紅柳林井田風化基巖及其富水性研究

苗彥平,楊 磊,黨 冰,楊皓潔,鄭麗娟

(1.陜煤集團紅柳林礦業有限公司,陜西 榆林 719000;2.陜西浩興坤達新能源科技有限公司,陜西 西安 710000)

0 引言

風化作用是指地表或者接近地表的堅硬巖石、礦物與大氣、水及生物接觸過程中產生的物理、化學變化。受風化作用形成的產物為風化基巖,其特征屬性與原巖相比在結構構造、力學強度、孔隙度和含水量方面均發生顯著變化。關于風化基巖的富水性問題,部分研究人員認為風化基巖具有一定的隔水作用,另一部分研究人員認為風化基巖由于其特有的物性富水性較強,是突涌水的主要含水層[1-4]。近年來,陜北地區新建礦井大規模綜采工作面的突涌水水害,使得研究人員認識到侏羅系風化基巖水是礦井突涌水的重要來源之一。

紅柳林井田煤層上覆基巖較薄,距離風化基巖含水層較近。作為煤層開采的直接充水含水層,其發育厚度不均勻,且富水性強、地下水靜儲量大、補給條件良好,為紅柳林井田水害主要防治對象。隨著礦井生產規模的不斷加大和井巷工程的不斷延伸,煤礦水文地質條件日趨復雜,以往的地質與勘探研究覆蓋范圍廣,對于部分區域的認識并不能指導礦井開采和準確劃分巷道掘進威脅區域、工作面回采受水威脅區域等[5-8],不能很好地滿足紅柳林煤礦礦井生產的需要,水文地質以及應力分布也亟待解決。

NEMV技術是通過觀測和分析由巖石、礦石(或者其他探測對象)顯示的天然電磁脈沖信號差異所體現的應力變化點,結合專有軟件對形成的層析成像剖面進行研判,進而研究地質構造的一種新型地球物理勘探方法。

1 技術原理

19世紀初,科學家通過Dulong-Petit定律認識到:原子的熱運動在宏觀上的直接表現為熱比容。到20世紀初Einstein利用Plank量子假說解釋固體熱容為什么會隨溫度降低而下降的現象。1912年波恩與馮卡門首次使用周期性邊界條件來研究晶體點陣振動。后來黃昆先生繼承并發展了波恩理論,他認為固體內部的晶格在應力狀態下會在固體溫度控制的能量范圍內發生微振動,導致晶格變形,隨著應力的增大,產生壓電效應。在地球運動與萬有引力的影響下,地球內部具有類壓電體性質的巖石應力狀態發生變化,巖石受到擠壓產生形變甚至破碎,儲存在巖石中的能量突然釋放,這一過程伴隨著巖石固體晶格的斷裂。斷裂會使晶格中的縱振動聲波引起橫向電極化,這一極化會與某一特定波段的電磁波強烈耦合,從而出現極化激元,產生電磁聲子,形成電磁脈沖波[9]。

NEMV技術通過接收地下不同深度的自然電磁脈沖信息,對頻譜內不同波長有效散射面積進行還原,提取地質極化異常。原巖與風化基巖由于物性不一致,內部應力狀態不一致,勘測出的數值也是不一樣的,進而可以精確劃分風化、原巖邊界以及含水區域。

2 風化基巖發育特征及其富水性

2.1 應力異常區

通過對紅柳林區域地質資料綜合分析研究,地層在原始沉積狀態且未受外界風化、蝕變作用等眾多因素影響的情況下會始終保持一個相對穩定的應力關系,趨于相對穩定的衡值。而當這些“平衡”因子被改變時,地層的內部結構、構造也會隨之變化,進而呈現或高或低的應力差異反應。

就研究區范圍及深度而言,侏羅系基巖風化層一般較薄、顆粒較粗、疏松易碎、裂隙發育,隨著風化程度自上而下逐漸變輕,風化物質逐漸變粗,在應力反應中,表現為相對異常低值。新鮮基巖未經風化,其結構較為緊密,結構成熟度和成分成熟度均非常低,裂隙帶發育也較少;在應力反應中,表現為相對異常高值。因此,低應力異常區可以直接反應風化基巖在區內的展布特征,同時亦為4-2煤層以上風化基巖賦水情況研究提供了思路。

紅柳林研究區共完成地質剖面測量147條,經綜合數據處理后建立空間應力系數分布3D圖。可以看出,紅柳林研究區低應力異常呈NNE向展布,空洞應力系數分布俯視圖如圖1所示,可以圈定4個異常區域,分別編號:L1、L2、L3、L4號異常。異常系數范圍在-0.18至-0.28,空間內縱向延展最低海拔高度為1 145～1 200 m。其中L3號異常最大延展面積約47.20萬m2,為研究區內最大的低應力異常區,見表1。

表1 低應力異常區信息統計Table 1 Information statistics of low stress anomaly area

圖1 空間應力系數分布俯視Fig.1 Top view of spatial stress coefficient distribution

為了深層次剖析異常原因,故在空間應力系數分布3D圖的基礎上沿著垂直Y軸方向(X-Z方向)經過Low-pass Filters后進行剖面切割89條,其中對應L1、L2、L3、L4號異常分別取切片63、切片46、切片31、切片9,如圖2、圖3所示。

圖2 低應力異常三維模型切片剖面Fig.2 Slice profile of low-stress anomaly 3D model

圖3 HB1-15鉆孔資料Fig.3 Drilling data of HB1-15

綜上所述,L1、L2、L3、L4號異常均為原生基巖受風化后孔隙度增加、裂隙發育形成的低應力異常表現,同時亦可推斷,該風化基巖層很可能已經形成天然透水層,進一步加劇了低應力異常表現。尤其需要注意的是,X-Z切片9對應的L4號異常,低應力異常標高為1 150 m,已經垂向接近4-2煤層頂板,推斷該位置以南區域風化基巖可能會觸及4-2煤層底板,甚至更深,如圖2所示。

對比空間應力系數分布3D俯視圖(圖1)可知,L1、L3、L4號異常均受4-2煤火燒邊界NNE向貫穿。分析可知,煤層因自燃而形成層間空腔,致使上覆巖層出現垮落或錯亂,會直接形成低應力異常表現。故此,X-Z切片63、X-Z切片31、X-Z切片9對應的L1、L3、L4號異常均表現出異常面積廣、深度大的特征(圖4)。而X-Z切片46對應的L2號異常,則分析是風化基巖的直接體現,推斷可能是風化作用后經地表水下滲富集所致,該處異常底界基本和保德組隔水層標高一致,很好的印證了上述觀點。

由此可見,紅柳林研究區內低應力異常可以直接反應風化基巖的展布情況,大致呈NNE走向,厚度約20～110 m,整體分布不均。北部風化程度較淺,南部風化程度較深。建議礦方應該在此次研究區外圍以南區域繼續加大勘查力度,追查其低應力異常空間展布特征,避免在未來施工采掘過程中因水害問題造成不必要的麻煩。

2.2 風化基巖分布特征

在已有鉆孔巖性風化層的劃分基礎上,利用井位投影總結出研究區內應力與風化層界面之間的定量關系,如圖2所示。HB1-15井,位于延安組二層段,4-2煤上覆巖層,主要巖性為砂質泥巖、灰黃色、嚴重風化、破碎,水平狀層理。可能為4-2煤頂部砂巖破碎帶,具有富水條件。與4-2煤層地形展布情況保持一致。

因此在yz方向以35.622 m為一個間隔對研究區三維圖像進行切片,在應力剖面切片上對研究區內風化層與新鮮基巖界面進行追蹤解釋,如圖4所示,得到界面相關數據,從而形成研究區的風化基巖厚度等值線圖,如圖5所示。

4-2煤層上部風化基巖在研究區內全區分布,中部風化層最厚,北部風化程度較為嚴重,風化基巖厚度比西南部厚,西南部風化界面可到4-2煤層頂部,如圖5所示。

2.3 應力低值區的富水性分布

研究區屬于半干旱區,多年平均降水量僅為434.1 mm,大氣降水是區內地下水的唯一補給源,大氣降水降落至地表后,在降雨特征和地質條件的影響下,緩慢入滲補給地下水。在區域上,窟野河和禿尾河流域控制了地表水和地下水的流向,地表分水嶺與地下分水嶺基本一致。地下水的流向嚴格受現代地形的控制,一般由北向南徑流補給麻家塔溝,河水再由西向東補給考考烏素溝。地下水循環呈單向性,即地下水補給地表[10-11]。

地下水按其賦存的介質類型特征又可分為第四系松散層孔隙含水層、風化基巖裂隙含水層和燒變巖含水層,主要隔水層為第四系中、上更新統黃土層與新近系保德組紅土層,部分區域紅土層缺失,上覆松散層直接覆蓋在基巖之上,接受大氣降水的良好補給,所以地表水在本區域內普遍存在,且水量充足,而目的層(煤層)是否存在潛在水害則取決于上覆地層是否發育裂隙。

4-2煤層自燃后周圍圍巖受到不同程度的烘烤,出現變形、坍塌等現象,出現應力卸載區并造成局部應力低異常。巖體孔-裂隙、孔洞發育,為地下水的循環、徑流、儲存等提供了良好的空間。另一方面,風化基巖的物理特性主要表現為:松散、易碎、抗壓性差等特點,因此容易形成裂隙發育帶,相對于新鮮基巖屬于低應力區。

由此推斷,4-2煤層頂板的風化基巖層和火燒區域普遍富水。結合NEMV技術特點,風化基巖的物理特性極易產生裂隙發育帶,而裂隙發育帶屬于應力卸載區域,即表現為應力-自然電磁脈沖低異常。因此在本區域尋找自然電磁脈沖低異常是判斷是否存在裂隙發育帶的關鍵因素。風化邊界因物性差異而存在較大的應力分布差異,其表現出的應力-自然電磁脈沖明顯的強弱差異分布界線是用來判斷邊界的關鍵條件。

從表1可以看到L1區低應力值最低點海拔為1 200 m,L2、L3區應力最低點海拔為1 190 m,均穿過保德組底部,保德組上覆為離石組(第四系黃土),比較疏松,存在空隙,應力值相對較低。離石組上部為第四系水平沉積的風積沙層(含水層),因此上覆第四系含水層可能向下滲透穿過保德組在4-2煤頂部上方形成區域富水。

在工作區域中南部部分水文地質鉆孔孔口可聽見水流聲,且涌水量較大。該區域與L3低值異常區位置一致,進一步推斷L3低值異常區為富水區。

結合圖3鉆孔資料可以看出,L4低應力值對最低點縱向延伸至1 145 m。已經穿過4-2煤層底板,煤層下部為中粒砂巖,淺灰色、分選性較好,較疏松,巖層厚度約為5 m。煤層上部巖性為砂質泥巖,灰黃色、嚴重風化,破碎,具有水平層理,孔隙發育,流通性較好。該區域保德組厚度較薄僅為13 m。因此上覆第四系水平沉積的風積沙層(含水層)向下滲透,穿過保德組在4-2煤層頂部形成富水區域[12-13]。

3 結論

(1)對研究區4-2煤層上部,保德組下部應力剖面分析,低應力區為風化層,主要分布在中部、西南和東北方向,其中東北部最薄,面積最小,西南部最厚,中部面積最大,高應力區為基巖,主要分布于東南區域與西北區域。4-2煤層上部風化基巖在研究區內全區分布,北部風化程度較為嚴重,風化基巖厚度比西南部厚。研究區北部及南部新鮮基巖較薄,中部較厚,西南部風化界面可到4-2煤層頂部。

(2)低應力異常區(包括應力系數剖面、三維空間應力系數圖)推斷富水區主要集中在研究區的西南部及中部,L1、L2、L3均位于4-2煤層之上,L4區域地應力異常區向下延展可達到4-2煤層底板之下,在L3區域存在大范圍的低應力區,面積可達349 717 m2,該區域在工程開采階段需重點關注。其分布范圍與風化基巖的發育特征密切相關,推斷研究區內4-2煤層上部水直接來源是侏羅系風化基巖含水層,部分是燒變巖裂隙、孔洞含水。

(3)受限于勘探區域的范圍限制,地下徑流展布特征以及在空間上的延展性仍有待驗證。