將軍戈壁二號露天煤礦燒變巖層富水性研究

代飛龍，于江浩

（1.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉，831100；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順，113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順，113122）

目前，我國露天煤礦開采技術(shù)已日漸成熟，但在開采煤炭資源帶來豐富經(jīng)濟(jì)利益的同時，也發(fā)生了大量的邊坡失穩(wěn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)往往與地下水量劇增導(dǎo)致邊坡巖體強(qiáng)度降低有關(guān)[1-2]。當(dāng)?shù)V區(qū)發(fā)生降雨，地下水通過巖體內(nèi)的裂隙流動，地下水量劇增時，地下水會帶走部分巖石顆粒，使裂隙不斷發(fā)育，邊坡巖體內(nèi)的自質(zhì)量、靜水壓力以及動水壓力同時增大，巖體內(nèi)的弱層層面遇水后往往會發(fā)生水解作用，使其表面十分光滑，降低弱層的黏聚力及內(nèi)摩擦角，使得邊坡巖體自身的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)一步降低，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

將軍戈壁二號露天煤礦位于準(zhǔn)噶爾盆地東南，礦田主體行政區(qū)劃奇臺縣管轄，其首采區(qū)西北部有燒變巖層發(fā)育，開挖后燒變巖深部潛水會順勢流入礦坑，是未來開采最大的隱患。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定，煤礦防治水工作應(yīng)堅持預(yù)測預(yù)報，有疑必探，先探后掘，先治后采的原則。將軍戈壁二號露天礦采掘前必須進(jìn)行水文地質(zhì)勘探?；谝陨显瓌t，利用高密度電法、瞬變電磁法、水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)、物探測井等技術(shù)手段，查明了將軍戈壁二號露天礦首采區(qū)西北部燒變巖層地下水分布范圍、分布規(guī)律，同時根據(jù)本次勘察成果對將軍戈壁二號露天礦西北部燒變巖區(qū)域富水性做出了評價。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

礦區(qū)內(nèi)沒有常年性地表水流，只在春融季節(jié)和夏季降雨時才有暫時性地表徑流，但流程不遠(yuǎn)就匯集在低洼處并隨即蒸發(fā)，形成了許多大小不等的白板地和龜裂地。

礦田內(nèi)第四系地層透水不含水，侏羅系地層富水性弱。未來露天采場境界內(nèi)的裂隙水主要接受大氣降水及周圍匯集的地表水補(bǔ)給，向坑底徑流，以裂隙狀散流方式排泄到坑底具微承壓性，地下水位埋深25～45 m。

礦田的西北部煤層淺部均已火燒，地表形成廣泛分布的燒變巖。煤層頂?shù)装寮皣鷰r經(jīng)火燒烘烤，改變了原巖的性質(zhì)，成為堅硬、破碎、裂隙及孔隙發(fā)育的燒變巖，燒變巖區(qū)具備良好的導(dǎo)水通道和儲水空間，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。

2 水文地質(zhì)物探

本次探測區(qū)域位于將二礦首采區(qū)西北部火燒區(qū)內(nèi)。本次瞬變電磁法探測面積約3.4 km2，高密度探測面積約3.4 km2，高密度測線根據(jù)現(xiàn)場施工的允許條件布設(shè)于瞬變電磁法測區(qū)內(nèi)。瞬變電磁法設(shè)計測網(wǎng)密度40 m×20 m，即線距40 m，點(diǎn)距20 m，工作量為4 473 個坐標(biāo)點(diǎn)；高密度電法測網(wǎng)密度80 m×10 m，即線距80 m，點(diǎn)距10 m，工作量為45 780 m。由于測區(qū)自然地形條件限制，高密度電法無法在全區(qū)布設(shè)測線，故采集的高密度數(shù)據(jù)主要與瞬變電磁數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，起輔助作用[3-4]。

選取4 條測線對探測區(qū)電阻率縱向分布和異常位置進(jìn)行分析。4 條測線中22 線、78 線、156 線為東西向，168 線為南北向。4 條測線基本覆蓋全區(qū)，可作為探測區(qū)代表性測線。

2.1 瞬變電磁法數(shù)據(jù)分析

22 線位于測區(qū)中南部，地表平坦，長度2 040 m，共有52 個測點(diǎn)。22 線電阻率斷面圖如圖1。

圖1 中黑色實(shí)線為2 煤底板。由圖1 可見，相對高阻沿測線條帶狀分布。在約12～80 點(diǎn)之間，高阻條帶隨著點(diǎn)號增加而深度增加；在80 點(diǎn)至測線末端，高阻條帶基本水平，保持在2 煤底板之上，其中在132～148 點(diǎn)之間，高阻條帶稍顯弱化。

圖1 22 線電阻率斷面圖

根據(jù)探測區(qū)內(nèi)鉆孔與地質(zhì)剖面結(jié)果，區(qū)內(nèi)煤層B5、B3、B2 均較厚且間隔較小。由于煤層電阻率相對砂巖、泥巖等含煤地層明顯為高阻體，則B5、B3、B2 3 層煤聯(lián)合形成巨厚層的高阻體。認(rèn)為電阻率斷面圖中相對高阻條帶為正常煤層的電法響應(yīng)，條帶電阻率變低處為異常的電法響應(yīng)。據(jù)此分析，12～80點(diǎn)之間為燒變巖分布區(qū)，淺部燒變巖出露，燒變巖底部有積水；132～148 點(diǎn)之間燒變巖分布，底部有積水；測線其余地段為正常的西山窯組含煤地層，無燒變巖。

78 線位于測區(qū)中部，測線整體平坦但東段地勢略低，測線長度達(dá)到2 640 m，共有67 個測點(diǎn)。78 線西段電阻率斷面圖如圖2，78 線東段電阻率斷面圖如圖3。

圖2 78 線西段電阻率斷面圖

圖3 78 線東段電阻率斷面圖

由圖2～圖3 可見，相對高阻沿測線淺部分布。在約280～320 點(diǎn)之間，淺部高阻條帶逐漸消失。在56～152 點(diǎn)之間，測線中部、深部為強(qiáng)烈低阻；在152點(diǎn)至測線末端，測線中、深部出現(xiàn)相對弱高阻條帶，該條帶在280 點(diǎn)以后幅值變高，深度加大。認(rèn)為56～280 點(diǎn)之前為燒變巖分布區(qū)，淺部高阻條帶為燒變巖不含水形成的高阻響應(yīng)，燒變巖底部積水，使斷面下部整體呈現(xiàn)低阻響應(yīng)。其中，56～152 點(diǎn)之間燒變巖空隙大，富水性相對更強(qiáng)。認(rèn)為280～320 點(diǎn)之間為正常含煤地層。

根據(jù)以上分析，在168 線附近布置了ZK05 鉆孔，對燒變巖和地下水進(jìn)行驗(yàn)證。鉆探結(jié)果顯示，孔深74 m 為燒變巖底界，底部積水，流動性較大。

圍繞ZK05 鉆孔進(jìn)一步對電阻率斷面異常進(jìn)行分析。168 線測線穿越ZK05 鉆孔的南北向，該測線長820 m，南高北低。

168 點(diǎn)電阻率斷面圖如圖4。由圖4 可見，在測線20～32 點(diǎn)之間，2 煤底板上存在明顯高阻體；32 點(diǎn)至測線末端，2 煤底板上為明顯低阻體，且淺部為高阻條帶。認(rèn)為20～32 點(diǎn)之間為正常的含煤地層，32點(diǎn)至測線末端為燒變巖分布區(qū)。在鉆孔ZK05 處，淺部為不含水的燒變巖，鉆孔深部進(jìn)入低阻，應(yīng)為燒變巖底部的地下水。

圖4 168 線電阻率斷面圖

根據(jù)以上分析，該測線大部分火燒，且燒變巖底界處聚集地下水。認(rèn)為燒變巖分布區(qū)中，32～72 點(diǎn)之間的燒變巖空隙相對更大，地下水更加豐富。

156 線位于測區(qū)北部，測線整體平坦，測線長度達(dá)到1 200 m，共有31 個測點(diǎn)。156 線電阻率斷面圖如圖5。

圖5 156 線電阻率斷面圖

由圖5 可見，測線淺部分布有1 層相對高阻層，中部另分布有1 層較厚的相對高阻層，該高阻層在300～348 點(diǎn)之間弱化、消失，在360～388 點(diǎn)之間增強(qiáng)。

認(rèn)為272～360 點(diǎn)之間為燒變巖分布區(qū)，其淺部燒變巖不含水形成相對高阻體，燒變巖底界含水為相對低阻體。360～388 點(diǎn)之間為正常的含煤地層。

2.2 高密度電法數(shù)據(jù)分析

測區(qū)內(nèi)另布置了高密度直流電法工作，其探測結(jié)果與TEM 相吻合。78 線高密度直流電阻率反演斷面圖如圖6。

圖6 78 線高密度直流電阻率反演斷面圖

由圖6 可見，高密度直流電阻率法橫向電阻率的變化規(guī)律與TEM 一致，有效反映了燒變巖與沉積巖的分布范圍，分界面位置一致；但高密度直流電阻率受排列裝置的影響，勘探深度相較TEM 要淺，無法從反演斷面中劃分低阻煤層；另外，高密度直流電阻具有很好的淺層分辨能力，對燒變巖內(nèi)部電阻率變化具有良好的響應(yīng)，其中低阻區(qū)體現(xiàn)了大氣降水對地下燒變巖富水區(qū)的補(bǔ)給通道，是TEM 低阻區(qū)富水的利證明[5-6]。

受測區(qū)地形條件的限制，高密度直流電法僅在較為平坦的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，工作量有限，無法形成規(guī)則的測網(wǎng)，因此在資料處理解釋過程中，僅作為參考資料。

2.3 電阻率平面分析與解釋

為進(jìn)一步分析探測區(qū)燒變巖和地下水的分布情況，提取各測點(diǎn)處燒變巖層位的電阻率，形成電阻率等值線平面圖，通過分析平面上的電阻率分布特征，解譯燒變巖及地下水的分布范圍。燒變巖電阻率異常平面分布圖如圖7。

圖7 燒變巖電阻率異常平面分布圖

根據(jù)上面對斷面圖的分析，劃分了燒變巖與普通地層的分界線，在圖中用黑色虛線表示。另根據(jù)電阻率在平面上的幅值大小、等值線的特征及掌握已知情況，確定12 Ω·m 和9 Ω·m 為兩級低阻異常的閾值。

對燒變巖邊界的劃分主要依靠電阻率在斷面和平面上與普通地層的差異而確定。煤層燒變后，除自身產(chǎn)生空隙外，對頂?shù)装逡惨蚝婵径蛊浒l(fā)育裂隙。當(dāng)燒變巖含水時，其電阻率因空隙被地下水充填而降低，否則因充填空氣而升高。充填空氣與地下水的燒變巖存在極其明顯的電阻率差異。相對正常圍巖，不含水的燒變巖表現(xiàn)為相對高阻，含水的燒變巖表現(xiàn)為相對低阻。當(dāng)燒變巖從淺至深分布時，電阻率斷面上表現(xiàn)為極高阻（不含水）隨深度增加而快速變化為極低阻（底部積水）。當(dāng)燒變巖被掩埋在中深部且含水時，其相對同深度圍巖表現(xiàn)為電阻率降低。由圖7 可見，探測區(qū)內(nèi)基本為燒變巖分布，未燒變區(qū)分布相對較少。

當(dāng)煤層火燒較薄時，對圍巖的影響范圍較小，煤層及圍巖基本保持原生的電阻率特征。隨著煤層燒變程度加劇，對圍巖的影響程度和范圍急劇增加，充水后表現(xiàn)為地下水的低阻特征，原生特征消失殆盡。雖然探測區(qū)內(nèi)基本為燒變巖分布區(qū)，但從電阻率分布特征來看，其影響程度并不相同，即燒變巖空隙發(fā)育程度不一。當(dāng)燒變形成空隙較大時，地下水聚集更加豐富，電阻率表現(xiàn)更接近地下水的低阻，即通過電阻率的分布，可定性判斷燒變巖孔隙發(fā)育程度[7-8]。

根據(jù)燒變巖層位電阻率平面分布及確定的異常程度閾值，圈定2 處低阻異常區(qū)，分別命名為“一號異?！焙汀岸柈惓！?。“一號異?！蔽挥谔綔y區(qū)西部，主要呈東西向分布，平面范圍相對較大；“二號異?！蔽挥谔綔y區(qū)東部，大體呈南北向分布，平面范圍相對較小。兩處異常存在一定的聯(lián)結(jié)趨勢。

根據(jù)地質(zhì)任務(wù)要求和相關(guān)目標(biāo)層位低阻異常區(qū)的分布情況，結(jié)合地質(zhì)地形、煤層產(chǎn)狀、出水資料、揭露的裂隙發(fā)育情況和水文地質(zhì)等資料，對燒變巖富水區(qū)進(jìn)行綜合推斷。推斷探測區(qū)內(nèi)燒變巖普遍含水，根據(jù)電阻率高低表現(xiàn)推斷，“一號異常區(qū)”及“二號異常區(qū)”為裂隙發(fā)育的強(qiáng)富水區(qū)，并認(rèn)為2 個異常區(qū)具有連通性，可形成1 個整體的中等富水區(qū)。

3 抽水試驗(yàn)

本次水文地質(zhì)補(bǔ)勘過程中共進(jìn)行5 次單孔抽水試驗(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，初步分析煤系地層及奧陶系灰?guī)r含水層富水性。

1）抽水試驗(yàn)方法。單孔抽水試驗(yàn)，每個單孔進(jìn)行1 次最大的水位降深抽水試驗(yàn)，了解水位降深值與涌水量的關(guān)系，初步確定含水層的富水性；單位涌水量大于0.01 L/（s·m），做3 次降深抽水試驗(yàn)。

2）抽水試驗(yàn)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。①抽水井抽水量保持常量，變化幅度不大于3%；②水位變幅（包括主孔、觀測孔）幅度不大于5%降深值。

3）觀測頻度及精度。①水位觀測時間按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min進(jìn)行，以后每隔30 min 觀測1 次，直至穩(wěn)定，恢復(fù)水位觀測同此，觀測儀器為指針式電流表；②水溫、氣溫、供電（柴油機(jī)）電流電壓2～4 h 測量2 次；③水位測量精度0.5 cm，流量堰板讀數(shù)誤差1 mm。

抽水設(shè)備采用250QJ80 型深井潛水泵，在經(jīng)過多次抽水試驗(yàn)后測得，極限能力下最大降深僅為0.21 m，最小涌水量2 160 m3/d，滲透系數(shù)202.91 m/d，印證了火燒區(qū)巖層極為破碎，存在強(qiáng)富水區(qū)。

4 結(jié)語

1）根據(jù)燒變巖與普通地層的電阻率差異，推斷了新的燒變巖邊界。

2）根據(jù)電阻率在斷面和平面的分布特征，確定了2 處低阻異常區(qū)，并據(jù)此推斷了1 處中等富水區(qū)和2 處強(qiáng)富水區(qū)。認(rèn)為探測區(qū)內(nèi)燒變巖底部均匯聚有地下水，因?yàn)闊兂潭炔灰?，產(chǎn)生的能儲水的燒變空隙發(fā)育程度不一，導(dǎo)致燒變巖含水程度不一。

3）探測區(qū)電阻率平面圖、推斷成果圖和抽水試驗(yàn)結(jié)果同時表征了燒變巖空隙的發(fā)育程度。