新疆伊犁礦區(qū)侏羅系含水介質(zhì)特征與地下水賦存運(yùn)移規(guī)律

徐智敏 ，陳天賜 ，劉栓栓,4 ，孫亞軍 ，任冬冬 ，郇博程 ，張盼杰

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；2.礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專(zhuān)業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116；3.兗礦新疆能化有限公司伊犁一礦, 新疆 伊犁 835300；4.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司, 陜西 榆林 719302）

0 引 言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量十分豐富，2022 年在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占比56.2%[1]，是我國(guó)的主體能源。近些年我國(guó)煤炭開(kāi)采重心逐漸向西遷移，且西部地區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量大、埋深淺，其中埋深小于2 000 m 的煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量約為2 萬(wàn)億t[2-3]，2022 年西部各省份煤炭產(chǎn)量相比全國(guó)總產(chǎn)量占比已經(jīng)超過(guò)67%[4-5]，已成為大型煤炭生產(chǎn)基地的主要聚集區(qū)域。侏羅系煤層作為該地區(qū)的主產(chǎn)煤層，其地質(zhì)及水文地質(zhì)條件與東部地區(qū)主采的石炭?二疊系含煤地層具有較大差異，成煤時(shí)代、自然地理?xiàng)l件、特殊的陸相沉積背景及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素均對(duì)該地區(qū)含（隔）水層構(gòu)建起到控制作用，進(jìn)而導(dǎo)致富煤地層含水介質(zhì)條件復(fù)雜，富水性不均一，給礦井防治水工作的開(kāi)展帶來(lái)新的考驗(yàn)[6-7]。因此，對(duì)西部地區(qū)侏羅系富煤地層的特殊含水介質(zhì)條件及儲(chǔ)水控水規(guī)律的研究，成為了在該地區(qū)順利開(kāi)展生產(chǎn)活動(dòng)的重點(diǎn)[8-9]。

在相關(guān)研究中，馮潔等[10]利用沉積微相劃分和微觀孔隙實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的方法，研究了侏羅系微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系，揭示了區(qū)域沉積控水機(jī)理。楊鵬等[11]研究了侏羅系砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型與含水層富水特征，對(duì)評(píng)價(jià)頂板突水危險(xiǎn)性具有重要意義。張玉軍等[12]通過(guò)對(duì)覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型和采動(dòng)隔水層穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)研究，探討了黏土隔水層對(duì)導(dǎo)裂帶發(fā)育的抑制作用。田繼軍等[13]基于現(xiàn)代沉積學(xué)、煤田地質(zhì)學(xué)的方法，繪制了塔里木盆地單井巖性剖面圖和沉積相展布圖，系統(tǒng)探究了侏羅系沉積演化及聚煤的主控因素。文獻(xiàn)[14-16]通過(guò)室內(nèi)滲流試驗(yàn)、電鏡掃描、壓汞試驗(yàn)等，獲取了西部侏羅系弱膠結(jié)砂巖高孔隙率的微觀介質(zhì)特征及動(dòng)水條件下“溶鹽增滲”效應(yīng)。總體上，近些年針對(duì)西部礦區(qū)侏羅系含煤地層的地下水循環(huán)條件、水動(dòng)力學(xué)特征等研究方面取得了較大進(jìn)展，但由于伊犁礦區(qū)地表松散礫石層厚度大，覆蓋各含隔水層露頭，導(dǎo)致主采煤層頂?shù)装逯饕渌畬铀β?lián)系復(fù)雜、富水性差異大，使水文地質(zhì)條件進(jìn)一步復(fù)雜化，因此，針對(duì)該區(qū)富煤地層含水介質(zhì)條件及特殊地貌條件下的含（隔）水層儲(chǔ)水控水規(guī)律，有待進(jìn)一步研究。

為精確查明研究區(qū)富煤地層含水介質(zhì)條件及儲(chǔ)水控水規(guī)律，筆者在深度挖掘課題組前期積累的西部礦區(qū)相關(guān)成果數(shù)據(jù)與資料的基礎(chǔ)上，采用電鏡掃描、壓汞試驗(yàn)、X-衍射等手段，系統(tǒng)研究新近系泥巖隔水層、侏羅系煤層頂?shù)装搴ǜ簦┧畬拥奈⒂^介質(zhì)特征；同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)群孔抽水試驗(yàn)及室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，研究主要含水層的富水特征，進(jìn)而闡明含水層循環(huán)條件及水動(dòng)力學(xué)特征，獲取地下水賦存的規(guī)律；基于研究區(qū)宏觀水文地質(zhì)條件、侏羅系含水層微觀介質(zhì)特征及其賦存規(guī)律，揭示主要含（隔）水層的水動(dòng)力學(xué)特征及地下水運(yùn)移規(guī)律，為研究區(qū)礦井涌水量計(jì)算、井下疏降水工程的開(kāi)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

1.1 礦區(qū)侏羅系富煤地層條件

伊犁一礦位于伊南煤田，煤系地層為侏羅系西山窯組，該層形成時(shí)代較晚、巖層成巖程度較差，主要發(fā)育三角洲和湖泊沉積相[17-18]，主采煤層屬特厚穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由淺至深方向上逐漸發(fā)育；煤系地層上覆白堊系，新生界新近系、第四系地層，其中，第四系松散層及侏羅系砂巖含水層為主要的含水層組。

1.2 礦區(qū)宏觀水文地質(zhì)條件

伊犁礦區(qū)位于伊犁河谷以南，為單斜儲(chǔ)水構(gòu)造單元。含水層主要補(bǔ)給來(lái)源為南天山冰雪融水、大氣降水以及地表過(guò)境河流。

受山前沖洪積扇的影響，從山前到河谷平原方向上，地下水的賦存存在較大差異[17]。一方面，沖積扇的地下水補(bǔ)給主要來(lái)自山區(qū)徑流和冰雪融水，具有一定的季節(jié)性和年際變化性；另一方面，沖積扇地下水的流動(dòng)方向和路徑也受到地層結(jié)構(gòu)、地下水位、地表水位、地下水水化學(xué)特征等因素的影響。研究區(qū)自然地理位置如圖1 所示。

圖1 礦區(qū)自然地理位置示意Fig.1 Schematic of natural geographical locationof the minefield

1.3 礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

研究區(qū)位于山前沖洪積扇頂部和中部的斜坡地帶，為地下水補(bǔ)給、徑流區(qū)（圖1、圖2）。南部山前的第四系含水層隱伏露頭線，構(gòu)成地下水的補(bǔ)給邊界，新近系含（隔）水層隱伏于下，接受第四系潛水含水層的垂向滲透淺補(bǔ)給，向北泥質(zhì)巖層厚度逐漸增大，構(gòu)成了隔水邊界。礦井水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖2 礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征示意Fig.2 Schematic of hydrogeological structure characteristics of the minefield

礦區(qū)總體上為近東西走向、向北傾的單斜構(gòu)造。含水層自上而下發(fā)育有第四系含水層及侏羅系煤層頂板砂巖含水層、底板砂巖含水層（圖2、圖3）。其中主采煤層的直接充水含水層為頂?shù)装迳皫r含水層；第四系含水層在山前接受天山雪融水及少量大氣降水補(bǔ)給，徑流條件較好。隔水層主要由新近系泥巖及侏羅系泥巖、粉砂巖、煤互層組成，與含水層呈厚度不等的互層，隔水層厚度和隔水性強(qiáng)度均表現(xiàn)出較大差異。

圖3 研究區(qū)綜合水文地質(zhì)柱狀圖Fig.3 Comprehensive hydrogeological histogram of the study area

研究區(qū)具有西部煤礦區(qū)地表水與地下水轉(zhuǎn)換頻繁、地下水徑流特征不明的典型水文地質(zhì)特征。因此，在研究宏觀水文地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)含隔水層微觀介質(zhì)條件、含水層賦存規(guī)律及水動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行精細(xì)化研究評(píng)價(jià)，可為礦井防治水工作的開(kāi)展提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)侏羅系的介質(zhì)特征

含水層介質(zhì)條件是研究自身或與相鄰含水層地下水儲(chǔ)存、運(yùn)移特征的關(guān)鍵因素。與大多數(shù)東部礦區(qū)石炭?二疊系富煤地層相對(duì)埋藏較深、地下水運(yùn)動(dòng)以裂隙流為主不同，西部礦區(qū)主要富煤地層多數(shù)形成于侏羅?白堊系，相對(duì)成煤時(shí)代較晚，埋藏較淺，巖石膠結(jié)程度總體較弱[19]，孔隙率一般為東部碳?二疊系含煤地層孔隙率的4～8 倍[14-15,20-23]（表1），含水層具有以孔隙為主的“孔隙?裂隙”雙重含水介質(zhì)特征[14]，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程較復(fù)雜，易形成富水區(qū)。

表1 東西部含煤地層孔隙率差異對(duì)比Table 1 Porosity difference comparison of coal-bearing strata between East and West China

為分析評(píng)價(jià)研究區(qū)各含水層（圖3）介質(zhì)條件及特征，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣、室內(nèi)掃描電鏡、壓汞試驗(yàn)、X-衍射、巖石薄片鑒定等方法進(jìn)行測(cè)試研究，進(jìn)一步為煤系主要含（隔）水層水動(dòng)力學(xué)特征、儲(chǔ)水控水規(guī)律研究提供依據(jù)。

2.1 主要含水層的介質(zhì)條件及特征

礦井主采侏羅系西山窯組3、5 煤，對(duì)回采可能產(chǎn)生影響的含水層包括第四系含水層及侏羅系煤層頂、底板砂巖含水層（包括3 頂砂、5 頂砂和5 底砂含水層，如圖3 所示）。

2.1.1 第四系含水層

根據(jù)研究區(qū)域補(bǔ)勘資料，第四系含水層主要為區(qū)域天山山前沖洪積層，由分選性差的礫石、砂土及黏土等組成，結(jié)構(gòu)松散，形成了較好的區(qū)域地下水徑流通道，洪積扇頂部和中部主要為區(qū)域地下水補(bǔ)給、徑流區(qū)，亦為伴生泉的少量地下水排泄區(qū)（圖2）。

2.1.2 3 煤頂板砂巖含水層

根據(jù)礦區(qū)鉆孔揭露資料，3 煤頂板砂巖含水層厚度約0.8～30.85 m，平均厚度19.12 m，為3、5 煤開(kāi)采頂板直接充水含水層。

在水文地質(zhì)補(bǔ)勘過(guò)程中，針對(duì)3 煤頂板砂巖含水層進(jìn)行了鉆孔取心，并進(jìn)行室內(nèi)相關(guān)分析測(cè)試，其中電鏡掃描結(jié)果如圖4 所示。

圖4 3 煤頂板砂巖巖樣電鏡掃描圖Fig.4 Scanning electron micrographs of rock samples of No.3 coal seam roof sandstone aquifer

測(cè)試結(jié)果表明，3 煤頂板為泥質(zhì)砂巖含水層，礦物成分中黏土礦物僅次于石英礦物，占比26%～33%，黏土礦物中蒙脫石及高嶺石占比達(dá)94%；同時(shí)3 煤頂板砂巖含水層存在較多不同孔徑的孔隙，條帶狀粒間孔隙較發(fā)育，總面孔率達(dá)到20%；巖樣的有效孔隙率（以孔徑≥10 μm 為有效孔隙，此時(shí)重力水可以沿有效孔隙運(yùn)移[24-25]）高達(dá)29.5%，滲透率為242×10?3μm2。總體上，3 煤頂板砂巖含水層滲透性較好，儲(chǔ)水能力較強(qiáng)。

此外，3 煤頂板和底板均有泥巖存在，其中，3 煤與新近系之間地層中泥巖占比為9.16%～59.01%。作為軟巖的泥巖分布在3 煤上下，雖隨著地理位置變化厚度有起伏，但該層的存在對(duì)于3 煤回采形成的導(dǎo)水裂隙的閉合十分有利。

2.1.3 5 煤頂板砂巖含水層

同樣地，針對(duì)5 煤頂板砂巖含水層進(jìn)行了鉆孔取心，并進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試，電鏡掃描結(jié)果如圖5 所示。

圖5 5 煤頂板砂巖巖樣電鏡掃描圖Fig.5 Scanning electron micrographs of rock samples of No.5 coal seam roof sandstone aquifer

測(cè)試結(jié)果表明，5 煤頂板砂巖含水層巖樣主要為泥質(zhì)、碳質(zhì)膠結(jié)，礦物成分以黏土礦物為主，并含有石英及云母碎屑顆粒，黏土礦物中蒙皂石及高嶺石含量占比達(dá)到80%；巖樣的有效孔隙率為22.8%～23.8%，但約76%的孔徑小于2 μm（以孔徑<10 μm為無(wú)效孔隙，此時(shí)在一般水頭大小條件下重力水難以運(yùn)動(dòng)[24-25]），滲透率為0.22×10?3μm2?？傮w上，5 煤頂板砂巖含水層滲透性較差，儲(chǔ)水能力較弱。

2.1.4 5 煤底板砂巖含水層

選取5 煤底板砂巖含水層巖樣進(jìn)行分析測(cè)試，相關(guān)測(cè)試結(jié)果表明，該層巖性以含礫粗砂巖為主，其次為細(xì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)疏松，巖樣中石英礦物、黏土礦物占比分別約為60%、32%，黏土礦物主要為高嶺石及伊蒙混層。黏土礦物與有機(jī)質(zhì)之間發(fā)育裂隙（圖6），巖樣有效孔隙率為17.1%～24.3%，滲透率為0.02×10?3～1.88×10?3μm2?？傮w上，5 煤底板砂巖含水層雖然有效孔隙率高，但較高的黏土礦物含量，導(dǎo)致其滲透率相對(duì)較低，透水性較弱。

圖6 5 煤底板砂巖巖樣電鏡掃描圖Fig.6 Scanning electron micrographs of rock samples of No.5 coal seam floor sandstone aquifer

總體上，根據(jù)上述各主要含水層巖樣微觀介質(zhì)條件相關(guān)測(cè)試結(jié)果，礦區(qū)第四系含水層和3 煤頂板砂巖含水層滲透性較好，5 煤頂、底板砂巖含水層滲透性均較差。

2.2 主要隔水層的介質(zhì)條件及特征

礦區(qū)主要含水層與主采煤層之間的主要隔水層包括新近系泥巖隔水層、5 煤底板隔水層，具體如圖3所示。

2.2.1 新近系泥巖隔水層

新近系泥巖隔水層是阻隔下部3、5 煤頂板砂巖含水層接收上部第四系沖洪積含水層、大氣降水以及天山雪融水過(guò)境流補(bǔ)給的關(guān)鍵層，其阻隔水能力對(duì)煤層開(kāi)采的防治水工作影響巨大。因此，為針對(duì)性研究新近系泥巖隔水層介質(zhì)條件及特征，同樣地進(jìn)行了鉆孔取心，并進(jìn)行室內(nèi)電鏡掃描、全巖黏土礦物X-衍射、壓汞試驗(yàn)等測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 新近系泥巖隔水層巖樣測(cè)試結(jié)果Table 2 Rock sample test results of neogene mudstone aquiclude

根據(jù)巖樣測(cè)試結(jié)果，新近系泥巖隔水層主要為粉砂質(zhì)泥巖，由泥質(zhì)及部分粉砂級(jí)碎屑顆粒構(gòu)成，雖然新近系隔水層有效孔隙率較高，但總面孔率較低，同時(shí)由于其較高的黏土礦物含量，遇水易膨脹泥化，因此，該層整體隔水性能較好，可有效阻隔上、下部含水層的水力聯(lián)系，同時(shí)，該層良好的阻隔水能力為其上部第四系含水層地下水徑流特征研究、井下涌水量預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

2.2.2 5 煤底板隔水層

5 煤底板隔水層是5 煤底板砂巖含水層與5 煤回采之間的隔水關(guān)鍵層。巖樣測(cè)試結(jié)果表明，該層巖性為硅質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖，塊狀結(jié)構(gòu)，主要含石英、黏土礦物等，其中石英、黏土礦物占比分別約為56%、30%，黏土礦物中伊蒙混層及高嶺石占比超過(guò)80%。有效孔隙率為17.6%～23.6%，滲透率為0.52×10?3～1.90×10?3μm2?？傮w上，5 煤底板隔水層滲透率低，具有良好的阻隔水能力。電鏡掃描結(jié)果如圖7所示。

圖7 5 煤底板隔水層巖樣電鏡掃描圖Fig.7 Scanning electron micrographs of rock samples of No.5 coal seam floor sandstone aquiclude

總體上，新近系泥巖隔水層與5 煤底板隔水層均具有較高的粘土礦物含量，使其具備良好的阻隔水能力，在天然狀態(tài)下可有效阻隔上下含水層之間的水力聯(lián)系。

3 研究區(qū)地下水的賦存規(guī)律

為研究礦區(qū)主要含水層的地下水賦存規(guī)律，對(duì)主采煤層頂、底板含水層進(jìn)行群孔、多次抽水試驗(yàn)，在充分暴露含水層邊界條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)求參、模型矯正獲取其滲透性及富水性，進(jìn)一步為礦井涌水量預(yù)測(cè)、礦井充水強(qiáng)度評(píng)價(jià)及井下安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

3.1 第四系孔隙含水層賦存規(guī)律

根據(jù)研究區(qū)勘探資料，第四系孔隙潛水含水層的有效厚度為4.4～46.0 m，由天山山前向外呈扇形逐漸增大，其地下水屬第四系孔隙潛水，并接受大氣降水與天山山前雪融水補(bǔ)給（圖2）。

為定量評(píng)價(jià)第四系孔隙含水層富水性變化規(guī)律，整理分析該含水層四次抽水試驗(yàn)資料（表3），4組抽水試驗(yàn)孔抽水流量0.21～2.51 m3/h，降深4.49～15.81 m，較小的抽水流量引起含水層較大的水位降深，同時(shí)根據(jù)含水層單位涌水量結(jié)果，表明第四系孔隙含水層整體上為弱富水含水層，部分區(qū)域?yàn)橹械取醺凰ㄈ鐖D8 所示，由于不同含水層抽水試驗(yàn)在礦區(qū)更大范圍內(nèi)開(kāi)展，受限于圖片展示范圍，部分抽水試驗(yàn)孔未在圖中進(jìn)行標(biāo)注展示，圖9—圖11 同理），其滲透性在山前較大，向外逐漸變差。

表3 第四系含水層現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of field pumping test of the quaternary aquifer

圖8 第四系含水層單位涌水量等值線Fig.8 Contour of unit water inflow of the quaternary aquifer

圖9 3 煤頂板砂巖含水層單位涌水量等值線Fig.9 Contour of unit water inflow of No.3 coal seam roof sandstone aquifer

3.2 煤層頂板砂巖含水層賦存規(guī)律

3.2.1 3 煤頂板砂巖含水層

礦區(qū)范圍內(nèi)3 煤頂板砂巖含水層厚度由天山山前向外逐漸增大，鉆孔揭露最大厚度可達(dá)到367.4 m。根據(jù)該層抽水試驗(yàn)資料（表4），總體上為滲透性差，富水性弱，部分區(qū)域?yàn)橹械取醺凰ㄝ^符合前文3煤頂板砂巖含水層微觀介質(zhì)特征研究結(jié)論）的含水層（圖9）。

表4 3 煤頂板砂巖含水層現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of field pumping test of No.3 coal seam roof sandstone aquifer

3.2.2 5 煤頂板砂巖含水層

同樣地，根據(jù)5 煤頂板砂巖含水層抽水試驗(yàn)資料（表5），整體上表現(xiàn)為弱富水，但有部分區(qū)域表現(xiàn)為中富水（圖10），具有區(qū)塊化特征。

表5 5 煤頂板砂巖含水層現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of field pumping test of No.5 coal seam roof sandstone aquifer

圖10 5 煤頂板砂巖含水層單位涌水量等值線Fig.10 Contour of unit water inflow of No.5 coal seam roof sandstone aquifer

3.3 煤層底板砂巖含水層賦存規(guī)律

5 煤底板砂巖含水層上距5 煤底板14.2～36.5 m，平均24.5 m，層厚5.32～20.64 m，平均厚度15.22 m，沿走向變化較大，沿傾向相對(duì)穩(wěn)定。

據(jù)前期鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果（表6），5 煤底板砂巖含水層滲透系數(shù)為0.006～1.162 m/d，單位涌水量在0.001～0.244 L/（s·m），平均為0.061 L/（s·m），結(jié)合前文該層具有較高的黏土礦物含量，表明該含水層整體富水性總體偏弱，但有部分區(qū)域表現(xiàn)為滲透性強(qiáng)、中等富水且存在一定突水危險(xiǎn)性，具有區(qū)塊化特征（圖11、圖12）。

表6 5 煤底板砂巖含水層現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of field pumping test of No.5 coal seam floor sandstone aquifer

圖11 5 煤底板砂巖含水層單位涌水量等值線Fig.11 Contour of unit water inflow of No.5 coal seam floor sandstone aquifer

圖12 5 煤底板砂巖含水層突水系數(shù)等值線Fig.12 Contour of water inrush coefficient of No.5 coal seam floor sandstone aquifer

總體上，研究區(qū)第四系含水層與煤系頂、底板砂巖含水層總體富水性均較弱，部分區(qū)域中等富水，具有區(qū)塊化特征。

4 研究區(qū)地下水的運(yùn)移規(guī)律

在獲取研究區(qū)宏觀水文地質(zhì)條件、含（隔）水層微觀介質(zhì)條件及煤系主要充水含水層富水規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察、井下放水試驗(yàn)等，對(duì)研究區(qū)主要含水層的水動(dòng)力學(xué)特征及含（隔）水層的儲(chǔ)水控水規(guī)律進(jìn)行研究，可為礦區(qū)高效疏排水并最大限度減小對(duì)地下水生態(tài)環(huán)境[26]的影響提供依據(jù)。

4.1 第四系含水層

首先，第四系沖洪積含水層在山前接受天山雪融水及少量大氣降水補(bǔ)給，其補(bǔ)給來(lái)源相對(duì)充足；其次，根據(jù)第四系含水層介質(zhì)條件及其地下水賦存規(guī)律表明，該層結(jié)構(gòu)松散，透水性高，是地下水徑流的良好通道；最后，山前近似南高北低的地勢(shì)差（地層坡度2°～5°）為地下水徑流提供了動(dòng)力條件。綜上，當(dāng)?shù)谒南岛畬拥叵滤芟虏啃陆的鄮r隔水層阻隔后，在山前表現(xiàn)出“斜坡過(guò)境流”的動(dòng)力學(xué)特征，主要以松散層孔隙潛水形式、由高向低高強(qiáng)度流動(dòng)。

在山前具有大量泉出露，其水溫接近氣溫，表明其補(bǔ)給來(lái)源為第四系含水層，且含水層中融雪徑流強(qiáng)度較大。此外，在山前該層進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)，由于“斜坡過(guò)境流”的徑流特征影響，試驗(yàn)孔下方形成兩側(cè)不同影響半徑的非對(duì)稱(chēng)降落漏斗，如圖13 所示。

圖13 非對(duì)稱(chēng)降落漏斗示意Fig.13 Asymmetric landing funnel diagram

礦井首采面回采過(guò)程中，第四系含水層在不受降雨影響條件下，觀測(cè)孔水位上下波動(dòng)小于1 m，變化幅度微弱；其次，根據(jù)前文新近系泥巖隔水層介質(zhì)條件及特征分析，其透水性弱，可有效阻隔第四系含水層向深部補(bǔ)給；最后，在礦井多個(gè)工作面回采期間，井下實(shí)際觀測(cè)涌水量遠(yuǎn)小于假設(shè)導(dǎo)裂帶溝通第四系含水層或第四系含水層補(bǔ)給煤層頂板砂巖含水層條件下的預(yù)計(jì)涌水量。綜上所述，第四系含水層及其部分補(bǔ)給來(lái)源的大氣降水、天山雪融水對(duì)煤層頂板砂巖含水層及井下涌水影響較小，并進(jìn)一步證實(shí)新近系泥巖隔水層具備良好的阻隔水能力。

4.2 煤系頂板砂巖含水層

針對(duì)主采3、5 煤頂板砂巖含水層，為3、5 煤層開(kāi)采直接充水含水層，但其總體富水性較弱，靜儲(chǔ)量較小，且不接受上部第四系含水層和下部含水層補(bǔ)給，對(duì)礦井生產(chǎn)影響較小。

4.3 5 煤底板砂巖含水層

4.3.1 含水層“溶鹽增滲”效應(yīng)

5 煤底板砂巖含水層與上下含水層無(wú)水力聯(lián)系，雖然其本身滲透率較低、透水性較弱且5 煤底板隔水層隔水能力較好，但部分區(qū)域與5 煤之間有效隔水層厚度僅有1～7 m，在富水性較好、水頭壓力較高區(qū)域，可通過(guò)底板滲水進(jìn)入5 煤回采工作面。

根據(jù)5 煤底板砂巖含水層地下水賦存規(guī)律，該層滲透性較好，但其補(bǔ)給量有限，具有良好的可疏降性。在該層放水試驗(yàn)水壓小于1 MPa 時(shí)，涌水為正常清水，當(dāng)揭露水壓達(dá)到1 MPa 時(shí)，涌水“變混”并含大量灰白色、灰黃色砂粒（圖14）。

圖14 含水層放水試驗(yàn)涌水“變混”情況Fig.14 Water “mixing”in the discharge test of the aquifer

新疆哈密大南湖礦區(qū)與伊犁礦區(qū)主采煤層均屬侏羅系西山窯組，結(jié)合課題組前期在哈密大南湖礦區(qū)開(kāi)展的相似地層現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)、疏降水工程以及室內(nèi)滲流試驗(yàn)等[15-16,27]等相關(guān)成果經(jīng)驗(yàn)，在該礦區(qū)井筒施工階段，侏羅系西山窯組砂巖含水層疏降前后滲透系數(shù)由0.306 m/d 增大至0.506 m/d，增加了約1.6 倍，隨著后期工作面回采，疏排水量不斷增大，滲透系數(shù)急劇增大至4.33 m/d；通過(guò)哈密大南湖礦區(qū)相似地層巖樣的室內(nèi)滲流試驗(yàn)，在0.45 MPa 滲透壓條件下（由于空間尺度效應(yīng)，哈密大南湖礦區(qū)侏羅系相似地層巖樣室內(nèi)滲流試驗(yàn)滲透壓在未達(dá)到伊犁礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)放水試驗(yàn)時(shí)實(shí)際揭露水壓1 MPa 的條件下，便產(chǎn)生滲流水“變混”情況），試驗(yàn)前后巖樣滲透性會(huì)產(chǎn)生突變，最高可增大10 倍，另外，動(dòng)水條件下巖樣中可溶性鹽及高嶺石溶出，導(dǎo)致滲流出水相比滲流前高純水呈現(xiàn)不同程度的“變混”、TDS 增大，進(jìn)而導(dǎo)致滲流試驗(yàn)前后巖樣孔隙率增大1.82%～11.38%，平均增幅約為4.16%（表7、圖15）。綜上，認(rèn)為本區(qū)砂巖含水層由于膠結(jié)程度差、力學(xué)強(qiáng)度低，在地下水高滲透壓及較強(qiáng)徑流時(shí)，碎屑顆粒崩解，膠結(jié)物溶解，導(dǎo)致放水孔中涌水“變混”，同時(shí)，巖層孔隙增大，儲(chǔ)水性及透水性增強(qiáng)，也即產(chǎn)生“溶鹽增滲”效應(yīng)[16,27]。

表7 滲流試驗(yàn)前后部分含水層巖樣及滲流水各參數(shù)對(duì)比Table 7 Comparison of parameters of part of the aquifer rock samples and seepage water before and after seepage test

圖15 滲流出水“變混”情況Fig.15 Water “mixing”situation of seepage experiment

4.3.2 含水層疏降工程

隨著伊犁礦區(qū)開(kāi)采向西及北部延深，5 煤底板砂巖含水層水壓逐漸增大。為避免因水壓增大產(chǎn)生“溶鹽增滲”效應(yīng)，降低該層突水隱患，保證后續(xù)煤層安全開(kāi)采，結(jié)合其單斜構(gòu)造特征及近南北向的地下水徑流方向，在區(qū)域上開(kāi)展了“橫向截流，側(cè)向掩護(hù)”的“廠”字形大范圍疏降（圖16）。隨著各工作面布設(shè)逐漸向北部延深，結(jié)合井下采掘安排，在各工作面巷道內(nèi)沿近似垂直地下水流向施工“截流”疏降孔（回采期間，隨著工作面推進(jìn)各孔漸次關(guān)閉），在淺部以橫向截?cái)? 煤底板砂巖含水層徑流，減少含水層向深部補(bǔ)給，進(jìn)而控制深部區(qū)域回采期間的含水層初期揭露水壓及徑流強(qiáng)度，避免因產(chǎn)生“溶鹽增滲”效應(yīng)而導(dǎo)致含水層儲(chǔ)水性及透水性增大；在礦區(qū)淺部沿近似垂直地下水流向及大巷中沿近似平行地下水流向方向，隨著工作面布設(shè)及大巷掘進(jìn)逐漸向北部延深，漸次施工“廠”字型“掩護(hù)”疏降孔群，對(duì)該層進(jìn)行長(zhǎng)期疏放，以阻斷其側(cè)向補(bǔ)給，掩護(hù)后續(xù)工作面開(kāi)采。同時(shí)，在各工作面下巷布設(shè)疏降效果驗(yàn)證孔，并在疏放水后工作面若未達(dá)到安全開(kāi)采水壓時(shí)對(duì)含水層繼續(xù)疏降。

圖16 礦區(qū)5 煤底板砂巖含水層疏降平面示意Fig.16 Schematic plan of No.5 coal floor sandstone aquifer drainage in the mining area

根據(jù)井下采掘工程依次施工的“廠”字形疏降工程，對(duì)5 煤底板砂巖含水層累計(jì)放水已超過(guò)33.86 萬(wàn) m3，疏降效果十分顯著。其中，工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)域疏降水位可達(dá)到52 m，1502 W、1503 W 和1504 W 工作面區(qū)域疏降水位均能達(dá)到10～35 m，最大可超過(guò)102 m；1505 W 工作面區(qū)域群孔總疏降強(qiáng)度最大可達(dá)到約110 m3/h，在疏降約15 d 后，工作面東、西側(cè)含水層水位降深分別可達(dá)到45、35 m 以上。疏放水后期，各疏降孔涌水量均由初期的15～20 m3/h 衰減至小于5 m3/h，表明工作面區(qū)域殘余水量有限；其次，疏降水后工作面實(shí)際揭露含水層水壓均小于0.5 MPa，回采期間工作面最大涌水量均小于5 m3/h，實(shí)際揭露情況遠(yuǎn)小于疏降前的水壓和預(yù)計(jì)涌水量，滿足安全開(kāi)采要求，為井下回采創(chuàng)造了良好的水文地質(zhì)條件。各區(qū)域疏放水概況見(jiàn)表8。

表8 各工作面區(qū)域疏放水概況Table 8 Overview of water drainage in each mining panel

5 結(jié) 論

1）通過(guò)掃描電鏡、X-衍射、壓汞試驗(yàn)等方法，系統(tǒng)研究了伊犁礦區(qū)富煤地層微觀含水介質(zhì)條件及特征。研究區(qū)主要含（隔）水層有效孔隙率均較高，其中侏羅系主采煤層頂?shù)装迳皫r含水層有效孔隙率范圍為17.1%～29.5%，新近系與侏羅系隔水層有效孔隙率范圍為17.6%～29.0%。

2）研究區(qū)主要含（隔）水層黏土礦物含量均較高，遇水膨脹泥化導(dǎo)致煤系砂巖含水層滲透性較差，但同時(shí)又增強(qiáng)了新近系泥巖隔水層與5 煤底板隔水層的阻隔水能力。

3）通過(guò)各主要含水層現(xiàn)場(chǎng)群孔抽水試驗(yàn)，總體上第四系孔隙含水層與煤系頂?shù)装迳皫r含水層富水性較弱，部分區(qū)域表現(xiàn)出中等富水，以靜儲(chǔ)量為主，均具有區(qū)塊化特征。

4）系統(tǒng)研究了主要含水層的水動(dòng)力學(xué)特征與儲(chǔ)水控水規(guī)律，礦區(qū)范圍內(nèi)第四系表現(xiàn)出“斜坡過(guò)境流”的動(dòng)力學(xué)特征，但受下部新近系泥巖隔水層阻隔，與煤系頂板砂巖含水層無(wú)水力聯(lián)系；對(duì)煤層回采存在影響的為5 煤底板砂巖含水層，并針對(duì)該層施工了“橫向截流，側(cè)向掩護(hù)”的“廠”字形大范圍疏降，根據(jù)疏降孔水位降深及工作面揭露水壓、涌水量等表明其疏降效果顯著。相關(guān)研究成果可為研究區(qū)及西部相似開(kāi)采條件下防治水工作提供一定的理論及工程依據(jù)。