新疆煤礦區(qū)域水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要模式研究

古麗波斯坦·吐遜江 尚彥軍 葛秀秀

摘? ?要：礦區(qū)安全生產(chǎn)和水文地質(zhì)條件存在重要關(guān)系，在前人工作基礎(chǔ)上，總結(jié)分析了新疆煤礦區(qū)水文地質(zhì)特征。新疆煤礦區(qū)主要含水層為第四系松散巖孔隙含水層和侏羅系碎屑巖孔隙-裂隙含水層，主要補(bǔ)給源為大氣降水和地表水。煤礦區(qū)內(nèi)水源為裂隙水、大氣降水及地表水，補(bǔ)給源條件差或者一般;充水通道主要為斷層和裂隙密集帶等，礦井單位涌水量偏小;開采受水文地質(zhì)條件影響程度小，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬簡(jiǎn)單-中等類型。

關(guān)鍵詞：新疆;煤礦;充水;水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

1979年谷德振提出水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概念，指出巖層、構(gòu)造和地下水共同構(gòu)成水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，礦山開采受水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響[1]。何宇彬在此基礎(chǔ)上提出巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概念[2]。1992年張壽全在前人研究基礎(chǔ)上提出“水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”概念，將水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)定義為等級(jí)化和分類化系統(tǒng)[3]。礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系指礦山開采煤層同礦山中含水層、隔水層、各類補(bǔ)充水源、導(dǎo)水通道、具體采掘空間及水文地質(zhì)邊界等在空間方面的位置與組合關(guān)系[4-5]。水文地質(zhì)條件可對(duì)礦山開采過程造成直接影響[6]。如開采前對(duì)水文地質(zhì)條件末進(jìn)行合理勘查與處理，極易發(fā)生安全隱患。因此，礦山開采中，需充分考慮礦山水文地質(zhì)條件。前人在新疆進(jìn)行了大量基礎(chǔ)煤田地質(zhì)研究，在煤礦區(qū)構(gòu)造特征、聚煤特點(diǎn)及聚煤分類方面取得大量研究成果[7-9]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，總結(jié)分析新疆煤礦區(qū)的區(qū)域水文地質(zhì)特征，以期為礦井水害預(yù)防提供宏觀科學(xué)依據(jù)。

1? 新疆煤炭資源概況

新疆是全國(guó)礦產(chǎn)資源豐富省份之一，煤炭資源豐富、分布范圍廣。新疆煤炭總儲(chǔ)量大、埋藏較淺、開采條件良好、種類齊全。目前新疆累計(jì)探明煤炭資源儲(chǔ)量 4 225.58×108 t，保有資源儲(chǔ)量4 102.77×108 t[10]，預(yù)測(cè)儲(chǔ)量2.19×1012 t，占全國(guó)的39.3%。據(jù)“十三五”規(guī)劃，新疆為我國(guó)第14個(gè)現(xiàn)代化大型煤炭基地，是我國(guó)煤炭生產(chǎn)西移的重要承接區(qū)和戰(zhàn)略儲(chǔ)備區(qū)[10-12]。新疆聚煤作用從石炭紀(jì)到侏羅紀(jì)均有，早-中侏羅世為主要聚煤期[13]。煤層主要分布在塔里木盆地邊緣煤層區(qū)和準(zhǔn)噶爾盆地邊緣煤層區(qū)（圖1）[14]。

1.1? 準(zhǔn)噶爾煤層區(qū)

該煤層主要為侏羅系水西溝群，分為八道灣組、三工河組和中統(tǒng)西山窯組，廣泛分布于準(zhǔn)噶爾盆地、巴里坤-三塘湖盆地、伊寧盆地和吐哈盆地等[13]。

1.2? 塔里木煤層區(qū)

該煤層主要為侏羅系克拉蘇群和葉爾羌群?？死K群煤礦巖組，分布于塔里木盆地北緣;葉爾羌群煤礦巖組為康蘇組、楊葉組，分布于塔里木盆地西南緣和南緣[13]。

2? 煤礦區(qū)水文地質(zhì)特征

新疆煤炭資源主要分布于山前盆地或山前傾斜帶盆地邊緣[15]。受自然地理?xiàng)l件、地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)褶皺、階梯斷陷和地層巖性等控水作用影響，為大量匯集的地表水轉(zhuǎn)到地下水的有利地帶，煤礦多處于補(bǔ)給-徑流區(qū)域。水文地質(zhì)總體較簡(jiǎn)單，不同地區(qū)差異較大，主要為第四紀(jì)孔隙水和侏羅系裂隙水。屬干旱-半干旱氣候，年降水量較少，風(fēng)積沙較大，有突水潰沙和突泥風(fēng)險(xiǎn)。部分煤區(qū)含有燒變巖含水層，煤礦區(qū)受燒變巖含水層影響。

2.1? 地表水來源

處于山前或盆地邊緣的煤礦區(qū)域發(fā)育有地表河水或由降水匯集形成的季節(jié)性河流[16]。部分山間或盆地內(nèi)煤礦區(qū)域無常年河流或地表水流，為干溝。

2.2? 地下水類型

新疆煤系地層含水層主要為第四系松散巖孔隙含水層和侏羅系碎屑巖孔隙-裂隙含水層，部分地區(qū)還有燒變巖裂隙-孔隙含水層和凍水含水層，如永新煤礦和沙吉海煤礦一號(hào)礦井煤礦等[17-18]。第四系孔隙含水層主要為賦存地下水的硬脆多孔的砂巖和礫巖及上覆第四系砂礫石。孔隙-裂隙水包括出露于淺表的基巖風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙和深部碎屑巖形成的承壓裂隙水。位于天山東段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣吉新礦區(qū)中下侏羅統(tǒng)三工河組、中侏羅統(tǒng)頭屯河組、下侏羅統(tǒng)塔里奇克組等含水層中砂礫巖為主要裂隙含水層[19]。巖層中夾有粘土層或粘土質(zhì)巖層，透水性差使得這些軟弱的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和炭質(zhì)泥巖具相對(duì)隔水作用。下侏羅統(tǒng)三工河組和八道灣組巖性主要為泥巖，起相對(duì)隔水層作用。

2.3? 地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件

新疆煤礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給源為大氣降水、冰雪融水、地表水體（河、湖及水庫等）、泉水、第四系孔隙水和部分地區(qū)燒變巖裂隙水等。大氣降水、冰雪融水等常年在山區(qū)蓄積。通過第四系松散層，經(jīng)基巖風(fēng)化層、構(gòu)造裂隙等補(bǔ)給深部含水層，形成孔隙-裂隙微承壓水。部分煤層內(nèi)深部巖石裂隙不發(fā)育，地下水運(yùn)移速度緩慢，補(bǔ)給和排泄條件差?；馃龓r區(qū)域和構(gòu)造裂隙水區(qū)域的地下含水層與地表水聯(lián)系密切，補(bǔ)給、徑流、排泄條件稍好[20]。煤礦區(qū)域主要位于補(bǔ)給-徑流區(qū)域，地下水排泄方式主要為泉水、植物蒸騰。隨區(qū)域礦井建設(shè)和生產(chǎn)，部分礦區(qū)采煤后期疏干排水為主要排泄方式之一。

2.4? 充水水源

2.4.1? 大氣降水和地表水

新疆屬干旱-半干旱氣候區(qū)。煤礦區(qū)大多分布在山前地帶，降水集中在夏季和冬季。夏季6—8月為雨季，11月至次年3月降雪較多。降雨較集中，暴雨次數(shù)少，強(qiáng)度較低的降水為礦床充水水源之一。由于積雪融化速度相對(duì)較慢，有利于雪融水的大量入滲補(bǔ)給。因此，冰雪融水為礦床充水水源之一。部分礦區(qū)井下煤層開采后，巖層原有穩(wěn)定性遭破壞，上覆巖層失去支撐發(fā)生彎曲與位移，在地表形成低洼地形，出現(xiàn)塌陷洼地和裂縫。雨季和雪水融化時(shí)易形成季節(jié)性地表水流，通過這些地面塌陷坑等對(duì)地下水補(bǔ)給。

2.4.2? 煤層及煤層頂?shù)装寤鶐r裂隙水

煤層頂?shù)装宕嬖诤畬?，一般情況下含水層之間受隔水層影響水力聯(lián)系微弱。后期相鄰煤層開采時(shí)出現(xiàn)裂隙通道，煤層及煤層頂?shù)装寤鶐r裂隙水為主要充水水源之一。

2.4.3? 火燒區(qū)積水

部分煤礦區(qū)侏羅紀(jì)燒變巖孔隙-裂隙十分發(fā)育，具良好儲(chǔ)水空間和地下水徑流順暢通道[21-22]。區(qū)內(nèi)燒變巖受地形與水文地質(zhì)條件及火燒深度差異影響，底部多形成鍋底狀或鋸齒狀，接受大氣降水與融化雪水補(bǔ)給后賦存一定量的裂隙潛水。下部煤層開采時(shí)，火燒區(qū)易受冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶影響，使賦存積水通過冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入礦坑。淺部開采時(shí)燒變巖裂隙潛水為礦床充水主要因素。

2.4.4? 老窯積水

新疆煤礦區(qū)僅局部存在老窯，煤礦開采過程中若越界開采或采煤方式不當(dāng)會(huì)造成老窯水突入礦井，成為礦井充水源之一。

2.5? 涌水量

新疆煤礦歷年含水層單位涌水量數(shù)據(jù)見表1。從表1看出，鉆孔單位涌水量小于0.1 L/s·m，屬弱富水性，滲透系數(shù)均小于1 m/d[22-26]。吉木薩爾縣吉新煤礦ZK501滲透系數(shù)相對(duì)大，由于礦區(qū)周圍存在石場(chǎng)溝，鉆孔因溝谷中地表水及第四系河水補(bǔ)給，且靠近構(gòu)造-火燒區(qū)富水帶，因此富水性和滲透系數(shù)較高[25]。

3? 新疆煤礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

煤礦區(qū)水害與水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。充水水源是控制水害發(fā)生的關(guān)鍵，不同充水水源形成水害的預(yù)防措施不同。本文從充水水源著手，分析新疆煤礦水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、形成條件之間的相同點(diǎn)，研究煤礦水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式。

3.1? 地表水充水型

地表水充水型有季節(jié)性和常年性河流兩種。煤層開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶接近河流區(qū)域，導(dǎo)致河水沿導(dǎo)水通道涌入礦井，形成水災(zāi)。具體情況如下：①季節(jié)充水型。礦井附近一般均有季節(jié)性河流存在，且與礦井通道聯(lián)通。一旦河水涌入礦井，涌水量增大，就會(huì)發(fā)生水災(zāi)。②常年性河流。相對(duì)季節(jié)性河流徑流較穩(wěn)定，若開采前未做好相應(yīng)工作，對(duì)礦井可能造成較大水災(zāi)危害（圖2）。

3.2? 地下含水層充水型

新疆聚煤地層中主要賦存第四紀(jì)孔隙水和侏羅紀(jì)裂隙水，巖層主要為砂巖。煤層開采中，若頂板裂隙帶與含水層接通，造致上部含水層的水涌入礦井，部分區(qū)域斷層較發(fā)育，為充水通道[27]。天山山前煤礦區(qū)開采時(shí)由于煤層厚度大（一般10 m左右），基巖厚50～100 m，煤層開采后形成的導(dǎo)水裂縫帶極易與淺部山前沖積物中季節(jié)性雪融水、斜坡過境流混合，造成突水潰砂現(xiàn)象。部分地區(qū)煤層頂板有厚層裂隙水，煤層開采過程中，頂板會(huì)遭多層結(jié)構(gòu)的厚松散層底礫層突水潰砂威脅。礦區(qū)煤層開采受頂板侏羅系和白堊系厚層砂巖水突水威脅，部分礦井水害嚴(yán)重。如位于新疆哈密大南湖礦區(qū)，中侏羅統(tǒng)西山窯組煤層開采受頂板侏羅系砂巖水威脅嚴(yán)重，部分礦井正常涌水量達(dá)283.3 m3/h，給礦區(qū)煤礦開采造成嚴(yán)重影響[28-29]。

3.3? 燒變巖區(qū)積水充水型

煤層在開采過程中頂板受到煤層露頭附近溝谷切割或傾斜露頭自燃后形成的頂板燒變巖含水段的突水威脅[30-31]。由于露頭和空氣直接接觸獲得充足氧氣，露頭煤層發(fā)生自燃使燒變巖面積增大。局部補(bǔ)給條件好的區(qū)域，燒變巖具較強(qiáng)富水性，對(duì)礦井開采影響較大（圖3）。燒變巖巖體的結(jié)構(gòu)孔隙-裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)，一般由大氣降水或地表水獲取補(bǔ)給。

4? 結(jié)束語

新疆煤礦主要分布于山前盆地或山前傾斜帶盆地邊緣，受采掘破壞影響的第四系松散巖孔隙含水層和侏羅系碎屑巖孔隙-裂隙含水層，補(bǔ)給源包括大氣降水和地表水。區(qū)內(nèi)充水水源包括裂隙水、大氣降水及地表水，補(bǔ)給源條件差或一般。充水通道主要為斷層和裂隙密集帶等，礦井涌水量整體偏小，開采受水害影響不大。從防治水程度看，屬簡(jiǎn)單-中等類型。新疆煤礦區(qū)現(xiàn)有水文地質(zhì)勘查工作成果相對(duì)較少，局部煤礦針對(duì)性較強(qiáng)，全面了解水文地質(zhì)單元的工作量相對(duì)欠缺[32]。煤礦區(qū)勘查工作中水文地質(zhì)勘查和其它地層要素勘查工作存在區(qū)別，如水位、水量等要素的動(dòng)態(tài)變化，具時(shí)效性。因此，加強(qiáng)水文地質(zhì)勘查方面研究，能全面掌握煤礦區(qū)水文地質(zhì)條件，提高生產(chǎn)效益和安全保障。

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