煤炭开发地质环境状况及其对能源开发的影响研究
一、煤炭赋存的地质环境状况
1.地质概况
地质学中的鄂尔多斯盆地是指中朝板块西部连片分布中生界(特别是二叠系和侏罗系)的广阔范围。长期以来，地质工作者把它看作是一个独立的、自成体系的中生代沉积盆地。本书所研究的鄂尔多斯能源基地的范围与地质学中的鄂尔多斯盆地范围基本一致，大致在北纬34°～41°20'，东经105°30'～111°30'。具体的地理边界为东起吕梁山，西抵桌子山、贺兰山、六盘山一线。南到秦岭北坡，北达阴山南麓，跨陕西、甘肃、宁夏、内蒙古、山西5省(区)。面积约40万km2。
鄂尔多斯盆地是一个不稳定的克拉通内部盆地，盆地基底形成后，在其后的盖层发展演化过程中，先后经历了坳拉槽—克拉通坳陷(内部和周边)—板内多旋回的陆相盆地及其前渊—周边断陷等盆地原型的多次演化，现在的鄂尔多斯盆地是上述若干个盆地原型的叠加(孙肇才等，1990)。从中生界开始，基底地层对于盖层的影响就已经很不明显，并且表层褶皱在盆地内部也极不发育。所以盆地内中生界以上的地层产状大都比较平缓，断裂和裂隙比较少。
鄂尔多斯盆地的基底岩系分为两类，一类是由变粒岩岩相(麻粒岩、浅粒岩、混合花岗岩及片麻状花岗岩等)组成的太古宇另一类是由绿岩岩相组成为主(绿片岩、千枚岩、大理岩和变质伪火山岩)的中古元古界。基底岩系之上的沉积盖层年代自中元古界至第三系(古、新近系)，累积最大厚度超过10000m。其中，中古元古代在全盆地范围内沉积了厚达1500m的长城系石英砂岩和蓟县系合叠层石的硅质灰岩。早古生代在盆地中部沉积了400～700m的碳酸岩海相沉积，在南缘和西缘同期沉积达4500m。晚石炭至早二叠世早期，在本区形成了一个统一的以煤系地层为特征的滨海相沉积，沉积厚度为150～530m。晚三叠世盆地范围内部形成内陆差异沉降盆地，包括了5个明显的陆相碎屑岩沉积旋回，即晚三叠世延长组，早中侏罗世延安组、中侏罗世直罗-安定组、早白垩世志丹群下部及上部(孙肇才，1990)。早白垩世末期的燕山中期运动，导致本区同中国东部滨太平洋区一起，在晚白垩世至第三纪(古、新近系)期间，作为一个统一的受力单元，在开阔褶皱基础上发生大面积垂直隆起。就在这个隆起背景上，形成了环鄂尔多斯中生代盆地的以汾、渭、银川和河套为代表的新生代地堑系，并在其中沉积了厚达数千米至万米的以新第三系(新近系)为主的地堑型沉积。而盆地中心部位的晚白垩世至第三纪(古、新近纪)地层大面积缺失。
第四纪以来，鄂尔多斯盆地中南部大部分地区沉积了大厚度的黄土而其北部却由于隆起剥蚀而没有黄土沉积。
鄂尔多斯盆地南部大部分为黄土高原。黄土高原的地形外貌在很大程度上受古地貌的控制。基底平坦而未受流水切割的部分为黄土塬，而受到较强侵蚀的塬地则变为破碎塬。在陕北的南部和甘肃陇东地区的塬地保存较完好，如著名的洛川塬和董志塬。在流水和重力作用下，黄土地层连同基底遭到严重切割的地貌成为黄土梁和峁。另外，由于流水侵蚀还可形成狭窄的黄土冲沟和宽浅的黄土涧地，使梁峁起伏，沟壑纵横，地形支离破碎，是人为活动频繁、植被破坏与水土流失最为严重的地区。
鄂尔多斯北部隆起的高平原地区由于气候干旱，长期受风力侵蚀，形成众多的新月形流动沙丘和半固定、固定沙地。北部有库布齐沙漠，南部有毛乌素沙地，东部为黄土丘陵。库布齐沙漠为延伸在黄河南岸的东西带状沙漠，大部分流动和半流动沙丘边沿水分较好。毛乌素沙地多为固定和半固定沙丘，水分条件较好，形成了沙丘间灌草地。
2.煤炭赋存的地质环境
鄂尔多斯盆地煤炭资源丰富，已探明储量近4000亿t，占全国总储量的39%。含煤地层包括石炭系、二叠系、三叠系和中下侏罗统的延安组。
(1)侏罗纪煤田
含煤岩系为下中侏罗统的延安组，由砂、泥岩类及煤层组成，其中泥岩、粉砂岩约占70%左右，透水性弱，其上覆直罗组、下伏富县组均为弱透水岩层。侏罗纪地层中地下水的补给、径流条件差，以风化裂隙为主，构造裂隙不很发育，风化带深度约40～60m，风化带以下岩层的富水性很快衰减。矿井涌水量在一定深度后不仅不再随开采深度的增加而增大，而且会减少，风化带以下地下水径流滞缓，水质很差，矿化度高。矿床水文地质类型一般属水文地质条件简单的裂隙充水型。但在有第四系松散砂层(萨拉乌苏组)广泛分布及烧变岩分布区，水文地质条件往往变得比较复杂，特别在开采浅部煤层时、可能形成比较严重的水文地质和地质环境问题。按照矿井充水强度及水文地质条件的差异，可将侏罗纪煤田划分为4个水文地质分区:①黄土高原梁峁区。主要分布于盆地北部。区内地形切割强烈，上部无松散岩层覆盖或砂层巢零星分布，降水量少而集中，不利于地下水的补给与汇集，岩层富水微弱，矿床充水以大气降水为主，矿井涌水量很小，矿床水文地质条件简单。②烧变岩分布区。沿主要煤层走向呈带状分布，深度一般在60m以浅，宽度受煤层层数、间距、倾角、地形等因素控制。岩层空隙发育，透水性能好，其富水性取决于补给面积和含水层被沟谷切割程度，当分布面积较大或上覆有较广泛的第四纪砂层时，富水性较强，对浅部煤层开采有影响，也常是当地重要的供水水源。③第四系砂层覆盖区。砂层出露于地面且广泛覆盖于煤系之上，厚度数米至数十米，甚至更厚。区内大气降水虽然较少，但砂层的入渗条件很好，可以在大范围内获得大气降水的就近渗入补给，然后汇集到砂层厚度较大且古地形低洼处，以泉或蒸发的形式排泄，在矿井开采浅部煤层时常是最主要的充水水源，可能出现涌水、涌砂问题。该区浅部煤层开采矿床水文地质条件中等至复杂居多。砂层水和烧变岩水往往有密切的水力联系，赋存有宝贵的水资源，但不适当的采煤和采水都可以导致大面积补给区的破坏和水质的污染及生态环境的恶化。因此，在煤田开发中应将采煤、保水和生态环境的保护作为一项系统工程统一规划。④一般地区。不用上述3个水文地质分区的其他地区。该区煤系地层地下水的补给条件不好，含水微弱，矿床水文地质条件属简单，少数中等，矿井涌水量多数为每小时1m3至数十立方米。
(2)陕北三叠纪煤田
该煤田位于盆地中部的黄土梁峁地区。地下水在黄土梁区接受大气降水的少量补给，在沟谷中排泄，径流浅，水量小，岩层富水性弱，风化带以下岩层富水性更弱，矿化度很高，水文地质条件多为简单，属裂隙充水矿床。
(3)石炭、二叠纪煤田
分布于盆地东、南、西部盆缘地区的石炭二叠纪煤田，煤系基底为奥陶、寒武系灰岩，是区域性的强含水层，煤系本身含水比较微弱，属裂隙-喀斯特充水矿床。其矿床水文地质条件的复杂程度，取决于煤系基底灰岩水是否成为向矿井充水的水源及其充水途径和方式。现分区叙述如下:①东部地区。包括准格尔煤田和河东煤田。煤系下伏灰岩强含水层的地下水位埋藏很深，常在许多矿区的可采煤层之下，煤系地层含水微弱，矿床水文地质条件简单，奥陶系灰岩水为矿区的主要供水水源。从长远看，当煤层开采延伸到奥陶系灰岩水位以下时，灰岩水将威胁到下部煤层的开采。②南部渭北煤田。奥灰水地下水位标高为380m左右，而煤层赋存标高从东至西逐渐始升。如在东部太原组煤层的开采普遍受到奥灰水的威胁，而西部铜川矿区的多数煤层则均赋存在灰岩地下水位以上。在渭北煤田，由于奥灰与煤系的接触关系为缓角度不整合，使得不同地区煤系下伏的灰岩岩性和富水性不同，形成不同的水文地质条件分区。380m水位标高以上的煤层，其矿床水文地质条件多为简单至中等，而380m水位标高以下的煤层，水文地质条件属中等至复杂。奥陶系、寒武系灰岩沿煤田南部边缘有部分山露或隐伏于第四系之下，接受大气降水直接或间接补给，灰岩和强径流带也沿煤田的南部边缘分布于浅部地区。故开采浅部煤层时，矿井涌水量大，开采深部煤层时突水的可能性增大，但水量则有可能减少。在韩城矿区北部，黄河水与灰岩水之间有一定的水力联系。灰岩水是当地工农业的最主要水源、要考虑矿坑水的综合利用和排供结合。③西部地区。煤系与奥陶系灰岩之间有厚度较大的羊虎沟组弱含水层存在，奥灰水不能进入矿井，煤系含水比较微弱，矿床水文地质条件多属以裂隙充水为主的简单至中等类型(王双明，1996)。
二、煤炭开发过程中的地质环境状况变化
煤炭开发引起的地质环境问题受矿山所处的自然地理环境、地形地貌、地层构造、水文气象、植被，以及矿产工业类型、开发方式等经济活动特征等因素的影响。目前鄂尔多斯盆地煤矿地质环境问题十分严重。地下开采和露天开采对矿区地质环境影响方式和程度不同。该区煤矿以地下开采为主，其产量约占煤炭产量的96%。尤以地下采煤导致的地质环境问题最为严重，主要地质环境问题以煤矿业导致的地质环境问题结果作为分类的主要原则，可以分为资源毁损、地质灾害和环境污染三大类型及众多的表现形式(表3-2)(徐友宁，2006)。
根据总结资料与实地调查，结合重点区大柳塔矿区及铜川矿区实际情况，我们重点介绍以下5个突出的地质环境问题:①地面塌陷及地裂缝②煤矸石压占土地及污染水土环境③地下水系统破坏及污染④水土流失与土地沙化⑤资源枯竭型矿业城市环境恶化。
1.地面塌陷与地裂缝
地下开采形成的地面塌陷、地裂缝造成耕地破坏，公路塌陷，铁轨扭曲，建筑物裂缝，以及洼地积水沿裂隙下渗引发矿井透水等事故。在干旱地区由于地表水系受到破坏，导致矿区生产、生活，以及农业用水发生困难。同时，还可诱发山地开裂形成滑坡。
表3-2 煤炭开采的主要地质环境问题
地面塌陷和地裂缝在大中型地下开采的煤矿区最为普遍，灾害也最为严重。如甘肃的华亭煤矿，宁夏的石嘴山、石炭井煤矿和陕西的渭北韩城—铜川，以及神府—东胜煤田矿区。
由于黄土高原人口密集，地面塌陷对土地的破坏主要是对农田的破坏。陕西渭北地区的铜川、韩城、蒲白、澄合等矿务局各矿区位于黄土台塬，该区是陕西渭北优质农业产区和我国优质苹果生产基地，这些国有大中型老煤矿区几十年地下开采导致了地面塌陷、地裂缝，以及山体开裂，成为西北地区煤矿开发对农业生产破坏最为严重地区之一。陕西省采空区地面塌陷总面积约110km2，主要分布于渭北及陕北煤矿区。不完全累计，1999年底，铜川矿区地面塌陷63.82km2，占到全省地面塌陷区55.38%，其中80%为耕地。煤矿区的地面塌陷最为严重，这是因为煤层厚度较金属矿体要大，过采区的空间较金属及其他非金属矿山要大得多，且上覆岩层多为松软的页岩、粉砂岩及泥质岩层。煤矿地表塌陷和地裂缝的范围及深度与采煤方法、工作面开采面积、采区回采率，以及煤层产状等多种因素有关。一般而言，埋深愈浅，开采面积越大，地面塌陷、裂缝范围及深度也越大。榆林神府矿区大砭窑煤矿开采5#煤层，煤层4～6m，埋深90～100m，1992年5月5日，矿井上方发生地面塌陷12000m2，陷落深度0.7m。宁夏石嘴山市石嘴山煤矿开采面积5.15km2，而塌陷面积已达6.97km2，是其开采面积的135%，形成深达8～20m地表塌陷凹地，部分地段的裂缝宽达1m。矿区铁路运输基地高出塌陷区10～20m，使得矿山企业每年用于铁路垫路费高达100万元，穿越矿区的109国道被迫改道。
陕西省煤矿采空区地面塌陷总面积约110km2(表3-3)，主要分布于渭北及陕北煤矿区。其中铜川市老矿区因开采较早，地面塌陷比较严重，到1999年底，不完全统计其地面塌陷63.82km2，占到全省地面塌陷区55.38%，其中80%为耕地。而神木县近几年煤矿开发力度不断增大，加之煤层埋藏较浅，地面塌陷程度增大，截至2001年，该县乡镇煤矿造成地面塌陷达5.32km2。
表3-3 鄂尔多斯能源基地陕西境内煤矿区地面塌陷
(据西北地矿所)
陕西省渭北煤田的铜川、黄陵、合阳、白水、韩城各矿区、陕北神府煤田的大柳塔、大砭窑、洋桃瑁、沙川沟、刘占沟、新民矿等矿区，均出现有不同程度的地面塌陷、地裂缝及山体滑坡，造成大面积的农田被毁、房屋开裂、铁轨扭曲、公路塌陷、矿井涌水等。2001年7月，特大暴雨使黄陵店头陕煤建五处矿区仓村三组的1.2hm2耕地发生地面塌陷、地裂缝，地裂缝最宽可达15m，塌陷落差达7.45m，60%耕地已无法复垦，农田搁荒，预计经济损失达270万元。铜川煤矿区地裂缝5400余条，以王石凹煤矿为例，在1∶5000的地形图上填绘的裂缝就有70多条，总长度近7000余米。神府矿区大柳塔矿201工作面煤层埋藏浅，1995年7月10日开始回采，放顶后地表形成裂缝，实测裂缝区面积为5742.5m2。第一期开采计划完成后，预计未来大柳塔矿采空区总面积5.8hm2，可能发生地裂缝区域总面积约5.45hm2。裂缝区与采空区面积之比为0.94。目前塌陷面积达到7.7km2。20世纪90年代，甘肃窑街矿区矿井地面占地598.1hm2。地面塌陷20处共计443.54hm2，地面塌陷面积比80年代扩大了48.4%，每年以14.47hm2的速度扩大，10年间因塌陷引起的特大型山体滑坡等灾难性地质事故数起。80年代造成水土流失面积449～550hm2，90年代达到663～720hm2。
2.煤矸石压占土地及污染水土环境
煤矸石是采煤和选煤过程中的废弃物，通常占煤矿产量的12%～20%，是煤矿最大的固体废弃物之一，其堆积会压占土地植被。陕西黄陵店头地处黄土高原地带，小流域地区的森林植被良好，但是部分煤矿排放的煤矸石堆积在山坡上，压占了生长良好的杂木林。陕西韩城下峪口黄河滩地湿地芦苇茂密，生态环境良好，但是下峪口煤矿排放煤矸石填滩造地，却压占并破坏了黄河湿地生态资源与环境，应引起有关部门的高度重视。煤炭资源大面积连续开采，造成了难以恢复的地下水破坏，同时导致地表河流流量锐减，生态环境破坏。1997年以来，陕西神府煤田开发区已有包括窟野河在内的许多河流出现断流。
煤矸石堆积长期占压土地。截至2000年，铜川矿务局下属12个矿山，煤矸石累计堆存量1264.99万t，大小矸石山150余处，其中100万t以上的矸石山35处，矸石压占2.37km2。
堆积的矸石山易发生自燃，产生大量硫化氢等有害气体，对周边村民身体健康产生很大危害。据有关资料，每平方米矸石山自燃一昼夜可排放CO10.8kg，SO26.5kg，H2S和NO22kg等。依据国家卫生标准规定，居民区大气环境中有害物质的最高允许浓度SO2日均浓度为0.15mg/m3、H2S为0.01mg/m3，显然，煤矸石自燃区的大气环境污染超过了国家标准，必然危害居民身体健康。
陕西铜川矿务局下属共有13个矿井，其中6个矿井煤矸石堆存在自燃(图3-2)，矸石山周围SO2，TSP，苯并芘等都严重超标，据有关资料在自燃矸石山周围工作过5年以上的职工患有不同程度的肺气肿。陕西韩城桑树坪矿矸石山自燃造成空气中SO2和CO2严重超标，其中SO2浓度平均超标16倍，CO2浓度平均超标20倍。在这种空气环境下，甚至发生了工人昏倒在排矸场的现象。
图3-2 铜川矿务局王石凹煤矿正在冒烟的矸石山
煤矸石不仅造成大气污染，矸石山淋滤水还会造成临近地表水源、地下水，以及矸石山下伏土壤的污染。本次调查在铜川矿务局金华山煤矿采集的矸石山淋滤水样，颜色发黑，经检测发现是酸性水，pH值为2.82，COD为812.5mg/L，悬浮物含量128.0mg/L，重金属含量汞、镉、铜、镍、锌、锰均超标在三里洞煤矿采集的矸石山淋滤水pH值为1.77，COD为621.6mg/L，TDS含量达160.658g/L，水化学类型为Mg·SO4型这些矸石山淋滤水流入地表水体或渗入土壤，都会造成一定程度的污染。
3.地下水系统破坏及污染
鄂尔多斯能源基地煤炭开采区大多为严重缺水地区。矿井疏干排水造成地下水均衡系统的破坏，地下水位下降，水量减少。煤矿酸性及高矿化度井水造成地下水污染，加剧了水资源危机。煤炭资源大面积连续开采，造成了难以恢复的地下水破坏，同时导致地表河流流量锐减，生态环境破坏。1997年以来，陕西神府煤田开发区的不少河流断流，如2000年窟野河断流75d，2001年断流106d。由于煤矿采空区裂缝遍布，最宽达2m多，局部地区地面下降2～3m，导致原流量达7344m3/d的双沟河已完全干涸，400多亩水田变为旱地，杨树等植被大片枯死。
陕西渭北铜川、蒲白、澄合和韩城等煤矿是矿井突水主要发生地，素有渭北“黑腰带”之称的铜川、蒲白、澄合、韩城四大煤矿区又是高瓦斯矿区，1975年5月11日，铜川矿务局焦坪煤矿前卫矿井发生重大瓦斯煤尘爆炸事故，死亡101人，受伤15人，全井造成严重破坏。2001年4月，铜川、韩城两起瓦斯爆炸造成86人死亡的重大恶性事故，社会影响极坏。
陕西省的矿井突水主要发生在渭北铜川、蒲白、澄合和韩城等煤矿区。1989年，上述4个矿务局27个煤矿31处自然矿井，受地下水威胁的矿井占32.3%。据不完全统计共计发生矿坑突水36次，其中1975～1982年该区发生奥灰岩土石事故29次，占其矿井突水事故地80.56%。该区矿井下水灾主要来源于奥灰岩岩溶水和古窑采空区积水。1960年1月19日，铜川矿务局李家塔煤矿发生老窑突水53476m3，淹没巷道18条，总长1880m，直接经济损失7142元，死亡14人。20世纪60年代以前，该区带主要矿井巷道还位于+380m水平面上，70年代后，蒲白、韩城、澄合等新建矿区部分开拓巷道位于+380m水平面之下。1974年以后，象山、马沟渠、桑树坪、董家河、权家河、二矿、马村矿相继发生奥灰岩突水事故29次，淹没巷道万余米，致被迫停产，重掘巷道的巨大损失，直接经济损失近2000万元。
宁夏石嘴山煤矿区因地面塌陷，地裂缝交错，地面低凹积水，地表水沿裂隙进入地下巷道，使矿区多次发生突水事件，造成人员伤亡和巨大的经济损失(表3-4)。
表3-4 宁夏石嘴山煤矿矿井突水一览表
陕西黄陵县店头沮水河两岸分布着十几家个体小煤矿，不顾后果在河道下采煤，在8km2范围内形成4处较大的塌陷区，均横跨沮水河床，地裂缝达20cm，最大塌陷区面积达1000m2以上，大片耕地塌陷，民房出现裂缝，饮水井水量和水质发生变化。1998年9月13日个体小煤矿牛武矿非法开采沮河河床保安煤柱，并越界穿过沮水河，同个体水沟小窑多处相互打通，发生矿井透水，最终导致苍村一号斜井西采区被淹，使陕西黄陵矿业公司一号煤矿主平硐在1999年“3.24”发生重大突水事故，涌水量瞬间增至800m3/h，迅速淹没了3条平硐。小煤窑无序采煤不仅造成自己淹井停产，也给黄陵矿业公司造成直接经济损失3401万元，间接经济损失3100万元。同时，沮水河河水在上游进入煤矿采空区后，又在下游报废小煤窑井口流出排入沮水河，给居民生产和生活带来了很大困难。黄陵个体煤矿无序开采诱发的矿井突水事故再一次说明采矿业的发展必须遵循可持续发展原则，合理布局，加强矿业秩序的日常监督管理，才能使整个采矿业沿着健康的轨道发展。
长期以来，由于技术水平所限和认识不足，矿井水被当作水害加以防治，矿井水被白白排掉而未加以综合利用和保护。2000年，西北地区国有矿井煤产量3785万t，平均吨煤排水量1.3t，其他矿井煤产量5209万t，平均吨煤排水量0.324t。西北地区的煤矿主要位于干旱、半干旱地区，矿区水资源匮乏，毫无节制的排水不仅大大破坏了地下水资源，增加了吨煤成本，而且还导致地面塌陷、地下水资源流失、水质恶化，还可能造成地下突然涌水淹井事故。
煤矿矿井水多属酸性水，未加处理直接排放，加剧了干旱地区矿山用水危机。陕西、宁夏、内蒙古部分矿井水pH值均小于6，陕西铜川李家塔矿井水pH值更低为3。酸性矿井水直接排放会破坏河流水生生物生存环境，抑制矿区植被生长。甘肃、宁夏、内蒙古西部大部分矿井及陕西中部和东部等矿井水是高矿化度水，一般矿化度均大于1000mg/L。
2002年7月在陕西渭北煤矿区的一些矿务局调查时发现，陕西白水部分矿山存在将坑道废水直接排入地下岩溶裂隙，导致岩溶水污染，此问题应引起有关部门的高度重视，尽快采取措施保护岩溶水，使地下水资源不受污染。
4.水土流失与土地沙化
水土流失导致的土壤侵蚀是生态恶化的重要原因。黄土区、黄土与风沙过渡区的矿区水土流失量最大。陕西的铜川、韩城、神府煤矿区宁夏的石嘴山、石炭井煤矿区陕蒙神府—内蒙古东胜水土流失都十分严重。有关环境报告资料预测，陕西神府—内蒙古东胜矿区平均侵蚀模数按1.21万t/km2·a，面积按3024km2计算年土壤侵蚀量为3659.04万t。据几个矿区开发前后不同时期的遥感资料以及河流、库坝、泥沙资料综合分析和计算表明，煤矿开采后水土流失量一般为开采前的2倍左右。内蒙古的乌达等矿区，侵蚀模数达10000～30000t/km2·a，是开采前水土流失量的3.0～4.5倍。陕西黄陵矿区建矿前土壤侵蚀模数为500t/km2·a，建矿5年后，土壤侵蚀模数已达1000t/km2·a。随着矿区的开发水土流失问题日益严重，不仅破坏了生态环境，还直接威胁矿区安全。例如，陕西神木中鸡煤矿由于矿渣倾入河道，占据河床2/3的面积，1984年8月雨季时河水受阻回流，造成特大淹井事故。
煤炭开采形成的地面塌陷造成浅层地下水系统破坏，使塌陷区植被枯死，为土地沙漠化的活化提供了条件。其次，露天煤矿、交通及天然气管道工程建设占用大量耕地，破坏植被，使表土疏松，使部分原已固定和半固定沙丘活化。戈壁沙漠区煤矿废渣堆放，风化加剧了土地沙化。
陕西神府煤田矿区大规模开发以及地方、个体沿河沟两岸乱挖滥采，破坏植被，导致沙土裸露，加剧水土流失和土地沙化。自80年代中期开发以来，毁坏耕地666.7hm2，堆放废渣6000多万t，破坏植被4946.7hm2，增加入黄泥沙2019万t。据“神府东胜矿区环境影响报告书”提供的预测结果，若不采取必要的防沙措施，矿区生产能力达到3000万t规模时，将新增沙漠化面积129.64km2，煤矿开发导致的沙漠化面积为自然发展产生沙漠化面积的1.53倍，新增入河泥砂量480万t，比现有条件下进河泥砂量增加13.7%。
5.煤炭资源枯竭与城市环境恶化
鄂尔多斯现有煤田有些开发较早，可以追溯到20世纪五六十年代。起初，由于技术落后，造成资源浪费，加之很多矿区达到服务年限，到现在已无资源可采。如铜川矿务局是1955年在旧同官煤矿的基础上发展起来的大型煤炭企业。全局在册职工30041人，离退休人员32691人，职工家属约21.6万人。由于生产矿井大多数是50年代末60年代初建成投产的，受当时地质条件和开采条件所限，所建矿井煤炭储量、井田范围、生产能力小，服务年限短。80年代以来先后有9对矿井报废，实施关闭，核减设计能力396万t。目前全局8对生产核定能力965万t/a，均无接续矿井。东区部分矿井资源枯竭，人多负担重，生产成本高，正在申请实施国家资源枯竭矿井关闭破产项目。生产发展接续问题日益突出，企业生存发展面临严峻挑战。矿业城市的可持续发展受到地方政府及相关学者的关注。煤炭资源枯竭的直接后果是矿业城市面临转型，大量问题需要解决，如人员安置、环境改善、寻找新的主打产业等。
三、煤炭开发引起的地质环境问题对煤炭开采的影响
大规模的煤炭开发活动不但极大地破坏了当地的地质环境和生态环境，也在很大程度上制约了煤炭开采活动的正常进行，主要表现在以下几个方面:
(1)采煤塌陷及地裂缝造成水资源量减少、地下水体污染，影响矿区采煤活动的正常运行
采煤塌陷造成含水层结构破坏，使原来水平径流为主的潜水，沿导水裂隙垂直渗漏，转化为矿坑水在采矿疏干水过程中又被排出到地表，在总量上影响地下水资源。采煤塌陷形成塌陷坑、自上而下的贯通裂隙，使当地本就稀缺的地表水、地下水进入矿坑而被污染，使地下水质受到影响，进而影响到地下水的可用资源量。如在神府东胜矿区，采煤塌陷一方面使萨拉乌苏组含水层中地下水与细沙大量涌入矿坑，造成井下突水溃沙事故另一方面矿坑排水需大量排放地下水，既浪费了宝贵的水资源，又破坏了矿区的水环境(张发旺，2007)。
另外，采煤塌陷对水环境造成影响的最重要因素是塌陷裂缝。其存在不但增加了包气带水分的蒸发，造成地表沟泉、河流等的干涸，而且增加了污染物的入渗通道，从而导致土壤水和地下水体的污染。
西北煤矿区水资源原本缺乏，再加上塌陷及地裂缝造成的可用水资源量的减少，使矿井用水、洗煤厂用水、矿区生活用水等均面临严峻挑战。
(2)煤层及煤矸石自燃不但浪费了大量煤炭资源，而且影响煤炭开采
鄂尔多斯盆地北部的侏罗系煤田分布区，煤层埋藏浅深度只有0～60m，并且气候干旱，植被稀少，形成了有利于煤田大规模自燃的气候条件。因此煤层及煤矸石自燃大面积分布，如乌海煤田、神东煤田等。煤层及煤矸石自燃不仅会烧掉宝贵的煤炭资源，并且会影响煤炭开采、污染空气，造成巨大经济损失。
(3)矿坑突水事故不但破坏了地表水和地下水资源，往往也会淹没矿井巷道，严重影响煤炭开采，造成重大人员伤亡和经济损失
在我国，大部分石炭-二叠系煤炭开采时会受到水量丰富的奥陶系灰岩水的威胁。由于水量巨大，流速快，水压高，奥陶系灰岩水造成的突水事故往往十分巨大，如1984年6月发生的开滦范各庄煤矿发生的世界罕见的特大奥陶系灰岩水突水事故，突水4d内把范各庄煤矿淹没，又突入相邻的吕家坨煤矿并将其全部淹没，并向另一相邻矿林西矿渗水，经过4个月才完成封堵工作，造成的经济损失达5亿元以上。在鄂尔多斯盆地，石炭-二叠系煤层主要分布在铜川、蒲白、澄合和韩城一线，历史上共发生矿坑突水事故40余次。如1960年1月19日铜川矿务局李家塔煤矿发生老窑突水53476m3，淹没巷道18条，死亡14人。
陕西黄陵县店头沮水河两岸个体小煤矿无序生产，1998年9月至1999年3月造成一系列突水事故，给黄陵矿业公司造成的直接经济损失就有3401万元，间接经济损失3100万元。
5.2.1 构造的成带性
区内构造虽然形式多样，成生关系比较复杂，但却集中发育于几个带上，而且具有明显的方向性。
（1）边浅部褶断带
位于矿区东南边浅部，以韩城复式背斜为主体，其东南边缘为韩城大断层，带宽约1km，为一沿北东向—北北东方向呈弧形延伸的褶皱断裂带。带内广泛发育各类褶皱和断裂构造。褶皱构造有倒转背向斜、箱状背斜、S和反S形褶曲，平卧褶曲和一般的两翼产状正常的背向斜；断裂构造有逆冲断层、逆掩断层及走向多呈弧形延伸的各种正断层；带内还广泛发育密集的各种裂隙和几条巨型地裂缝，其密度远远大于矿区中深部地层中的裂隙密度。上述这些构造形式共存于此带中，反映该带为一早期遭受强烈挤压作用后期又产生拉伸作用的控制性构造带。
（2）第一挠折带
沿北东向—北北东（局部南北）向展布于边浅部褶断带以西，平均宽度约0.5km，其主体由倾角大于50°的急倾斜带构成。该带3＃煤层赋存标高北区为420～560m，南区为380～580m；11＃煤层赋存标高北区为300～500m，南区为280～600m。带内褶皱断裂也较发育。褶皱走向一般都与带的延伸方向斜交并进而向矿区中深部延伸。断裂规模较大者多平行于此带的延伸方向，规模较小者（主要是煤层构造）一般也多于带的走向斜交，少数则与带的走向平行。带内断层多数为正断层，逆断层少见，所有断层多发育在带的浅部。反映该带为一以挤压为主的构造带。由于带内地层产状陡、距地表很近，带内张性破裂发育，故带内煤层多为风氧化带以上煤层，甲烷赋存状况不良。
（3）第二挠折带
位于第一挠折带以西约4km处，为一走向北东—北北东—南北的膝状构造带。带宽一般大于2km，挠折系数在0.5～1.8之间，带的主体部分倾角远小于第一挠折带。该带3＃煤层赋存标高北区低于240m，南区低于40m；11＃煤层赋存标高北区低于230m，南区低于30m。由于位于矿区深部，没有开采资料，故带内构造发育规律不详，但据地表和钻孔所见构造看，带内尚发育有与其延伸方向斜交的正断层多条。在象山矿2309回一巷所见类似的挠曲上部，煤层中张性无充填裂隙很发育。结合力学分析可见该带为一总体上处于拉伸状态的张性构造带。是煤层甲烷赋存和运移的良好地带。
（4）中深部缓倾带
位于第一、二挠折带之间。带宽约4km，为一沿北东—北北东向延伸、产状十分平缓的单斜带。带内缓波状褶皱发育，普遍存在正断层和少量逆断层。除褶皱和断裂发育的地带外，煤层原生结构保存较好，块状煤体广布，煤层割理裂隙发育，是煤层甲烷赋存较好的地带。
通过对上述第一、二挠折带和缓倾带的综合力学分析，发现不同构造部位所处的拉伸和挤压状态不同。在挠折带上部以拉张作用为主，下部以挤压作用为主。按照这样的分析，可将区内不同区段不同煤层的挤压段和拉张段区分出来（图5.36）。由于挤压段煤层遭受挤压研磨，加重了糜棱化程度，进而对渗透性带来不利影响。拉张段则因煤层处于张性破裂状态，有利于甲烷的储存和运移。
图5.36 第一、二挠折带及缓倾带不同力学性质地段划分示意图
应该看到，正是由于第一挠折带挤压段的存在，才对全区煤层甲烷提供了较好的边浅部封闭条件，使中深部甲烷资源难以向边浅部逸散。
（5）清水先挤后伸破裂带
该带位于徐村—后高湾至龙亭—柏瑞村之间，为一以张性正断层组合为主体，间夹有压性褶皱和逆断层的破裂构造带，带宽约3km。带内平行展布有8条规模较大的正断层、三条褶皱和一条逆断层。该带早期遭受挤压作用，形成褶皱、逆断层和与之平行的剪裂面，在后期近南北方向的伸展作用下，沿早期剪裂面发育而成张性正断层。正断层面多呈铲状，倾角上陡下缓，断层带内张性次级断裂及裂隙十分发育。因此该带为先挤压后伸展现今主要表现为张性破裂面貌的构造带。由于断层发育密集，切割深度较大，带内煤层甲烷遭受风氧化作用较强，可能是一深部煤层甲烷散逸带。
（6）东泽村伸展破裂带
该带位于矿区中深部的东泽村—张家岭一带，带宽约2km，沿近东西向延长达15km以上。带内共发育5条正断层，由北向南呈阶梯状伸展跌落。断层倾角一般上陡下缓，断层带内张性裂隙及次级小断层十分发育。该断层带切割深度已达11＃煤层，带内有淋滴水现象。因此，该带内为一深部煤层甲烷逸散带。但在该带南北两侧均有呈近东西向延伸且斜列分布的小型褶皱群，这些压性褶皱的存在，较好地阻滞了两侧煤层甲烷沿该带的逸散作用。
（7）龙骨岭伸展破裂带
实际仅由龙骨岭正断层组成，展布于桑岭村至贾山一线。虽处于矿区深部，地表覆盖较厚，旁侧次级构造也不多见，但其构造性质、规模和特征均与前述两张性破裂带十分相似，因此也作为一个独立的深部煤层甲烷逸散带来考虑。
（8）文家岭挤压褶皱带
位于矿区中部，即燎原矿与马沟渠矿之间，为一呈近东西向由矿区浅部向中深部延伸的挤压构造带。带内S型褶曲、平卧倒转褶曲、尖棱褶曲等褶皱构造和与之相伴的平移断层、叠瓦式逆冲断层都十分发育，并且多处地层直立。本带内的挤压特征与矿区边部的禹门口—西塬沟一线的挤压特征十分相似，由于其影响深度较大，故该带作为一挤压“隔墙”把矿区分隔成南北两区，且控制了矿区南北两区的构造变形。由于带内强烈的挤压作用，煤层多被粉末化，原生结构遭到严重破坏，并影响到马沟渠井田北部，致其煤层粉末化现象尤为严重。因此，本带内煤层甲烷渗流状况是非常不良的。
5.2.2 构造的方向性
区内构造的方向性十分明显，表现在地表所见大中型构造多循上述几个构造带的方向展布。即北东向、北北东向、近东西向和南北向，北东向和北北东向构造主要发育于边浅部褶断带和第一挠折带内，前者的主导方位为NE40°～60°，后者的主导方位以NE20°～30°为主。近东西向构造NE70°～90°发育最广泛，除集中于第一挠折带、中深部缓倾带、清水先挤后伸破裂带、东泽村伸展破裂带、龙骨岭伸展破裂带和中部文家岭挤压褶皱带以外，在禹门口到西塬沟一段也有发育，只是规模相对小得多。南北向构造主要指发育于竹园以北的两条褶皱。北西向构造不甚发育。
煤层中所见的中小型构造有北西向（290°～340°）、近东西向（250°～290°）和北东向（20°～70°）、近南北向（340°～20°），其中北西向和近东西向最为发育，其他方向发育不好。
可见，区内构造的方向性与区域构造和基底构造的主导方向一致，煤层构造还与同沉积构造密切相关。这些都说明本区构造受区域构造和基底构造的控制，区内构造环境也始终与区域构造环境的变化相关。
5.2.3 构造的等距性
构造的等距性无论在矿区构造还是在煤层构造中均有明显表现。如地表所见的近东西向延展的褶皱群大约以5.5km的间隔出现一次，且等距性误差不超过0.5km。近东西向的破裂带则以大约16km间隔出现一次。这种等距性特点越向矿区南部越明显。煤层构造的等距性也更加明显，如全区各煤层中褶皱发育地带每隔1.2～2km出现一次。南区象山矿已采区的北西向断层组每隔450m～550m出现一次，其影响宽度为60～100m。马沟渠的东西向断层组则是间隔70～100m出现一次，其影响宽度约50m。
构造展布的等距性为生产控制和构造预测提供了方便，但其成因比较复杂，就本区构造发育特点来看，矿区构造的等距性可能与太古宙结晶基底的剪切作用有关。该基底北高南低，北部受断裂切割已多次出露地表，南部则深深沉陷于上覆地层之下，在汾渭盆地伸展作用下，基底断裂活动使其向南部拆离而施加于盖层一个剪切应力（图5.37），由此应力作用在盖层中则形成剖面多字形构造，显示在平面上即具有等距性。而且随着基底向南部的伸展拆离作用加强，矿区构造在本区南部的等距性则愈加明显，同时，由于基底活动的间歇性，也可在上覆地层中产生一种局部波浪状蠕动，其结果使煤层中的构造也普遍具有等距性。
图5.37 基底剪切作用示意图
5.2.4 构造发育的层控性
区内构造的发育除边浅部褶断带外，地表所见构造形迹和各煤层中发育的构造形迹明显的不协调，对应性较差，这在褶皱构造中表现尤为突出。可以用中和面理论加以分析。区内地层的垂向叠置关系为：煤系地层处于其下伏能干岩层奥陶系和寒武系碳酸盐岩以上和其上覆能干岩层石盒子组至石千峰组砂质岩层为主的地层以下，太原组和山西组煤系总厚约为110m，该处作为中和面位置，则位于向斜中的11＃煤层明显处于拉张环境，其上的2＃、3＃和5＃煤层因处于中和面附近，顺层剪切作用比较强烈，再上部的能干层则整体处于压缩环境。这样，煤层中的构造必然和其上覆地层（或地表所见地层）中的构造不一致。也即具有明显的层控性。野外及井下大量资料表明，由于构造特别是各类破裂构造明显受地层岩性的控制，煤层又具有易于变形之特点，因此，除少数切层性强的大中型断层和褶皱外，多数断层、褶皱和裂隙均明显受非能干层的控制，局限于非能干层中，垂向切层性不强。这决定着煤层中各类构造也多限于煤层附近，对上下地层无明显影响。这就使得煤层甲烷沿垂直方向逸散可能性很小，即从破裂构造对地层的破坏性而言，煤系地层具有良好的封闭性能，而位于煤层附近广泛发育的褶皱构造和伸展性正断层则分别使煤层因滑动粉末化而使其渗透性变差和因张性破裂面增多而使其渗透性变好。
5.2.5 构造发育强度的差异性
构造发育强度的差异主要表现在南北区差异、深浅部的差异以及垂向上不同煤层之间的差异。
（1）南北差异
北区挤压性构造发育。以具可比性的3＃和11＃煤层为例，褶皱构造的发育强度北区分别为17条/km（单位面积内褶皱轴长为79.00km/km2）和14条/km（单位面积内褶皱轴长为76.25km/km2），而南区则分别为5条/km（单位面积内褶皱轴长为13.00km/km2）和12条/km（单位面积内褶皱轴长为41.25km/km2）。北区煤层中有四条规模较大的褶皱影响到地表，南区煤层中发育的褶皱均未影响到地表，说明北区褶皱的强度和幅度大，南区褶皱的强度和幅度小。北区煤层中碎粒煤和糜棱化煤十分发育，南区则发育范围十分有限。从煤层的显微裂隙分析，本区整体遭受过后期的伸展张裂作用，但这种作用南区要较北区强得多。结合聚煤期同沉积构造所表现的南北差异性可见北区挤压褶皱构造强度大，南区伸展张裂构造强度大。
（2）东西差异
以中部缓倾带中线为界，把全区分为东部和西部，即深部和浅部。东部主要构造带为边浅部褶断带和第一挠折带，在这两个带中褶皱断裂发育，地层倾角很陡，煤层基本处于风氧化带之上，煤层甲烷赋存状况不良。西部主要构造带为第二挠折带和缓倾带主体，带内褶皱不发育，缓倾带内发育的褶皱多数于第二挠折带内尖灭。煤层倾角较小，总体处于拉伸环境之中。煤层原生结构保存较好，以碎裂状块煤为主，煤层均处于风氧化带以下，甲烷赋存和渗流状况较好。构造的东西差异也为我们掌握煤层甲烷的赋存规律提供了基础。
（3）垂向不同煤层之间的差异
北区2＃和3＃煤层中的一二级褶皱基本对应，但三级褶皱3＃煤层比2＃煤层复杂，11＃煤层和上覆几个煤层中的褶皱不太一致，尤其在下峪口井田更甚。南区各煤层褶皱均不一致，但越向上部越简单。因此，褶皱构造变形的复杂程度总体上表现为11＃＞5＃＞8＃＞2＃，这种现象与煤系基底起伏与差异压实作用有关。断裂构造的发育各煤层各有特点，3＃煤层以正断层为主，逆断层少见，层滑构造不发育，煤体结构较简单。5＃、11＃煤层滑构造发育，煤体结构破坏较甚。断裂发育的上述特点，可能与基底不平，围岩能干性差异和层滑构造的发育等原因有关。
陕西省煤炭资源丰富，含煤面积5.71×104km2，埋深2000m以浅的煤炭资源蕴藏总量超过3800×108t，煤炭资源分布呈现北富南贫的特点，秦岭以北约占全省的98%，以南不足2%。成煤时代主要为石炭－二叠纪、三叠纪和侏罗纪，主要煤田有渭北石炭－二叠纪煤田、陕北石炭－二叠纪煤田、陕北三叠纪煤田、黄陇侏罗纪煤田、陕北侏罗纪煤田、商洛石炭－二叠纪煤田和镇巴侏罗纪煤田等七个煤田（图0.1）。各个煤田均有煤层气分布，但具有资源价值的煤层气主要分布在陕北石炭－二叠纪煤田、渭北石炭－二叠纪煤田和黄陇侏罗纪煤田。全省2000m以浅煤层气资源量13095×108m3，位居全国第三位。
0.1.1 陕西省主要煤田
渭北石炭－二叠纪煤田：东起韩城，西至耀县，地层走向由北东向南西展布，有渭北“黑腰带”之称。东西长约220km，南北宽37～50km，含煤面积近1×104km2，划分为铜川、蒲白、澄合、韩城四个矿区。总体构造为一向北西倾斜的单斜，倾角5°～15°。蒲白、澄合两矿区断裂构造较发育，断层多成为井田自然边界。煤系为山西组和太原组，含煤11层，可采者3～4层，即3＃、5＃、10＃、11＃煤层。煤类以瘦煤、贫煤为主。
黄陇侏罗纪煤田：东起黄陵，经宜君、旬邑、彬县、凤翔、千阳等，西至陇县，长约280km，宽30～40km，含煤面积约1.1×104km2，为一向北倾斜的单斜。煤田内多出现宽缓的背、向斜，倾角多在3°～10°之间，个别地段15°左右。构造线以东西向或北东向为主。煤系为侏罗系中统延安组，含煤4层，可采者1～2层。划分为4个矿区和一个勘探区，即：黄陵矿区、焦坪矿区、旬耀矿区、彬长矿区、永陇勘探区。煤类主要为不粘煤、弱粘煤，黄陵矿区有少量气煤。
陕北三叠纪煤田：含煤地层分布范围包括延安、子长、子洲、安塞、米脂、横山等县、市，南北长约75km，东西宽约30km，含煤面积约2200km2，为一向西倾斜的单斜，倾角1°～5°。煤系为三叠系上统瓦窑堡组，含煤7～15层，可采者1～2层，即3＃、5＃煤层，主采为5＃煤。主采煤层的特点是薄而分布广，0.7m以上厚度仅分布于子长县境内，现仅规划一个矿区（子长矿区）。煤类为气煤。
陕北侏罗纪煤田：东北起于府谷至西南的靖边、定边，经神木、榆林、横山等县、市，长约300km，宽25～80km，含煤面积约17400km2。地层倾角1°～5°左右，为一大型向北西倾斜的单斜。煤层赋存稳定，划分为神府矿区、榆神矿区、榆横矿区和靖定预测区。煤系为侏罗系中统延安组，分五个含煤段，分别含5个煤层组，自下而上编为1＃、2＃、3＃、4＃、5＃，主采煤层为1＃－2、2＃－2、3＃－1、4＃－2、5＃－2五层。煤类主要为不粘煤、长焰煤，局部有弱粘煤。
图0.1 陕西省煤炭资源分布图
陕北石炭二叠纪煤田：分布于府谷、佳县、吴堡沿黄河以西一带，是山西河东煤田西延部分。以煤层埋深2000m为深部界线，划分为两个不相连接的分区，即府谷矿区和吴堡勘探区。府谷矿区与吴堡勘探区之间的佳县地区，因煤层埋深超过2000m，未作规划分区。煤田地层走向近于南北，为向西倾的单斜，断层稀少，褶皱不发育，地层倾角＜10°。煤系地层为山西组和太原组，含煤10层，主要可采煤层为3＃、8＃、9＃三层。煤类为焦煤。
0.1.2 陕西省煤层气资源
0.1.2.1 煤层气区块划分和资源量
根据全省煤田地质勘探钻孔的瓦斯资料，全省的煤层气可按含气量及平面分布特点划分为15个含气区，其中：①单层可采煤层烃类气体含量≥4m3/t，具有一定分布面积的矿区或勘探区，有渭北石炭－二叠纪煤田的铜川、蒲白、澄合、韩城矿区和陕北石炭－二叠纪煤田的府谷矿区和吴堡勘探区六个含气区；②单层可采煤层烃类气体虽≥4m3/t，但分布面积较小，并以孤立点出现的矿区或勘探区，有黄陇侏罗纪煤田的黄陵、焦坪、彬长矿区三个含气区；③单层可采烃类气体含量小于4m3/t的矿区或勘查区，有陕北侏罗纪煤田的神府矿区、榆神矿区、榆横矿区、孟家湾勘查区和陕北三叠纪煤田子长矿区，共五个含气区。
根据全省煤层气赋存情况，对韩城、澄合、蒲白、铜川、府谷、吴堡6个含气区计算了煤层气资源量。对黄陵、焦坪及彬长矿区，估算了煤层气资源量。全省1500m以浅共蕴藏煤层气资源量约13121×108m3（表0.1、表0.2）。
表0.1 石炭－二叠纪煤田煤层气资源量
表0.2 侏罗纪煤田煤层气资源量（埋深＜1500m）
通过对煤田煤储层展布、煤层气含量、煤层渗透率、煤变质特征、煤的吸附性能等条件的综合分析，认为渭北与陕北石炭－二叠纪煤田煤层厚度大（图0.2），煤层埋深适中，甲烷含量较高，生、储、盖条件较好，目前有在建和生产矿井，是煤层气勘探开发的理想地区，并具有重要的理论和实际意义。
图0.2 陕西省煤层气资源分布图
彬长矿区至2007年底，已有下沟、火石嘴、水帘、亭南、大佛寺等煤矿生产，其中有的矿井瓦斯涌出量每分钟超过150m3，从目前井下抽放获得的资料分析，本区具有良好的开发前景。
0.1.2.2 不同含气区煤层气地质特征
（1）渭北石炭－二叠纪煤田
煤层的埋深主要受地形和构造的影响。煤田边浅部地层倾角较陡，一般20°左右，局部有直立甚至倒转现象，一般埋深小于500m。煤田的中深部，地层倾角变小，一般5°～10°，地形高差变化较大，在澄合、蒲白、铜川三矿区，地层倾向近于正北。黄土台塬区煤层埋深一般为600～1500m，低山区煤层埋深一般在1800～2300m之间。韩城矿区地层倾向北西，煤层在山区边部埋深仅为0～200m。
3＃煤层厚0.18～9.26m，一般3.0m；4＃煤层厚度0～3.56m，一般1.00m；5＃煤层在韩城矿区厚0～7.19m，澄合矿区厚0.40～10.54m，蒲白矿区煤厚0～8.28m，铜川矿区煤厚0～8.18m；10＃煤层澄合矿区厚0～7.39m，蒲白矿区厚0～20.25m，铜川矿区厚0～6.62m。
煤层裂隙、割理发育程度各可采煤层相近。一方面与宏观煤岩类型有关，光亮型和半亮型中，内生裂隙发育，一般为20条/5cm。另一方面，煤层的割理与构造的关系较为密切。韩城北区压性、压扭性构造较发育，不利于煤层割理的形成，并常形成构造煤，阻止了煤层气的运移和逸散，有利于煤层气的富集，从而使北区各矿为高沼矿，相对涌出量较高，下峪口矿可达55.3m3/t，桑树坪矿可达56.09m3/t，但煤层渗透性很低，并常出现瓦斯突出现象。韩城南区张性构造发育，有利于煤层割理形成，煤层渗透率最高达2.5×10－3μm2。
（2）陕北石炭－二叠纪煤田
陕北石炭－二叠纪煤田煤层的内生裂隙较发育，割理不发育，就影响孔隙度和透气性的因素而言，陕北煤的变质程度较低，有利于煤中大孔隙的存在，推测煤层的透气性较高。煤层埋深主要受后期构造影响。地层倾向正西，煤田边浅部沿倾向约5～10km的范围，煤层埋深从露头增加到1000m，中深部埋深在1000m以上，沿走向在佳县以西煤层埋深大于2000m，使煤田一分为二，即南部吴堡区和北部府谷区。
府谷矿区：东部以黄河为界，北以陕西与内蒙古自治区边界为界，西部延伸较远，但埋藏深度1500m的边界位于新民镇—三道沟乡一带。1500m以浅面积893km2，资源量140×108t，探明区面积200km2，资源量53×108t。矿区含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组，含可采煤层11层，自上而下编号为3＃、4＃、5＃、6＃、7＃、8＃、9＃－1、9＃－2、10＃－1、10＃－2、11＃，其中3＃、4＃煤赋存于山西组，其余赋存于太原组。主要可采煤层为4＃、6＃、7＃、9＃－2，其余为局部可采煤层，煤层埋深200～1200m。根据总体规划，划分为西王寨、冯家塔井田等。西王寨井田4＃煤层厚度0.96～12.41m，平均6.93m，埋藏深度125.29～473.84m；6＃煤层厚度1.16～5.29m，平均2.29m，埋深141.03～501.98m；7＃煤层厚度0.80～7.52m，平均1.74m，埋深150.13～506.33m；9＃－2煤厚度1.41～8.60m，平均3.20m，埋深171.76～543.60m。煤类均为长焰煤—气煤，该区是陕西省炼焦配煤基地之一。
吴堡矿区：南起吴堡县城，北至丁家湾乡，呈长条形沿黄河西岸南北向展布，南北长约26km，东西宽2.8～5.6km，面积93.1km2。按照总体规划，划分为柳壕沟井田和横沟井田，两井田以柳壕沟北断层为界。矿区内含煤地层为山西组下段和太原组，总厚度131m，含煤4～14层，其中可采煤层5层，可采煤层总厚度2.89～16.58m，平均9.05m，平均含煤系数9.4%。山西组含煤3层，自下而上编号分别是S3、S2、S1号煤层。其中S3煤层厚度0.31～1.34m，平均0.76m，埋藏深度284.24～952.50m，煤层底板标高－180～－360m，煤层整体向西倾斜，倾角5°左右；S2煤层厚度0.30～1.62m，平均0.99m，埋藏深度294.18～962.40m，煤层底板标高－190～－250m，煤层整体向西倾斜，倾角5°左右；S1煤层厚度1.20～5.10m，平均2.74m，埋藏深度301.41～969.92m，煤层底板标高－240～－350m，煤层整体向西倾斜，倾角5°左右。太原组含可采煤层1层，编号T1，煤层厚度3.51～8.98m，平均6.03m，煤层埋藏深度380.74～1074.28m，底板标高－285～－260m，煤层整体向西倾斜，倾角4.6°。1500m以浅含煤面积813km2，资源量90×108t，其中探明区面积78.5km2，资源量15.3806×108t。煤类为焦煤JM25为主，肥煤FM36、FM26次之，少量焦煤JM24、气煤QM34、瘦煤S13和S14、焦煤JM15及中粘煤1/2ZN23。由于埋藏较深、开采技术条件复杂，暂时尚未开采。
（3）黄陇侏罗纪煤田
黄陵矿区：位于陕西省黄陵县境内，东距县城约55km。受沮水河及其支流长期切割和侵蚀，基岩裸露，沟壑纵横。区内森林植被广泛分布。地势呈西北高而东南低，最高点位于野猪窝附近，海拔1537m，最低点位于索罗湾一带，海拔1022.75m，相对高差514.25m。属地形较为复杂的中—低山区。延安组为含煤地层，地表无出露，属一套生油含煤内陆碎屑河、湖沼相沉积。厚度7.44～135.18m，平均92.30m，区内呈南薄北厚的变化规律，可采煤层有2＃、3＃两层，2＃煤层厚度0.05～6.75m，平均3.91m。3＃煤层厚0.85～3.80m，平均厚2.09m，煤层厚度变化较大。煤类以弱粘煤为主，少量1/2中粘煤。勘探阶段发现有3个孔煤层中甲烷含量大于4m3/t，分布面积约15km2，预计储量约3×108m3。勘探阶段施工的1个水文孔，当钻进到延安组第二段时，孔内有煤成气逸出，气量不大，导管引出点燃后火焰呈淡蓝色，火苗短而弱，30～40cm。分2次采集气体样品进行了化验测试，第一次测试结果，氧含量6.31%，氮含量41.69%，二氧化碳含量0.16%，甲烷含量51.27%，乙烷含量0.37%，丙烷含量0.20%；第二次测试结果，氧含量0.25%，氮含量13.54%，二氧化碳含量0.06%，甲烷含量85.06%，乙烷含量1.09%。2004年5月20～21日对孔内气体压力进行了测量，采用0.6MPa压力表，每30分钟测量一次，其值介于0.05～0.145MPa之间。另有1个孔钻进到三叠系时，天然气喷出，导管引出，火焰高达1m。
焦坪矿区：焦坪矿区位于陕西省铜川市耀州区和印台区境内，距铜川市约70km，矿区南北长26.5km，东西宽3.84km，含煤面积103.1km2。现由陈家山、下石节和玉华煤矿开采。矿区含煤地层为侏罗系中统延安组，厚度105～147m。主采4＃－2煤层和局部可采的3＃－2煤层。4＃－2煤层属全区可采，煤层倾角2°～5°，厚度一般6～14m，平均约10m。靠近煤层底板，普遍发育1～3m的劣质煤。煤层结构复杂，一般含矸2～3层，为炭质泥岩或泥岩，夹矸总厚度为0.1～0.5m。煤层直接顶为粉砂岩，厚度2～6m；老顶为中、粗粒砂岩，厚度10m左右；底板为根土岩及花斑泥岩，遇水极易膨胀，厚度4～12m。矿区4＃－2煤层赋存较稳定，构造及水文地质条件简单。3＃－2煤层仅局部可采（分布于下石节煤矿，现未开采），煤层厚度一般4～6m，平均厚度5m。煤质特征是，原煤灰分产率15%，全硫含量小于1%，发热量25～32MJ/kg。矿区三矿属高瓦斯矿井，煤层属极易自燃煤层，发火期3～6个月，最短24天。由于开采中煤、油、气共生，所以焦坪矿区开采地质条件既特殊，又十分复杂。2006年在该矿区转角勘查区钻探施工时，遇到井喷，喷出气体以二氧化碳气为主。
彬长矿区：位于彬县及长武县境内，彬长规划矿区东西长70km，南北宽25km，详查区面积913km2。矿区地层总体为一倾向北西—北北西的平缓单斜，在单斜背景上有少量方向单一的宽缓褶曲，地层倾角小于9°，构造简单。含煤地层为侏罗系延安组，4＃煤为主采煤层，位于延安组第一段的中部，厚度0.15～43.87m，平均10.64m。4＃煤为本区主要气源层，最大埋藏深度700m，结构简单，厚度大，分布面积广，可采面积达577.39km2。煤层气与成煤环境、煤化程度、煤厚、沉积构造及围岩性质等关系密切。彬长矿区4＃煤层气分带呈南北展布，即矿区东西部大面积范围内为煤层气风化带（CO2－N2带）。中部为N2－CH4带，局部地段为CH4带。煤层埋藏深度、煤变质程度、镜质组含量、煤层的顶、底板泥岩厚度与煤层气含量呈正相关关系。在顶、底板泥岩厚度＞4m时，其甲烷含量＞2.5mL/g；当泥岩厚度＜4m，其甲烷含量＜2.5mL/g。
0.1.3 煤层气赋存规律
研究表明，煤层中甲烷含量与煤层埋深、上覆基岩厚度等呈正相关关系（图0.3，图0.4），在渭北石炭二叠纪煤田，煤层瓦斯含量不仅受控于煤层埋深，同时也受控于地质构和煤层厚度。
图0.3 煤层瓦斯含量与煤层埋深关系
（据闫江伟等，2008）
图0.4 煤层瓦斯含量与上覆基岩厚度关系
（据闫江伟等，2008）
煤层气含量与构造的关系：一般在张性断裂发育的地区，煤层气含量低，如蒲白矿区杜康沟逆断层以南，有数条断距在100～300m的较大的正断层，呈北东向斜交于杜康沟逆断层之上，此处煤层气含量明显偏低。另外，在铜川矿区和澄合矿区边浅部以及韩城矿区的边浅部和南区，张性断裂也比较发育，因此，这些区域甲烷浓度和含量均较低。褶皱构造较发育的地区，有利于煤层气的局部富集，一般向斜轴部受挤压，孔隙少，吸附甲烷含量较背斜低，但易于保存；背斜轴部受到拉伸，裂隙、孔隙较发育，当顶板为泥质岩石时，甲烷含量高，当顶板为砂质或脆性岩石时，甲烷易于通过张裂隙散失，甲烷含量低。
甲烷含量与煤层埋深的关系：从渭北煤田四个矿区来看，浅部基本上属于瓦斯风化带，如铜川、蒲白、澄合三个矿区，埋深300m以浅，煤层气组分以N2为主，甲烷含量一般都小于4mL/g。各可采煤层甲烷含量＞4m3/t的分布区，韩城、澄合矿区多在煤层埋深300m以深，蒲白、铜川矿区多在400m以深。而韩城矿区，煤层埋深在1000m左右时，甲烷含量已达到19.99m3/t。甲烷含量随深度增加而增大，在本煤田中表现极为明显。
甲烷含量与煤层厚度的关系：一般煤层厚度越大，生、储气越多，甲烷含量就高。从煤田中各可采煤层所采瓦斯煤样统计分析，在正常情况下，同一煤层，深度相近时一般煤层厚的地区甲烷量较高。
马耕1 苏现波2 林晓英2 张志林1 王红军1
（1.鹤壁煤业（集团）有限责任公司 河南鹤壁 458000；2.河南理工大学资源环境学院 河南焦作 454000）
作者简介：马耕，男，1958年生人，教授级高工，中国矿业大学在读博士，鹤煤煤业（集团）有限责任公司副总经理。长期从事煤层气井下油采和煤矿安全治理工作，在国内外学术期刊发表论文20余篇，获得近10项省部级科技进步奖。
摘要 荥巩煤田二1煤储层内赋存着丰富的煤层气资源，资源总量达1087.86×108m3。谷山井田是该煤田勘探程度较高、正在建井的一个井田。本文根据勘探、建井阶段的资料，结合实测数据，对该井田煤层气的赋存特征进行了系统论述，指出该区煤层气的赋存以风氧化带浅、含气量高、资源丰度大、渗透性差、储层压力高、不含水为特征。高演化程度、镜质组为主的煤岩组成决定了高生气量；泥质岩类顶底板不仅为煤层气的保存提供了有利条件，而且作为隔水层阻止了煤储层与含水层之间的水力联系，使得煤层成为干层，这种不含水的煤层气储层在国内并不多见；重力滑动构造造成了煤体严重破坏，普遍发育的渗透性极低的糜棱煤，为煤层气的开发带来了困难，同时也是煤与瓦斯突出的主因。
关键词 谷山井田 煤层气 赋存特征 含气量
CBM Existence Features in Gushan Coalmine Area of Xinggong Coal Field
Ma Geng1，Su Xianbo2，Lin Xiaoying2，Zhang Zhilin1，Wang Hongjun1
（1.Hebi Coal Group Company Ltd.Hebi 458000；2.Resources and Environment Institute of He'nan Polytechnic University，Jiaozuo 454000）
Abstract：There is rich CBM resources in Xinggong coal field which is about 108.8 billion cubic meters.Gushan coalmine is an under constructed coalmine the exploration extent of which is highest in Xinggong coalfield.Based on the data from exploration and construction of the coalmine，combined with practical mining data，CBM existence feature in the coalmine was discussed in detail.It was concluded that the coal seams of Gushan coalmine are characterized by shallow weathering zone，high gas content，high CBM concentration，low permeability，high reservoir pressure and low water content.High metamorphic grade and high vitrinite content decided the gas content in Gushan coal seams.Mudstone as roof and bottom of coal seams provides both favorable conditions for CBM accumulation and a good water-resisting layer that prevents the connection between coal seams and water zones，which results in coal seams with very low water content.The non-water coal seams like Gushan coalmine are seldom found in other parts of China.On the other hand，in Gushan coalmine，the slippage effect of gravity produced serious damage to the coal seams，as a result，soft coal with very low permeability well developed，which causes lots of difficulties for CBM development and usual burst of coal and gas.
Keywords：Gushan coalmine；CBM；existence features；gas content
引言
以煤层气地质学为指导，系统探讨煤层气赋存特征是国内外学者共同关注的焦点，这一研究不仅为煤层气勘探开发提供理论依据，也为煤矿瓦斯灾害预测和治理提供信息。近30年的理论和实践表明，煤层气地质学的研究主要集中在六个方面：从构造背景、煤层空间几何形态、煤阶、含气量、渗透性、地下水动力学等六个方面进行煤层气地质学方面的研究[1-8]。
荥巩煤田谷山井田以往多为地方煤矿开采，关于煤层气方面的研究几乎为空白。因此本文将以勘探、建井阶段的资料为主，结合此次实测的资料对二1煤煤层气赋存特征进行系统论述，旨在为煤层气开发和煤矿瓦斯灾害治理提供依据。
1 煤层气赋存特征
1.1 构造特征
荥巩煤田位于荥密背斜北翼，构造形式以断层为主，且多发育在煤田外围地区，对煤田影响不大。褶皱不发育，仅在南部有一规模巨大的荥密背斜呈东西向分布。
谷山井田位于荥巩煤田之中段，以35勘探线与大峪沟井田分界，东部以米河东岸与王河及黄庄井田相邻，南部（浅部）以二1煤露头为界，北部（深部）以煤层底板标高200m为界。走向长10～11km，倾向宽2.5～4km，面积30km2。地层走向为北西、南东方向，倾向北东15°左右，倾角较平缓，一般8°～12°，呈一单斜构造形态。本井田构造简单，各种构造形迹严格受区域构造所控制。该井田断裂构造不太发育，但断裂形式多样。以高角度的正断层为主，亦有低缓角度的正断层（F210），但最典型的是滑动构造。井田内含煤地层产状无明显变化，略有浅部缓，深部陡之趋势。全区共查明断层47 条，其中落差大于30m的12条，20～30m的10条，小于20m的25条，井田内共有断层30条，切割煤层者仅有F9、F20、F27等共8条。受嵩山隆起、掀斜、拉伸所引发的重力滑动和南北向侧向挤压的影响，本区滑动构造发育，整个井田范围内均有分布，呈由东向西、由南向北减少的趋势。由于滑动构造的影响，使本区部分地区煤层变薄或缺失（图1）。
图1 谷山井田山西组二1煤厚度及底板等高线图
1.2 煤层空间展布
谷山井田地层出露零星，主要含煤地层为太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组分为九个含煤组段（表1）。其中，山西组与太原组为本区主要含煤地层，其中山西组的二1煤层为本区的主要可采煤层，太原组的一1煤为大面积可采煤层。
中国煤层气勘探开发利用技术进展：2006年煤层气学术研讨会论文集
二1煤层厚0～13m，平均厚3.59m。煤层厚度变化较大，区内出现不可采带14处，最大不可采面积达0.16km2。在局部地段具突然增厚变薄及尖灭现象，最大煤厚可达10余米。从二1煤层等厚线图可以看出（图1）：研究区中部煤层较厚，浅部及深部薄，但就全区而言，煤体普遍呈长舌形，形成一系列厚薄相间，按一定方向排列的煤层增厚带和变薄带。
造成二1煤层厚度变化的原因有两个：沉积背景和滑动构造。潮控三角洲环境形成的河口沙坝与分流间湾沉积，导致三角洲废弃之后的覆水条件与成煤物质堆积速率的不同。煤层及其底板泥岩的厚度变化均受砂岩体的控制，煤层、泥岩与砂岩厚度呈互为消长的关系，在砂脊顶部煤层变薄或尖灭，而在砂脊两侧聚积较厚煤层。而滑动构造是本井田煤层缺失或变薄的主要原因。如前所述，由于煤是一种低扬氏模量、高泊松比的特殊岩石，随嵩山的隆起产生的由南向北的滑动，主滑面优先选择煤层或其顶底板泥岩。这样就造成煤层被吞蚀。由于这种滑动是由南向北的，所以滑动构造呈近东西向展布，且越向南规模越小，薄无煤带范围也越小。
1.3 煤阶、储层压力、吸附特性、渗透性
该井田二1煤为无烟煤，镜质体反射率在4.9%左右；高煤阶、高镜质组含量不仅决定了生气量大，而且煤的吸附能力较强，兰氏体积为45m3/t左右，兰氏压力为1.82MPa左右。煤储层压力较高，为0.84～1.02MPa。
研究区内煤层均为糜棱煤，即V类煤（全粉煤）。可详细区分为鳞片状和土状煤，以及“块状煤”。所谓的“块状煤”是指已经破坏为鳞片状和土状的煤，在构造应力或重力的作用下再固结成具有一定强度的块状煤，其破坏程度更深。由于煤体结构破坏严重，煤储层渗透性极差。
2 煤层气含量及其控制因素
荥巩煤田二1煤储层内赋存着丰富的煤层气资源，资源总量达1087.86×108m3，资源丰度为1.35～2.76m3/km2。谷山井田是该煤田勘探程度较高、正在建井的一个井田，井田内煤层气含量高，一般为10～34.27m3/t，总体上表现为南低北高、西低东高的趋势（图2）。
图2 谷山井田山西组二1煤煤层气含量等值线图
控制煤层气含量的因素主要有以下几个方面：
（1）顶底板。二1煤层常有0.50m左右的炭质泥岩伪顶和伪底（图3）。其顶板为黑色泥岩与砂质泥岩，一般厚2～7m；底板为富含植物根化石的泥岩与砂质泥岩，一般厚0.50～5m。有利于煤层气的保存。另外局部地段二1煤底砂岩为直接底板。
图3 谷山井田山西组二1煤伪顶厚度等值线图
（2）风氧化带。煤层露头煤层气散失和空气的混入使得煤层气中的甲烷含量降低，二氧化碳、氮气含量增高，一般取甲烷浓度80%为风氧化带的底界。该区甲烷组分含量为80%对应的煤层埋深为38～73m，即风氧化带深度为38～73m，如此浅的风氧化带是国内罕见的，充分说明煤体本身的渗透性差。
（3）断层的封闭性。研究区内的断层中F20、F235、F237、F238四条断层切割煤层，根据分析在断层面附近均产生有糜棱煤，并且于断层两侧对接的均为泥岩或砂质泥岩，断面的胶结类型为钙质或泥质胶结，有利于煤层气封闭。
（4）滑动构造。研究区内重力滑动构造造成了煤体严重破坏，煤储层透气性极低，为煤层气的开发带来了困难。二1煤层顶板滑动构造破碎带，滑面附近产生一致密、光滑的隔水、隔气的糜棱岩层，成为阻止煤层气向顶底板运移的屏障，起到了封闭煤层气的作用。在滑动构造造成的煤层局部增厚的区域，煤层气含量则更高。如果滑动构造没有形成致密的糜棱岩层，则破碎带将成为游离态煤层气储存的空间。由于破碎带上部发育致密的泥岩盖层，使得煤层内扩散来的煤层气在破碎带内得以保存，成为煤成气。这种状态下的煤成气是非常利于开发利用的。
（5）水文地质条件。国内外目前已经进行商业开发的煤层气藏大部分与地下水有着密切的关系，排水—降压—采气已经成为不争的事实。但近几年加拿大发现的不含水的煤层气藏，并获得了商业产能。我国还没有类似的报道。谷山井田山西组二1煤层的上部为山西组砂岩含水层，下部为太原组灰岩含水层。这两个含水层与煤储层之间存在致密的泥岩、砂质泥岩隔水层。因此，煤层为独立的水文地质单元，与含水层之间没有水力联系。极低的渗透性使得沿煤层露头的地下水补给量非常有限，就是煤层气在这类煤储层内的迁移都是以扩散为主要方式，地下水在煤层内的迁移更不可能。这正是煤储层成为干层的主因。这种干层使得煤层气开发排采费用降低。
3 结论
（1）荥巩煤田谷山井田二1煤层厚0～13m，厚度变化较大，局部地段具突然增厚、变薄及尖灭现象，主要受滑动构造的影响。
（2）煤储层渗透性极差，煤的吸附能力强，储层压力高。
（3）井田内煤层气含量高，一般为10～34.27m3/t，资源丰度高。
（4）煤的演化程度高、煤岩组分主要以镜质组为主都有利于煤层气的生成。炭质泥岩的伪顶和伪底、浅风氧化带、断层两侧对接关系及滑动构造的影响等都有利于煤层气的保存。
（5）顶底板的泥岩类有效的阻隔了含水层与煤层之间的联系，使该区煤层呈几乎不含水的状态，成为干层。
（6）滑动构造的存在造成煤体破坏严重，高煤层气含量、强煤体破坏程度决定了本区瓦斯灾害严重，常规工艺开发煤层气困难。
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