檸條塔井田南翼隱伏火燒區(qū)特征及富水性評(píng)價(jià)

侯恩科，楊斯亮，文 強(qiáng)，高利軍，王建文，車(chē)曉陽(yáng)，童仁劍，張 琦

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜煤集團(tuán) 神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

我國(guó)西部煤炭資源儲(chǔ)量占全國(guó)的70 %以上[1]，但西部煤炭開(kāi)采過(guò)程中水害較為嚴(yán)重。2011 年神南礦區(qū)檸條塔井田S1210 工作面開(kāi)采時(shí)頂板突水[2]，持續(xù)4 個(gè)半月水量高達(dá)1 000 m3/h，突水水源主要為頂板直羅組風(fēng)化基巖水以及東北側(cè)1-2上煤隱伏火燒區(qū)燒變巖水。因此，研究頂板風(fēng)化基巖、燒變巖含水層的特征和富水性對(duì)礦井水防治具有重要意義。

前人對(duì)風(fēng)化基巖和燒變巖的水文地質(zhì)特征做了大量研究。董書(shū)寧等[3]研究了華北型煤田中奧灰頂部的隔水層，發(fā)現(xiàn)古風(fēng)化殼上部由于被不同時(shí)期黏土礦物填充，因而變成了相對(duì)隔水層；侯恩科等[4]通過(guò)對(duì)神府煤田煤層自燃區(qū)的觀察和分析，將燒變巖分為類(lèi)熔巖、燒結(jié)巖、烘烤巖3 種不同類(lèi)型。在富水性研究方面，基于GIS 多因素復(fù)合評(píng)價(jià)法和物探評(píng)價(jià)法應(yīng)用廣泛。Roger F Tomlinson[5]首次建立了GIS系統(tǒng)—加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS），其主要是為農(nóng)業(yè)服務(wù)的；武強(qiáng)[6]首次提出了以GIS 為軟件支撐的多因素信息融合型含水層評(píng)價(jià)方法可用于煤礦含水層富水性評(píng)價(jià)，并于2011 年命名為“富水性指數(shù)法”。近年來(lái)一些學(xué)者[7-9]通過(guò)數(shù)學(xué)方法建立含水層富水性預(yù)測(cè)模型，基于GIS 方法預(yù)測(cè)含水層的富水性；諸多學(xué)者[10-13]亦采用磁法、電法、瞬變電磁法等物探與鉆探結(jié)合的手段對(duì)含水層進(jìn)行了富水性評(píng)價(jià)。神南礦區(qū)檸條塔煤礦南翼水文地質(zhì)補(bǔ)勘中發(fā)現(xiàn)存在有1-2上煤火燒區(qū)，且判定為少見(jiàn)的“封閉型”火燒區(qū)，即深埋于第四系松散層和新近系紅土層之下的圈閉型隱伏火燒區(qū)，以往對(duì)此類(lèi)火燒區(qū)特征、成因及富水性研究較少；為此，研究南翼“封閉型”隱伏火燒區(qū)的基本特征和富水性，為該隱伏火燒區(qū)下煤炭開(kāi)采水害防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地理位置及范圍分布示意圖如圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置及范圍分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of geographical location and scope distribution of the study area

檸條塔煤礦位于陜西省神木市孫家岔鎮(zhèn)，研究區(qū)位于檸條塔井田南翼東南部，該區(qū)地表為風(fēng)沙灘地，北鄰蘆草溝與考考烏蘇溝的分水嶺邊界，南鄰蘆草溝溝腦，地形北高南低，隱伏火燒區(qū)面積約1.58 km2。區(qū)內(nèi)地層由老至新依次為：延安組（J2y）、直羅組（J2z）、保德組（N2b）、離石組（Q2l）、薩拉烏蘇組（Q3s）、全新統(tǒng)風(fēng)積沙（Q4eol）。含煤地層為延安組（J2y），主采煤層為2-2，3-1，4-2，4-3和5-2煤層。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層總體呈近水平狀態(tài)。區(qū)內(nèi)影響煤層開(kāi)采的主要含水層為風(fēng)化基巖含水層和燒變巖含水層。

1.2 地質(zhì)背景

檸條塔煤礦南翼隱伏火燒區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部。從區(qū)域地質(zhì)背景來(lái)看，鄂爾多斯盆地是在印支運(yùn)動(dòng)后形成的陸相盆地，經(jīng)歷了中晚三疊世、早侏羅世、中侏羅世和早白堊世4 個(gè)主要盆地沉積階段，晚白堊世以后盆地進(jìn)入后期改造階段[14]，本區(qū)域經(jīng)歷了大規(guī)模的地殼隆升，使研究區(qū)下白堊統(tǒng)全部、中侏羅統(tǒng)部分地層遭受長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕[15]，目前僅保留了中侏羅統(tǒng)直羅組部分地層。至新近紀(jì)上新世以來(lái)，本區(qū)域經(jīng)歷了多次整體沉降與抬升，形成了新近系上新統(tǒng)保德組、第四系中更新統(tǒng)、上新統(tǒng)和全新統(tǒng)松散層沉積。

鉆孔資料顯示，在隱伏火燒區(qū)，保德組紅土全區(qū)發(fā)育，厚度約為28 ～102.5 m，上覆于直羅組下段地層之上，呈不整合接觸關(guān)系。根據(jù)鉆孔揭露，保德組紅土層未被火燒，而1-2上煤層之上延安組地層和直羅組下段下部地層被煤層自燃火燒。說(shuō)明本區(qū)直羅組地層沉積之后，新近系保德組紅土沉積之前，曾經(jīng)發(fā)生整體隆起，先前形成的侏羅系、白堊系地層遭受風(fēng)化剝蝕，并使1-2上煤層出露地表，在當(dāng)時(shí)干熱氣候條件下發(fā)生自燃而使煤層頂板巖石發(fā)生火燒并形成燒變巖[4,16]。至新近紀(jì)上新世，該區(qū)域結(jié)束了隆起，地殼下沉形成了保德組紅土沉積，覆蓋了1-2上煤火燒區(qū)，形成深埋于地下的隱伏火燒區(qū)。結(jié)合區(qū)域沉積構(gòu)造演化歷史，該隱伏火燒區(qū)的形成時(shí)代應(yīng)為早白堊世之后，上新世之前。

2 隱伏火燒區(qū)特征

2.1 隱伏火燒區(qū)燒變巖特征

燒變巖一般可分為烘烤巖、燒結(jié)巖和類(lèi)熔巖3種類(lèi)型[17]。根據(jù)鉆孔資料，研究區(qū)燒變巖分布面積僅1.58 km2，厚0.3 ～17.6 m，均為烘烤巖。這主要是由于1-2上煤層厚度（平均厚度1.72 m）薄，自燃時(shí)產(chǎn)生的熱量少，其圍巖只受到輕微烘烤，基本保持了原始沉積巖層理構(gòu)造特征，只是巖石顏色因火燒發(fā)生變化而呈現(xiàn)為淺紅色。

為分析研究區(qū)隱伏燒變巖的形成和發(fā)育特征，根據(jù)鉆孔資料，編制了研究區(qū)及其周邊新近系上新統(tǒng)保德組底板即基巖頂面等高線圖，由于該區(qū)地層近于水平，該等高線圖也近似代表了上新統(tǒng)保德組紅土沉積前的古地形，隱伏火燒區(qū)及其周邊上新統(tǒng)沉積前古地形圖如圖2。

圖2 隱伏火燒區(qū)及其周邊上新統(tǒng)沉積前古地形圖Fig.2 Pre-sedimentary paleotopographic map of the concealed burning area and its surrounding area

從圖2 可以看出，在上新統(tǒng)保德組沉積之前，隱伏火燒區(qū)東側(cè)及北側(cè)地勢(shì)整體較高，南側(cè)蘆草溝溝谷一帶地勢(shì)較低，反映保德組沉積前蘆草溝溝谷一帶剝蝕作用強(qiáng)于火燒區(qū)東側(cè)及北側(cè)區(qū)域。由于煤層自燃一般是煤層出露地表遭受風(fēng)氧化內(nèi)部聚熱而引起的，因此推測(cè)在研究區(qū)及其周邊東北高、西南低的古地形條件下，1-2上煤層隱伏火燒區(qū)內(nèi)可能存在1條窄小的古沖溝，即圖中位于HS2 和K10、BK42 鉆孔之間1-2上煤剝蝕邊界所勾畫(huà)的區(qū)域，使1-2上煤層出露地表與氧氣接觸，從而自燃。

研究區(qū)燒變巖發(fā)育于延安組1-2上煤層與直羅組風(fēng)化基巖之間。從垂向來(lái)看，隱伏火燒區(qū)1-2上煤上覆基巖組合關(guān)系大致可分為3 種類(lèi)型：①Ⅰ型（燒變巖-風(fēng)化基巖組合）：多分布于隱伏火燒區(qū)中部區(qū)域內(nèi)，1-2上煤層完全燃燒；②Ⅱ型（煤層-燒變巖-風(fēng)化基巖組合）：大范圍分布于隱伏火燒區(qū)，1-2上煤未完全燃燒，尚有殘留煤；③Ⅲ型（煤層-燒變巖-正?；鶐r-風(fēng)化基巖組合）：分布于隱伏火燒區(qū)局部邊界地帶，1-2上煤未火燒殆盡，燒變巖與風(fēng)化基巖之間還夾有一定厚度的未火燒、未風(fēng)化的正?；鶐r。從平面來(lái)看，最大的特點(diǎn)是“隱伏”，即燒變巖深埋于地下，未出露地表。其次，在火燒區(qū)內(nèi)部，燒變巖和風(fēng)化基巖大多處于直接接觸狀態(tài)，僅在火燒邊界附近，燒變巖厚度較薄，未能與風(fēng)化基巖直接接觸。隱伏火燒區(qū)及周邊地層空間關(guān)系示意圖如圖3。

圖3 隱伏火燒區(qū)及周邊地層空間關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of spatial relationship between concealed burning area and surrounding strata

2.2 隱伏火燒區(qū)主要含水層及其水力聯(lián)系

燒變巖在我國(guó)西部侏羅紀(jì)煤田大面積分布，因其孔隙、裂隙等較為發(fā)育，為地下水的運(yùn)移、存儲(chǔ)提供了良好的空間，且燒變巖水常與上覆風(fēng)化基巖水、第四系松散層水以及地表水存在密切的水力聯(lián)系，常一起成為礦區(qū)的主要充水含水層[18-19]。根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，研究區(qū)內(nèi)第四系風(fēng)積沙層為透水層、局部發(fā)育的上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組為富水性中等的含水層、中更新統(tǒng)離石黃土為極弱含水層、新近系保德組紅土為普遍發(fā)育的隔水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組風(fēng)化基巖為富水性中等的承壓水含水層、1-2上煤燒變巖為富水性中等的承壓水含水層，未風(fēng)化的直羅組和延安組地層為富水性弱的承壓水含水層。研究區(qū)1-2上煤燒變巖含水層與風(fēng)化基巖含水層大多直接接觸而連為一體，水力聯(lián)系密切，形成統(tǒng)一含水層，其單位涌水量為0.009 7～0.179 9 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.077 2～2.092 3 m/d。1-2上煤燒變巖之下為檸條塔井田的主要可采煤層2-2煤層，其厚度達(dá)6.85 m，距1-2上煤層平均間距26.6 m，開(kāi)采所形成的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э芍边_(dá)燒變巖與風(fēng)化基巖含水層。因此，影響燒變巖下伏煤層開(kāi)采的主要含水層為連為一體的風(fēng)化基巖和燒變巖統(tǒng)一含水層。隱伏火燒區(qū)及其周邊風(fēng)化基巖+燒變巖含水層等水位線圖如圖4。

由圖4（a）可知，在2014 年4 月時(shí)，水位最高點(diǎn)位于鉆孔J9 處，最低點(diǎn)位于鉆孔SK11 和SK8 處（S1210 突水點(diǎn)附近）。整個(gè)隱伏火燒區(qū)含水層水的補(bǔ)給來(lái)源主要為火燒區(qū)的西北側(cè)和北側(cè)區(qū)域風(fēng)化基巖水的側(cè)向補(bǔ)給，地下水通過(guò)風(fēng)化帶中的裂隙，由水頭高的西側(cè)和北側(cè)區(qū)域流入隱伏火燒區(qū)，再向水頭低的西南部徑流，最終排泄至蘆草溝。

近年來(lái)，隨著檸條塔井田南翼2-2煤層的不斷開(kāi)采擾動(dòng)，隱伏火燒區(qū)北側(cè)采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致風(fēng)化基巖含水層地下水流場(chǎng)發(fā)生了巨大的變化。由圖4（b）可知，水頭最高點(diǎn)和最低點(diǎn)位置基本沒(méi)有大的改變，但在隱伏火燒區(qū)及周邊地下水流場(chǎng)發(fā)生了較大變化。特別是隱伏火燒區(qū)西側(cè)區(qū)域，地下水補(bǔ)給方向甚至出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。由于隱伏火燒區(qū)及其周邊風(fēng)化基巖含水層水向礦井的不斷排泄，導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降，2014—2019 年隱伏火燒區(qū)北側(cè)鉆孔K1-1 附近地下水頭下降達(dá)10 m。

圖4 隱伏火燒區(qū)及其周邊風(fēng)化基巖+燒變巖含水層等水位線圖Fig.4 Groundwater flow field diagrams of the concealed burning area and surrounding weathered bedrock

3 隱伏火燒區(qū)含水層富水性評(píng)價(jià)

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了查明隱伏火燒區(qū)主要含水層的富水性變化特征，在研究區(qū)及其周邊開(kāi)展了鉆孔抽水試驗(yàn)及電法、核磁共振等物探工作，將風(fēng)化基巖含水層鉆孔單位涌水量（X1）、燒變巖含水層鉆孔單位涌水量（X2）、風(fēng)化基巖視電阻率（X3）與燒變巖視電阻率（X4）、核磁共振勘探含水率（X5）與滲透系數(shù)（X6）共6 種成果圖在GIS 中生成指標(biāo)專(zhuān)題圖，隱伏火燒區(qū)各類(lèi)勘探成果數(shù)據(jù)專(zhuān)題圖如圖5。

圖5 隱伏火燒區(qū)各類(lèi)勘探成果數(shù)據(jù)專(zhuān)題圖Fig.5 Thematic images of various exploration results data in the concealed burning area

3.2 確定權(quán)重

數(shù)據(jù)量化后，采用因子分析法提取成果數(shù)據(jù)中的因子，并求出各個(gè)成果數(shù)據(jù)的權(quán)重。因子分析法[20-22]由C Spearman 最早提出，是1 種壓縮原始數(shù)據(jù)和提取數(shù)據(jù)的方法，其可以在樣本數(shù)據(jù)信息損失盡可能小的情況下，將原本數(shù)量眾多復(fù)雜且存在信息重疊甚至相互矛盾的原始數(shù)據(jù)化繁為簡(jiǎn)，轉(zhuǎn)化成為若干項(xiàng)綜合性指標(biāo)，其基本原理與計(jì)算步驟如下：

詞匯無(wú)疑是英語(yǔ)教學(xué)中的一大難點(diǎn)。無(wú)論是應(yīng)付各種英語(yǔ)考試還是實(shí)際運(yùn)用，它都離不開(kāi)詞匯。在對(duì)學(xué)生的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，背單詞是大多數(shù)學(xué)生在英語(yǔ)學(xué)習(xí)中會(huì)提出的困難之一。通常，老師會(huì)告訴學(xué)生他們可以用多媒體來(lái)減輕單詞的背誦。眾所周知，背誦單詞需要眼睛、嘴巴、耳朵和手的共同訓(xùn)練，才能達(dá)到我們想要的背誦效果。多媒體技術(shù)在詞匯的應(yīng)用中運(yùn)用了聲音、圖像、動(dòng)畫(huà)，充分調(diào)動(dòng)感官世界，很好地為我們攻克了背單詞的難題。

1）對(duì)原始成果數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。假設(shè)原始成果數(shù)據(jù)X=（x1，x2，…，xp），對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使其均值、方差分別等于0 和1，處理方程為：

2）求相關(guān)系數(shù)矩陣R 及其對(duì)應(yīng)的特征根λ 與特征向量I。采用標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)=（，，…），計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R，得到相關(guān)矩陣后，進(jìn)一步計(jì)算該矩陣的特征根與特征向量，分別記為λi、li，其中i=1，2，…，p。

3）計(jì)算公共因子及載荷矩陣。計(jì)算結(jié)果顯示，此時(shí)公共因子fi=li·（x1，x2，…，xp）′。

4）旋轉(zhuǎn)載荷矩陣，獲得具有專(zhuān)業(yè)性解釋的公共因子。

5）根據(jù)公共因子及其表達(dá)方程，確定各成果數(shù)據(jù)權(quán)重。

采用上述步驟，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣為：

相關(guān)矩陣特征根及其占比特征見(jiàn)表1。

表1 相關(guān)矩陣特征根及占比統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of characteristic roots and percentages of correlation matrix

由上述2 個(gè)因子表達(dá)式可以看出，f1表達(dá)式與風(fēng)化基巖鉆孔單位涌水量呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)化基巖電阻率呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明f1表達(dá)式更能反映隱伏火燒區(qū)風(fēng)化基巖含水層富水特征；而f2與燒變巖鉆孔單位涌水量呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與燒變巖電阻率呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，說(shuō)明f2表達(dá)式更能反映隱伏火燒區(qū)及周邊燒變巖含水層富水性特征。進(jìn)而可以求出各勘探數(shù)據(jù)在隱伏火燒區(qū)統(tǒng)一含水層富水性評(píng)價(jià)中的權(quán)重，富水性評(píng)價(jià)權(quán)重系數(shù)表見(jiàn)表2。

表2 富水性評(píng)價(jià)權(quán)重系數(shù)表Table 2 Table of weight coefficients for water richness evaluation

根據(jù)前人認(rèn)識(shí)，在滿(mǎn)足Dupuit 假設(shè)條件下，承壓含水層地下水向完整井的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足承壓水井的Dupuit 公式，即：

式中：Q 為抽水量，m3/s；K 為滲透系數(shù)，m/s；M 為含水層厚度，m；sw為水位降深，m；R 為影響半徑，m；rw為抽水井孔徑，m。

將式（3）兩側(cè)同時(shí)除以sw，即可得到鉆孔單位涌水量計(jì)算公式：

式中：q 為鉆孔單位涌水量，L/（s·m）。

鉆孔單位涌水量與承壓含水層導(dǎo)水系數(shù)T=KM呈線性相關(guān)。隱伏火燒區(qū)內(nèi)風(fēng)化基巖含水層與燒變巖含水層垂向上直接接觸，水力聯(lián)系密切，2 個(gè)含水層的綜合導(dǎo)水系數(shù)是各自導(dǎo)水系數(shù)之和，即：

因此隱伏火燒區(qū)統(tǒng)一含水層的富水性特征能夠通過(guò)2 個(gè)公共因子表達(dá)方程的系數(shù)最終確定統(tǒng)一含水層富水性評(píng)價(jià)的權(quán)重。

3.3 GIS 疊加結(jié)果

利用GIS 的空間疊加功能，將歸一化處理后的成果數(shù)據(jù)，按照上述權(quán)重系數(shù)疊加復(fù)合為統(tǒng)一含水層富水性指標(biāo)，并對(duì)隱伏火燒區(qū)及周邊富水性進(jìn)行評(píng)價(jià)分區(qū)，隱伏火燒區(qū)統(tǒng)一含水層富水性分區(qū)圖如圖6。

圖6 隱伏火燒區(qū)統(tǒng)一含水層富水性分區(qū)圖Fig.6 The water-rich zoning diagram of the uniform aquifer in the concealed burning area

從圖6 可以看出，在隱伏火燒區(qū)北部和西部小范圍內(nèi)為強(qiáng)富水性區(qū)；隱伏火燒區(qū)內(nèi)北西-南東方向呈帶狀大部分區(qū)域?yàn)橹械雀凰詤^(qū)；隱伏火燒區(qū)東部及北部部分區(qū)域富水性為相對(duì)較弱區(qū)；隱伏火燒區(qū)外北側(cè)為弱富水性區(qū)。

將評(píng)價(jià)結(jié)果與檸條塔井田南翼S1233 工作面巷道井下探放水孔的涌水量進(jìn)行對(duì)比分析，S1233 工作面井下探放水鉆孔涌水量見(jiàn)表3。

表3 S1233 工作面井下探放水鉆孔涌水量Table 3 Underground water exploration and release borehole water gushing in S1233 working face

由表3 可以看出：預(yù)測(cè)富水性相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域，探放水孔的涌水量也相對(duì)較大，與此同時(shí)，巷道向南側(cè)施工的探放水孔涌水量普遍大于巷道北側(cè)區(qū)域，與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，反映當(dāng)前隱伏火燒區(qū)含水層富水性評(píng)價(jià)結(jié)果效果較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）隱伏火燒區(qū)內(nèi)燒變巖均為烘烤巖。1-2上煤上覆基巖組合形式可分為3 類(lèi)：即Ⅰ型（燒變巖-風(fēng)化基巖組合）、Ⅱ型（煤層-燒變巖-風(fēng)化基巖組合）、Ⅲ型（煤層-燒變巖-正常基巖-風(fēng)化基巖組合）。

2）隱伏火燒區(qū)1-2上煤層自燃形成的燒變巖形成于早白堊世末至上新世沉積之前，古沖溝的發(fā)育和干熱氣候條件為隱伏火燒區(qū)的形成提供了客觀條件。

3）研究區(qū)燒變巖含水層與風(fēng)化基巖含水層水力聯(lián)系密切，可將其視作統(tǒng)一含水層，因子分析法與GIS 空間分析法相結(jié)合，能對(duì)含水層富水性進(jìn)行較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。