神府煤田張家峁煤礦燒變巖與水庫水力聯(lián)系研究

姬中奎，薛小淵，楊志斌，羅安昆，牛光亮

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710077；3.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054)

0 引言

我國新疆及陜北等煤礦區(qū)燒變巖現(xiàn)象較為常見[1-3]。燒變巖裂隙發(fā)育[4]。若燒變巖旁邊有水庫，燒變巖可能與水庫有水力聯(lián)系，此時(shí)若燒變巖下部煤層開采，燒變巖可能將水庫水導(dǎo)入工作面，不僅給煤礦帶來災(zāi)害，還會(huì)給水庫造成水資源損失。陜煤集團(tuán)張家峁煤礦位于神木市北部，是一座年產(chǎn)千萬噸的特大型現(xiàn)代化礦井，建礦以來5-2煤一直是主采煤層，擬采的15207及15208綜采面靠近常家溝水庫。工作面采前必須研究上覆4-2煤燒變巖與水庫的水力聯(lián)系。若燒變巖與水庫無水力聯(lián)系，則工作面可以正?；夭?；若燒變巖與水庫有水力聯(lián)系，則需要采取截流措施。因滲漏關(guān)系水庫一般不會(huì)建在燒變巖旁邊，故國內(nèi)外關(guān)于燒變巖與水庫水力聯(lián)系的文獻(xiàn)很少。研究張家峁煤礦燒變巖與水庫的水力聯(lián)系，對(duì)于張家峁煤礦安全回采和常家溝水庫防滲保水具有雙重現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于分析地表水體與燒變巖之間的水文地質(zhì)關(guān)系有重要的參考價(jià)值。

研究地表水與地下水之間的水力聯(lián)系可根據(jù)地下水與地表水的水位響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析[5]，也可根據(jù)水化學(xué)特征如同位素進(jìn)行判斷[6]，還可采用群孔抽水試驗(yàn)水位降落漏斗形狀和Δh2-lgr曲線規(guī)律進(jìn)行研究[7]，也可以通過示蹤試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[8]。由于研究項(xiàng)目的特殊性，利用水位響應(yīng)關(guān)系分析時(shí)燒變巖中要施工水文觀測(cè)孔，需至少一個(gè)水文年觀測(cè)水庫水位與鉆孔水位的關(guān)系，研究周期長(zhǎng)。水化學(xué)特征法適用于研究深部含水層與地表水的聯(lián)系，且水化學(xué)特征相似往往是地表水與地下水有水力聯(lián)系的必要條件而非充分條件。采用群孔抽水試驗(yàn)方法時(shí)需施工多個(gè)鉆孔并進(jìn)行復(fù)雜的抽水試驗(yàn)，且觀測(cè)孔必須在影響半徑內(nèi)，因工作面切眼與水庫距離遠(yuǎn)不適用。示蹤試驗(yàn)法較為復(fù)雜，在水庫這種大型水體中難以投放和接收，實(shí)施的難度和工作量非常大。本次研究中，根據(jù)研究區(qū)特殊的地形地質(zhì)條件，運(yùn)用野外水文地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合水文地質(zhì)鉆探，研究了水庫水位和溝谷泉水的關(guān)系，采用水位流量響應(yīng)法證明了水庫水是泉水的補(bǔ)給源。通過分析地質(zhì)空間關(guān)系在排除了其他補(bǔ)給通道后，間接證明了水庫與燒變巖有水力聯(lián)系，為帷幕截流工程提供了重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地質(zhì)

張家峁煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田神府礦區(qū)南部，井田大部分位于黃土丘陵溝壑區(qū)，存在多層燒變巖，溝谷中2-2、3-1、4-2、5-2煤均有直接露頭，井田中東部各煤層燒變巖十分發(fā)育，見圖1。

圖1 張家峁井田平面圖Figure 1 Zhangjiamao minefield plan

張家峁井田構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體上為向西緩傾的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為1°，井田內(nèi)地層自上而下為：風(fēng)積沙(Q4eol)、離石組黃土(Q2l)、保德組紅土(N2b)及延安組(J2y)基巖風(fēng)化帶、4-2煤上部新鮮基巖、4-2煤燒變巖、5-2煤頂板巖層、5-2煤、5-2煤底板巖層。延安組底部為富縣組(J1f)，見圖2。研究區(qū)主要含水層有風(fēng)積沙含水層、風(fēng)化帶含水層、燒變巖含水層及延安組含水層。各含水層參數(shù)見圖2。在區(qū)域較大范圍內(nèi)，地下水整體上自西向東流動(dòng)，由于地表切割嚴(yán)重，覆蓋條件下的補(bǔ)給徑流排泄條件受干擾后，溝谷成為排泄點(diǎn)和補(bǔ)給點(diǎn)。研究區(qū)主要隔水層為保德組紅土，離石組黃土為相對(duì)隔水層。

圖2 地層柱狀Figure 2 Stratigraphic column

1.2 常家溝水庫

常家溝水庫位于張家峁井田中部，建于烏蘭不拉河與老來河的交匯處，是神木市最大的蓄水水庫，水庫匯水面積44km2，容水面積0.3km2，總庫容1 200萬m3，蓄水量在500～600萬m3，水庫洪峰期最高水位+1 138.17m，枯水期最低水位+1 121.74m，水庫底部最低點(diǎn)標(biāo)高+1 111.74m。水庫水既供下游農(nóng)田灌溉和人畜飲用，同時(shí)還承擔(dān)電廠供水任務(wù)。

1.3 5-2煤工作面

張家峁煤礦自2009年6月試生產(chǎn)以來，已完成了5-2煤的15201試采面、15201首采面和15202—15206工作面的回采，見圖1。各工作面均采用大采高一次采全高綜采工藝。已生產(chǎn)工作面雖上覆有4-2煤火燒區(qū)，但回采過程中頂板燒變巖沒有水。隨著工作面向西布置，接續(xù)生產(chǎn)的15207—15208工作面離常家溝水庫越來越近，根據(jù)采掘設(shè)計(jì)圖，15207工作面切眼距離水庫最近286m，15208工作面距常家溝水庫最近190m。

2 水力聯(lián)系分析

2.1 泉水補(bǔ)給來源

2.1.1 泉水流量與水庫水位觀測(cè)

15207工作面回采前，為了研究燒變巖與水庫的水力聯(lián)系，對(duì)工作區(qū)進(jìn)行了野外踏勘。2016年5月12日，研究人員首次發(fā)現(xiàn)15207工作面上方的陳家塔溝谷中有泉水，出水點(diǎn)標(biāo)高+1 134.5m，出水點(diǎn)平面上距15207工作面切眼約580m，距回風(fēng)巷約60m(圖3)。發(fā)現(xiàn)泉水后對(duì)泉流量及水庫水位進(jìn)行觀測(cè)(表1)。

圖3 井上下結(jié)合平面Figure 3 Surface-underground contrast plan

觀測(cè)日期泉流量/m3·h-1水庫水位/m水庫水位下降/m水庫水位高出泉點(diǎn)水位/m2016-05-1230+1 136.20—1.702016-05-2813+1 135.900.301.402016-06-030+1 135.660.541.162016-06-130+1 135.440.760.942016-06-300+1 134.701.500.202016-07-060+1 134.501.700

2.1.2 泉水來源初步分析

1)水庫水。由表1可知，從5月12日到6月3日，泉流量從30m3/h逐步變小至無水，5月12日水庫水位為+1 136.2m，高于泉點(diǎn)1.7m，之后水位逐步下降，至6月3日水位+1 135.66m，高于泉點(diǎn)1.16m時(shí)泉流不再有水。水庫水位下降后泉點(diǎn)無水，能在一定程度說明泉水從水庫來，但由于缺乏水庫水位上升后泉水再次涌出的完整響應(yīng)關(guān)系，且之前已回采的5-2煤工作面頂板燒變巖均沒有水，因此不能排除泉水來源的其他可能性。

2)大氣降水。泉水可能與降雨入滲有關(guān)。根據(jù)神木市氣象資料，該市2016年4月和5月中除5月13日有小到中雨外，其余僅有的幾次小雨。神木氣候干旱，小雨時(shí)降雨量并不大，而5月13日中雨前泉點(diǎn)已經(jīng)出水，因此泉點(diǎn)出水和降雨關(guān)系不大。

3)基巖風(fēng)化帶水。泉水有一種可能性是來自埋藏區(qū)基巖風(fēng)化帶水。踏勘中可見，泉點(diǎn)處陳家塔溝兩側(cè)溝坡上有基巖風(fēng)化帶直接露頭，高出泉點(diǎn)15m以上。基巖風(fēng)化帶有水應(yīng)該已通過露頭排泄，更何況泉點(diǎn)北部、東側(cè)、西側(cè)4-2煤工作面均已回采，基巖風(fēng)化帶若有水，已經(jīng)全部進(jìn)入4-2煤采空區(qū)中了，因此基巖風(fēng)化帶不可能是泉水來源。

4)農(nóng)田灌溉水。泉水可能與農(nóng)民澆地有關(guān)。梁峁處農(nóng)田灌溉時(shí)有水停灌后無水。經(jīng)分析，出水期間沒有農(nóng)事灌溉活動(dòng)，泉水流量達(dá)30m3/h且出水時(shí)長(zhǎng)達(dá)半月之久，農(nóng)民灌溉時(shí)間沒有這么長(zhǎng)，澆地強(qiáng)度也沒有這么高，從而說明泉水和灌溉無關(guān)。

5)工業(yè)園區(qū)排水。泉水也可能與某廠礦企業(yè)排水有關(guān)。若某企業(yè)在特定時(shí)間段排水，通過地表入滲泉點(diǎn)有水，停止排水后泉水?dāng)嗔?。?jīng)分析，出水點(diǎn)附近沒有廠礦排水點(diǎn)，神木市工業(yè)園區(qū)距離出水點(diǎn)超過10km以上，之間隔著好幾條切割很深的大溝，因此泉水與廠礦排水無關(guān)。

綜合分析水庫水、大氣降水、基巖風(fēng)化帶水、農(nóng)田灌溉水和廠礦排水等情況，認(rèn)為泉水來自水庫的可能性最大，但要證明泉水從水庫來，還需開展相關(guān)工作。

2.1.3 泉水與水庫水關(guān)系分析

為了進(jìn)一步研究陳家塔溝谷中泉水的來源，研究人員對(duì)常家溝水務(wù)局工作人員和當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行了深入的走訪調(diào)查。從常家溝水庫水務(wù)局得知，常家溝水庫建于1979年，每年9月15日至來年4月15日為補(bǔ)水期，上游蘆草溝有水源補(bǔ)給水庫，當(dāng)年4月15日至當(dāng)年9月15日關(guān)水期，上游蘆草溝水源停止補(bǔ)給，每年7月到8月下游用水量較大，總體上，常家溝水庫4～5月水位最高，9～10月水位最低。當(dāng)?shù)鼐用裨谡{(diào)查中反映，在水庫建成蓄水之間，陳家塔溝出水點(diǎn)處從沒有泉水，水庫建成后出水點(diǎn)處才有泉水。該泉水是一個(gè)季節(jié)性泉水，每年春夏之交水庫水位上漲時(shí)泉水較大，秋冬之交水庫水位下降時(shí)泉水干涸。

走訪調(diào)查工作表明，水庫水位和泉水流量有直接響應(yīng)關(guān)系，水庫水位高則泉有水，水庫水位低則泉無水，多年來泉水與水庫的響應(yīng)關(guān)系充分證明，常家溝水庫水是泉水的來源。泉水來源清楚但通道不明，應(yīng)查明過水通道。

2.2 泉水補(bǔ)給通道分析

2.2.1 泉水出露層位分析

研究中于2016年7月對(duì)陳家塔溝泉水出露點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)踏勘，并在泉點(diǎn)附近施工了3個(gè)探坑。踏勘中發(fā)現(xiàn)，泉點(diǎn)在溝底靠東側(cè)，泉點(diǎn)處溝谷兩岸有4-2煤燒變巖露頭，燒變巖頂部高出溝底地面10～12m，燒變巖底部略高于溝底，向北往溝谷上游方向，燒變巖底部逐漸掩埋在坍塌的巖塊和草叢中。沿泉點(diǎn)向南往下游方向，可見陳家塔溝兩側(cè)燒變巖位置越來越高，燒變巖底板與溝谷底部的高差也越來越大。在溝谷下游開闊處陳家塔水潭西側(cè)，部分燒變巖底板的風(fēng)化巖中有水滲出。探坑開挖中發(fā)現(xiàn)，各探坑上部為土層，下部為灰色風(fēng)化砂巖和泥巖，土層厚度0.3～1.2m，風(fēng)化巖頂部標(biāo)高+1 133.1～+1 134.0m。根據(jù)已有鉆孔資料做出研究區(qū)4-2煤煤層底板等高線，泉點(diǎn)位于+1 135m等高線附近，泉點(diǎn)處風(fēng)化巖標(biāo)高低于煤層底板，故風(fēng)化巖為4-2煤煤層底板風(fēng)化帶。從泉點(diǎn)沿溝谷往北，地勢(shì)越來越高但煤層底板越來越低，根據(jù)圖3火燒區(qū)邊界線可知，溝谷下部有4-2煤燒變巖，泉點(diǎn)的直接出露層位為4-2煤底板風(fēng)化帶，溝谷往北風(fēng)化帶上部覆蓋有4-2煤燒變巖。

2.2.2 水庫水與4-2煤燒變巖接觸關(guān)系分析

根據(jù)野外踏勘，常家溝水庫北岸水庫水與4-2煤燒變巖有直接的接觸關(guān)系。在北岸西側(cè)，水庫水完全淹沒4-2煤燒變巖，在北岸東側(cè)，由于地層抬起水庫水只淹沒4-2煤燒變巖的下部層段。研究中于2016年11月，在15207及15208工作面外側(cè)施工了3個(gè)水文地質(zhì)孔，根據(jù)鉆孔取心和水文地質(zhì)測(cè)井，各鉆孔鉆探中均揭露了4-2煤燒變巖，驗(yàn)證了圖3火燒區(qū)范圍的可靠性，T2、T3、T4孔揭露燒變巖的標(biāo)高分別為+1 128.3～+1 140.1m、+1 129.4～+1 141.7m、+1 134.7～+1 143.5m，燒變巖底板下為新鮮基巖，自西向東4-2煤燒變巖底板逐步升高，與井田4-2煤煤層底板等高線趨勢(shì)吻合，見圖4。

圖4 T2—T4剖面示意Figure 4 T2—T4 schematic section

2.2.3 水庫補(bǔ)給泉水的通道分析

陳家塔溝泉水的出露層位為4-2煤底板風(fēng)化帶。該風(fēng)化帶系溝谷切割沖刷剝蝕產(chǎn)生的裸露區(qū)風(fēng)化帶，在陳家塔溝僅發(fā)育在溝谷兩側(cè)和底板，從溝谷兩側(cè)和底板露頭區(qū)往埋藏區(qū)，風(fēng)化帶很快過渡為新鮮基巖。張家峁煤礦4-2煤已開采區(qū)域揭露所有4-2煤底板均是新鮮巖石。常家溝水庫水所淹沒浸泡的地層有4-2煤燒變巖、 4-2煤燒變巖底部地層和少量淺層4-2煤燒變巖頂部地層，除燒變巖外，燒變巖頂?shù)撞康貙泳鶠轭愃脐惣宜瞎鹊穆懵秴^(qū)風(fēng)化帶，因陳家塔溝和常家溝之間距離超過300m，兩溝之間的裸露區(qū)風(fēng)化帶不會(huì)貫通。圖4中T2～T4斷面燒變巖頂板還有新鮮基巖，新鮮基巖往上才是的埋藏區(qū)基巖風(fēng)化帶，該風(fēng)化帶在礦區(qū)普遍發(fā)育并與下覆地層呈角度不整合關(guān)系。圖4中的斷面是水庫水補(bǔ)給泉點(diǎn)的必由之路。常家溝水庫歷史最高水位+1 138.17m，T2、T3、T4斷面燒變巖頂部高于+1 140m，因此水庫水不可能越過燒變巖頂板埋藏區(qū)風(fēng)化帶補(bǔ)給泉水，換言之，燒變巖是水庫水補(bǔ)給泉水的通道，水庫水只能通過4-2煤燒變巖向北流動(dòng)變成燒變巖水，在溝谷處燒變巖水進(jìn)入裸露區(qū)風(fēng)化帶，部分在陳家塔水潭西側(cè)滲出，部分以間歇性泉的形式從泉點(diǎn)地面涌出。

2.3 燒變巖與水庫水力聯(lián)系分析

通過分析水庫補(bǔ)給泉點(diǎn)的過水通道，可知水庫水與4-2煤燒變巖之間存在水力聯(lián)系，若兩者之間無水力聯(lián)系，泉點(diǎn)不可能有季節(jié)性的間歇水。15201～15206等工作面在回采中頂板燒變巖沒有水，其原因是因地層傾角關(guān)系煤層底板較高，加之陳家塔溝切割有排泄點(diǎn)，水庫水經(jīng)燒變巖無法滲流到5-2煤各工作面頂板上的4-2煤燒變巖中。

3 水力聯(lián)系驗(yàn)證

3.1 燒變巖富水性及危害

水庫水滲入火燒區(qū)后使燒變巖成為一個(gè)含水層，T2和T3孔抽水試驗(yàn)中，T2孔單位涌水量q=9.981L/(s·m)，滲透系數(shù)148.7m/d，T3孔單位涌水量q=1.767L/(s·m)，滲透系數(shù)27.3m/d，抽水結(jié)果表明4-2煤燒變巖含水層富水性強(qiáng)，滲透性好。工作面切眼送到位后，在井下施工了11個(gè)燒變巖探查孔，進(jìn)一步驗(yàn)證了火燒區(qū)范圍，對(duì)其中7個(gè)揭露燒變巖的鉆孔進(jìn)行了放水試驗(yàn)，7d后總放水量從278m3/h穩(wěn)定為138m3/h，表明4-2火燒區(qū)燒變巖水量充沛，補(bǔ)給豐富。5-2煤平均厚度5.6m，5-2煤和4-2煤間距75m，根據(jù)礦方實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，5-2煤回采后導(dǎo)水裂隙帶會(huì)發(fā)育至4-2煤層位[9-10]，因此，15207及15208工作面采前必須采取截流措施，否則回采時(shí)一方面頂板燒變巖會(huì)突水，同時(shí)水庫水資源還會(huì)大量流失。

3.2 帷幕工程驗(yàn)證

確定水庫水與燒變巖存在水力聯(lián)系且燒變巖富水性強(qiáng)之后，在切眼外側(cè)做了一道注漿帷幕墻，帷幕墻由2排鉆孔組成[11]，外排鉆孔距離切眼50m，內(nèi)排鉆孔距離切眼41.34m，帷幕墻東至陳家塔溝谷邊緣，西至火燒區(qū)邊界實(shí)煤體中，下至燒變巖下部新鮮基巖5m，上至燒變巖頂部新鮮基巖。帷幕工程于2017年1月14日開始，4月23日結(jié)束，施工中時(shí)值水庫水位上漲期，注漿中帷幕外側(cè)燒變巖觀測(cè)孔水位隨水庫上漲，帷幕內(nèi)側(cè)燒變巖觀測(cè)孔水位逐步下降。從2月中旬開始，陳家塔溝谷泉水流量越來越小，至3月19日泉水徹底干涸。帷幕工程后期井下進(jìn)行了燒變巖疏放水，從4月6日至4月17日，放水量從502m3/h很快衰減至16m3/h，關(guān)閉放水孔后觀測(cè)孔水位未恢復(fù)。以上帷幕內(nèi)外鉆孔水位變化、泉水流量變化及井下放水中放水孔流量及觀測(cè)孔水位變化充分說明，常家溝水庫水與4-2煤燒變巖存在水力聯(lián)系，帷幕切斷了兩者之間的聯(lián)系。

4 結(jié)論

1)張家峁煤礦15207、15208工作面上覆4-2煤火燒區(qū)與常家溝水庫存在水力聯(lián)系，4-2煤燒變巖富水性強(qiáng)，工作面采前必須采取帷幕截流措施。

2)泉水是研究水庫水與燒變巖水力聯(lián)系的一個(gè)重要線索，通過分析泉水流量和水庫水位之間的響應(yīng)關(guān)系可確定水庫是泉水的補(bǔ)給源，根據(jù)地質(zhì)關(guān)系在排除了其他通道可能性后，可得出燒變巖與水庫有水力聯(lián)系。