群孔抽水試驗在新疆哈密大南湖礦區燒變巖層中的應用研究

張兆民，魯孟勝,2，孫德全

(1.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 泰安 271000；2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

大南湖煤礦區位于新疆哈密市西南，屬哈密市南湖鄉管轄，距哈密市區約84km，北露天煤礦位于殘丘臺地區，特點是殘丘山體山低而散亂，山頂渾圓，相對高差不大，干谷寬闊，臺地臺面較平坦，地表被殘積、坡積的巖屑層所覆蓋，通稱戈壁(南湖戈壁)。工作區及其他周邊50km范圍內無地表水系，也無其他地表水體。地勢總體北部、西部高，中部及東南部低，區內海拔高度+421.30～+564.10m，地形高差最大142.8m，最高點位于井田東北部，坡度(15～30)×10-3，屬低山丘陵區。礦區總體為S傾的單斜構造，疊加有次一級寬緩褶曲，斷裂構造不甚發育，井田中部地層平緩，傾角一般在3°左右，西北、南部井田邊界處地層較陡，西北部一般在5°～10°之間，南部局部(N7-8～ZK7-5間)地層傾角達21°。井田南部發現斷層4條，落差均不大于30m。總體上，構造復雜程度中等偏簡單。中侏羅世西山窯組中段為該礦區主要含煤地層。

該次抽水試驗采用群孔抽水試驗的方法，試驗的目的是為了解燒變巖地下水、煤系地層地下水、Ⅱ火燒區之間的水力聯系、水質變化情況，充分暴露Ⅲ火燒區燒變巖的水文地質邊界條件，求取水文地質參數，為燒變巖地質條件下防治水提供依據。

1 大南湖礦區水文地質特征

1.1 含(隔)水層

礦區內地層由老至新出露有[1]早侏羅世三工河組、中侏羅世西山窯組、頭屯河組，古近系、新近系、第四系。區內含水層劃分為第四紀晚更新世風積透水不含水層、洪積透水不含水層，中侏羅世頭屯河組弱含水層組、西山窯組上段弱含水層組、西山窯組中段弱含水層組、西山窯組下段弱含水層組(未透)、燒變巖淺部透水不含水及深部含水層組。隔水層為西山窯組上段泥巖、粉砂巖占該組厚度36%～86%，平均65%；西山窯組中段泥巖、粉砂巖占該組厚度19%～61%，平均55%，與砂礫巖含水層相間分布，均能起到良好的隔水作用，阻隔了各含水層間的水力聯系。

1.2 地下水的補給徑流和排泄

井田內無地表徑流及其他地表水體，但井田南部低洼處，零星分布著小面積的淤積亞砂土，說明曾經有過因大氣降水形成地表水流的匯集，成為地下水的主要補給源。根據對區內水位資料分析，在剔除不能反映含水層真水位的穩定水位之后，地下水水位還是有明顯規律的，這充分反映了地下水的補徑排特點。

1.3 Ⅲ火燒區水文地質條件

Ⅲ火燒區位于井田東南部，火燒區面積4.55km2，其中進入到北露天開采范圍的面積為0.48km2。最大揭露火燒深度226.42m，燒變巖最大厚度188.22m，水位埋深5.50～47.40m。燒變巖從巖心上看，多易破碎，巖塊呈蜂窩狀。該區位于原二井田地形上的最低點，是地表徑流的匯水區，地面標高413～430m，受大氣降雨和匯水補給成為富水區，但動態變化不大。含水層單位涌水量0.449～7.536L/s.m，礦化度15.38～16.5g/L，水化學類型為Cl-Na，CI·SO4-Na型。硫酸根含量全區最高，礦化度最低，說明該區為地下水補給區[2]。

2 群孔抽水試驗的工程布置

群孔抽水試驗布置抽水主孔3個，孔號為Z1，Z2，Z3；觀測孔15個，除N10-11為煤系地層觀測孔、S11與ZK10-1為Ⅱ火燒區觀測孔外，其余的12個觀測孔均為Ⅲ火燒區觀測孔，孔號分別為S1，S2，S4，S5，S6，S7，S8，S9，N9-14，N10-13，N10-14，N14-10。并針對哈密地區的燒變巖群孔抽水試驗的成果進行分析。

觀測孔的布設原則[3-4]：一是兼顧區內Ⅲ火燒區燒變巖、煤系地層含水系統地下水的動態變化規律及Ⅲ，Ⅱ火燒區燒變巖地下水之間的相互聯系；二是該次勘探所施工及區內原有所有基巖觀測孔均作為重點觀測孔，同時對原二井田勘探施工的ZK10-1孔也作為Ⅱ火燒區燒變巖的水位監測孔，以便最大程度控制地下水水位影響范圍(圖1)。

3 群孔抽水試驗資料分析及成果

該次群孔抽水試驗工作自2010年10月18日10:00開始，2010年11月13日12:00抽水試驗結束，2010年11月21日結束恢復水位觀測，整個群孔抽水試驗工作全部結束。

圖1 群孔抽水試驗工程布置圖

3.1 抽水試驗水位與流量

3.1.1 主孔流量與降深

Z2孔的排水量最大，流量為152～142m3/h，其次為Z1孔，流量為120～110m3/h，Z3孔排水管路最長，流量損失最大，流量為120～110m3/h。整個抽水試驗期間，3個抽水孔的流量均呈逐漸減少的趨勢。

Z1孔降深最大達8.424m，Z3，Z2孔降深較小，分別為1.27m，1.13m。從圖2可以看出，Z2，Z3兩個孔的水位受流量變化影響非常小，而Z1孔水位變化幅度相對比較大，其水位變化主要受流量變化的控制(設備故障停機、設備維修短暫停機等)，即使是很短暫的停泵對水位的影響也非常明顯。

3.1.2 觀測孔水位

該次抽水試驗的15個觀測孔中，除ZK10-1和S11兩個孔在整個抽水試驗前后水位基本沒有變化外，其他13個觀測孔的水位均發生了比較明顯的變化，且位于燒變巖層的水位變化最為明顯，降深為0.300(N14-10)～0.652m(N10-13)。煤系地層(N10-11)的水位也有一定幅度的下降，最大降深為0.102m，表明燒變巖與煤系地層含水層之間具有一定的水力聯系，但水力聯系不密切，這與煤系地層的富水性極弱有關系(圖3)。

圖2 抽水主孔降深過程曲線圖

圖3 觀測孔抽水試驗水位歷時曲線圖

圖4 Ⅲ區燒變巖初始水位等值線圖

從圖3可以看出，燒變巖層各觀測孔水位下降幅度幾乎完全一致，每天以0.025m左右的降幅下降，表明燒變巖層為明顯的儲存量型含水層，其補給條件很差，水量主要來源于含水層水位下降和微量的彈性釋水。抽水試驗結束后，燒變巖各觀測孔水位均有所緩慢上升，停止水位觀測試驗時，水位上升幅度均不超過0.10m，說明燒變巖含水層缺少補給水源，地下水屬以儲存量為主型。

3.2 地下水流場的測定

3.2.1 地下水初始流場

群孔抽水試驗前，對燒變巖層所有觀測孔水位進行了統測，從統測結果分析，抽水試驗前，燒變巖層初始水位標高為406.641～406.999m，但地下水水力梯度很小(圖4)。西北部地下水水位較高，水位標高接近407m，這可能與燒變巖層埋藏深度大、地下水水壓高有一定的關系(圖5)。

第一次抽水試驗由于設備故障，歷時52h后停止抽水，經過近3d的水位觀測，與抽水試驗前水位相比，地下水水位普遍下降0.06～0.09m，但地下水流場形態未發生變化。

3.2.2 抽水狀態下的地下水流場

抽水試驗延續時間21d，抽水試驗延續時間長、抽水量大，主孔和觀測孔降深大，降落漏斗已完全擴展至邊界，含水層水文地質條件及邊界條件得到充分暴露。

圖5 燒變巖頂板標高與水位標高等值線圖

從觀測孔水位觀測資料分析，除東北部的N14-10孔降深稍小外，其他個觀測孔的水位降深均大于0.50m，降落漏斗呈橢圓型，其展布方向與含水層的展布方向一致。從最終降深等值線圖上可以看出，在由Z1，Z2，Z3三個抽水孔形成的中心降落漏斗范圍內，中心觀測孔降深只有0.592m，與漏斗中外圍的S4號孔及西南邊界處的S8號孔降深相同，表現出抽水孔附近觀測孔降深小，遠處觀測孔降深反而大的現象(圖6)。造成這種現象的原因可能與燒變巖裂隙平面發育的各向異性及垂向裂隙發育不同有關。

圖6 抽水試驗末期降深等值線圖

4 結語

群孔抽水試驗在新疆哈密大南湖礦區燒變巖層中的應用取得了良好的實踐效果。獲得了新疆大南湖礦區第三火燒區的水文地質特征，為計算地下水參數提供了基礎數據。

新疆大南湖礦區燒變巖含水層同時具有基巖裂隙含水層裂隙儲水空間和巖溶含水層溶洞、溶隙儲水空間2類含水層的儲水特點，具有儲存空間大、接受補給速度快的特點。但研究區燒變巖含水層缺乏穩定的補給來源，接受降水補給有限，地下水資源主要為含水層的靜儲存量。且燒變巖與煤系地層含水層之間具有一定的水力聯系，但水力聯系不密切，這與煤系地層的富水性極弱有關系。

大南湖礦區北露天Ⅲ火燒區燒變巖地下水以儲存量為主，煤系砂礫巖含水層對其有微量的補給。采用體積法計算Ⅲ火燒區燒變巖水文地質參數滲透系數平均約為240m/d，給水度0.087，地下水儲存量5.0×107m3。

參考文獻：

[1] 范立民.神府礦區活雞兔井田燒變巖地下水資源初步評價[J].陜西煤炭技術，1996,51(1)：14-16.

[2] 杜中寧，黨學亞，盧娜.陜北能源化工基地燒變巖的分布特征及水文地質意義[J].地質通報，2008，27(8)：1168-1172.

[3] 徐連利，牛志剛，高建中.大口徑群孔抽水試驗成果在評價趙固一井水文地質條件中的應用[J].中國煤田地質，2011，9(2)：18-19.

[4] 秦建甫，賈金良，張海豐.群孔干擾抽水試驗在哈頭才當水源地的應用[J].資源環境與工程，2012，10(5)：480-482.