將軍戈壁一號露天煤礦燒變巖水文地質(zhì)勘察

孫進(jìn)步，朱 濤

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

將軍戈壁一號露天煤礦位于新疆奇臺縣城北東90 km 處，極值地理坐標(biāo)：東經(jīng)90°08′12″～90°16′30″，北緯44°33′45″～44°39′45″，中心坐標(biāo)東經(jīng)90°12′21″，北緯44°36′00″。礦田位于準(zhǔn)東西黑山礦區(qū)東北部，卡拉麥里山南麓山前一帶，區(qū)域地勢呈向南緩傾的斜坡，地貌形態(tài)為殘丘狀剝蝕平原，屬于接近盆地中間沙漠地帶，徑流非常微弱，大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給源。礦田的北部煤層淺部均已火燒，地表形成廣泛分布的燒變巖，燒變巖區(qū)具備良好的導(dǎo)水通道和儲水空間[1]。首采區(qū)緊鄰燒變巖區(qū)，當(dāng)?shù)V田開挖后，燒變巖中賦存的地下水順勢向低洼地匯聚，順勢對礦坑充水，對未來礦田開采構(gòu)成威脅。

雖然在普查、詳查、勘探階段已對礦田含水層富水性、火燒區(qū)富水性進(jìn)行了探查，但總體主要基于對礦田水文地質(zhì)條件進(jìn)行探查，未針對首采區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)探測。礦田北部富水范圍尚未探查清楚，并且開采區(qū)域燒變巖邊界控制不足，容易給制定防治水措施造成誤導(dǎo)。故對將軍戈壁一號露天煤礦北幫燒變巖區(qū)綜合水文地質(zhì)進(jìn)行研究，為采礦設(shè)計(jì)和防治水工作提供參考，避免將來開采過程中發(fā)生涌水事故。

1 物 探

1.1 探區(qū)概況

本次探測區(qū)域位于首采區(qū)北幫煤層火燒區(qū)內(nèi)，地面電法勘探工作是在前期勘探工作基本圈定火燒區(qū)泛圍的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)勘探燒變巖的含水性質(zhì)。瞬變電磁法設(shè)計(jì)測網(wǎng)密度80 m×20 m，測線108 條，瞬變電磁法物理點(diǎn)5 285 個，面積4.34 km2；高密度電法測網(wǎng)密度80 m×10 m，52 條剖面，剖面長度45 100 m，高密度電法物理點(diǎn)4 510 個，面積4.34 km2。參照測區(qū)施工環(huán)境和地球物理?xiàng)l件，在采用磁法探查煤層燒變巖區(qū)邊界的基礎(chǔ)上，使用瞬變電磁法和高密度電法探查煤層燒變巖區(qū)富水情況[2]。

1.2 物探地球物理特征

一般情況下，煤系常見巖石表現(xiàn)不同的電阻率值，泥巖、粉砂巖、中粗砂巖的電阻率值依次增高。煤系在垂向上的電阻率的升高或降低，電阻率在順地層方向因巖性變化較小表現(xiàn)均勻。當(dāng)煤系地層中因裂隙、破碎帶而充水時，由于水的良好導(dǎo)電性，使裂隙、破碎帶與周圍其他巖石產(chǎn)生明顯電阻率差異，這就是電磁法進(jìn)行水文地質(zhì)探測的前提[3]。

工作區(qū)淺地表均為干燥的砂、礫石、砂土層堆積物，厚約10～15 m，為相對中高阻，其下的含煤層為相對高阻，深部的粉、細(xì)砂巖為相對低阻。從垂向上看，將軍戈壁一號露天煤礦地層剖面從上至下電性整體呈現(xiàn)為中高阻－低阻－高阻－低阻。本次探測的主要目標(biāo)層處于相對高阻的侏羅系地層中，當(dāng)目標(biāo)層因燒變巖積水而富水時，將使正常的高阻地層顯示相對低阻特征，從而使地下水位置和范圍顯現(xiàn)[4]。

1.3 瞬變電磁法資料的解釋推斷

本次工作面積較大，瞬變電磁勘探線剖面約110 條，剖面線較多，選取具有代表性的全區(qū)典型剖面進(jìn)行解釋。選取剖面位于測區(qū)的西側(cè)，剖面長880 m，方位角為15°。瞬變電磁推測燒變巖界線及地下積水區(qū)域平面圖如圖1。

剖面電性特征共分4 層，電性特征由淺至深依次為相對高阻-低阻-高阻-低阻。結(jié)合實(shí)際地質(zhì)特征及地層柱狀圖推測，淺部0～30 m 高阻特征是由干燥的砂土和細(xì)砂巖引起。深約20～50 m 低阻異常推測是由含水細(xì)砂巖引起。深約50～160 m 的高阻異常推測為燒變巖區(qū)，是由細(xì)砂巖、礫巖及含煤地層引起。160 m 至深部中阻異常是由正常地層粉砂巖引起。根據(jù)等值線特征，推測深部低阻等值線變化平緩區(qū)是由粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖地層引起；深部等值線變化密集部位推測為局部賦水區(qū)域。

依據(jù)瞬變電磁成果，由北至南電性變化特征為相對中高阻-低阻-中阻-低阻-高阻，東西為相對中高阻特征，推測為正常地層或不含水火燒區(qū)。工作區(qū)北側(cè)及南側(cè)有明顯的低阻異常帶，根據(jù)煤層火燒后，局部區(qū)域富水后打破正常地層的電性特征，視電阻率為低阻特征,瞬變電磁推測燒變巖界線及地下積水區(qū)域平面圖如圖1，推測2 個富水區(qū)域，局部圈閉較好的低阻異常推測為富水性較高的區(qū)域位置[5]。

1.4 高密度電法資料的解釋推斷

工作區(qū)地層比較穩(wěn)定，縱向?qū)游蛔兓淮?，高密度測線分布廣，比較密集，異常解釋推斷挑取比較有代表的、與瞬變電磁剖面在同一位置的典型斷面進(jìn)行解釋推斷。選取剖面剖面點(diǎn)距10 m，電極數(shù)為90個，剖面長900 m。168 線高密度測量地質(zhì)推斷解釋如圖2。

該剖面整體位于工作區(qū)西側(cè)，從剖面整體形態(tài)來看地質(zhì)界線較清楚，局部出現(xiàn)一些似球狀、橢圓狀高阻體，推測可能為礫石層或淺部不規(guī)則狀干燥泥巖所引起[6]。

在整個斷面10 m 往深部50 m 出現(xiàn)1 個低阻層狀異常，推測可能為松散砂礫巖含水層；在50 m 以下為高阻層狀異常，該異常根據(jù)其延伸狀態(tài)，推斷可能為燒變巖（含煤地層）區(qū)，需要鉆探驗(yàn)證。

在斷面460～520 m 處，低阻異常往深部繼續(xù)延伸，推測由于受層間小破碎帶的影響，含水層中的水沿破碎面滲透，往深部擴(kuò)散，引起低阻異常成帶狀往深部延伸。

根據(jù)45 m 等深度視電阻率變化趨勢，結(jié)合已有鉆孔資料，依照本次高密度電法測量成果，推斷的高密度電法推測燒變巖界線及地下積水區(qū)域平面圖如圖3。在本次高密度電法工作區(qū)45 m 等深度范圍內(nèi)共劃分兩處低阻異常區(qū)，編號Ⅰ、Ⅱ。Ⅰ號低阻區(qū)，位于工作區(qū)西北部，往西北繼續(xù)延伸，深部低阻區(qū)主要為砂巖、粗砂巖，由于受地表補(bǔ)給水的影響，呈現(xiàn)低阻，推測為淺地表富水區(qū)域。Ⅱ號低阻區(qū)，位于整個工作區(qū)南部，往東西兩側(cè)延伸，深部低阻區(qū)主要為砂巖、粗砂巖、燒變巖組合，局部泥巖和泥質(zhì)砂巖互層，由于受地表補(bǔ)給水的影響，呈現(xiàn)低阻，推測為淺地表富水區(qū)域。

圖3 高密度電法推測燒變巖界線及地下積水區(qū)域平面圖

1.5 燒變巖界線及地下積水區(qū)域綜合推斷成果

根據(jù)對以上2 種物探方法資料的解釋推斷，圈定了2 處積水區(qū)域，并劃分了燒變巖界線。通過對整個工作區(qū)物探成果和地質(zhì)資料的綜合分析，系統(tǒng)的研究了工作區(qū)地層及電性分布特征得出：

1）近地表相對高阻層是由第四系砂土及礫石層引起，在整個物探區(qū)20～50 m 范圍內(nèi)層狀低阻層為淺地表補(bǔ)給含水層，局部受層間破碎帶的影響，地表補(bǔ)給水下滲，低阻層有往深部連通的趨勢。中深部相對高阻異常推測是由燒變巖及含煤地層引起，深部低阻異常是由砂巖及富水燒變巖引起。

2）整個物探區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育弱，整體地層呈低阻特征，電阻率值相對較低。通過瞬變電磁相對高低阻異常及電阻率等值線形態(tài)及特征推測火燒區(qū)邊界及富水燒變巖區(qū)。

2 水文地質(zhì)鉆探

水文地質(zhì)鉆探是直接探明地下水的一種最重要、最可靠的勘探手段，是進(jìn)行各種水文地質(zhì)試驗(yàn)的必備工程，也是對水文地質(zhì)測繪、物探成果所得地質(zhì)結(jié)論的檢驗(yàn)方法[7]。通過水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)、水質(zhì)全分析等補(bǔ)勘方法，探明了含水層的埋藏深度、厚度、巖性和水頭壓力，查明了含水層之間的水力聯(lián)系，確定了含水層富水性和各種水文地質(zhì)參數(shù)，為燒變巖的水害評估提供科學(xué)依據(jù)，鉆孔位置布置如圖4。

圖4 鉆孔位置布置示意圖

2.1 水文地質(zhì)試驗(yàn)

水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探地面鉆孔均進(jìn)行單孔抽水試驗(yàn)，根據(jù)單孔抽水試驗(yàn)抽水量和水位降深等觀測資料計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)，并依此對地下水含水層的水文地質(zhì)條件進(jìn)行評價。抽水試驗(yàn)孔均穿過燒變巖含水層，且燒變巖含水層頂界有自由水界面，為潛水含水層，所以參考潛水完整井計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。輔助MODFLOW 軟件，得出單位涌水量5.9～17.36 L（/s·m），滲透系數(shù)14.6～93.1 m/d，影響半徑97.3～239.8 m。

2.2 水質(zhì)全分析

在補(bǔ)勘過程中，采取水質(zhì)全分析樣。通過研究地下水水化學(xué)成分及其特征，了解地下水所處的循環(huán)條件，并可判斷不同含水層水源，分析各含水層地下水的成因和運(yùn)移規(guī)律，研究和解釋礦區(qū)地下水水文地質(zhì)條件。總共采取水質(zhì)全分析樣10 組，其中端幫基巖裂隙水水樣5 組，燒變巖水樣5 組。地下水中分布最廣、含量較多的離子分別為Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。這些離子的相對含量和絕對含量隨著水文地質(zhì)條件或其它外界環(huán)境的變化而變化，從而使地下水形成各種不同的水質(zhì)特征。通過分析地下水化學(xué)成分及其特征，確定本次水文試驗(yàn)的端幫基巖裂隙水與火燒巖裂隙水為統(tǒng)一水體，2 種水體中元素含量相近。

2.3 燒變巖區(qū)涌水量預(yù)測

根據(jù)建立的水文地質(zhì)概念模型及數(shù)學(xué)模型[8]，運(yùn)用基于有限差分法的Visual Modflow 軟件建立項(xiàng)目區(qū)的數(shù)值模型，然后經(jīng)過參數(shù)識別及校正，對項(xiàng)目區(qū)的地下水流模型進(jìn)行評價分析，為礦坑涌水量的計(jì)算做基礎(chǔ)。根據(jù)研究區(qū)的基本情況，沿x、y 方向分別以25 m 間距等距剖分，在采場中部加密，整個評價區(qū)劃分為2 層，長3 500 m，寬1 000 m，通過設(shè)立一排疏干井模擬開挖后水位降深。

工作區(qū)有2 個含水層，即原巖含水層與火燒巖含水層。雖然原巖含水層與火燒巖含水層為2 個不同的含水層，根據(jù)以往勘探資料，二者具備一定的水力聯(lián)系，在結(jié)合實(shí)際情況和保證模型計(jì)算準(zhǔn)確的前提下，將模型概化為1 個水平的含水層，燒變巖和原巖含水地層有不同的滲透系數(shù)，根據(jù)以往勘探資料，侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段弱含水層組滲透系數(shù)約0.000 572～0.016 1 m/d，火燒巖的滲透系數(shù)約1.52～4.99 m/d。在現(xiàn)狀條件下，采掘場滲水量最終穩(wěn)定在98.3 m3/d，由此可計(jì)算出每天從邊幫滲出的水量為98.3 m3/d。

3 結(jié)語

通過研究礦區(qū)以往地質(zhì)與水文資料，以及火燒巖勘查資料，了解礦區(qū)的地層信息及空間分布特征。結(jié)合以往北幫火燒區(qū)勘查資料，通過對整個工作區(qū)物探測量成果的研究，對工作區(qū)地層及電性分布特征有了系統(tǒng)的認(rèn)識，整個工作區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育弱，地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，工作區(qū)整體地層呈低阻特征，電阻率值相對較低，根據(jù)相對高低阻異常及電阻率等值線形態(tài)及特征推測火燒區(qū)邊界及富水燒變巖區(qū)。

通過物探、水文地質(zhì)鉆探，并輔以抽水試驗(yàn)、巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試、水質(zhì)全分析等補(bǔ)勘方法，探明了詳細(xì)水文地質(zhì)參數(shù)、采掘場日涌水量。從巖體情況分析出將一礦巖層隔水能力較好，突水風(fēng)險低，但其后期受采礦影響較大，后期開采時提前開展探放水工作。