河興梁井田燒變巖含水層水文地質特征分析

邵新風,宋一民,馮學琳,張麗偉

(1.陜西煤田地質勘查研究院有限公司,陜西 西安 710021;2.榆林河興梁煤業有限責任公司,陜西 榆林 719300;3.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西 西安 710021)

0 引言

河興梁井田地處我國西北內陸,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,導致巖體結構變形,孔隙、裂隙和孔洞發育,為地下水的徑流、儲存提供了良好的空間。燒變巖含水層作為特殊的含水體,為當地提供了大量的優質地下水資源,同時,巨量的地下水體對礦井安全開采也構成了一定威脅。因此,查清燒變巖含水層水文地質特征對煤炭開采、水資源的開發利用與保護具有重要意義。

1 井田概況

河興梁井田位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區東南部,行政區劃隸屬神木市高家堡鎮和榆陽區大河塔鎮管轄,為陜西榆神能源開發建設集團有限公司所屬礦井,成立于2020年3月5日。井田面積105.02 km2,設計產能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:三疊系上統永坪組,侏羅系下統富縣組、中統延安組,新近系上新統保德組,第四系中更新統離石組、上更新統薩拉烏蘇組、全新統河流沖積層及風積沙。

2 井田水文地質條件

2.1 地表水

井田內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。區內小的溝流如沙岔溝、香水溝、紅崖溝、中沙溝和吳家溝,均為季節性水系。根據水質化驗資料,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,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,設計總庫容為71.4萬m3。主要補給水源為香水溝溝腦的燒變巖泉水。根據本次調查,香水溝溝腦有泉點7處,全流量共計203.78 L/s,為香水溝水庫的補給水源。吳家溝水庫位于扎林川支溝的吳家溝內,為土攔壩,平均水深約4 m,蓄水面積2 000 m2,主要補給水源為溝腦的沙層泉水及大片蘆葦濕地滲水,水源補給較小,壩口排泄流量為1.24 L/s。

2.2 地下水含(隔)水層

根據地下水埋藏條件及水力特征,將井田內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1.600 6～4.977 5 m/d,富水性弱-中等,水化學類型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,為井田內主要隔水層。

2.2.3 中生界碎屑巖類裂隙孔隙含水層

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

正常基巖裂隙承壓含水層:巖性主要為中、粗、細粒砂巖,單位涌水量遠小于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、砂質泥巖、粉砂巖與中、細粒砂巖均呈相互交替存在,泥巖、砂質泥巖、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。根據抽水試驗數據,燒變巖含水層單位涌水量為0.002 08～87.236 L/(s·m),滲透系數為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,并受基巖頂面形態影響,徑流主要受地形控制,本區南北部地形受紅柳溝、扎林川及中沙溝切割較為嚴重,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溝谷及坡角運移,徑流條件較好,流向由高至低宏觀上與現代地形一致,局部受地層結構的影響流向有所改變。潛水多以下降泉、側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造使其具有良好的儲水空間,但因火燒程度不同,裂隙發育不均勻,含水層富水性在垂向和橫向上均有較大變化,勘探施工的多個鉆孔在鉆進至燒變巖段時均出現泥漿大量漏失現象(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等鉆孔在鉆進至燒變巖地段時均出現泥漿大量漏失現象(漏失量均大于9 m3/h),因堵漏不成,鉆機不得不下套管止水進行施工,甚至X27鉆孔堵漏不住,采用清水鉆進施工,同時,鉆具陷落掉塊、卡鉆等現象頻發。

據水文測井,燒變巖潛水井液電阻率曲線ρ反應很明顯。根據電視窺視法勘探,燒變巖段下部裂隙非常發育,10 cm以上大裂隙達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造的空洞。燒變裂隙呈不規則的交錯網狀,上部窄小、下部寬大。燒變巖含水層導水性強,儲水空間開闊,徑流通暢,含水層底板埋藏在侵蝕基準面以下,形成大的儲水構造。

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特征

根據鉆孔抽水試驗資料,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個富水性區(弱、中等、強、極強),滲透系數為0.039 34～217.91 m/d,如圖5～6所示。總體上井田內的含水層較強,呈現出自南向北富水性逐步增強的基本特征,尤其是可行性研究中初步的先期開采區域屬于井田富水性最強、燒變巖含水層滲透性最強的區域。

表1 燒變巖含水層抽水試驗成果

圖5 燒變巖含水層富水性分區

圖6 燒變巖含水層滲透系數等高線

燒變巖水主要接受第四系松散層潛水補給,在露頭地帶接受降雨的入滲補給。依據燒變巖層段抽水鉆孔水位標高,繪制出研究區燒變巖等水位線圖,如圖7所示。區內燒變巖水由南東向北西方向徑流,在方家畔煤礦范圍內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,流量有季節性變化規律。根據當地氣象資料,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育,為地下水的儲存及運移提供了有利條件,同時,其水化學類型較單一,礦化度較低,具有良好的供水意義和生態價值。

4 結論

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

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

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