河興梁井田燒變巖含水層水文地質(zhì)特征分析

邵新風(fēng),宋一民,馮學(xué)琳,張麗偉

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司,陜西 西安 710021;2.榆林河興梁煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719300;3.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021)

0 引言

河興梁井田地處我國西北內(nèi)陸,為典型的中溫帶半干旱大陸性氣候,干旱少雨,水資源匱乏。根據(jù)地表出露和鉆孔揭露,河興梁井田2-2煤層由露頭處向深部延伸全部自燃,并使其上覆基巖遭受燒灼烘烤,導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)變形,孔隙、裂隙和孔洞發(fā)育,為地下水的徑流、儲(chǔ)存提供了良好的空間。燒變巖含水層作為特殊的含水體,為當(dāng)?shù)靥峁┝舜罅康膬?yōu)質(zhì)地下水資源,同時(shí),巨量的地下水體對礦井安全開采也構(gòu)成了一定威脅。因此,查清燒變巖含水層水文地質(zhì)特征對煤炭開采、水資源的開發(fā)利用與保護(hù)具有重要意義。

1 井田概況

河興梁井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)東南部,行政區(qū)劃隸屬神木市高家堡鎮(zhèn)和榆陽區(qū)大河塔鎮(zhèn)管轄,為陜西榆神能源開發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司所屬礦井,成立于2020年3月5日。井田面積105.02 km2,設(shè)計(jì)產(chǎn)能1.20 Mt/a。可采煤層3層,分別為3-1、4-3、5-3煤層。

井田位于陜北黃土高原北部,毛烏素沙漠東南緣,為風(fēng)沙地及黃土梁峁地貌,地形總體西北高、東南低。井田地層由老至新依次為:三疊系上統(tǒng)永坪組,侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組,新近系上新統(tǒng)保德組,第四系中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、全新統(tǒng)河流沖積層及風(fēng)積沙。

2 井田水文地質(zhì)條件

2.1 地表水

井田內(nèi)大的水系為北部的紅柳溝和南部的扎林川,均為禿尾河一級支流,2條河流自西向東徑流于井田外匯入禿尾河。區(qū)內(nèi)小的溝流如沙岔溝、香水溝、紅崖溝、中沙溝和吳家溝,均為季節(jié)性水系。根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)資料,大部分地表水屬淡水,礦化度0.317 g/L,總硬度100 mg/L,pH值為7。

井田及其周邊范圍內(nèi)存在香水溝水庫和吳家溝水庫2座水庫。香水溝水庫位于紅柳河支溝的香水溝內(nèi),為砌石攔壩,控制流域面積為5.6 km2,興利庫容為56.8萬m3,死庫容為2.5萬m3,設(shè)計(jì)總庫容為71.4萬m3。主要補(bǔ)給水源為香水溝溝腦的燒變巖泉水。根據(jù)本次調(diào)查,香水溝溝腦有泉點(diǎn)7處,全流量共計(jì)203.78 L/s,為香水溝水庫的補(bǔ)給水源。吳家溝水庫位于扎林川支溝的吳家溝內(nèi),為土攔壩,平均水深約4 m,蓄水面積2 000 m2,主要補(bǔ)給水源為溝腦的沙層泉水及大片蘆葦濕地滲水,水源補(bǔ)給較小,壩口排泄流量為1.24 L/s。

2.2 地下水含(隔)水層

根據(jù)地下水埋藏條件及水力特征,將井田內(nèi)含水層劃分為第四系潛水含水層、中生界碎屑巖類裂隙及孔隙承壓水、燒變巖孔隙、裂隙潛水3類。如圖1所示。

圖1 薩拉烏蘇組含水層分布示意

2.2.1 第四系潛水含水層

第四系全新統(tǒng)沖、洪積含水層:分布于紅柳溝、扎林川及其支溝的溝谷、漫灘及階地,巖性以細(xì)砂、中粗砂為主,厚度3～10 m,水位埋深小于5 m,礦化度小于0.4 g/L,為HCO3—Ca·Mg或HCO3—Ca型水,富水性中等。

第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組含水層:分布于井田東部,出露于灘地及沙丘低洼處,巖性主要為中沙、細(xì)沙及粉沙,含水層厚度2.86～26.56 m,單位涌水量0.084 84～0.412 7 L/(s·m),滲透系數(shù)1.600 6～4.977 5 m/d,富水性弱-中等,水化學(xué)類型HCO3—Ca·Mg型,礦化度小于0.3 g/L。

2.2.2 新近系保德組紅土隔水層

除局部溝谷地段未見外,新近系紅土基本全井田分布,鉆孔揭露厚度為0～125.64 m,厚度西部較厚,東部較薄,厚度約30～50 m,平均厚度33.75 m。巖性以棕紅色粘土、亞粘土為主,為井田內(nèi)主要隔水層。

2.2.3 中生界碎屑巖類裂隙孔隙含水層

風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層:平均厚度約7 m。由于受風(fēng)化后其顏色較復(fù)雜,多為灰黃色,黃綠色,黃褐色等,其結(jié)構(gòu)較疏松,裂隙較發(fā)育,含水巖性以細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主。單位涌水量0.004 0～0.170 8 L/(s·m),滲透系數(shù)0.011 5～1.208 8 m/d,水化學(xué)類型為HCO3—Ca·Mg或HCO3—K·Na型,礦化度0.268～0.325 g/L,富水性弱-中等。

正?；鶐r裂隙承壓含水層:巖性主要為中、粗、細(xì)粒砂巖,單位涌水量遠(yuǎn)小于0.01 L/(s·m),為富水性弱含水層。

中生界隔水層:在中生界各組地層中泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與中、細(xì)粒砂巖均呈相互交替存在,泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖厚度約占各組(段)的一半多,是相對隔水層。

2.2.4 燒變巖孔隙、裂隙承壓含水層

燒變巖孔隙、裂隙含水層主要分布于井田西部,面積48.88 km2。在香水溝溝腦、沙岔溝龍王廟附近出露于地表。鉆孔揭露厚度0.9～41.44 m,平均厚度18.67 m。根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù),燒變巖含水層單位涌水量為0.002 08～87.236 L/(s·m),滲透系數(shù)為0.039 34～217.91 m/d,如圖2所示。

圖2 燒變巖厚度等值線

2.3 地下水的補(bǔ)給、徑流及排泄條件

潛水面起伏與地形起伏基本一致,并受基巖頂面形態(tài)影響,徑流主要受地形控制,本區(qū)南北部地形受紅柳溝、扎林川及中沙溝切割較為嚴(yán)重,中部大面積梁峁地帶較為平坦,地下水一般是從地形較高的梁峁及斜坡頂部向兩側(cè)溝谷及坡角運(yùn)移,徑流條件較好,流向由高至低宏觀上與現(xiàn)代地形一致,局部受地層結(jié)構(gòu)的影響流向有所改變。潛水多以下降泉、側(cè)向徑流形式排泄于河流、溝谷之中。

3 燒變巖含水層分布及水文地質(zhì)特征

3.1 燒變巖含水層分布特征

燒變巖孔隙、裂隙含水層因煤層自燃形成的張性裂隙及氣孔狀構(gòu)造使其具有良好的儲(chǔ)水空間,但因火燒程度不同,裂隙發(fā)育不均勻,含水層富水性在垂向和橫向上均有較大變化,勘探施工的多個(gè)鉆孔在鉆進(jìn)至燒變巖段時(shí)均出現(xiàn)泥漿大量漏失現(xiàn)象(漏失量均大于9 m3/h)。從垂向分布分析,具有明確的分帶特征:自上而下分成了烘烤巖、燒結(jié)巖和類熔巖,如圖3所示,其破碎程度總體上也是自上而下逐漸增加。

圖3 燒變巖垂向分層特征

3.2 燒變巖含水層巖性特征

鉆探施工中,遇燒變巖鉆孔大都發(fā)生不同程度的漏水,特別是勘探施工的X27、X31、X35、X5、水X3、水X21等鉆孔在鉆進(jìn)至燒變巖地段時(shí)均出現(xiàn)泥漿大量漏失現(xiàn)象(漏失量均大于9 m3/h),因堵漏不成,鉆機(jī)不得不下套管止水進(jìn)行施工,甚至X27鉆孔堵漏不住,采用清水鉆進(jìn)施工,同時(shí),鉆具陷落掉塊、卡鉆等現(xiàn)象頻發(fā)。

據(jù)水文測井,燒變巖潛水井液電阻率曲線ρ反應(yīng)很明顯。根據(jù)電視窺視法勘探,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,如圖4所示。燒變巖地層巖體破碎,具有大量的氣孔、燒變裂隙及爐渣狀構(gòu)造的空洞。燒變裂隙呈不規(guī)則的交錯(cuò)網(wǎng)狀,上部窄小、下部寬大。燒變巖含水層導(dǎo)水性強(qiáng),儲(chǔ)水空間開闊,徑流通暢,含水層底板埋藏在侵蝕基準(zhǔn)面以下,形成大的儲(chǔ)水構(gòu)造。

圖4 水X21鉆孔燒變巖層段電視窺視照片

3.3 燒變巖含水層水文地質(zhì)特征

根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料,見表1。燒變巖含水層單位涌水量為0.002 08～87.236 L/(s·m)。將燒變巖含水層劃分為4個(gè)富水性區(qū)(弱、中等、強(qiáng)、極強(qiáng)),滲透系數(shù)為0.039 34～217.91 m/d,如圖5～6所示?？傮w上井田內(nèi)的含水層較強(qiáng),呈現(xiàn)出自南向北富水性逐步增強(qiáng)的基本特征,尤其是可行性研究中初步的先期開采區(qū)域?qū)儆诰锔凰宰顝?qiáng)、燒變巖含水層滲透性最強(qiáng)的區(qū)域。

表1 燒變巖含水層抽水試驗(yàn)成果

圖5 燒變巖含水層富水性分區(qū)

圖6 燒變巖含水層滲透系數(shù)等高線

燒變巖水主要接受第四系松散層潛水補(bǔ)給,在露頭地帶接受降雨的入滲補(bǔ)給。依據(jù)燒變巖層段抽水鉆孔水位標(biāo)高,繪制出研究區(qū)燒變巖等水位線圖,如圖7所示。區(qū)內(nèi)燒變巖水由南東向北西方向徑流,在方家畔煤礦范圍內(nèi)的香水溝溝腦地帶以下降泉泉群的形式排泄,最終匯集到香水溝水庫。

圖7 燒變巖含水層等水位線

根據(jù)長期觀測資料,河流、泉流量在4月與12月初流量最小,8、9月最大,流量有季節(jié)性變化規(guī)律。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,4月為解凍期,7、8、9月份為全年降雨集中期,說明燒變巖水與大氣降水、地表水關(guān)系極為密切,具有明顯的同步變化特征。

由于燒變巖孔洞裂隙發(fā)育,為地下水的儲(chǔ)存及運(yùn)移提供了有利條件,同時(shí),其水化學(xué)類型較單一,礦化度較低,具有良好的供水意義和生態(tài)價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)河興梁井田燒變巖含水層分布于井田西部,不同區(qū)域火燒程度不同,裂隙發(fā)育不均勻,含水層富水性在垂向和橫向上均有較大變化,導(dǎo)致在不同區(qū)域富水性差異較大。

(2)燒變巖裂隙發(fā)育,部分地區(qū)燒變巖地下水富集,接受大氣降水和第四系潛水補(bǔ)給,以泉的形式排泄,形成燒變巖泉,燒變巖泉流量穩(wěn)定且大。

(3)根據(jù)抽水試驗(yàn)資料,燒變巖含水層富水性總體強(qiáng)-極強(qiáng),含水量巨大且水質(zhì)良好,即威脅礦井安全生產(chǎn)同時(shí)也能給礦區(qū)提供良好水源,建議礦井實(shí)施保水采煤,既能高效率采煤又能充分保護(hù)水源。