半干旱地區(qū)采動影響地表土層富水性的高密度電法探測研究

吳洋洋　朱國維　張慶朝

[摘要]水資源對區(qū)域生態(tài)環(huán)境有一定影響，尤其是在半干旱地區(qū)，水資源是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境影響的關(guān)鍵。本文針對西部半干旱地區(qū)地下采礦活動會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成一定影響，致使地面沉降，地裂縫發(fā)育，同時地表土層富水性會發(fā)生一定動態(tài)變化的情況，采用高密度電法的技術(shù)手段，選擇神東礦區(qū)典型工作面進(jìn)行隨開采時序的多次探測研究工作。對所獲取的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，獲得各測線勘探地電剖面，并根據(jù)各測線在測區(qū)中分布空間關(guān)系對測區(qū)多測線數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化成像，形成擬三維數(shù)據(jù)體。對比分析采動影響地表土層富水性的變化情況，得出煤炭開采會對地表砂土層的富水性造成一定影響，采后約兩個月后，地表砂土層的富水性基本恢復(fù)到采前的狀態(tài)的結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]高密度電法 視電阻率 富水性 采動影響

[中圖分類號] P624 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-303-2

1引言

隨著我國東部礦區(qū)煤炭資源的逐漸枯竭，煤炭資源開發(fā)的重心逐步向西部轉(zhuǎn)移，根據(jù)我國能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃預(yù)測，到“十二五”末煤炭需求可能突破40億t/a，其中西部6省年產(chǎn)能預(yù)計達(dá)到30億t/a，達(dá)到75%[1-2]。

由此可見，西部煤炭開采將在我國未來能源發(fā)展中處于不可或缺的重要地位。

但是由于深居內(nèi)陸，我國西部地區(qū)水資源占有量僅占全國的8.3%，大多屬干旱半干旱地區(qū)[3]，生態(tài)環(huán)境脆弱，在采深淺、單層采高大、開采強(qiáng)度高、同一地區(qū)煤層復(fù)采次數(shù)多的現(xiàn)代開采條件下，隨著煤炭資源的開發(fā)采掘，煤層上覆基巖與地表松散層遭受不同狀況的破壞，致使地表沉降，地裂縫發(fā)育，基巖與地表土層中的含水發(fā)生運移或局部漏失，一定程度上影響了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[4]。

尤其是自上世紀(jì)80年代我國西部煤田大規(guī)模開發(fā)以來，煤炭開發(fā)與水資源供給、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出[5]。

在國內(nèi)，錢者東（2011）[6]系統(tǒng)地分析了干早半干旱地區(qū)煤礦開采的生態(tài)影響，建立了相應(yīng)的生態(tài)影響評價指標(biāo)體系，為今后干旱半干旱地區(qū)的環(huán)境影響評價工作提供了有益的參考。

雷少剛（2014）[7]分析了我國西部干旱區(qū)煤炭地下開采對植被、土壤水、地下水、土壤等關(guān)鍵環(huán)境要素影響的研究進(jìn)展與不足，建議從井下到井上，從工作面、礦井、礦區(qū)、流域多尺度綜合實現(xiàn)地空一體化同步監(jiān)測，建立不同開采條件、不同評價尺度下，礦區(qū)開采環(huán)境損傷的評價與預(yù)測模型。

師本強(qiáng)（2012）[8]針對如何合理有效地開發(fā)煤炭資源，保護(hù)水資源，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改善，論述了保水開采的影響因素，認(rèn)為影響保水開采的主要因素有礦區(qū)覆巖的工程地質(zhì)特征（包括巖性、地層組合關(guān)系、基巖風(fēng)化帶特征）、地質(zhì)構(gòu)造、開采方法、煤柱的穩(wěn)定性等，提出了陜北淺埋煤層礦區(qū)保水開采的區(qū)域劃分體系。

顧大釗（2012）[9]針晉陜蒙寧甘地區(qū)煤炭現(xiàn)代開采與水資源短缺和生態(tài)脆弱的矛盾，以神東礦區(qū)現(xiàn)代煤炭開采為工程依托，創(chuàng)新研究方法，揭示了該地區(qū)現(xiàn)代開采水資源的運移規(guī)律和地表生態(tài)“自修復(fù)”規(guī)律，首次開發(fā)了煤礦分布式地下水庫技術(shù)和應(yīng)用“自修復(fù)”規(guī)律的地表生態(tài)主動性減損及修復(fù)技術(shù)，建立了示范工程，為煤炭開采水資源和地表生態(tài)保護(hù)探索了一條新的技術(shù)途徑。

本文在前人的基礎(chǔ)上，利用高密度電法的技術(shù)手段，在西部生態(tài)脆弱的半干旱地區(qū)，選擇典型工作面，隨地下煤炭開采開展多次地表土層富水性的高密度電法探測，最后通過對比煤炭開采前后電法探測數(shù)據(jù)的變化情況，研究半干旱地區(qū)地表砂土富水性受采動的影響。

2施工概況

本次研究工作選擇神東礦區(qū)補(bǔ)連塔礦12406工作面為研究區(qū)，神東煤礦區(qū)位于晉陜蒙接壤區(qū)鄂爾多斯高原與黃土高原的交錯地帶，是毛烏素沙地與黃土丘陵區(qū)的復(fù)合過渡地區(qū)，地貌主要包括風(fēng)沙丘陵和黃土丘陵兩大地貌類型。地表為流動沙及半固定沙所覆蓋，最厚可達(dá)20～50m。

平均海拔1200m左右，礦區(qū)屬典型的半干旱、半沙漠的高原大陸性氣候，干燥少雨，地表水系不發(fā)育，主要有烏蘭木倫河（窟野河）貫穿全區(qū)，植被稀少。

礦區(qū)地層由老至新有三疊系上統(tǒng)永坪組（T3Y）；侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1F）；侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2Y）；侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2Z）；第四系（Q），地層總體為向西傾斜的單斜層，傾角1°左右，坡降一般為5～17%，礦區(qū)斷層稀少，構(gòu)造簡單，巖層裂隙不發(fā)育。

補(bǔ)連塔礦12406工作面采高4.5m，工作面長300m，推進(jìn)量3600m，開采1-2煤，煤層埋深190m-220m，基巖厚180m-200m，松散層厚10m-25m，地表土層厚1m-3m。

地表上補(bǔ)連溝橫穿該工作面，落差30m-50m，由西向東展布，大氣降水多沿溝谷以地表水的形式排泄。

野外數(shù)據(jù)采集時采用E60D型分布式電法工作站，工作中采用對地質(zhì)體垂向分布反映靈敏度較高的溫納（Wenner）裝置[10]。

實際探測時，從距工作面切眼200m開始向回采方向布置D1、D2、D3和D4四條測線，測線長2000m，各測線間距120m，分別在該工作面采前、采中（兩次）與采后開展高密度電法探測工作，隨著開采工作的進(jìn)行，前后共進(jìn)行四次高密度電法探測。

3成果分析

先后進(jìn)行了四次野外探測工作，每次探測工作共有四條側(cè)線，對于采集到的數(shù)據(jù)，使用最小二乘多項式進(jìn)行平滑處理，消除采集過程中隨機(jī)干擾與誤差的影響，對預(yù)處理過的數(shù)據(jù)，采用Surfer軟件繪制每一次探測工作中四條測線的視電阻率等值線剖面圖，獲得各測線勘探地電剖面，再根據(jù)各測線在測區(qū)中分布空間關(guān)系，利用三維數(shù)據(jù)分析軟件對測區(qū)多測線數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化成像，形成擬三維數(shù)據(jù)體，可視化顯示的三維數(shù)據(jù)體可以進(jìn)行任意方向的切片和分析，在解釋過程中，對目標(biāo)層位（地表土層）進(jìn)行切片，對比四次探測地表土層的數(shù)據(jù)體切片，分析該地區(qū)受采動影響地表土層富水性的變化情況。

抽取在補(bǔ)連塔礦12406工作面開始回采前進(jìn)行的第一次探測的各測線數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，插值后利用可視化軟件行成三維數(shù)據(jù)體，并對地表（深度約1m）進(jìn)行切片，構(gòu)成地表層視電阻率平面可視化圖，分析可見采前研究區(qū)地表視電阻率波動明顯，在測區(qū)900～1400m段，視電阻率較高，砂土較為干燥，其他區(qū)域視電阻率變低，但有高低波動，表現(xiàn)為表層砂土潮濕或較濕潤含水。

抽取第二次探測的各測線數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，插值后利用可視化軟件行成三維數(shù)據(jù)體，并對地表層進(jìn)行切片。

探測時，采煤工作面位于測區(qū)1100～1200m段，采動對測區(qū)表層砂土的視電阻率分布有所影響，采動部位附近電阻率有所增高，特別是采動前方的補(bǔ)連溝區(qū)域（1600m附近）電阻率增高，說明采動對地表水影響明顯，地表水滲透流失。

煤層開采對地表土層的含水性分布客觀上有一定的影響，表現(xiàn)為地表土層在采動帶附近（約100～200m）電阻率有趨同現(xiàn)象，即高阻變低，低阻變高，地表原始水域則表現(xiàn)出水流失，含水性下降明顯。

抽取第三次探測的各測線數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，插值后利用可視化軟件行成三維數(shù)據(jù)體，并對地表層進(jìn)行切片。

探測時，采煤工作面位于測區(qū)2000m附近，采動對測區(qū)表層砂土的視電阻率分布存在影響，補(bǔ)連溝部位（1600m附近）電阻率較采前有增高現(xiàn)象，說明采動影響帶不同程度失水。

煤層開采對地表土層的含水性分布在一定程度上表現(xiàn)出一定范圍內(nèi)的影響，采動帶附近電阻率有變高趨勢，地表水則表現(xiàn)出局部流失現(xiàn)象。

抽取第二次探測的各測線數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，插值后利用可視化軟件行成三維數(shù)據(jù)體，并對地表層進(jìn)行切片，出采動后地表電性和采前相近，但在地表明水區(qū)域（補(bǔ)連溝）電阻率升高。

綜合四次探測數(shù)據(jù)對比分析可知：神東礦區(qū)補(bǔ)連塔礦12406工作面采動影響區(qū)的地表砂土，采開前，可劃分為砂土濕潤區(qū)、砂土潮濕區(qū)和砂土干燥區(qū)，砂土干燥區(qū)分布于測區(qū)1000～1400m范圍內(nèi)，由西北向東南斜穿測區(qū)，砂土濕潤區(qū)域發(fā)育在測區(qū)西北部及補(bǔ)連溝。

煤層開采對地表土層的含水性分布有一定影響，采動使采動帶附近砂土變形并發(fā)育裂隙，從而使原始干燥板結(jié)的砂土有所松動，電阻率有所降低，原始潮濕的砂土局部因發(fā)育裂隙而電阻率升高，當(dāng)工作面采動至測區(qū)1100～1200m處（采中1），采動帶附近由原始的高阻狀態(tài)（一條土路穿過，路南砂土地?zé)o植被）變?yōu)榫植扛咦鑵^(qū)，電阻率下降，而采動帶前方補(bǔ)連溝的地表水域（低阻），電阻率增高；當(dāng)采至2000m處時，采動帶附近電阻率也表現(xiàn)為波動升高現(xiàn)象。

說明原始的潮濕的砂土局部因為發(fā)育裂隙而導(dǎo)致電阻率升高，砂土層含水性在采后基本上恢復(fù)采前狀態(tài)，地表水則表現(xiàn)為因采動影響有部分下滲作用（部分季節(jié)性蒸發(fā)），地表水受采動影響不能恢復(fù)。

4結(jié)論與展望

通過試驗分析，可歸納出如下結(jié)論：煤炭開采對地表砂土層的富水性分布有一定影響，煤層未開采時，地表砂土層可分為濕潤、潮濕、干燥等區(qū)域。煤層經(jīng)過開采后，采動區(qū)附近地表砂土變形并發(fā)育裂隙，從而使原始干燥板結(jié)的砂土有所松動，原始富水性較好的砂土層中的水分沿著裂隙下滲或向周圍運移，地表明水也沿著裂隙不斷下滲；煤層開采后經(jīng)過一定時間的沉降，采動破壞地層中的導(dǎo)水裂隙逐漸閉合，地表砂土層的富水性基本恢復(fù)到采前的狀態(tài)。

煤礦開采對上覆巖體造成的影響是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，本文著重考慮了干旱半干旱地區(qū)煤礦開采對當(dāng)?shù)氐乇硗翆雍缘挠绊?，沒有考慮煤礦開采對煤層頂板、地下含水層的影響，這些方面今后仍需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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