將軍戈壁二號露天礦火燒區(qū)綜合水文地質(zhì)勘察

代飛龍

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉，831100）

將軍戈壁二號露天礦礦田北部有大范圍火燒區(qū)存在，火燒區(qū)內(nèi)含燒變巖水，火燒區(qū)邊界外，有地層裂隙含水，本礦2016 年4 月16 日進(jìn)行爆破作業(yè)后，采場北幫東部＋515 m 水平處出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水量約30 m3/h。至2016 年5 月1 日，在采場北幫東側(cè)＋519 m 水平剝離作業(yè)中端幫邊坡新增5 處涌水點(diǎn)，涌水量急劇增大達(dá)到400 m3/h；2016 年5 月4 日，采用泥質(zhì)細(xì)料封堵壓實(shí)止水方案對涌水點(diǎn)進(jìn)行止水，涌水量從400 m3/h 降低至80 m3/h。至2017 年9 月，北幫東側(cè)＋475 m 平盤不再滲水，滲水區(qū)域主要在東幫北側(cè)＋500 m 坡面。為保證露天開采正常運(yùn)行，減少地下水對內(nèi)排土場及采掘場邊坡穩(wěn)定性的影響，將二礦積極采取措施，目前已在北幫東側(cè)＋515 m 平盤、東幫北側(cè)＋455 m 平盤、采掘場坑底形成排水溝和集水坑，安裝排水設(shè)備，將北幫、東幫等部位涌水排至地表水池。在確保涌水不再流入采場坑底的基礎(chǔ)上，每日完成＋515 m 水平抽水量約3 000 m3?！睹旱V防治水細(xì)則》中要求，防治水工作應(yīng)當(dāng)“堅(jiān)持預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則。采場北部火燒區(qū)涌水，對安全生產(chǎn)造成較大影響，需要對火燒區(qū)邊界、火燒區(qū)賦水范圍、富水情況、水文地質(zhì)參數(shù)等進(jìn)行全面勘察[1-2]，并結(jié)合以往物探、鉆探、水文資料，綜合評價燒變巖富水區(qū)富水情況及突水性，為進(jìn)一步研究采場北部火燒區(qū)治理方案提供依據(jù)。

1 物探基本原理及地球物理特征

1）電法探測地球物理特征。電法探測方法是利用巖石導(dǎo)電性，確定巖層電阻率值，進(jìn)而劃分地層特性。一般情況下，泥巖電阻率值小于粉砂巖小于中粗砂巖的電阻率值，電阻率值呈遞增趨勢。地層穩(wěn)定時，垂直方向上電阻率的變化規(guī)律基本一致，而砂巖中含水時，由于水體良好的導(dǎo)電性，與周邊巖體產(chǎn)生明顯導(dǎo)電差異性[3-4]，所有利用電磁法進(jìn)行水文地質(zhì)探測的前提。將二礦淺部地層為第四系沖積層，土層電阻率相對為低阻；第四系下部含煤西山窯組為電阻率相對高阻，深部三疊系粉砂巖和細(xì)砂巖電阻率相對低阻[5]。將二礦地層剖面從上至下電性變化特征表現(xiàn)為低阻-高阻-低阻。本次電法探測的目標(biāo)層為西山窯組，其電阻率相對高阻；而目標(biāo)層北側(cè)燒變巖積水有側(cè)向補(bǔ)給時，將使受補(bǔ)給影響區(qū)的高阻電性地層轉(zhuǎn)為相對低阻地層，根據(jù)這一特征，從而圈定地下水位置和范圍顯現(xiàn)。上述不同條件下的電性變化就是本次電法探測的地球物理前提。

2）磁法地球物理特征。煤系沉積巖地層，煤層及巖層穩(wěn)定性及均一性較好，一般變質(zhì)程度低，其磁化率和剩余磁化強(qiáng)度均較低，磁化強(qiáng)度變化范圍較小。若煤層自燃，高溫致使煤層和巖層所含黃鐵礦、菱鐵礦等鐵質(zhì)結(jié)核受熱變質(zhì)，變質(zhì)結(jié)核具有較強(qiáng)熱剩磁，磁化率和剩余磁化強(qiáng)度大幅度增高，形成明顯的磁性異常區(qū)域，根據(jù)燒變煤巖層磁化變化特征用于勘探火燒區(qū)范圍。

2 物探概況

本次瞬變電磁法探測區(qū)域共布置測線32 條，測點(diǎn)3 316 個，基本測網(wǎng)密度40 m × 20 m，磁法探測區(qū)域共布置測線46 條，測點(diǎn)3 037 個，基本測網(wǎng)密度40 m × 20 m，均采用連續(xù)偶數(shù)對測點(diǎn)和測線進(jìn)行編號。高密度電法在瞬變電磁法探測區(qū)域內(nèi)共布設(shè)測線10 條，電極間距10 m，總長度15.52 km，測點(diǎn)1 552 個。參照測區(qū)施工環(huán)境和地球物理?xiàng)l件，在采用磁法探查煤層火燒區(qū)邊界的基礎(chǔ)上，使用瞬變電磁法和高密度電法探查煤層火燒區(qū)富水情況[6]。

2.1 瞬變電磁法試驗(yàn)

1）接收機(jī)一致性。對投入的接收機(jī)進(jìn)行了一致性試驗(yàn)，各接收機(jī)采集的二次場電壓衰減曲線隨時間的增加均呈依次衰減趨勢，符合瞬變電磁法二次場衰減規(guī)律，接收機(jī)同一時間范圍內(nèi)所采集的信號大小基本一致，數(shù)據(jù)點(diǎn)重合較好，可以用于本次瞬變電磁法勘探施工。接收機(jī)的均方相對誤差最大為2.4%，滿足規(guī)范小于7.5%的要求。

2）接收探頭一致性。試驗(yàn)采用同一地點(diǎn)、同一發(fā)射機(jī)、同一接收機(jī)、相同激發(fā)參數(shù)的條件，依次用4個探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性分析，并對各探頭適用性予以判斷。4 個探頭的均方相對誤差最大為2.6%，滿足規(guī)范小于7.5%的要求。

3）噪聲分析。試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)噪聲電平曲線，大小主要集中在0～2 μV 間范圍內(nèi)。采用邊長240 m 發(fā)射線框，25 Hz 工作頻率參數(shù)進(jìn)行有效信號采集，發(fā)射電流大于15 A 時，試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)噪聲電平曲線，接收機(jī)采用頻率25 Hz 時采集的二次場衰減信號隨時間的增加呈逐漸衰減的趨勢，曲線較光滑，表明對隨機(jī)噪聲的壓制效果較好[7-8]。

4）試驗(yàn)參數(shù)與效果分析。采集的數(shù)據(jù)以衰減曲線、斷面圖的形式分析如下：二次場信號均隨時間的增加呈逐漸衰減的趨勢，衰減曲線在30 ms 之前都較為光滑，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。結(jié)合電法勘探地質(zhì)任務(wù)，探測目標(biāo)地層由淺部到深部電性呈現(xiàn)“低阻～高阻～低阻”規(guī)律，與實(shí)際地層電性特征吻合很好。

5）試驗(yàn)結(jié)論。接收機(jī)和探頭的一致性優(yōu)良，當(dāng)選用發(fā)射線框邊長為240 m × 240 m、工作頻率為25 Hz 時，所采集的數(shù)據(jù)能夠有效壓制測量區(qū)域隨機(jī)噪聲，視電阻率能夠較好反映目標(biāo)地層電性變化特征，可以滿足勘探地質(zhì)任務(wù)要求。

2.2 磁法試驗(yàn)

1）儀器一致性分析。對儀器的性能、觀測精度和各儀器間的一致性進(jìn)行現(xiàn)場校驗(yàn)，校驗(yàn)測量點(diǎn)數(shù)10個，主要觀測磁力儀的測量穩(wěn)定性，將儀器固定于正常地層區(qū)域，讓儀器自動測量，計算測量時間段內(nèi)單位時間磁場變化值的離差情況，經(jīng)檢測測量的平均離差在±2 nT 之間，證明儀器工作狀態(tài)正常。

2）儀器噪聲水平分析。各儀器相距大于20 m，做近似同步日變觀測，周期10 s，連續(xù)讀取10 個數(shù)據(jù)，2 臺儀器的噪聲水平均未超過0.3 nT，可見儀器的噪聲水平較小且較接近。

3）基站磁場變化規(guī)律。基站連續(xù)觀測4 h，讀數(shù)間隔20 s，數(shù)據(jù)隨著時間在10.001 111～13.951 111間呈先穩(wěn)定下降后穩(wěn)定上升趨勢。

4）試驗(yàn)結(jié)論。磁法探測投入使用的儀器精度滿足規(guī)范要求，可以達(dá)到本次探測要求，基站位置選擇合理。

2.3 高密度電法試驗(yàn)

此次高密度電法要求探測深度較大，故探測跑極極距較大，測量極距間的電位差較小，為了保證探測信噪比，試驗(yàn)要求最小供電電流不小于200 mA，最小測量電壓不小于1 mV，電極間距10 m，測量極距選擇20 m。野外試驗(yàn)了四極和三極測深裝置，結(jié)果顯示三極、四極裝置所測得數(shù)據(jù)結(jié)果對于異常的響應(yīng)效果基本一致，與實(shí)際地層電性特征吻合，從野外現(xiàn)場施工效率及探測效果考慮，高密度電法最終選用三極裝置進(jìn)行施工。

3 物探成果資料與解釋

3.1 磁法成果資料與解釋

鉆孔資料顯示ZK001 和ZK4 號鉆孔無火燒現(xiàn)象，ZK1701 號孔揭露B5 號煤層出現(xiàn)火燒。1 880～2 520 m 距離處為正常地層，磁異常曲線上△T（磁異常）值分布在－27.2～－30.78 nT 之內(nèi)，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻；在橫向距離2 540 m 處△T 值出現(xiàn)跳變，先跳變?yōu)?4.78 nT，呈現(xiàn)先增大后減小，其最大負(fù)值為414.29 nT，跳變段主要集中在2 540～3 240 m 之間，正常地層△T 值與煤層火燒區(qū)剩余△T 值變化明顯；煤層完整區(qū)域△T 相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，△T 值浮動變化?。粺儙r△T 值出現(xiàn)明顯的跳變現(xiàn)象，其特征大致分為絕對值突然增大、無規(guī)律跳變，第16 測線磁異常剖面曲線示意圖如圖1。

圖1 第16 測線磁異常剖面曲線示意圖

3.2 電法成果資料解釋

地層分布穩(wěn)定、不受富水區(qū)域或含導(dǎo)水構(gòu)造控制影響，其目標(biāo)層的電阻率呈有序變化，視電阻率等值線一般分布稀疏、平緩和漸變，在斷面圖上呈似層狀分布。當(dāng)存在富水區(qū)域或含導(dǎo)水構(gòu)造影響時，電性分布的均衡性被打破，異常區(qū)域電阻率值出現(xiàn)降低，等值線分布由層狀轉(zhuǎn)為扭曲、變形或呈密集條帶等狀態(tài)，可直觀確定相對低阻異常體的空間賦存情況和異常強(qiáng)弱程度，視電阻率等值線平面圖出現(xiàn)異常區(qū)域。

由淺層至深部，正常地層中視電阻率呈“低阻-高阻-低阻”的特征分布；在火燒煤層區(qū)域，由于火燒區(qū)成層燃燒的特征，淺層至深部呈不均勻“低阻-高阻-低阻”的特征分布。B5 煤層火燒區(qū)附近分布的不均勻高阻閉合圈，與不含水或含水量較少的燒變巖高阻電性規(guī)律一致，而不均勻的電性分布規(guī)律也預(yù)示著地層性質(zhì)不均一，或者可以推斷為裂隙較發(fā)育，位于上部煤層火燒區(qū)以上或附近的低阻區(qū)，推斷其與燒變巖裂隙局部充水有關(guān)系，將類似低阻區(qū)稱之為低阻異常區(qū)。在上下各煤層均出現(xiàn)已被火燒的現(xiàn)象時，其地層巖性受烘烤程度較大，煤層燃燒后形成的空間較大，會導(dǎo)致上部巖層垮塌，裂隙發(fā)育（空間越大，垮塌高度越高，裂隙越發(fā)育），為水的儲存創(chuàng)造了有利條件，同時接受上部含水層或大氣降水的補(bǔ)給就變得相對容易，故出現(xiàn)了斷面圖中的強(qiáng)低阻異常區(qū)，推測此火燒區(qū)域內(nèi)含/富水性較強(qiáng)。

野外施工期間，在測區(qū)內(nèi)補(bǔ)充了高密度直流電法，其探測結(jié)果與TEM 相吻合。

3.3 富水區(qū)綜合推斷

1）磁法和瞬變電磁法（TEM）數(shù)據(jù)對比分析與解釋。火燒區(qū)燒變巖電性與正常地層電性差異性較大，TEM 數(shù)據(jù)在燒變巖不含水時中為高阻反映，而當(dāng)其含富水或強(qiáng)富水時數(shù)據(jù)反映為相對低阻狀態(tài)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，富水煤層和火燒區(qū)位于視電阻率斷面圖中的低阻區(qū)域內(nèi)，與磁異常絕對值緩變增大的特征區(qū)域相吻合。

2）磁異?；瘶O平面圖分析與解釋。結(jié)合磁異常視磁化率平面圖及鉆孔資料，正常地層磁異常變化均勻，視磁化率等值線變化平緩，未出現(xiàn)明顯的跳變現(xiàn)象；火燒異常區(qū)填充的顏色在較短的距離范圍內(nèi)呈階梯狀突變現(xiàn)象，等值線較密集，結(jié)果與磁法探測結(jié)果吻合。

3）火燒區(qū)邊界綜合推斷。結(jié)合視磁化率平面圖、各測線剖面曲線圖和TEM 資料，綜合推斷煤層的火燒區(qū)邊界。

燒變巖富水區(qū)域由火燒區(qū)范圍、燒變地層裂隙發(fā)育、含水層的富水性等影響。通過以上物探方法，結(jié)合地質(zhì)地形資料、煤層產(chǎn)狀資料、端幫出水范圍、裂隙發(fā)育程度、水文地質(zhì)資料等，對富水區(qū)分布進(jìn)行了綜合推斷，確定大范圍低阻異常區(qū)推斷為富水火燒巖，推斷煤層火燒邊界示意圖如圖2。

圖2 推斷煤層火燒邊界示意圖

4 水文地質(zhì)鉆探補(bǔ)勘工作

通過水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)、水平探放孔、水文地質(zhì)測井、水質(zhì)全分析、同位素分析等補(bǔ)勘方法，查清了礦區(qū)東北部水文地質(zhì)參數(shù)，為燒變巖的水害評估提供科學(xué)依據(jù)。

4.1 水文地質(zhì)試驗(yàn)

水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探地面鉆孔進(jìn)行單孔抽水試驗(yàn)與群抽水試驗(yàn)結(jié)合方式，抽水試驗(yàn)孔均穿過燒變巖含水層，燒變巖含水層為潛水含水層、層頂界有自由水界面，因此參考潛水完整井計算公式進(jìn)行參數(shù)技術(shù)。計算結(jié)果：單位涌水量15.9～17.36 L/（s·m），滲透系數(shù)74.6～93.1 m/d，影響半徑197.3～239.8 m。

4.2 水質(zhì)全分析

在補(bǔ)勘過程中，采取水質(zhì)全分析樣。通過研究地下水水化學(xué)成分及其特征，了解地下水循環(huán)條件，用于判斷不同地下水源，研究和解釋礦區(qū)地下水水文地質(zhì)條件，分析地下水的成因和運(yùn)移規(guī)律。在補(bǔ)勘過程中，總共采取水質(zhì)全分析樣12 組。其中在鉆孔施工過程中取燒變巖水樣6 組，取基巖裂隙水水樣6組。地下水中含量較多的離子共有7 種Cl－、HCO3－、Na+、K+、Ca2+、Mg2+，根據(jù)水樣數(shù)據(jù)分析結(jié)果，采場各處涌水均來源于燒變巖積水。

利用氚、氘和氧－18 同位素的天然示蹤作用，取氚、氘和氧－18 同位素測試樣研究地下水成因及地下水運(yùn)移規(guī)律。研究內(nèi)容：①試驗(yàn)確定燒變巖積水主要?dú)v史時期地表雪水融化不斷入滲至燒變巖，不斷累積成地下含水體；②礦區(qū)整體上不同含水層之間水力聯(lián)系程度較差，燒變巖積水與原巖積水聯(lián)系較差。

4.3 突水威脅性

選取科學(xué)的評價方法及標(biāo)準(zhǔn)評價北幫突水威脅性，研究內(nèi)容包括北部帶壓現(xiàn)狀、北幫隔水層（垂向和水平向）發(fā)育特征、巖性組合特性，巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖體完整性。根據(jù)目前突水評價的計算方案結(jié)合將二礦的實(shí)際情況擬采用2 種評價方法：①突水系數(shù)法；②突水危險性地質(zhì)評價。

突水系數(shù)作為評價突水可能性的一種方法，應(yīng)用比較廣泛，突水系數(shù)計算公式及評價標(biāo)準(zhǔn)如下：

式中：Ts為突水系數(shù)，MPa/m；P 為隔水層承受的水壓，MPa；M 為隔水層厚度，m。

受構(gòu)造破壞塊段：Ts<0.06 MPa/m 屬于安全區(qū)；Ts≥0.06 MPa/m 屬于危險區(qū)。

正常塊段：Ts<0.1 MPa/m 屬于安全區(qū)；Ts≥0.1 MPa/m 屬于危險區(qū)。

煤層底板突水危險性地質(zhì)評價是在突水系數(shù)法的基礎(chǔ)上，通過對煤層底板巖性和結(jié)構(gòu)的分析，建立評價隔水層隔水性能和抗水壓能力的巖性－結(jié)構(gòu)分類，根據(jù)隔水性能和抗水壓能力建立煤層底板突水危險性等級分類。

5 結(jié)語

針對新疆天池能源有限責(zé)任公司將軍戈壁二號露天煤礦北幫燒變巖區(qū)，通過地質(zhì)調(diào)查、瞬變電磁、磁法勘探、以及施工水平探放孔、水文地質(zhì)鉆探，結(jié)合已有探勘資料，并輔以抽水試驗(yàn)、水文地質(zhì)測井、巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試、水質(zhì)全分析、同位素分析等補(bǔ)勘方法，探明了燒變巖特征、邊界、富水區(qū)邊界及詳細(xì)水文地質(zhì)參數(shù)、綜合評價突水性，結(jié)論為北幫燒變巖富水區(qū)突水風(fēng)險性較小。為評價水文地質(zhì)條件及安全生產(chǎn)提供了良好基礎(chǔ)。