將軍戈壁一號露天煤礦燒變巖水文地質勘察

孫進步，朱 濤

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

將軍戈壁一號露天煤礦位于新疆奇臺縣城北東90 km 處，極值地理坐標：東經90°08′12″～90°16′30″，北緯44°33′45″～44°39′45″，中心坐標東經90°12′21″，北緯44°36′00″。礦田位于準東西黑山礦區東北部，卡拉麥里山南麓山前一帶，區域地勢呈向南緩傾的斜坡，地貌形態為殘丘狀剝蝕平原，屬于接近盆地中間沙漠地帶，徑流非常微弱，大氣降水是地下水的主要補給源。礦田的北部煤層淺部均已火燒，地表形成廣泛分布的燒變巖，燒變巖區具備良好的導水通道和儲水空間[1]。首采區緊鄰燒變巖區，當礦田開挖后，燒變巖中賦存的地下水順勢向低洼地匯聚，順勢對礦坑充水，對未來礦田開采構成威脅。

雖然在普查、詳查、勘探階段已對礦田含水層富水性、火燒區富水性進行了探查，但總體主要基于對礦田水文地質條件進行探查，未針對首采區進行精準探測。礦田北部富水范圍尚未探查清楚，并且開采區域燒變巖邊界控制不足，容易給制定防治水措施造成誤導。故對將軍戈壁一號露天煤礦北幫燒變巖區綜合水文地質進行研究，為采礦設計和防治水工作提供參考，避免將來開采過程中發生涌水事故。

1 物 探

1.1 探區概況

本次探測區域位于首采區北幫煤層火燒區內，地面電法勘探工作是在前期勘探工作基本圈定火燒區泛圍的基礎上，重點勘探燒變巖的含水性質。瞬變電磁法設計測網密度80 m×20 m，測線108 條，瞬變電磁法物理點5 285 個，面積4.34 km2；高密度電法測網密度80 m×10 m，52 條剖面，剖面長度45 100 m，高密度電法物理點4 510 個，面積4.34 km2。參照測區施工環境和地球物理條件，在采用磁法探查煤層燒變巖區邊界的基礎上，使用瞬變電磁法和高密度電法探查煤層燒變巖區富水情況[2]。

1.2 物探地球物理特征

一般情況下，煤系常見巖石表現不同的電阻率值，泥巖、粉砂巖、中粗砂巖的電阻率值依次增高。煤系在垂向上的電阻率的升高或降低，電阻率在順地層方向因巖性變化較小表現均勻。當煤系地層中因裂隙、破碎帶而充水時，由于水的良好導電性，使裂隙、破碎帶與周圍其他巖石產生明顯電阻率差異，這就是電磁法進行水文地質探測的前提[3]。

工作區淺地表均為干燥的砂、礫石、砂土層堆積物，厚約10～15 m，為相對中高阻，其下的含煤層為相對高阻，深部的粉、細砂巖為相對低阻。從垂向上看，將軍戈壁一號露天煤礦地層剖面從上至下電性整體呈現為中高阻－低阻－高阻－低阻。本次探測的主要目標層處于相對高阻的侏羅系地層中，當目標層因燒變巖積水而富水時，將使正常的高阻地層顯示相對低阻特征，從而使地下水位置和范圍顯現[4]。

1.3 瞬變電磁法資料的解釋推斷

本次工作面積較大，瞬變電磁勘探線剖面約110 條，剖面線較多，選取具有代表性的全區典型剖面進行解釋。選取剖面位于測區的西側，剖面長880 m，方位角為15°。瞬變電磁推測燒變巖界線及地下積水區域平面圖如圖1。

剖面電性特征共分4 層，電性特征由淺至深依次為相對高阻-低阻-高阻-低阻。結合實際地質特征及地層柱狀圖推測，淺部0～30 m 高阻特征是由干燥的砂土和細砂巖引起。深約20～50 m 低阻異常推測是由含水細砂巖引起。深約50～160 m 的高阻異常推測為燒變巖區，是由細砂巖、礫巖及含煤地層引起。160 m 至深部中阻異常是由正常地層粉砂巖引起。根據等值線特征，推測深部低阻等值線變化平緩區是由粉砂巖、泥質粉砂巖地層引起；深部等值線變化密集部位推測為局部賦水區域。

依據瞬變電磁成果，由北至南電性變化特征為相對中高阻-低阻-中阻-低阻-高阻，東西為相對中高阻特征，推測為正常地層或不含水火燒區。工作區北側及南側有明顯的低阻異常帶，根據煤層火燒后，局部區域富水后打破正常地層的電性特征，視電阻率為低阻特征,瞬變電磁推測燒變巖界線及地下積水區域平面圖如圖1，推測2 個富水區域，局部圈閉較好的低阻異常推測為富水性較高的區域位置[5]。

1.4 高密度電法資料的解釋推斷

工作區地層比較穩定，縱向層位變化不大，高密度測線分布廣，比較密集，異常解釋推斷挑取比較有代表的、與瞬變電磁剖面在同一位置的典型斷面進行解釋推斷。選取剖面剖面點距10 m，電極數為90個，剖面長900 m。168 線高密度測量地質推斷解釋如圖2。

該剖面整體位于工作區西側，從剖面整體形態來看地質界線較清楚，局部出現一些似球狀、橢圓狀高阻體，推測可能為礫石層或淺部不規則狀干燥泥巖所引起[6]。

在整個斷面10 m 往深部50 m 出現1 個低阻層狀異常，推測可能為松散砂礫巖含水層；在50 m 以下為高阻層狀異常，該異常根據其延伸狀態，推斷可能為燒變巖（含煤地層）區，需要鉆探驗證。

在斷面460～520 m 處，低阻異常往深部繼續延伸，推測由于受層間小破碎帶的影響，含水層中的水沿破碎面滲透，往深部擴散，引起低阻異常成帶狀往深部延伸。

根據45 m 等深度視電阻率變化趨勢，結合已有鉆孔資料，依照本次高密度電法測量成果，推斷的高密度電法推測燒變巖界線及地下積水區域平面圖如圖3。在本次高密度電法工作區45 m 等深度范圍內共劃分兩處低阻異常區，編號Ⅰ、Ⅱ。Ⅰ號低阻區，位于工作區西北部，往西北繼續延伸，深部低阻區主要為砂巖、粗砂巖，由于受地表補給水的影響，呈現低阻，推測為淺地表富水區域。Ⅱ號低阻區，位于整個工作區南部，往東西兩側延伸，深部低阻區主要為砂巖、粗砂巖、燒變巖組合，局部泥巖和泥質砂巖互層，由于受地表補給水的影響，呈現低阻，推測為淺地表富水區域。

圖3 高密度電法推測燒變巖界線及地下積水區域平面圖

1.5 燒變巖界線及地下積水區域綜合推斷成果

根據對以上2 種物探方法資料的解釋推斷，圈定了2 處積水區域，并劃分了燒變巖界線。通過對整個工作區物探成果和地質資料的綜合分析，系統的研究了工作區地層及電性分布特征得出：

1）近地表相對高阻層是由第四系砂土及礫石層引起，在整個物探區20～50 m 范圍內層狀低阻層為淺地表補給含水層，局部受層間破碎帶的影響，地表補給水下滲，低阻層有往深部連通的趨勢。中深部相對高阻異常推測是由燒變巖及含煤地層引起，深部低阻異常是由砂巖及富水燒變巖引起。

2）整個物探區內地質構造發育弱，整體地層呈低阻特征，電阻率值相對較低。通過瞬變電磁相對高低阻異常及電阻率等值線形態及特征推測火燒區邊界及富水燒變巖區。

2 水文地質鉆探

水文地質鉆探是直接探明地下水的一種最重要、最可靠的勘探手段，是進行各種水文地質試驗的必備工程，也是對水文地質測繪、物探成果所得地質結論的檢驗方法[7]。通過水文地質鉆探、抽水試驗、水質全分析等補勘方法，探明了含水層的埋藏深度、厚度、巖性和水頭壓力，查明了含水層之間的水力聯系，確定了含水層富水性和各種水文地質參數，為燒變巖的水害評估提供科學依據，鉆孔位置布置如圖4。

圖4 鉆孔位置布置示意圖

2.1 水文地質試驗

水文地質補充勘探地面鉆孔均進行單孔抽水試驗，根據單孔抽水試驗抽水量和水位降深等觀測資料計算水文地質參數，并依此對地下水含水層的水文地質條件進行評價。抽水試驗孔均穿過燒變巖含水層，且燒變巖含水層頂界有自由水界面，為潛水含水層，所以參考潛水完整井計算公式進行計算。輔助MODFLOW 軟件，得出單位涌水量5.9～17.36 L（/s·m），滲透系數14.6～93.1 m/d，影響半徑97.3～239.8 m。

2.2 水質全分析

在補勘過程中，采取水質全分析樣。通過研究地下水水化學成分及其特征，了解地下水所處的循環條件，并可判斷不同含水層水源，分析各含水層地下水的成因和運移規律，研究和解釋礦區地下水水文地質條件。總共采取水質全分析樣10 組，其中端幫基巖裂隙水水樣5 組，燒變巖水樣5 組。地下水中分布最廣、含量較多的離子分別為Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。這些離子的相對含量和絕對含量隨著水文地質條件或其它外界環境的變化而變化，從而使地下水形成各種不同的水質特征。通過分析地下水化學成分及其特征，確定本次水文試驗的端幫基巖裂隙水與火燒巖裂隙水為統一水體，2 種水體中元素含量相近。

2.3 燒變巖區涌水量預測

根據建立的水文地質概念模型及數學模型[8]，運用基于有限差分法的Visual Modflow 軟件建立項目區的數值模型，然后經過參數識別及校正，對項目區的地下水流模型進行評價分析，為礦坑涌水量的計算做基礎。根據研究區的基本情況，沿x、y 方向分別以25 m 間距等距剖分，在采場中部加密，整個評價區劃分為2 層，長3 500 m，寬1 000 m，通過設立一排疏干井模擬開挖后水位降深。

工作區有2 個含水層，即原巖含水層與火燒巖含水層。雖然原巖含水層與火燒巖含水層為2 個不同的含水層，根據以往勘探資料，二者具備一定的水力聯系，在結合實際情況和保證模型計算準確的前提下，將模型概化為1 個水平的含水層，燒變巖和原巖含水地層有不同的滲透系數，根據以往勘探資料，侏羅系中統西山窯組中段弱含水層組滲透系數約0.000 572～0.016 1 m/d，火燒巖的滲透系數約1.52～4.99 m/d。在現狀條件下，采掘場滲水量最終穩定在98.3 m3/d，由此可計算出每天從邊幫滲出的水量為98.3 m3/d。

3 結語

通過研究礦區以往地質與水文資料，以及火燒巖勘查資料，了解礦區的地層信息及空間分布特征。結合以往北幫火燒區勘查資料，通過對整個工作區物探測量成果的研究，對工作區地層及電性分布特征有了系統的認識，整個工作區內地質構造發育弱，地質結構比較穩定，工作區整體地層呈低阻特征，電阻率值相對較低，根據相對高低阻異常及電阻率等值線形態及特征推測火燒區邊界及富水燒變巖區。

通過物探、水文地質鉆探，并輔以抽水試驗、巖石物理力學性質測試、水質全分析等補勘方法，探明了詳細水文地質參數、采掘場日涌水量。從巖體情況分析出將一礦巖層隔水能力較好，突水風險低，但其后期受采礦影響較大，后期開采時提前開展探放水工作。