準東煤田五彩灣礦區(qū)一號礦井水文地質條件分析

陳 凱，王文科，2，李崇博，3，張紫昭，4，程文瑜，儲春妹

(1.新疆大學地質與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.新疆地質調查院，新疆 烏魯木齊 830011；4.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

準東煤田位于新疆昌吉回族自治州境內，煤炭預測地質儲量3 747.6億 t，目前已由重要的能源戰(zhàn)略儲備基地轉變?yōu)閲乙?guī)劃建設的第十四個能源基地之一，成為大規(guī)模實施煤炭資源轉化戰(zhàn)略的重要區(qū)域。

近年來，隨著準東煤田能源基地的開發(fā)，對準東煤田能源基地煤礦開采問題，許多學者進行了不同方面的研究[1-7]，并取得了豐碩的研究成果。但是對于礦產資源開發(fā)所引起的地下水環(huán)境問題的研究還較為薄弱。因此，本文在對研究區(qū)地質條件分析的基礎上，結合相關研究成果[8-13]，對五彩灣礦區(qū)一號礦井的水文地質條件進行分析，通過對研究區(qū)地下水樣品的采集與測試工作，分析區(qū)內地下水化學類型及其空間分布特征，評價其地下水質量現狀，為五彩灣礦區(qū)一號礦井地下水的環(huán)境影響評價提供科學依據。

1 研究區(qū)地質條件概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于準噶爾盆地東南部，總體地勢東南高西北低，海拔為474～506 m，最大高差為32 m。按照地貌成因和形態(tài)類型可將研究區(qū)劃分為剝蝕準平原和風積沙漠兩種地貌類型。其中主井工業(yè)場地和臨時排矸場一帶地形相對平坦，具有剝蝕準平原的地貌特征，而副井工業(yè)場地一帶多見小型沙丘分布，地形略有起伏，風積沙漠的特征相對明顯。

1.2 地層巖性

研究區(qū)內鉆孔揭露的地層主要為三疊系中-上統(tǒng)小泉溝群、侏羅系下統(tǒng)八道灣組、三工河組、中統(tǒng)西山窯組、中上統(tǒng)石樹溝群、白堊系下統(tǒng)吐谷魯群、新近系上統(tǒng)獨山子組以及第四系。

1.3 地質構造

研究區(qū)位于帳蓬溝背斜西翼，根據區(qū)域地質構造特征以及收集的二維地震成果、三維地震成果和鉆探成果可知，研究區(qū)內主要構造為火燒山背斜與西大溝向斜，其火燒山背斜和西大溝向斜在研究區(qū)北部走向為近南北向，臨近研究區(qū)轉為北東-南西向，并逐漸傾伏消失。此外，在研究區(qū)內未見斷層和巖漿巖分布。因此，研究區(qū)內構造類型簡單。

2 研究區(qū)水文地質條件分析

2.1 含水巖組分布特征及富水性

根據區(qū)域水文地質條件可知，該研究區(qū)也屬天山北麓小河流域地下水系統(tǒng)北緣，根據本次水文地質勘察結果以及《新疆準東煤田吉木薩爾縣五彩灣礦區(qū)帳南西井田勘探報告》，將該研究區(qū)劃分為五個含水巖組和一個相對隔水巖組。

2.1.1 第四系松散巖類孔隙潛水含水巖組

第四系含水巖組在研究區(qū)及周邊廣泛分布，地下水類型為松散巖類孔隙潛水，含水層巖性主要為細砂、砂礫石。該含水層厚度3.13～69.53 m，水位埋深0.82～8.03 m，滲透系數0.13～2.85 m/d，單位涌水量0.0260～0.1080 L/(s·m)，水量中等-貧乏。

通過對第四系孔隙潛水含水層富水性、含水層厚度及水位埋深的分析，確定第四系孔隙潛水含水層為具有供水意義的含水層。

2.1.2 新近系上新統(tǒng)獨山子組裂隙孔隙含水巖組

該含水層厚度為5.1～21.28 m，含水層巖性主要為砂巖、礫巖，水位埋深為1.97～2.74 m，滲透系數0.07～0.32 m/d，單位涌水量0.0087～0.1677 L/(s·m)，水量貧乏。因此，該層水基本無供水意義或潛在供水意義。

2.1.3 白堊系下統(tǒng)吐谷魯群裂隙孔隙含水巖組

該含水巖組均為承壓含水層，承壓水頭高于地面0.23 m，鉆孔揭露含水層厚度為19 m，滲透系數為0.02 m/d，單位涌水量為0.0029 L/(s·m)，水量貧乏。因此，該層水無供水意義或潛在供水意義。

由于白堊系含水巖組與下部的侏羅系石樹溝群含水巖組之間有連續(xù)、穩(wěn)定的泥巖分布，厚度較大，可作為較好的隔水層，因此白堊系含水巖組與下部的侏羅系石樹溝群含水巖組之間基本無水力聯系。

2.1.4 侏羅系中-上統(tǒng)石樹溝群裂隙孔隙含水巖組

該含水層厚度為33.88～57.43 m，水位埋深為0.45～1.91 m，滲透系數為0.003～0.009 m/d，單位涌水量為0.003 1～0.006 L/(s·m)，水量貧乏。因此，該層水無供水意義或潛在供水意義。

由于石樹溝群含水巖組與下部的西山窯組含水巖組之間有連續(xù)、穩(wěn)定的泥巖分布，厚度較大，可作為較好的隔水層，因此石樹溝群含水巖組與下部的西山窯組含水巖組之間基本無水力聯系。

2.1.5 侏羅系中統(tǒng)西山窯組裂隙孔隙含水巖組

該含水層厚度為33.88～57.43 m，水位埋深為0.45～1.91 m，滲透系數為0.003～0.009 m/d，單位涌水量為0.003 1～0.006 L/(s·m)，水量貧乏。因此，該層水無供水意義或潛在供水意義。

2.1.6 侏羅系下統(tǒng)三工河組相對隔水巖組

由于該組地層巖性以泥巖、泥質粉砂巖為主，厚度較大且分布連續(xù)，可看做是穩(wěn)定的隔水層，使得侏羅系西山窯組含水巖組與其下部的八道灣組含水巖組之間基本無水力聯系。

2.2 地下水補給、徑流、排泄特征

根據對區(qū)域水文地質條件分析可知，該研究區(qū)區(qū)屬天山北麓小河流域地下水系統(tǒng)北緣，地下水類型以第四系松散巖類孔隙潛水為主，地下水由東南向西北方向徑流，地下水位埋深均小于10 m，地下水位標高在470～500 m之間，水力坡度為0.002～0.003。研究區(qū)第四系松散巖類孔隙潛水含水巖組地下水等水位線如圖1所示。

圖1 第四系松散巖類孔隙潛水含水巖組地下水等水位線圖(豐水期)

研究區(qū)內地下水主要接受上游側向徑流補給，以向下游側向徑流、蒸發(fā)、蒸騰的方式排泄，此外，未來礦坑的疏干排水亦是地下水的排泄方式之一。

2.3 地下水化學類型

研究區(qū)內第四系松散巖類孔隙水水化學類型主要是以SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na和Cl-Na為主，其中Cl·SO4-Na型水主要分布在研究區(qū)南部、西部、中部以及東北角的大部分區(qū)域，SO4·Cl-Na型水主要分布在主井工業(yè)場地和臨時排矸場一帶，Cl-Na型水主要分布在準東公路沿線一帶。

研究區(qū)內地下水溶解性總固體可劃分為<1 g/L、1～3 g/L、3～10 g/L、>10 g/L四個級別，其中溶解性總固體小于1g/L的區(qū)域主要分布在區(qū)內東南部，該區(qū)域地下水富水性相對較好，含水層厚度大，地下水徑流速度較快，水質較好；順地下水徑流方向，溶解性總固體由東南向西北依次遞增為1～3 g/L、3～10 g/L，溶解性總固體大于10 g/L的區(qū)域主要分布在區(qū)內西北部，隨著含水層厚度逐漸減小，富水性也逐漸變差，地下水徑流不暢，水質也較差。

3 研究區(qū)地下水水質現狀監(jiān)測與評價

3.1 水質現狀監(jiān)測點分布

3.2 地下水水質現狀評價

在本文中主要采用標準指數法和內梅羅指數綜合評價法對研究區(qū)地下水水質現狀進行評價。

3.2.1 地下水水質標準指數法評價

3.2.1.1 評價標準

根據現狀監(jiān)測結果，對各評價因子最大檢測值、最小檢測值和超標率進行分析。對于評價標準為定值的水質因子，其標準指數計算，見式(1)。

(1)

式中：Pi為第i個水質因子的標準指數，無量綱；Ci為第i個水質因子的監(jiān)測濃度值，mg/L；Csi為第i個水質因子的標準濃度值，mg/L。

對于評價標準為區(qū)間值的水質因子(如pH值)，其標準指數計算見式(2)和式(3)。

時

(2)

(3)

式中：PpH為pH值的標準指數，無量綱；pH為pH值監(jiān)測值；pHsu為標準中pH值的上限值；pHsd為標準中pH值的下限值。

根據結果，當標準指數>1，表明該水質因子已超過了規(guī)定的水質標準，指數值越大，超標越嚴重。

3.2.1.2 評價結果

3.2.2 內梅羅指數法綜合評價

3.2.2.1 評價標準

評價方法采用地下水水質綜合評價法，依據《地下水質量標準》中的單項組分評價分值表(表1)，確定各單項組分的Fi值并劃分其類別。

表1 單項組分評價分值表

根據式(4)計算綜合評價分值F，最終按照地下水質量級別劃分為優(yōu)良、良好、較好、較差、極差等五個級別，再將細菌學指標評價類別注在級別定名之后，如“優(yōu)良(Ⅱ類)”、“較好(Ⅲ類)”等。

(4)

式中：F為單項組分評分值Fi的平均值；Fmax為各單項組分評分值Fi的最大值。

3.2.2.2 評價結果

采用內梅羅指數法對15組水樣進行綜合評價，結果顯示：研究區(qū)內水質良好的3組，水質較差的6組，水質極差的6組。其中KT1、ZKT9、ZG10三個鉆孔中的地下水水質評價結果為良好，主要分布在主、副井工業(yè)場地和臨時排矸場一帶。其余大部分區(qū)域地下水水質評價結果均為較差或極差，不宜飲用。

3.3 評價結果討論與分析

3.3.1 常規(guī)檢測指標超標原因

結合區(qū)域水文地質條件可知，研究區(qū)屬天山北麓小河流域地下水系統(tǒng)北緣的溢出排泄區(qū)，地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水，區(qū)內水位埋深較小，與區(qū)域南部的平原區(qū)相比，地下水徑流條件差而蒸發(fā)作用強烈，因此在這種環(huán)境下，地下水中各項離子濃度均超出《地下水質量標準》中的Ⅲ類標準。

3.3.2 亞硝酸鹽(氮)、氨氮和細菌指標超標原因

在對研究區(qū)及周邊污染源調查的基礎上發(fā)現，研究區(qū)及周邊雖然基本沒有人類活動區(qū)，但該區(qū)域存在放牧和野生動物活動，且研究區(qū)地下水位埋深較小，均為潛水含水層，上部沒有隔水頂板。動物糞便和腐爛的植物根系會產生亞硝酸鹽(氮)、氨氮及大量的細菌等，進而造成研究區(qū)地下水中的亞硝酸鹽(氮)、氨氮和細菌等檢測因子出現超標現象。

3.3.3 重金屬元素超標原因

根據對研究區(qū)豐水期水質檢測結果發(fā)現，研究區(qū)北部KT4鉆孔地下水中重金屬元素Mn、Cd存在超標現象，而研究區(qū)南部所有鉆孔中均未發(fā)現存在重金屬元素超標現象。根據收集的北部周邊礦區(qū)水質檢測結果可知，地下水中也均存在重金屬超標現象，這主要與該區(qū)域的地下水背景值有關。此外，結合區(qū)域水文地質條件可知，由于天山北麓小河流域地下水系統(tǒng)與卡拉麥里山地下水系統(tǒng)之間存在匯水邊界，屬不固定流量邊界，而KT4距離該邊界較近，有可能受到北部卡拉麥里山地下水水質的影響。

4 結 論

1) 研究區(qū)位于天山北麓小河流域地下水系統(tǒng)北緣，區(qū)內具有供水意義的含水層為第四系松散巖類孔隙含水層，該層水主要接受東南部側向徑流補給，地下水由東南向西北方向徑流，以向西北側向徑流及蒸發(fā)的方式排泄。

2) 研究區(qū)第四系松散巖類孔隙水水化學類型主要以SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na和Cl-Na為主，其中Cl·SO4-Na型水主要分布在研究區(qū)南部、西部、中部以及東北角的大部分區(qū)域，SO4·Cl-Na型水主要分布在主井工業(yè)場地和臨時排矸場一帶，Cl-Na型水主要分布在準東公路沿線一帶。

[1] 劉巍，王濤，汪君，等.準東煤田露天礦區(qū)降塵、土壤重金屬分布特征及生態(tài)風險評價[J].中國礦業(yè)，2017，26(1)：60-66.

[2] 孫欽平，孫斌，孫粉錦，等.準噶爾盆地東南部低煤階煤層氣富集條件及主控因素[J].高校地質學報，2012，18(3)：460-464.

[3] 李鑫，莊新國，周繼兵，等.準東煤田中部礦區(qū)西山窯組巨厚煤層煤相分析[J].地質科技情報，2010，29(5)：84-88.

[4] 曾強，李根生，金士魁，等.準東大井礦區(qū)主采煤層自燃氧化特性試驗研究[J].中國礦業(yè)，2017，26(1)：98-103.

[5] 楊建軍，張園園，周耀治，等.新疆準東露天煤礦生態(tài)安全評價研究[J].中國礦業(yè)，2015，24(10)：76-82.

[6] 彭文利，薛冽，胡斌，等.準噶爾盆地東部煤層氣地質特征及有利區(qū)優(yōu)選[J].非常規(guī)油氣，2015，2(5)：7-12.

[7] 夏楠，塔西甫拉提·特依拜，侯艷軍.新疆五彩灣露天礦區(qū)大氣降塵重金屬污染評價[J].中國礦業(yè)，2016，25(6)：61-65.

[8] 袁偉，胡亞召，王成鋒.新疆五彩灣某項目園區(qū)水文地質條件分析[J].地下水，2014(1)：167-169.

[9] 吳霞.新疆某火電廠工程建設對地下水環(huán)境影響研究[D].烏魯木齊：新疆農業(yè)大學，2015.

[10] 許雷濤，何劍波.新疆準東能源基地地下水賦存條件與影響因素分析[J].地下水，2016(3)：15-17.

[11] 尹淮新.新疆準東煤田應用煤炭地下氣化技術的探討[J].中國煤炭，2009，35(5)：79-81，85.

[12] 付江偉，傅雪海，胡曉，等.焦作礦區(qū)煤層氣開發(fā)的水文地質條件分析[J].中國煤炭，2011，37(1)：105-110.

[13] 陳凱，王文科，李升，等.準東煤田二號礦井包氣帶結構滲透性能研究[J].中國礦業(yè)，2017,26(7):164-167.