露天采坑燒變巖與古沖溝區(qū)域水文地質(zhì)“雙探三預測”技術

牟 義，李 健，豐 莉，王 敏，劉 玉，杜明澤

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.山東科技大學資源學院，山東 泰安 271000；4.晉能控股煤業(yè)集團地質(zhì)測量部，山西 大同 037000；5.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊物探院，河北 三河 065201)

本文中水文地質(zhì)“雙探三預測”的“雙探”是指物探和鉆探兩種水文地質(zhì)勘探技術，而“三預測”是指單位涌水量、滲透系數(shù)、涌水量三種水文地質(zhì)參數(shù)的預測技術。傳統(tǒng)水文地質(zhì)手段采用數(shù)值法、解析法、水文地質(zhì)比擬法、類比法、大井法、數(shù)值模擬法等方法預測礦井水文地質(zhì)參數(shù)較為成熟，但與礦井實際水文地質(zhì)參數(shù)存在一定偏差問題[1-2]。采用鉆探抽水試驗等水文地質(zhì)基礎工作測得礦井水文地質(zhì)參數(shù)較為精確，但工期長、成本較高，不適合大范圍水文地質(zhì)調(diào)查[3]；物探探測理論研究及應用較為成熟，可以進行大范圍勘探調(diào)查，成本較低，能夠較為準確地測量物性參數(shù)，有效識別電性響應特征，探測含水體大體分布范圍、強度，區(qū)分含水層空間結(jié)構，但在應用過程中，很難達到精確測定水文地質(zhì)條件[4-5]。因此，本文提出“雙探三預測”技術，綜合“雙探”技術具有物探技術探測區(qū)域范圍廣、鉆探技術預測精度高的優(yōu)點，采用物探來圈定富水區(qū)，在物探結(jié)果基礎上布置鉆孔，進行抽水試驗，以較為精準地進行“三預測”，實現(xiàn)物探與防治水工作的更有效結(jié)合。

榆林市某露天煤礦穿孔隊伍在該礦首采區(qū)東端幫1 125 m平臺巖石平盤進行穿孔時，鉆孔涌水明顯，多個鉆孔均有不同程度水量涌出，由于該區(qū)域緊鄰火燒區(qū)邊界和古沖溝區(qū)域，經(jīng)過近2個月時間的疏放，水量未見衰減趨勢，維持在250 m3/h左右。此外，火燒區(qū)水資源儲量巨大，古沖溝區(qū)域下方滲入大量水體，相當于一個巨大的“水盆”，一旦發(fā)生突水現(xiàn)象，勢必會給采坑造成較大的安全隱患。為了實現(xiàn)榆林市某露天礦的安全開采，有必要采取“雙探三預測”技術進行水文地質(zhì)勘探工作，采用電磁法物探、鉆探及抽水試驗技術查明涌水區(qū)域下部的富水區(qū)及通道范圍，勘查富水區(qū)水文地質(zhì)特性，并預測單位涌水量、滲透系數(shù)、涌水量等水文地質(zhì)參數(shù)，為下一步治理方案編制提供依據(jù)。本次電磁法物探采用礦坑內(nèi)用高密度電法、礦坑外采用瞬變電法進行分區(qū)物探，礦坑內(nèi)臺階比較平、電力干擾大、距離富水區(qū)高差小，適合高密度電法探測；礦坑外地形起伏大、電力干擾小、距離富水區(qū)高差大，適合瞬變電磁法探測，圈出精準的推斷富水區(qū)，進行富水區(qū)定性分析。在物探推斷富水區(qū)基礎上，有針對性地進行水文地質(zhì)鉆探和抽水試驗，對物探推斷富水體進行滲透系數(shù)、單位涌水量及區(qū)域涌水量預測，結(jié)合水文地質(zhì)鉆探，實現(xiàn)推斷富水區(qū)從微觀到宏觀的定量預測。

1 試驗區(qū)概況及“雙探”設計

1.1 試驗區(qū)概況

榆林市某露天煤礦處于陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)的中部，礦田范圍內(nèi)含可采煤層7～8層，主要可采煤層4層，總厚最大達24.72 m，單層最大厚度12.00 m。其中，2-2煤層是該露天煤礦唯一批復露天開采的可采煤層，為近水平煤層，煤層傾角近1°，煤層主要賦存于延安組第四段頂部，埋深34.14～175.00 m，底板標高1 041.20～1 100.97 m，煤厚9.07～12.16 m，平均厚度11.13 m。首采區(qū)采掘場2-2煤層自燃邊界呈不規(guī)則形狀，以南北向延伸分布于勘探區(qū)東部，也是露天礦的東部邊界。巖體為碎裂結(jié)構，燒變變質(zhì)程度由自燃煤層向上遞減。由于巖層破碎，透水性好，又地處沙漠灘地邊緣，其補給來源充分，富水性強。據(jù)前期勘探資料，含水層厚度32.44～50.31 m，單位涌水量9.217 0～16.337 6 L/s·m，滲透系數(shù)28.27～28.29 m/d。

在該礦首采區(qū)東端幫1 124 m平臺巖石平盤穿孔時，鉆孔涌水明顯，多個鉆孔均有不同程度水量涌出(現(xiàn)場沖洗鉆孔時，周邊鉆孔有巖粒噴出)，涌水呈噴泉狀，微承壓。經(jīng)現(xiàn)場勘察，1 125 m巖石平盤東北側(cè)東端幫古沖溝區(qū)域也有少量涌水，上述兩處水源最終匯合從東南角低洼處流出，水量約為250 m3/h。平臺涌水點位置如圖1所示，圖中圓圈部分即為穿爆孔涌水點，填充區(qū)域為風化裂隙層滲水相對集中滲水區(qū)段。

圖1 東端幫涌水區(qū)域位置示意圖Fig.1 Location diagram of the water gushing areain east end

1.2 分區(qū)物探設計

露天礦礦坑剝離平臺距離涌水點深度較淺，甚至出水點噴射出地表，而平臺大型車輛、剝挖設備、高壓電纜較多，電磁干擾較多。瞬變電磁法淺部20 m之內(nèi)存在探測深度盲區(qū)，且抗干擾能力較弱，而高密度電阻率法探測深度盲區(qū)較小，不超過5 m，且接觸式探測相較于瞬變電磁感應式探測抗干擾能力更好，因此，本次探測采用高密度電法探測首采區(qū)東端幫礦坑平臺區(qū)域、瞬變電磁法探測首采區(qū)東端幫周邊未剝離區(qū)域的分區(qū)物探方法[6-7]。瞬變電磁法施工地點位于首采區(qū)東端幫北側(cè)和東側(cè)未剝離區(qū)域，劃為分開的兩塊區(qū)域： 北區(qū)和東區(qū)， 測網(wǎng)密度為20 m×20 m，即：線距20 m，點距20 m，采用中心回線裝置(每個框測中心一個測點)；高密度電法施工地點位于首采區(qū)東端幫礦坑平臺，劃為連續(xù)的1塊區(qū)域，點距為10 m，采用溫納裝置。分區(qū)物探測點測線布置如圖2所示。

圖2 分區(qū)物探測網(wǎng)布置圖Fig.2 Layout of zoned detection network

1.3 水文地質(zhì)鉆探設計

結(jié)合相關勘探規(guī)范及地面物探成果，本次勘查設計了6個鉆孔，其中，2個為地質(zhì)勘查鉆孔(DK-1號鉆孔、BK-1號鉆孔)，4個為水文地質(zhì)鉆孔(BK-2號鉆孔、BK-3號鉆孔、BK-4號鉆孔以及BK-5號鉆孔)，鉆孔位置根據(jù)物探成果確定。

2 “雙探”技術

2.1 分區(qū)物探

2.1.1 高密度電法

高密度電法解釋主要依據(jù)視電阻率斷面圖，斷面圖可以分析整條測線下方不同地層的視電阻率的相對大小，圈定同層地質(zhì)異常體的范圍，分析異常強度[8-9]。

根據(jù)礦方提供的資料確定煤層頂板高程約為1 106 m，傾角均近似水平，主要探測煤層頂板各巖層的電性反映。 以測線為單位繪制了所有測線的電阻率斷面圖，采用黑色填充電阻率相對低的區(qū)域，白色填充電阻率相對高的區(qū)域，灰色為中間過渡色；目標煤層頂板各巖層，發(fā)現(xiàn)的異常以白色虛線標出，圖3為對應典型G2線的電阻率斷面圖。 由圖3可知，縱向由淺至深電阻率總體上呈“低阻-高阻”的變化趨勢，電阻率變化較為均勻，無明顯的突變，與實際地質(zhì)層位的電性變化特征吻合，橫向上差別較大，0～120 m附近總體表現(xiàn)為正常阻值，而120～350 m附近，視電阻率值逐步降低，該處在剝離過程中古沖溝較發(fā)育，現(xiàn)場揭露有出水點，富水性較強，吻合性較好。因此，斷面圖中的低阻異常推斷為古沖溝下方燒變巖富水體，燒變變質(zhì)程度較高，巖層破碎，透水性好。

2.1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法解釋圖件與高密度電法類似，主要依靠剖面圖和切片圖[10]。反演電阻率斷面圖以典型的N5線為例解釋，如圖4所示，采用黑色填充反演電阻率相對低的區(qū)域，白色填充反演電阻率相對高的區(qū)域，灰色為中間過渡色；低阻異常區(qū)用白色虛線標出。由圖4可知，縱向上斷面圖高程由上至下對應層位的反演電阻率總體上呈“低阻-高阻-低阻”的變化趨勢，與實際地質(zhì)層位的電性變化特征吻合；淺部低阻層變化平緩無明顯突變，推斷為第四系一般含水層；中部電阻率逐漸增加，中部的白色及淺灰色填充區(qū)域為相對高阻區(qū)，推斷為含水較少煤巖層；深部電阻率較中部逐漸降低，呈穩(wěn)定、變化平緩的低阻層，推斷為煤層下方存在灰?guī)r含水體。在測線局部存在著上下均勻聯(lián)通分布的低阻異常，特別是300～400 m處和650～800 m處兩處區(qū)段沒有呈現(xiàn)“低阻-高阻-低阻”變化趨勢，而是上下聯(lián)通低阻異常區(qū)，斷面圖中發(fā)現(xiàn)的低阻異常推斷為燒變巖富水體，由于燒變程度較高，巖層成碎裂結(jié)構，上下巖層發(fā)生水力聯(lián)系，有水力補給。

圖3 G2線電阻率斷面圖Fig.3 Sectional view of resistivity of G2 line

圖4 N5線反演電阻率斷面圖Fig.4 Cross-sectional view of inversion resistivity of N5 line

2.1.3 綜合分析

平面解釋主要依據(jù)抽取的順層平面圖，順層平面圖的抽取主要利用估算的基巖、煤層底板高程數(shù)據(jù)，抽取相應層位的反演電阻率數(shù)據(jù)，繪制成圖，并進行綜合分析解釋，本次試驗將瞬變電磁和高密度電法探測成果合并到一起進行切片，然后進行分析解釋[11]。若地層分布穩(wěn)定，無采空區(qū)或采空回填積水區(qū)、局部含/富水區(qū)及含/導水構造時，則提取的相應層位平面反演電阻率分布應是較為穩(wěn)定、近似均勻的，表現(xiàn)為等值線稀疏、平緩和漸變；反之，則地層電性分布的均衡性被打破，平面圖上反演電阻率表現(xiàn)為相對較為突然的高阻或低阻變化特征，等值線呈圈閉或密集條帶等變形，與斷面圖中相對應，將其解釋為高阻或低阻異常區(qū)[12]。在平面圖中，為使異常區(qū)顯示直觀，仍沿用斷面圖中約定的顏色加以填充。由于1 125 m層位附近平臺巖石平盤穿孔及古沖溝區(qū)域均有涌水現(xiàn)象，因此，以1 125 m層位切片成果為例分析異常區(qū)，如圖5所示，圈定的異常位置及推斷情況見表1。

圖5 1 125 m層位疊加圖Fig.5 Overlay map of 1 125 m layer

表1 1 125 m層位瞬變電磁法北區(qū)異常區(qū)及推斷統(tǒng)計表Table 1 Anomaly area and inferred statistics in northern area of transient electromagnetic method at 1 125 m layer

2.1.4 鉆探驗證情況

結(jié)合分區(qū)物探低阻異常區(qū)位置，布置了6個鉆孔，如圖6所示。DK-1號鉆孔布置在+1 124 m平臺古沖溝邊緣區(qū)域，其目的是驗證沖刷帶邊緣區(qū)域下部火燒區(qū)賦存情況并對物探成果進行反驗證；BK-1號鉆孔布置在+1 124 m平臺古沖溝范圍內(nèi)的高密度測區(qū)，其目的是驗證高密度低阻異常成果；BK-2號鉆孔布置在東端幫基坑邊緣的瞬變電磁北測區(qū)，驗證瞬變電磁低阻異常成果，并獲取水位、單孔涌水量；BK-3號鉆孔布置在剝離干道與主運輸干道之間的瞬變電磁北測區(qū)，其目的是驗證瞬變電磁低阻異常成果，并獲取水位、單孔涌水量；BK-4號鉆孔布置在剝離干道外部的瞬變電磁東測區(qū)，其目的是驗證瞬變電磁低阻異常成果，并獲取水位、單孔涌水量；BK-5號鉆孔布置在觀景臺東南角的瞬變電磁北測區(qū)，驗證瞬變電磁低阻異常成果，并獲取水位、單孔涌水量。

圖6 鉆孔布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of drilling arrangement

經(jīng)過打鉆驗證后，DK-1號鉆孔揭露高密度電法測區(qū)低阻異常1為古沖溝區(qū)域燒邊巖含水層水；BK-1號鉆孔揭露高密度電法測區(qū)低阻異常1為古沖溝區(qū)域潛水含水層水和燒邊巖含水層水；BK-2號鉆孔揭露了高密度電法測區(qū)低阻異常1為古沖溝區(qū)域潛水含水層水和燒邊巖含水層水；BK-3號鉆孔揭露瞬變電磁法北區(qū)低阻異常1為古沖溝區(qū)域燒邊巖含水層水；BK-4號鉆孔揭露瞬變電磁法東區(qū)低阻異常1為潛水含水層水；BK-5號鉆孔揭露燒變巖含水層水。BK-2號鉆孔與BK-1號鉆孔的平面直線距離約93 m，從在BK-1鉆孔中加入示蹤劑，6個小時內(nèi)觀測到示蹤劑從BK-2號鉆孔內(nèi)通過燒變巖裂隙滲流涌出，燒變巖含水層裂隙較為發(fā)育，連通性較好。

2.2 水文地質(zhì)鉆探

根據(jù)勘查目的，本次針對BK-2號鉆孔～BK-5號鉆孔進行完整井穩(wěn)定流抽水試驗。抽水試驗成果見表2。

表2 抽水試驗觀測成果表Table 2 Observation results of pumping test

3 “三預測”技術

3.1 滲透系數(shù)預測

根據(jù)抽水試驗成果，采用Dupuit潛水完整井穩(wěn)定流公式求解BK-4號鉆孔潛水含水層的滲透系數(shù)K以及影響半徑R，具體見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：K為含水層滲透系數(shù)，m/d；Q為抽水井流量，m3/d；Sw為抽水井中水位降深，m；R為影響半徑，m；H為潛水含水層厚度，m；h為潛水含水層抽水后的厚度，m；rw為抽水井半徑，m。根據(jù)抽水試驗成果，采用Dupuit承壓完整井穩(wěn)定流公式求解BK-2號鉆孔、BK-5號鉆孔的混合段滲透系數(shù)K、影響半徑R，以及BK-3號鉆孔的燒變巖含水層滲透系數(shù)K以及影響半徑R，見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：M為承壓含水層厚度，m；其余同上。根據(jù)式(1)～式(4)，結(jié)合表2分別計算BK-2號鉆孔～BK-5號鉆孔的滲透系數(shù)及影響半徑，計算結(jié)果見表3。

表3 滲透系數(shù)計算成果表Table 3 Calculation results of permeability coefficient

3.2 單位涌水量預測

根據(jù)《煤礦防治水細則》附錄1中評價含水層的富水性換算方法及公式進行預測，計算見式(5)。

(5)

式中：Q91為孔徑為91 mm鉆孔的涌水量，L/s·m；R91為孔徑為91 mm鉆孔的影響半徑，m；r91為孔徑為91 mm鉆孔的鉆孔半徑，m；Q為擬換算鉆孔的涌水量，L/s·m；R為擬換算鉆孔的影響半徑，m；r為擬換算鉆孔的鉆孔半徑，m。根據(jù)式(5)計算口徑91 mm、抽水水位降深10 m時的鉆孔單位涌水量q，結(jié)果見表4。

表4 單位涌水量計算成果表Table 4 Calculation results of unit water inflow

3.3 涌水量預測

由于榆林市某露天煤礦東端幫涌水區(qū)域直接出水水源為煤系地層燒變巖水，從鉆孔揭露情況可以看出，燒變巖發(fā)育程度自BK-1號鉆孔的0.2 m向基坑外側(cè)深度逐漸增大，在預留防水煤(巖)柱，不開采東端幫區(qū)域煤炭資源的情況下，煤系地層燒變巖水一般不會對采坑排水構成影響[13-14]。本次考慮在剝離東端幫區(qū)域煤炭資源的情況下，采用大井法以及集水廊道法對東端幫206 m物探富水區(qū)域涌水量進行預計[15-16]。

3.3.1 大井法預測

采用大井法對東端幫206 m物探富水區(qū)域的岸坡涌水量進行預測，其計算公式見式(6)和式(7)。

(6)

(7)

以混合段水位降到2-2煤層為基準，即h為0 m，則改寫為式(8)。

(8)

式中：Q為抽水井流量，m3/d；K為含水層滲透系數(shù)，取3.364 m/d；Sw為抽水井中水位降深，取最大降深42.75 m；R為影響半徑，根據(jù)式(2)計算取1 025.33 m；H為含水層厚度，取42.75 m；h為含水層抽水后的厚度，取0 m；rw為等效大井半徑，即將206 m岸坡等效為大井，其半徑為51.5 m。經(jīng)過上述計算，206 m岸坡預測每天的涌水量為6 453.78 m3。

3.3.2 集水廊道法

采用集水廊道法對東端幫206 m物探富水區(qū)域的岸坡涌水量進行預測，其單側(cè)涌水量計算見式(9)。

(9)

式中：Q為集水廊道流量，m3/d；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；R為影響半徑，m；H為含水層水位高度，m；h為含水層抽水后的厚度，m；l為集水廊道長度(即東端幫物探富水區(qū)域長度)，m。經(jīng)過上述計算，206 m岸坡預測每天的涌水量為6 175.94 m3。

綜合大井法以及集水廊道法預測結(jié)果，基于安全角度考慮，選取涌水量計算結(jié)果最大值6 453.78 m3/d作為預測結(jié)果。

4 出水水源與成因分析

綜合榆林市某露天煤礦東端幫出水區(qū)域的“雙探三預測”成果，分析出水水源與成因如下所述。

1) 瞬變電磁法北區(qū)燒變巖富水區(qū)主要集中在測區(qū)東部和西部，其中，東部燒變巖富水區(qū)異常范圍較大，異常強度也較大，與高密度電法東北部異常區(qū)連為一體，且存在導水通道，形成補給來源；測區(qū)西部存在一定的含水異常區(qū)；瞬變電磁法東區(qū)燒變巖富水區(qū)主要集中在東北部和中部，其中，東北部富水范圍較大，異常強度也較大。

2) 瞬變電磁法北區(qū)660～780 m處燒變巖富水區(qū)聯(lián)通區(qū)域主要集中在北部區(qū)域，幾乎所有剖面都有反映，特別是700～720 m處和760 m之后區(qū)域剖面導水通道聯(lián)通較為明顯，這兩塊區(qū)域上部含水層和下部含水層連為一體，已導通，富水強度強，推斷存在較強的導水通道。

3) BK-1號鉆孔在0.00～19.00 m區(qū)段鉆進時，無漏水現(xiàn)象，在鉆進至19.80 m處時鉆孔涌水，直接溢出孔口，煤層頂部存在燒變現(xiàn)象，其余BK-2號鉆孔～BK-5號鉆孔在鉆進至該標高區(qū)段時，皆存在漏漿現(xiàn)象；且榆林市某露天煤礦自5月底在1 124 m巖石平盤穿孔出現(xiàn)涌水至現(xiàn)場施工結(jié)束，近兩個月的時間內(nèi)，涌水區(qū)域水量未見減小，說明出水層位水量較大，補給較為豐富。

4) BK-2號鉆孔混合段綜合水位標高1 135.600 m，BK-3號鉆孔燒變巖含水層水位標高1 138.151 m，BK-4號鉆孔潛水位標高1 137.04 m，可以看出3個鉆孔水位標高相差不大；且通過抽水試驗以及簡易連通試驗可知：BK-2號鉆孔混合段單位涌水量為2.548 L/s·m，BK-3號鉆孔燒變巖含水層單位涌水量為3.364 L/s·m，兩個含水巖段富水性均強，裂隙較為發(fā)育，連通性較好，可能在東端幫基坑外部區(qū)域存在連通，上部潛水含水層對下部煤系地層燒變巖含水層存在一定程度的垂向補給。

5 結(jié)論與建議

1) 榆林市某露天礦首采區(qū)東端幫的高密度電法探測區(qū)域中可以發(fā)現(xiàn)，在測區(qū)沖溝及東北部燒變巖區(qū)域低阻異常范圍最大，異常強度呈現(xiàn)極強或強趨勢，含水明顯，該處燒變巖區(qū)域面積較大且古沖溝發(fā)育，可形成大面積靜水儲量，成為穿孔水和古沖溝涌水的來源；瞬變電磁法在該區(qū)域探測結(jié)果中低阻異常區(qū)與高密度電法低阻異常區(qū)連為一體，推斷存在導水通道，將上部含水層和下部含水層連為一體，補給來源豐富，富水強度極強。

2) 對于燒變巖和古沖溝發(fā)育區(qū)域，BK-3號鉆孔、BK-2號鉆孔分別進行了燒變巖含水層、潛水含水層與燒變巖含水層混合段抽水試驗。燒變巖含水層呈現(xiàn)“極高滲透系數(shù)高涌水量”特征，為強富水性等級；混合段呈現(xiàn)“中滲透系數(shù)高涌水量”，也為強富水性等級。

3) 對于其他不存在古沖溝的燒變巖區(qū)域，BK-5號鉆孔、BK-4號鉆孔分別進行了潛水含水層與燒變巖含水層混合段、潛水含水層抽水試驗。混合段呈現(xiàn)低滲透系數(shù)中涌水量特征，為中等富水性等級；潛水含水層呈現(xiàn)高滲透系數(shù)低涌水量特征，為低富水性等級。

4) 榆林市某露天煤礦東端幫燒變巖區(qū)域和古沖溝發(fā)育區(qū)域，形成了相對集中的上下含水層貫通導水通道，使上部潛水含水層與下部煤系地層燒變巖含水層相互連通，上部潛水含水層通過相對集中的導水通道對煤系地層燒變巖含水層形成了較為穩(wěn)定的動態(tài)補給。采用大井法以及集水廊道法對東端幫燒變巖區(qū)域和古沖溝發(fā)育區(qū)域206 m物探強富水區(qū)域涌水量進行預計，涌水量為6 453.78 m3。