新疆阜康市砂溝井田火燒區(qū)儲(chǔ)水量預(yù)測研究

崔德廣 周梓欣 王俊輝

（新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局，新疆 烏魯木齊 830091）

砂溝井田內(nèi)存在大量火燒情況，區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，未來煤礦開采時(shí)，礦井水補(bǔ)給有多重形式。本文采用物探手段分別劃分火燒區(qū)邊界，計(jì)算了砂溝井田火燒區(qū)儲(chǔ)水量，根據(jù)預(yù)算的結(jié)果供礦井設(shè)計(jì)部門使用，為礦方在未來制定防治水措施提供了科學(xué)依據(jù)。根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)孫亞軍老師團(tuán)隊(duì)多年對(duì)西北干旱地區(qū)礦井涌水量預(yù)測及科學(xué)合理利用相關(guān)研究成果[1]，針對(duì)我國西部礦區(qū)降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、生態(tài)環(huán)境脆弱的基本特征，合理開發(fā)利用火燒區(qū)儲(chǔ)水量極為重要。

1 概況

砂溝井田位于新疆阜康市東南35 km，行政區(qū)劃屬阜康市管轄，井田東西長6.55 km，南北寬2.30 km，面積15.43 km2。地勢南高北低，西高東低。南部山區(qū)山勢陡峻，地形切割較強(qiáng)烈，沖溝發(fā)育，多為“V”型谷，局部為“U”型谷，溝谷坡度較陡；井田北部為戈壁平原區(qū)，地勢平坦。全區(qū)海拔高度1001～1345 m，溝底與山頂相對(duì)高差可達(dá)80～300 m。

2 火燒區(qū)巖性特征及充水情況

區(qū)域內(nèi)主要分布有4 條南北向季節(jié)性沖溝和數(shù)條小沖溝，降雨時(shí)，地表煤層火燒區(qū)部分接受降雨的直接入滲和季節(jié)性沖溝水流經(jīng)火燒區(qū)斷面時(shí)的向下補(bǔ)給，為火燒區(qū)含水帶的補(bǔ)給水源。

因區(qū)內(nèi)侏羅系下統(tǒng)八道灣組含煤地層所含煤層自燃，在地表形成了大面積火燒區(qū)，分布多條，對(duì)煤層產(chǎn)生巨大破壞作用[2-3]。另外，由于受煤層自燃影響，煤層頂?shù)装逡蚧馃蚝婵揪炎冑|(zhì)成燒變巖，巖石變的硬而脆，裂隙發(fā)育，透水性好，接受大氣降水或地表水及第四系潛水補(bǔ)給，賦存大量的地下水[4]。

3 火燒區(qū)儲(chǔ)水邊界及含水層特征

3.1 火燒區(qū)儲(chǔ)水邊界的確定

根據(jù)勘查區(qū)已施工三維地震的成果資料，以及本次瞬變電磁勘探成果資料（如圖1），結(jié)合地質(zhì)資料成果進(jìn)行對(duì)比分析，確定富水異常區(qū)的分布規(guī)律和分布范圍，根據(jù)瞬變電磁異常點(diǎn)共劃分Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)三個(gè)積水區(qū)[5]。

圖1 瞬變電磁切片圖

通過剖面、平面及鉆探測井資料綜合解釋，劃分確定井田內(nèi)火燒區(qū)和富水區(qū)邊界如圖2 所示。根據(jù)施工的ZK3 孔和ZK1301 孔兩個(gè)鉆孔揭露火燒區(qū)地界情況，火燒區(qū)垂深大致為480 m 左右，并對(duì)兩個(gè)鉆孔進(jìn)行了水位觀測，確定了火燒區(qū)靜止水位。

圖2 火燒區(qū)邊界確定示意圖

（1）ZK1 孔中進(jìn)行了火燒層富水性的抽水試驗(yàn)，滲透系數(shù)為0.11 m/d，單位涌水量為0.047 6 L/s·m，此孔靜止水位為165.34 m，水位標(biāo)高960.07 m。地下水水化學(xué)類型屬SO4·HCO3—K·Na，溶解性總固體（礦化度）為5 215.00 mg/L，pH 值為9.00。

（2）ZK2 孔進(jìn)行了火燒層富水性抽水試驗(yàn)工作，其滲透系數(shù)為0.011 m/d，單位涌水量為0.012 1 L/s·m，此孔靜止水位埋深較淺，為41.50 m，水位標(biāo)高為1 100.837 m。地下水水化學(xué)類型屬HCO3·Cl—K·Na，溶解性總固體（礦化度）為8 825.00 mg/L，pH 值為7.40。

（3）ZK3 孔進(jìn)行了火燒層富水性抽水試驗(yàn)工作，其滲透系數(shù)為0.52 m/d，單位涌水量為0.700 7 L/s·m，此孔靜止水位埋深較深，為157.77 m，水位標(biāo)高為954.60 m。地下水水化學(xué)類型屬SO4·Cl—K·Na·Mg，溶解性總固體（礦化度）為2 619.00 mg/L，pH 值為8.00。

三個(gè)火燒區(qū)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，ZK3 鉆孔單位涌水量較大，說明該鉆孔附近火燒區(qū)富水性較強(qiáng)，與瞬變電磁解釋結(jié)果吻合，驗(yàn)證了瞬變電磁的準(zhǔn)確性。三個(gè)火燒區(qū)水質(zhì)化驗(yàn)礦化度均較高，說明火燒區(qū)水流動(dòng)性差。但ZK3 號(hào)鉆孔火燒區(qū)水礦化度低于ZK1、ZK2 號(hào)鉆孔，說明ZK3 號(hào)鉆孔附近火燒區(qū)含水帶地下水流動(dòng)性強(qiáng)于其余兩個(gè)鉆孔附近火燒區(qū)富水帶。

3.2 火燒區(qū)含水層特征

分布于井田中部，呈東西向條帶狀貫穿整個(gè)井田。井田內(nèi)A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10 煤層在淺部火燒，其火燒寬度在150～400 m 之間。其中，A4 煤層火燒最低標(biāo)高為643.71 m；A5 煤層最大火燒深度為728 m，標(biāo)高為506.5 m；A6 煤層火燒最低標(biāo)高為544.56 m；A7 煤層火燒最低標(biāo)高為590.00 m；A8 煤層火燒最低標(biāo)高為583.42 m；A9煤層火燒最低標(biāo)高為625.43 m；A10 煤層火燒最低標(biāo)高為698.72 m。如圖3 所示。

圖3 勘查區(qū)含水層立面投影圖

在以往勘查工作區(qū)內(nèi)選擇3 個(gè)鉆孔進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)參數(shù)及水質(zhì)化驗(yàn)成果如下：

3.3 潛水位的確定

根據(jù)鉆孔單層水位觀測資料，水位總體自西向東逐漸降低，結(jié)合本次鉆孔及以往勘查鉆孔資料確定火燒區(qū)內(nèi)地下水水位標(biāo)高。

4 火燒區(qū)含水層儲(chǔ)水量的計(jì)算

4.1 火燒區(qū)含水層公式選擇

火燒區(qū)含水帶，分別以鄰近鉆孔單層水位標(biāo)高為頂界。在地質(zhì)剖面上圈定各剖面火燒區(qū)富水區(qū)面積（S），以相鄰兩條剖面之間距離劃定的富水區(qū)塊為單位計(jì)算火燒區(qū)含水帶體積[6]。

式中：V為井田火燒區(qū)地下水靜儲(chǔ)量，m3；Vi～Vn為分塊段計(jì)算體積，m3；Si～Si+1為各剖面火燒區(qū)富水帶面積，m2；di為所采用相鄰剖面間距離，m。

根據(jù)單孔抽水試驗(yàn)資料確定給水度。給水度[7]可按下式計(jì)算：

式中：V為穩(wěn)定降落漏斗之體積。

式中：H為抽水前含水層厚度，m；h0為抽水穩(wěn)定后，孔內(nèi)水柱高度，m；R為影響半徑，m；r為鉆孔半徑，m。λ取決于降落漏斗的形狀h0/H和r/R值的系數(shù)，查表1 確定。

表1 系數(shù)λ 值

本次施工3 個(gè)火燒區(qū)鉆孔，抽水試驗(yàn)計(jì)算給水度μ值見表2。

表2 μ 值計(jì)算結(jié)果表

為保證煤礦安全生產(chǎn)，μ值采用3 個(gè)鉆孔中較大值計(jì)算火燒區(qū)含水層儲(chǔ)水量。

4.2 火燒區(qū)含水層儲(chǔ)水量計(jì)算單元

本次補(bǔ)充勘查未在井田東部即V～東側(cè)礦權(quán)邊界內(nèi)施工鉆孔，對(duì)井田東部火燒區(qū)儲(chǔ)水量進(jìn)行估算。根據(jù)瞬變電磁切片可以看出，井田范圍內(nèi)火燒區(qū)富水性東部強(qiáng)于西部，給水度根據(jù)距離較近的ZK3 鉆孔給水度估算。

經(jīng)上述計(jì)算可知，井田范圍內(nèi)首采區(qū)火燒區(qū)地下水儲(chǔ)水量為128.20 萬m3。井田內(nèi)V～東側(cè)礦權(quán)邊界火燒區(qū)地下水儲(chǔ)水量估算為122.05 萬m3。砂溝煤井田火燒區(qū)總儲(chǔ)水量為250.24 萬m3。

5 結(jié)論

火燒區(qū)巖層裂隙發(fā)育，為富水性強(qiáng)的含水層，且接受大氣降水、地表徑流的補(bǔ)給條件好，在全井田范圍內(nèi)已經(jīng)形成了一個(gè)互相連通的龐大水體，直接威脅著礦井的生產(chǎn)和安全?；馃齾^(qū)水是未來礦井生產(chǎn)的主要安全隱患之一。未來礦井在開采火燒區(qū)下部煤層時(shí)，應(yīng)預(yù)留足夠?qū)挼姆浪褐乐共蓜?dòng)火燒區(qū)下部煤層導(dǎo)水裂隙帶達(dá)到火燒區(qū)含水層造成水害。