的重大難題。

武強(qiáng)院士團(tuán)隊(duì)[34]提出了從源頭防控直羅組含水層水害的技術(shù)方法。部分學(xué)者就礦井涌水量與直羅組砂巖含水層進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述[35-36]。針對(duì)鄂爾多斯盆地北部榆神北區(qū)—神府南區(qū)直羅組大規(guī)模持續(xù)涌水問題，應(yīng)緊緊抓住直羅組河流相沉積的特點(diǎn)，精準(zhǔn)圈定古河道砂體范圍，查明地下水區(qū)域徑流帶，圈定富水區(qū)，然后根據(jù)井田分布的具體位置開展相應(yīng)的水害防控工作。位于地下水強(qiáng)徑流帶的單個(gè)或連片礦井，地下水持續(xù)補(bǔ)給性強(qiáng)，可采取以“堵”為主、以“疏”為輔的防控措施，盡可能地切斷地下水持續(xù)徑流通道，從源頭上消除礦井水害隱患。對(duì)于局部富水性強(qiáng)、以靜儲(chǔ)量為主的礦井，采取以“疏”為主的防控措施，消除礦井水害隱患[37]。

5.5 探索直羅組含水系統(tǒng)的供水及生態(tài)價(jià)值

以往對(duì)于地下水與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的研究，主要是揭示了毛烏素沙漠地帶典型植被與潛水位埋深的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了小葉楊、沙柳、沙蒿、旱柳等植被對(duì)地下水的依賴性，但很少涉及侏羅系含水層地下水與植被關(guān)系的研究[38]。榆神北區(qū)—神府南區(qū)受第四紀(jì)古河槽沖刷強(qiáng)烈，存在大面積的土層缺失區(qū)，在這些區(qū)域直羅組與第四系薩拉烏蘇組直接接觸，并存在較為緊密的補(bǔ)排關(guān)系，直羅組地下水水位的升降對(duì)第四系薩拉烏蘇組水位存在一定影響。因此，進(jìn)一步分析直羅組與薩拉烏蘇組含水層之間的水位變化關(guān)系，從而揭示直羅組含水系統(tǒng)的供水及生態(tài)價(jià)值，也是亟待解決的科學(xué)難題。

6 結(jié) 論

(1)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-三角洲沉積，砂體規(guī)模較大，與下伏延安組沖刷結(jié)構(gòu)明顯。平面上廣泛分布于鄂爾多斯盆地北部，榆神北區(qū)—神府南區(qū)直羅組沉積時(shí)期，存在1條NW—SE向的古河道，形成了規(guī)模巨大的河道充填沉積砂體。直羅組古河道砂體對(duì)延安組沖刷強(qiáng)烈，使延安組1-2煤、2-2煤和3-1煤在不同地區(qū)缺失。整體上，延安組第5段沖刷作用最為強(qiáng)烈，第4段次之，僅有個(gè)別鉆孔可見對(duì)第3段的沖刷作用。

(2)直羅組含水層為水源的礦井涌水具有涌水量大且持續(xù)時(shí)間長、水位變幅小且穩(wěn)定“供水”能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且具有很強(qiáng)的隱蔽性，是礦井防治水工作面臨的一大難題。

(3)直羅組下段砂巖厚度、砂地比、隔水巖組厚度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良好的地下水微觀儲(chǔ)存空間。西部安定組覆蓋區(qū)，直羅組與上部洛河組以及第四系薩拉烏蘇組地下水之間基本不存在水力聯(lián)系，主要接受側(cè)向的緩慢補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較差，主要以靜儲(chǔ)量為主。而東部基巖風(fēng)化區(qū)，直羅組與上部第四系薩拉烏蘇組地下水發(fā)生了較為強(qiáng)烈的水力交換，補(bǔ)給條件較好，以側(cè)向補(bǔ)給和上部含水層的垂向補(bǔ)給為主，地下水徑流速度加快，交替頻繁，以動(dòng)儲(chǔ)量為主。

(4)針對(duì)鄂爾多斯盆地北部直羅組含水層及其水害防控問題，應(yīng)從加強(qiáng)直羅組沉積體系控水機(jī)理研究、深化直羅組含水層水文地質(zhì)條件研究、揭示直羅組含水層對(duì)礦井涌水量的持續(xù)“供水”機(jī)理、研發(fā)直羅組地下水源頭防治水技術(shù)、探索直羅組含水系統(tǒng)的供水及生態(tài)價(jià)值等方面開展深入研究。

致謝研究過程中得到了陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司及所屬煤礦、陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司等單位專家的大力支持與幫助，特此致謝！