群孔抽水試驗(yàn)在新疆哈密大南湖礦區(qū)燒變巖層中的應(yīng)用研究

張兆民，魯孟勝,2，孫德全

(1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 泰安 271000；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

大南湖煤礦區(qū)位于新疆哈密市西南，屬哈密市南湖鄉(xiāng)管轄，距哈密市區(qū)約84km，北露天煤礦位于殘丘臺地區(qū)，特點(diǎn)是殘丘山體山低而散亂，山頂渾圓，相對高差不大，干谷寬闊，臺地臺面較平坦，地表被殘積、坡積的巖屑層所覆蓋，通稱戈壁(南湖戈壁)。工作區(qū)及其他周邊50km范圍內(nèi)無地表水系，也無其他地表水體。地勢總體北部、西部高，中部及東南部低，區(qū)內(nèi)海拔高度+421.30～+564.10m，地形高差最大142.8m，最高點(diǎn)位于井田東北部，坡度(15～30)×10-3，屬低山丘陵區(qū)。礦區(qū)總體為S傾的單斜構(gòu)造，疊加有次一級寬緩褶曲，斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育，井田中部地層平緩，傾角一般在3°左右，西北、南部井田邊界處地層較陡，西北部一般在5°～10°之間，南部局部(N7-8～ZK7-5間)地層傾角達(dá)21°。井田南部發(fā)現(xiàn)斷層4條，落差均不大于30m?？傮w上，構(gòu)造復(fù)雜程度中等偏簡單。中侏羅世西山窯組中段為該礦區(qū)主要含煤地層。

該次抽水試驗(yàn)采用群孔抽水試驗(yàn)的方法，試驗(yàn)的目的是為了解燒變巖地下水、煤系地層地下水、Ⅱ火燒區(qū)之間的水力聯(lián)系、水質(zhì)變化情況，充分暴露Ⅲ火燒區(qū)燒變巖的水文地質(zhì)邊界條件，求取水文地質(zhì)參數(shù)，為燒變巖地質(zhì)條件下防治水提供依據(jù)。

1 大南湖礦區(qū)水文地質(zhì)特征

1.1 含(隔)水層

礦區(qū)內(nèi)地層由老至新出露有[1]早侏羅世三工河組、中侏羅世西山窯組、頭屯河組，古近系、新近系、第四系。區(qū)內(nèi)含水層劃分為第四紀(jì)晚更新世風(fēng)積透水不含水層、洪積透水不含水層，中侏羅世頭屯河組弱含水層組、西山窯組上段弱含水層組、西山窯組中段弱含水層組、西山窯組下段弱含水層組(未透)、燒變巖淺部透水不含水及深部含水層組。隔水層為西山窯組上段泥巖、粉砂巖占該組厚度36%～86%，平均65%；西山窯組中段泥巖、粉砂巖占該組厚度19%～61%，平均55%，與砂礫巖含水層相間分布，均能起到良好的隔水作用，阻隔了各含水層間的水力聯(lián)系。

1.2 地下水的補(bǔ)給徑流和排泄

井田內(nèi)無地表徑流及其他地表水體，但井田南部低洼處，零星分布著小面積的淤積亞砂土，說明曾經(jīng)有過因大氣降水形成地表水流的匯集，成為地下水的主要補(bǔ)給源。根據(jù)對區(qū)內(nèi)水位資料分析，在剔除不能反映含水層真水位的穩(wěn)定水位之后，地下水水位還是有明顯規(guī)律的，這充分反映了地下水的補(bǔ)徑排特點(diǎn)。

1.3 Ⅲ火燒區(qū)水文地質(zhì)條件

Ⅲ火燒區(qū)位于井田東南部，火燒區(qū)面積4.55km2，其中進(jìn)入到北露天開采范圍的面積為0.48km2。最大揭露火燒深度226.42m，燒變巖最大厚度188.22m，水位埋深5.50～47.40m。燒變巖從巖心上看，多易破碎，巖塊呈蜂窩狀。該區(qū)位于原二井田地形上的最低點(diǎn)，是地表徑流的匯水區(qū)，地面標(biāo)高413～430m，受大氣降雨和匯水補(bǔ)給成為富水區(qū)，但動態(tài)變化不大。含水層單位涌水量0.449～7.536L/s.m，礦化度15.38～16.5g/L，水化學(xué)類型為Cl-Na，CI·SO4-Na型。硫酸根含量全區(qū)最高，礦化度最低，說明該區(qū)為地下水補(bǔ)給區(qū)[2]。

2 群孔抽水試驗(yàn)的工程布置

群孔抽水試驗(yàn)布置抽水主孔3個，孔號為Z1，Z2，Z3；觀測孔15個，除N10-11為煤系地層觀測孔、S11與ZK10-1為Ⅱ火燒區(qū)觀測孔外，其余的12個觀測孔均為Ⅲ火燒區(qū)觀測孔，孔號分別為S1，S2，S4，S5，S6，S7，S8，S9，N9-14，N10-13，N10-14，N14-10。并針對哈密地區(qū)的燒變巖群孔抽水試驗(yàn)的成果進(jìn)行分析。

觀測孔的布設(shè)原則[3-4]：一是兼顧區(qū)內(nèi)Ⅲ火燒區(qū)燒變巖、煤系地層含水系統(tǒng)地下水的動態(tài)變化規(guī)律及Ⅲ，Ⅱ火燒區(qū)燒變巖地下水之間的相互聯(lián)系；二是該次勘探所施工及區(qū)內(nèi)原有所有基巖觀測孔均作為重點(diǎn)觀測孔，同時對原二井田勘探施工的ZK10-1孔也作為Ⅱ火燒區(qū)燒變巖的水位監(jiān)測孔，以便最大程度控制地下水水位影響范圍(圖1)。

3 群孔抽水試驗(yàn)資料分析及成果

該次群孔抽水試驗(yàn)工作自2010年10月18日10:00開始，2010年11月13日12:00抽水試驗(yàn)結(jié)束，2010年11月21日結(jié)束恢復(fù)水位觀測，整個群孔抽水試驗(yàn)工作全部結(jié)束。

圖1 群孔抽水試驗(yàn)工程布置圖

3.1 抽水試驗(yàn)水位與流量

3.1.1 主孔流量與降深

Z2孔的排水量最大，流量為152～142m3/h，其次為Z1孔，流量為120～110m3/h，Z3孔排水管路最長，流量損失最大，流量為120～110m3/h。整個抽水試驗(yàn)期間，3個抽水孔的流量均呈逐漸減少的趨勢。

Z1孔降深最大達(dá)8.424m，Z3，Z2孔降深較小，分別為1.27m，1.13m。從圖2可以看出，Z2，Z3兩個孔的水位受流量變化影響非常小，而Z1孔水位變化幅度相對比較大，其水位變化主要受流量變化的控制(設(shè)備故障停機(jī)、設(shè)備維修短暫停機(jī)等)，即使是很短暫的停泵對水位的影響也非常明顯。

3.1.2 觀測孔水位

該次抽水試驗(yàn)的15個觀測孔中，除ZK10-1和S11兩個孔在整個抽水試驗(yàn)前后水位基本沒有變化外，其他13個觀測孔的水位均發(fā)生了比較明顯的變化，且位于燒變巖層的水位變化最為明顯，降深為0.300(N14-10)～0.652m(N10-13)。煤系地層(N10-11)的水位也有一定幅度的下降，最大降深為0.102m，表明燒變巖與煤系地層含水層之間具有一定的水力聯(lián)系，但水力聯(lián)系不密切，這與煤系地層的富水性極弱有關(guān)系(圖3)。

圖2 抽水主孔降深過程曲線圖

圖3 觀測孔抽水試驗(yàn)水位歷時曲線圖

圖4 Ⅲ區(qū)燒變巖初始水位等值線圖

從圖3可以看出，燒變巖層各觀測孔水位下降幅度幾乎完全一致，每天以0.025m左右的降幅下降，表明燒變巖層為明顯的儲存量型含水層，其補(bǔ)給條件很差，水量主要來源于含水層水位下降和微量的彈性釋水。抽水試驗(yàn)結(jié)束后，燒變巖各觀測孔水位均有所緩慢上升，停止水位觀測試驗(yàn)時，水位上升幅度均不超過0.10m，說明燒變巖含水層缺少補(bǔ)給水源，地下水屬以儲存量為主型。

3.2 地下水流場的測定

3.2.1 地下水初始流場

群孔抽水試驗(yàn)前，對燒變巖層所有觀測孔水位進(jìn)行了統(tǒng)測，從統(tǒng)測結(jié)果分析，抽水試驗(yàn)前，燒變巖層初始水位標(biāo)高為406.641～406.999m，但地下水水力梯度很小(圖4)。西北部地下水水位較高，水位標(biāo)高接近407m，這可能與燒變巖層埋藏深度大、地下水水壓高有一定的關(guān)系(圖5)。

第一次抽水試驗(yàn)由于設(shè)備故障，歷時52h后停止抽水，經(jīng)過近3d的水位觀測，與抽水試驗(yàn)前水位相比，地下水水位普遍下降0.06～0.09m，但地下水流場形態(tài)未發(fā)生變化。

3.2.2 抽水狀態(tài)下的地下水流場

抽水試驗(yàn)延續(xù)時間21d，抽水試驗(yàn)延續(xù)時間長、抽水量大，主孔和觀測孔降深大，降落漏斗已完全擴(kuò)展至邊界，含水層水文地質(zhì)條件及邊界條件得到充分暴露。

圖5 燒變巖頂板標(biāo)高與水位標(biāo)高等值線圖

從觀測孔水位觀測資料分析，除東北部的N14-10孔降深稍小外，其他個觀測孔的水位降深均大于0.50m，降落漏斗呈橢圓型，其展布方向與含水層的展布方向一致。從最終降深等值線圖上可以看出，在由Z1，Z2，Z3三個抽水孔形成的中心降落漏斗范圍內(nèi)，中心觀測孔降深只有0.592m，與漏斗中外圍的S4號孔及西南邊界處的S8號孔降深相同，表現(xiàn)出抽水孔附近觀測孔降深小，遠(yuǎn)處觀測孔降深反而大的現(xiàn)象(圖6)。造成這種現(xiàn)象的原因可能與燒變巖裂隙平面發(fā)育的各向異性及垂向裂隙發(fā)育不同有關(guān)。

圖6 抽水試驗(yàn)?zāi)┢诮瞪畹戎稻€圖

4 結(jié)語

群孔抽水試驗(yàn)在新疆哈密大南湖礦區(qū)燒變巖層中的應(yīng)用取得了良好的實(shí)踐效果。獲得了新疆大南湖礦區(qū)第三火燒區(qū)的水文地質(zhì)特征，為計(jì)算地下水參數(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

新疆大南湖礦區(qū)燒變巖含水層同時具有基巖裂隙含水層裂隙儲水空間和巖溶含水層溶洞、溶隙儲水空間2類含水層的儲水特點(diǎn)，具有儲存空間大、接受補(bǔ)給速度快的特點(diǎn)。但研究區(qū)燒變巖含水層缺乏穩(wěn)定的補(bǔ)給來源，接受降水補(bǔ)給有限，地下水資源主要為含水層的靜儲存量。且燒變巖與煤系地層含水層之間具有一定的水力聯(lián)系，但水力聯(lián)系不密切，這與煤系地層的富水性極弱有關(guān)系。

大南湖礦區(qū)北露天Ⅲ火燒區(qū)燒變巖地下水以儲存量為主，煤系砂礫巖含水層對其有微量的補(bǔ)給。采用體積法計(jì)算Ⅲ火燒區(qū)燒變巖水文地質(zhì)參數(shù)滲透系數(shù)平均約為240m/d，給水度0.087，地下水儲存量5.0×107m3。

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