河興梁井田燒變巖水水文地質(zhì)條件分析

王少鋒，王 偉

(陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710018)

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河興梁井田燒變巖水水文地質(zhì)條件分析

王少鋒，王 偉

(陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710018)

敘述了河興梁井田3-1號(hào)煤層上部水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，未來開采3-1號(hào)煤層將導(dǎo)致燒變巖水、甚至薩拉烏蘇組地下水滲漏和地下水水位下降，使脆弱的陜北地下水系統(tǒng)遭到破壞，難以真正達(dá)到保水采煤的目的和保護(hù)沙漠生態(tài)建設(shè)。因此，采前研究分析有效的可持續(xù)發(fā)展思路和方法，不僅保護(hù)了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，還有利于流域生態(tài)保護(hù)。

燒變巖含水層；薩拉烏蘇組；保水開采；生態(tài)環(huán)境

陜北榆神礦區(qū)河興梁井田設(shè)計(jì)為120萬 t的現(xiàn)代化煤礦，設(shè)計(jì)首先開采3-1號(hào)煤層，煤層平均厚度為煤厚0.30～2.52 m，平均厚度1.34 m，該煤層穩(wěn)定，厚度變化很小，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。該井田范圍內(nèi)賦存大量的燒變巖，由于燒變巖孔隙、裂隙極其發(fā)育，地下水補(bǔ)給充沛，地下水資源儲(chǔ)存豐富，水質(zhì)優(yōu)良，是礦區(qū)開發(fā)利用的寶貴水資源。同時(shí)，3-1號(hào)煤層距燒變巖底平均約32.96 m，未來開采3-1號(hào)煤導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通燒變巖水勢(shì)必對(duì)煤礦安全開采構(gòu)成了巨大威脅，采前研究分析、消除水害隱患，合理利用水資源，為礦區(qū)提供大量的優(yōu)質(zhì)水資源，同時(shí)也沒有破壞陜北脆弱的生態(tài)環(huán)境，并成功合理的完成對(duì)該礦井的地下水資源開發(fā)利用的工程。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 燒變巖裂隙潛水含水層

因煤層自燃形成的燒變巖裂隙含水區(qū)主要分布于井田西半部先期開采地段內(nèi)，在香水溝溝腦、沙岔溝龍王廟附近與扎林川紅石克村西邊有較大面積出露地表。鉆孔揭露厚度0～41.44 m，平均厚度約22.17 m。燒變巖面積約48.88 km2。該段巖層受煤層自燃的燒灼后冷卻變形、垮落形成密集的張性裂隙及氣孔狀構(gòu)造，致使巖層破碎，具有良好的儲(chǔ)水空間。但因巖性及火燒程度不同，裂隙發(fā)育不均勻，而表現(xiàn)出含水層富水性在垂向上、平面上有較大變化，含水層富水性強(qiáng)～中等。

鉆探施工中，遇燒變巖鉆孔大都發(fā)生不同程度的漏水和嚴(yán)重漏水，特別勘探施工的X27、X31、X35、X5、水X3、水X21等鉆孔均出現(xiàn)大的漏失(漏失量均大于9 m3/h)，甚至X27鉆孔堵漏不住，采用清水鉆進(jìn)施工，同時(shí)有鉆具陷落掉塊、卡鉆等現(xiàn)象頻發(fā)。據(jù)水文測(cè)井，燒變巖潛水井液電阻率曲線ρ反應(yīng)很明顯。由于燒變巖巖性發(fā)育的特殊性質(zhì)，為了更準(zhǔn)確的了解燒變巖巖性情況，加入了電視窺視法探查手段，通過185隊(duì)測(cè)井部電視窺視更直觀的對(duì)燒變巖的完整性、裂隙發(fā)育特征、連通情況、巖體破碎狀況等情況有所直接了解，其中燒變巖段下部裂隙非常發(fā)育， 10 cm以上大裂隙達(dá)4、5處以上之多。

井田內(nèi)燒變巖區(qū)地下水以泉的形式排泄，其最主要排泄區(qū)位于井田北部邊界外的香水溝溝腦，因而形成了榆陽區(qū)重要的香水溝水庫。 據(jù)勘探期間1:1萬水文地質(zhì)填圖調(diào)查資料，香水溝水庫源頭7處泉點(diǎn)流量共約203.78 L/s，出露的天然泉水流量大部分大于40 L/s，特別泉(Q14)和泉群(Q17)，已“小瀑布”的形式匯入香水溝水庫。同時(shí)在水文地質(zhì)填圖調(diào)查過程中，其對(duì)4個(gè)點(diǎn)采集了水樣進(jìn)行了全、簡(jiǎn)分析化驗(yàn)，一般屬HCO3—Ca及HCO3—Ca·Mg型水，礦化度為0.287～0.540 g/L，水溫12℃～14℃。

據(jù)鄰區(qū)西灣井田勘探H1及H24-2號(hào)孔抽水成果資料，含水層厚度32.44～50.31 m，單位涌水量9.217～16.338 L/s·m，滲透系數(shù)28.27～28.29 m/d。井田勘探期間施工了2個(gè)水文孔，水X3、水X21鉆孔處于燒變巖水區(qū)域中部，盡最大能力條件進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，含水層厚度22.15～24.57 m，涌水量59.35～68.52 m3/h(水位未降下去，降深0.43～0.54 m)，據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)資料，一般屬HCO3—Ca及HCO3—Ca·Na型水，礦化度0.214～0.402 g/L。同時(shí)，185隊(duì)施工的榆神礦區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)補(bǔ)充勘查項(xiàng)目正好在河興梁井田先期開采地段內(nèi)X7附近施工了YS65水文孔(YS65號(hào)水文孔位于燒變巖區(qū)東部邊界附近)，進(jìn)行了燒變巖水抽水試驗(yàn)，含水層厚度2.95 m，單位涌水量2.327 L/s·m，滲透系數(shù)113.64 m/d。

綜合以上各種方法發(fā)現(xiàn)，燒變巖巖體破碎，巖石呈不規(guī)則塊狀、片狀，燒變巖具有大量的氣孔、燒變裂隙及爐渣狀構(gòu)造的空洞。燒變巖裂隙呈不規(guī)則的交錯(cuò)網(wǎng)狀，裂隙一般上部窄小、中下部稍大。含水層主要在下部，其導(dǎo)水性強(qiáng)，儲(chǔ)水空間開闊，補(bǔ)泄通暢。再使其底板埋藏在侵蝕基準(zhǔn)面以下，形成儲(chǔ)水構(gòu)造，因而在地形上具有大的似盆狀的匯水范圍靜儲(chǔ)存于燒變巖層段內(nèi)，形成極強(qiáng)富水區(qū)。

1.2 離石組黃土及保德組紅土隔水層

廣布全井田，揭露厚度0～125.64 m，平均47.08 m，井田內(nèi)分布不連續(xù)，局部溝谷地段被沖刷切割殆盡，在西南部較大面積出露地表。該層上部巖性為灰黃色、淺棕色、淺肉紅色亞砂土、亞粘土，具垂直裂隙，含零星鈣質(zhì)結(jié)核；下部巖性為棕～淺紅色粘土及亞粘土，含鈣質(zhì)結(jié)核，且成層分布。在紅土層底部普遍有一層半膠結(jié)狀的礫石層，其成分復(fù)雜，孔隙度大，加之土層內(nèi)部發(fā)育有微弱的裂隙網(wǎng)絡(luò)，常聚集有一定的地下水，但水量較小，無開采價(jià)值，僅零星可供當(dāng)?shù)厝罕娚钣盟?，一般民井使用小泵量的潛水?<5 m3/h)短時(shí)間則可抽干。區(qū)內(nèi)出露該層泉流量0.08 L/s(中沙溝村路下)。據(jù)鄰區(qū)鉆孔抽水資料，單位涌水量q=0.000 174 L/s·m。顯示出該層良好的隔水性能，總而言之，土層富水性極弱，透水性極差，故認(rèn)為該層為第四系松散層潛水的統(tǒng)一隔水層。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 土層隔水層厚度及特征

包括離石組黃土和保德組紅土。離石組黃土廣布全區(qū)，主要出露于井田西南部。在井田東部及西北部有少量出露。在風(fēng)積沙覆蓋區(qū)僅出露一些孤立的黃土殘丘。厚度0～56.04 m，一般18.48 m左右。

黃土受水流侵蝕作用，出露區(qū)沖溝發(fā)育，溝幫多形成陡坎，溝頭可見潛蝕現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)黃土為淺黃色、土黃色粉質(zhì)粘土、亞砂土。據(jù)勘探水X3、水X21鉆孔采樣分析：孔隙比0.66～0.83，塑限18.1%～19.8%，液限25.8%～31.0%，天然含水量19.8%～27.2%，液性指數(shù)0.22～0.66，土體處于可塑狀態(tài)。力學(xué)試驗(yàn)表明：黃土層具有一定的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，壓縮系數(shù)0.06～0.19 MPa-1，壓縮模量8.77～30.47 Mpa，為低壓～中壓縮性土。據(jù)勘探化驗(yàn)資料，滲透系數(shù)僅1.83×10-5cm/s，顯示其良好的阻隔水能力，為非濕陷性黃土。黃土孔隙度大，結(jié)構(gòu)疏松，發(fā)育直立柱狀節(jié)理，易被地表水流沖蝕而引起坍塌，浸水易失穩(wěn)。

保德組紅土層主要分布于黃土層之下，巖性為鈣質(zhì)結(jié)核層與棕～淺紅色粘土、亞砂土互層。主要出露于井田東、北部各溝谷兩側(cè)。鉆孔揭露厚度0～125.64 m，一般厚38.37 m左右，厚度變化較大。紅土層土質(zhì)較細(xì)膩，含少量亞砂土。該土層上部為古土壤層，局部鈣質(zhì)結(jié)核成層分布，底部常有3～5 m厚半膠結(jié)狀礫石層，礫石分選性差。全區(qū)從上至下有鈣質(zhì)結(jié)核變薄減少，淺紅色亞粘土逐漸增厚的特點(diǎn)。據(jù)勘探水X3、水X21鉆孔采樣分析：紅土塑性指數(shù)較黃土高，粘性較黃土好。其孔隙比0.68～0.83，塑限19.6%～21.0%，液限30.4%～34.1%，天然含水量18.4%～27.6%，液性指數(shù)-0.11～0.50，土體處于堅(jiān)硬～可塑狀態(tài)。由于其含水量和天然孔隙比較大，壓縮系數(shù)0.22～0.58 MPa-1，屬中等偏高壓縮性土。

2.2 煤層上覆基巖隔水層厚度及特征

在一定的煤層賦存狀況和開采方法、頂板控制條件下，影響淺部煤層開采的直接原因是冒落帶的發(fā)育狀況，而影響冒落帶高度的主要因素則是煤層頂板及覆巖層的工程地質(zhì)特征。3-1號(hào)煤層上覆正常基巖厚度為4.62～68.36 m，平均約32.96 m。

根據(jù)鉆孔資料對(duì)比及3-1煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等值線及頂板導(dǎo)水危險(xiǎn)性分區(qū)分析，井田內(nèi)大部分鉆孔3-1煤層導(dǎo)水裂隙帶未導(dǎo)通燒變巖地層內(nèi)，僅X28、X32、X16、X18、X31、X29、X30、X34、X42、H12號(hào)鉆孔共10個(gè)鉆孔導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通突破燒變巖地層，其中X28、X32、X16、X42、H12號(hào)鉆孔共5個(gè)鉆孔導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通突破至Q2L+N2b地層內(nèi)，但未導(dǎo)通突破Q2L+N2b地層，特別X18鉆孔已導(dǎo)通突破至薩拉烏蘇組內(nèi)。通過經(jīng)驗(yàn)公式理論性得出以上結(jié)論，但裂隙導(dǎo)水帶發(fā)育規(guī)律實(shí)際上應(yīng)該比以上情況更復(fù)雜、煤層更難開采。3-1煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度已到燒變巖含水層，燒變巖含水層是3-1煤層頂板直接充水水源，借鑒周邊煤礦開采情況，未來必須釋放頂部燒變巖含水層才能確保3-1煤層順利開采。本區(qū)薩拉烏蘇組含水層厚度較周邊井田較薄，富水性相對(duì)較小，但在河灘地區(qū)和較強(qiáng)富水區(qū)地段應(yīng)引起重視，以防個(gè)別鉆孔(X18)導(dǎo)通到松散層薩拉烏蘇組而使上下水體連通，易發(fā)生水害事故。同時(shí)部分地段3-1煤層地表已露頭，開采3-1煤層可能引起溝谷地表水下泄。所以在溝谷地段采煤時(shí)應(yīng)留設(shè)足夠的防水煤柱。

3 結(jié)語

影響本區(qū)保水采煤的主要因素有煤層埋深、上覆基巖厚度、冒裂帶高度、鉆孔是否封閉等。冒裂帶高度開采煤層所形成的垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶是煤層充水的主要通道，研究其發(fā)育規(guī)律及高度，是進(jìn)行礦井充水因素分析及礦井開采技術(shù)條件綜合評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。本次綜合預(yù)測(cè)3-1號(hào)煤層開采垮落帶最大高度為10.08 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為40.59 m。結(jié)合上述“煤層上覆基巖隔水層厚度及特征”中所述，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育導(dǎo)通區(qū)域主要位于先期開采地段東北角，除導(dǎo)通燒變巖水之外，甚至導(dǎo)通薩拉烏蘇組含水層。若采用目前常用的疏水降壓方法采煤，雖然排除了水害，解放了3-1煤層，但使脆弱的陜北地下水系統(tǒng)遭到破壞，造成泉水枯干、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，難以達(dá)到保水采煤的目的和保護(hù)沙漠生態(tài)建設(shè)。所以，建議本地區(qū)3-1號(hào)煤層可待緩開采(僅個(gè)人意見)，待今后開采技術(shù)發(fā)展成熟后，利用充填方式或其他合適的方式開采，達(dá)到真正的保水采煤，使陜北脆弱的生態(tài)環(huán)境真正逐步恢復(fù)。

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1004-1184(2016)06-0173-02

2016-05-23

王少鋒(1983-)，男，陜西寶雞人，工程師，主要從事水文地質(zhì)工作。