紅柳林井田燒變巖富水性分區(qū)與水害防治措施

楊 磊 ， 楊斯亮 ， 車曉陽(yáng)

(1.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)公司，陜西神木 719300； 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054)

燒變巖在我國(guó)西部的淺埋煤層區(qū)廣泛分布，是形成淺埋煤層頂板與側(cè)方水害威脅的主要含水體之一。煤層圍巖受煤層自燃高溫作用的影響，在形成燒變巖過程中極易形成孔隙、裂隙。燒變巖形成過程中，有機(jī)質(zhì)燒失，巖石受到火燒而坍塌、變形，形成了裂隙、孔洞發(fā)育的碎裂巖層，有利于地下水的儲(chǔ)存、運(yùn)移，在地形構(gòu)造有利部位形成強(qiáng)含水層[1-3]，是榆神府礦區(qū)淺埋煤層開采主要突水水源之一。以往，對(duì)于燒變巖的研究多集中于燒變巖分布范圍的勘查圈定和燒變巖本身巖石學(xué)特征[4-5]。近年來，隨著榆神府礦區(qū)煤炭開發(fā)進(jìn)程的加速，燒變巖含水層成為煤礦保水采煤的重要受保護(hù)對(duì)象[6-8]，也是煤礦防治水工作的重要設(shè)防對(duì)象[9-11]。然而，燒變巖作為分布極不均勻，裂隙發(fā)育程度差異極大，富水性差異很大的含水層[12]，很難準(zhǔn)確確定保水采煤的保護(hù)范圍，也是煤礦防治水工作的難點(diǎn)。因此，科學(xué)評(píng)價(jià)燒變巖分布及富水性，是煤礦水資源保護(hù)和水害防治的重要基礎(chǔ)工作。

本文以神府南區(qū)紅柳林煤礦為例，對(duì)燒變巖的分布、富水性及水害防治問題進(jìn)行闡述，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)與煤礦區(qū)水資源保護(hù)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

紅柳林井田位于鄂爾多斯盆地榆神礦區(qū)北部，處于黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶，井田東部主要為黃土梁峁地貌、西部主要為風(fēng)沙灘地地貌。井田內(nèi)發(fā)育有蘆草溝、塔溝及敖包溝等幾條大的地表河谷，溝谷兩側(cè)局部出露風(fēng)化巖層或燒變巖。區(qū)內(nèi)已揭露的地層由老至新依次為上三疊統(tǒng)永坪組(T3y)，侏羅系富縣組(J1f)、延安組(J2y)、直羅組(J2z)；新近系保德組(N2b)、第四系離石組(Q2l)、薩拉烏蘇組(Q3s)、以及風(fēng)積層(Q4eol)。其中延安組為區(qū)內(nèi)主要的含煤地層。地質(zhì)歷史時(shí)期中，因延安組上覆地層受到剝蝕或河谷侵蝕，使得部分煤層與外界環(huán)境接觸產(chǎn)生自燃，沿煤層露頭位置向內(nèi)延伸形成了大面積的燒變巖。

2 燒變巖類型與分布特征

2.1 燒變巖類型

煤層自燃過程中，距離自燃煤層不同距離的原巖所經(jīng)受烘烤溫度不同，巖石燒變發(fā)生的物理、化學(xué)變化不同，因而燒變巖表現(xiàn)出不同類型。燒變巖自煤層頂板向上燒變程度逐漸由強(qiáng)變?nèi)酢?/p>

煤層頂板直接接觸部分，烘烤溫度最高，原巖出現(xiàn)全部或部分熔融而呈熔融狀或蜂窩狀，使原巖的沉積構(gòu)造不復(fù)存在，將其稱為類熔巖。類熔巖孔裂隙極其發(fā)育，根據(jù)其外形結(jié)構(gòu)特征，又可將其分為氣孔狀類熔巖和非氣孔狀類熔巖兩類，氣孔狀類熔巖呈多孔狀，似爐渣；非氣孔狀類熔巖呈無氣孔，但裂隙極其發(fā)育。紅柳林煤礦2-2、5-2煤自燃燒變巖大多為此類巖石。

類熔巖發(fā)育位置向上隨著受到烘烤溫度的降低，原巖的燒變程度也逐漸減弱。燒變巖顏色逐漸由紅色、淺紅色逐漸過渡到與原巖色調(diào)一致，原巖的沉積構(gòu)造也未受到破壞。根據(jù)燒變程度的不同，可將其分為燒結(jié)巖、烘烤巖。

燒結(jié)巖通常位于類熔巖上部或遠(yuǎn)離露頭部位，未發(fā)生或發(fā)生輕微塑變，未發(fā)生熔化現(xiàn)象，巖石基本保持原生沉積構(gòu)造特征，粒度與層理清晰，儲(chǔ)水能力弱于類熔巖。

烘烤巖距自燃煤層較遠(yuǎn)，煤層自燃時(shí)輻射熱量小，原巖只受到輕微烘烤，巖石基本保持其原生沉積特征，結(jié)構(gòu)和層理不變，硬度略有增加，裂隙發(fā)育，其儲(chǔ)水能力要弱于類熔巖與烘烤巖。

2.2 燒變巖分布特征

紅柳林煤礦主采的各煤層均發(fā)生過自燃，各煤層燒變巖分布總面積約3.73km2，占井田總面積的2.35%。其中2-2煤燒變巖分布面積約1.57 km2，沿2-2煤層剝蝕邊界呈條帶狀分布；3-1煤燒變巖分布面積約0.72km2，沿3-1煤層剝蝕邊界呈條帶狀分布，同時(shí)因剝蝕邊界內(nèi)凹進(jìn)一步剝蝕而呈塊狀分布；4-2煤燒變巖分布面積約1.33 km2，沿4-2煤層剝蝕邊界呈勺狀分布，因4-2煤層剝蝕邊界的進(jìn)一步剝蝕而被切割成8塊非連續(xù)區(qū)域； 4-3煤與4-4煤層燒變巖分布面積較小，分別為0.02 km2和0.09 km2； 5-2煤剝蝕邊界在井田外面，未圈定5-2煤燒變巖分布區(qū)(圖1、圖2)。

圖1 各煤層燒變巖分布面積占比Figure 1 Burnt rock distribution area proportion of coal seams

3 燒變巖富水性分區(qū)

3.1 富水性判別條件

1)泉流量條件。燒變巖作為良好的儲(chǔ)水空間，在適宜的地形和構(gòu)造條件下，是地表泉水的重要補(bǔ)給來源，因此可以通過燒變巖周圍出露泉水的流量大小間接判斷燒變巖的富水性特征。

紅柳林井田地表共出露泉水66處，其中燒變巖泉6處，均出露于溝谷部位，包括3-1煤燒變巖泉1處，流量0.027L/s；4-2煤燒變巖泉3處，流量0.062～6.984 L/s；4-3煤燒變巖泉1處，流量0.17 L/s；4-4煤燒變巖泉1處，流量0.155 L/s(表1)。

表1 紅柳林煤礦燒變巖泉流量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of burnt rock spring dischargesin Hongliulin coalmine

燒變巖泉流量差別較大，主要受燒變巖分布面積、補(bǔ)給條件、燒變程度及所處地形等因素影響。4-2煤燒變巖泉57和泉58受毛驢灘溝溝腦北部的燒變巖帶與溝谷地形影響， 泉流量大于5.0 L/s， 表明該區(qū)燒變巖富水性較好。

圖2 紅柳林煤礦燒變巖出露分布范圍Figure 2 Burnt rock outcropped extent in Hongliulin coalmine

2)鉆孔單位涌水量。燒變巖形成過程中破壞了原巖的巖性及結(jié)構(gòu)特征，且自身孔裂隙發(fā)育，與周圍未燒變巖體水力聯(lián)系緊密，受上覆風(fēng)化基巖含水層、松散砂層等主要含水層的補(bǔ)給，因此可通過燒變巖上覆含水層或側(cè)方含水體的鉆孔單位涌水量大小來間接判斷燒變巖的富水性特征。

紅柳林井田內(nèi)共有水文鉆孔68個(gè)，抽水層段主要為松散層含水層與風(fēng)化基巖含水層，鉆孔單位涌水量為0.000 3～3.775 6 L/s·m，滲透系數(shù)為0.000 5～12.303 8 m/d。其中燒變巖分布區(qū)域及周圍共有水文鉆孔18個(gè)，各水文鉆孔的單位涌水量普遍較小，只有HB3-11水和9-HB10兩個(gè)鉆孔的單位涌水量超過0.1 L/s·m，說明鉆孔周圍區(qū)域風(fēng)化基巖富水性中等，受風(fēng)化基巖含水層影響，區(qū)域內(nèi)的燒變巖含水層富水性也普遍偏弱(圖3)。

3)瞬變電磁物探。瞬變電磁又稱為時(shí)間域電磁法，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng)，在一次脈沖電磁場(chǎng)間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。通過瞬變電磁手段可有效解譯識(shí)別地下含水層的富水性特征。利用瞬變電磁物探手段對(duì)紅柳林井田內(nèi)各煤層燒變巖的富水性進(jìn)行了探測(cè)，根據(jù)電阻率異常值大小，圈定了低阻異常區(qū)，結(jié)合周圍水文鉆孔涌水量數(shù)據(jù)，綜合確定了該區(qū)域的燒變巖富水性特征。

圖3 抽水鉆孔及泉水分布Figure 3 Pumping boreholes and springs distribution

3.2 富水性綜合判別及結(jié)果

將2-2煤燒變巖探測(cè)區(qū)域分為B1與B2兩個(gè)區(qū)域，其中B1區(qū)電阻異常值差異較大，中部以弱低阻異常和無異常為主，富水性較差，兩端以弱低阻異常和中等異常為主，富水性較好，結(jié)合周圍水文鉆孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，7-HB6鉆孔單位涌水量0.238 0 L/s·m，確定該區(qū)域富水性為中等富水性。B2區(qū)域無異常，富水性較差，結(jié)合周圍水文鉆孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 8-HB9鉆孔單位涌水量0.008 0 L/s·m，9-HB9鉆孔單位涌水量為0.003 26 L/s.m，確定該區(qū)域富水性為弱富水性(圖4)。

將3-1煤燒變巖探測(cè)區(qū)域分為5個(gè)區(qū)塊， C1區(qū)塊和C2區(qū)塊與張家峁煤礦燒變巖相連，富水性中等。C3區(qū)塊視電阻率無異常，附近SK14鉆孔單位涌水量為0.012 8 L/s·m，該區(qū)域富水性較弱；C4區(qū)塊大面積低阻異常區(qū)域，北部為富水區(qū)。位于C4區(qū)塊南部中等低阻異常區(qū)的9-HB10鉆孔單位涌水量為0.465 2 L/s·m，富水性中等；C5區(qū)塊弱異常和無異常面積相當(dāng)，附近有泉水9處，流量0.08～0.325 L/s，附近的HB3-11水鉆孔單位涌水量0.163 15 L/s·m，確定該區(qū)域富水性為弱富水性。

將4-2煤燒變巖探測(cè)區(qū)域分為8個(gè)區(qū)塊。D1區(qū)分布范圍大，幅值較強(qiáng)，富水性中等；D2、D3區(qū)塊電阻率以無異常為主，弱低阻異常其次，表明這兩區(qū)塊富水性弱，結(jié)合周圍4個(gè)水文鉆孔，BK3-4、ZM3、BK3-3、BK2-2鉆孔單位涌水量分別為0.010 7 L/s·m、0.008 19 L/s·m、0.001 3 L/s·m、0.000 4 L/s·m，確定該區(qū)域富水性為弱富水性。D4區(qū)塊以弱低阻異常為主，D5區(qū)塊以中等低阻為主，區(qū)塊南部有2處泉水，泉57流量為5.002 L/s，泉58流量為6.984 L/s，為4-2煤燒變巖水，綜合確定該區(qū)域?yàn)橹械雀凰浴6、D7區(qū)塊以無異常為主，但其兩側(cè)均表現(xiàn)為中等及強(qiáng)低阻異常，異常主要位于煤層缺失區(qū)，表明兩側(cè)的風(fēng)化層局部強(qiáng)含水。西北部異常范圍略小，東南部異常范圍偏大，中間有近似窄通道的異常連通，推斷應(yīng)為風(fēng)化砂巖層和火燒區(qū)富水，不排除風(fēng)化砂巖水側(cè)向補(bǔ)給火燒區(qū)，富水性中等。D8區(qū)塊主要由弱和中等異常組成，范圍較大，兩處低阻異常區(qū)與火燒區(qū)相對(duì)應(yīng)，其東南側(cè)有水泉7，流量為1.243 L/s，綜合確定該區(qū)域富水性中等。

將4-3煤燒變巖探測(cè)區(qū)域分為2個(gè)區(qū)塊，面積很小，地表有露頭，附近抽水鉆孔3個(gè)(BK3-3，7-8，ZM2)，單位涌水量最大0.010 37 L/s·m(ZM2)。水泉有2處，泉42流量0.17 L/s。泉43流量0.454 L/s，綜合確定該區(qū)域富水性中等。

將4-4煤燒變巖探測(cè)區(qū)域分為2個(gè)區(qū)塊，沿溝谷展布，周圍有水文鉆孔BK5-3、BK5-2，單位涌水量分別為0.003 85L/s·m、0.000 453 L/s·m；有燒變巖泉55，流量為0.155 L/s，其它泉最大流量為0.326 L/s。綜合判斷該區(qū)域地下水不易富集，富水性弱。

綜合上述分析，得出燒變巖的富水性主要受火燒區(qū)范圍、補(bǔ)給條件、上部風(fēng)化巖層的富水性及地形地貌控制有關(guān)。火燒區(qū)范圍越小越狹長(zhǎng)，其富水性越差；當(dāng)火燒區(qū)附近有風(fēng)化基巖時(shí)，風(fēng)化基巖會(huì)側(cè)向補(bǔ)給地下水，富水性一般中等；位于風(fēng)沙灘地區(qū)的燒變巖富水性一般為中等，位于黃土梁峁丘陵區(qū)的燒變巖，大部分被疏干，富水性較差。研究區(qū)約2/3的燒變巖富水性中等， 1/3富水性弱(圖5)，無強(qiáng)富水性區(qū)塊。

圖4 紅柳林煤礦瞬變電磁探測(cè)低阻異常分布Figure 4 TEM prospecting conductive anomalies distribution in Hongliulin coalmine

圖5 紅柳林煤礦各煤層富水性分區(qū)Figure 5 Coal seams water yield property zoning in Hongliulin coalmine

4 燒變巖水害防治措施

1)確定燒變巖分布范圍及富水性。燒變巖水防治的關(guān)鍵在于利用鉆探以及物探等手段準(zhǔn)確圈定燒變巖邊界，掌握其富水性特征。2015—2021年紅柳林煤礦對(duì)多處區(qū)域進(jìn)行了燒變巖水文地質(zhì)的地面瞬變電磁法和磁法勘探，探查范圍包括3-1、4-2、5-2號(hào)煤層的火燒區(qū)邊界，初步掌握了3-1煤和4-2號(hào)煤層火燒區(qū)邊界及其富水性，為防治水提供依據(jù)。

2)做好探放水工作。礦井水害是影響紅柳林煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。為做好燒變巖水害防治，保證礦井的安全高效生產(chǎn)，燒變巖附近的采煤工作面開拓至靠近火燒區(qū)附近時(shí)，都必須提前做好探放水工作，避免因強(qiáng)富水性燒變巖造成礦井突水，引起安全生產(chǎn)事故，給煤礦生產(chǎn)帶來?yè)p失。

據(jù)現(xiàn)有資料，紅柳林煤礦北一盤區(qū)5-2號(hào)煤層的25212工作面和北二盤區(qū)4-2號(hào)煤層的44204、44205這2個(gè)工作面回采時(shí)將分別面臨4-2號(hào)煤層和3-1號(hào)煤層燒變巖水的威脅，當(dāng)回采接近圈定區(qū)時(shí)以探放水工程確定積水情況，避免了燒變巖地下水突水事件，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

3)加強(qiáng)區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)。在煤礦開采過程中，必須做好燒變巖地下水水位監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?zé)儙r地下水水位變化動(dòng)態(tài)，當(dāng)水位出現(xiàn)明顯的下降時(shí)，應(yīng)及時(shí)分析原因，是否與開采掘進(jìn)工程貫通，是否發(fā)生燒變巖地下水涌水量突然增加等現(xiàn)象。目前，陜西省已經(jīng)建立了覆蓋全省所有煤礦的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)，神府南區(qū)也建設(shè)了覆蓋礦區(qū)的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)[13-17]，但總體上監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少，雖然可以控制區(qū)域性地下水動(dòng)態(tài)，但對(duì)于礦井水害防治仍然偏少，進(jìn)一步加密監(jiān)測(cè)站點(diǎn)部署，才能有效做到地下水監(jiān)測(cè)與煤礦水害防治的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

5 結(jié)論

1)根據(jù)研究區(qū)各煤層圍巖受煤層自燃燒烤后的燒變程度程度，將燒變巖分為了類熔巖、燒結(jié)巖和烘烤巖3大類。

2)紅柳林井田燒變巖分布總面積3.071km2，燒變巖泉6處，泉流量0.014～6.984 L/s。根據(jù)燒變巖泉流量、鉆孔單位涌水量以及瞬變電磁物探綜合成果，將紅柳林井田燒變巖含水層富水性劃分為弱—中等類型，沒有強(qiáng)富水區(qū)域。燒變巖地下水與上覆第四系地下水及風(fēng)化基巖裂隙水均有較好的水力聯(lián)系，是礦井涌水的主要水源之一。

3)燒變巖水害防治首先應(yīng)確定區(qū)域燒變巖分布范圍及富水性，其次就是要做好探放水工作，最后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)。