准东煤电二号矿井包气带结构渗透性能研究

陈 凯，王文科，2，李 升，张紫昭，3，储春妹，程文瑜

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

准东煤电二号矿井包气带结构渗透性能研究

陈 凯1，王文科1，2，李 升1，张紫昭1，3，储春妹1，程文瑜1

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

在对矿山地下水环境影响评价过程中，水文地质条件是其中最重要的因素之一，而包气带渗透性又是水文地质研究中的核心问题之一。准东煤田是我国规划建设的第十四个能源基地之一，为查明该矿区水文地质条件和包气带渗透性特征。本文选用双环法开展包气带渗透性能的研究，最后对矿区煤矸石浸出液进行淋溶浸出试验，研究结果表明：研究区内地下水类型主要为中新生界碎屑岩类层间裂隙孔隙水，富水性弱；研究区内包气带厚度一般在0.63～7.91 m之间，岩性均为第四系上更新统-全新统粉细砂；区内场地包气带渗透系数在0.000 167～0.002 264 cm/s之间，其防污性能级别均属于“弱”；场地内煤矸石样品浸出液在经雨水淋滤后会对地下水造成不同程度的污染。

水文地质条件；包气带；渗透性能；准东煤田

新疆作为丝绸之路经济带核心区，将建成大型煤炭-煤电-煤化工基地和国家能源资源陆上大通道。国网能源新疆准东煤电有限公司二号矿井位于准东煤田的中北部，奇台县城以北，距奇台县城140 km，距吉木萨尔县城100 km，主体隶属奇台县管辖，交通便利。准东煤田大井矿区二号井田为一多边形，北与一号井田为邻，南到乌准铁路北线，以保护煤柱及产业带公路为界，东与三号井田为邻，西部与南、北两个露天煤矿相邻。东西长12 km，南北宽12.3～13 km，面积152.42 km2。

近年来，随着准东煤田能源基地的开发，对于准东煤田能源基地煤矿开采问题，许多学者分别从煤炭地下气化、煤相、煤层自燃氧化特性、巨厚煤层开采方案设计、冲击地压等角度进行了研究[1-5]，并取得了丰硕的研究成果。但是对于矿产资源开发所引起的地下水环境问题的研究成果较为薄弱[6-9]，而包气带结构的渗透性又是水文地质研究的核心问题之一。这些对地下水和包气带结构渗透性能的研究，又与西北生态脆弱矿区的安全开采以及环境评价等内容息息相关。

因此，本文在对准东煤电二号矿井地质条件分析的基础上，结合相关研究成果[9-13]，对该矿井的含水层结构的划分、补径排特征以及地下水化学特征进行分析，并通过双环渗水试验对研究区第四系上更新统-全新统粉细砂型包气带结构的渗透性能进行研究。此外，为了能进一步了解后续矿井开发后，煤矸石对研究区土壤和地下水的污染情况，在区内进行了煤矸石淋溶浸出试验。通过对准东煤电二号矿井水文地质条件和包气带结构渗透性能的研究，可以为该矿井地下水的环境影响评价提供科学依据。

1 研究区地质条件概况

1.1 自然地理

研究区位于卡拉麦里山南麓山前一带，海拔549～840 m，地貌形态为残丘状剥蚀准平原与戈壁，地势呈现出北高南低的特点，地形较平坦。研究区属大陆干旱荒漠气候，年平均降水量为106 mm，年蒸发量1 202～2 382 mm，全年日照3 053 h，冬季积雪稀少，最大冻土深度为1.50 m。

研究区内地表无常年水流，夏季降雨形成的暂时性水流向井田以南的凹陷盆地低洼处排泄。此外，由于准东矿区北部新近系地层出露，使地下水位在此壅高，造成地下水蒸发较为强烈，形成低洼盐碱地。

1.2 地层岩性

1.3 地质构造

该大井矿区位于大井凹陷构造单元中。根据区域地质构造特征以及收集的二维、三维地震成果和钻探成果可知，研究区内主要构造为褶皱，该褶皱整体为一近似呈北西西走向，向南南西倾伏的单斜构造。此外，在研究区内未见断裂构造和岩浆岩分布。因此，研究区内构造类型简单。

2 研究区水文地质条件分析

2.1 含水层结构的划分

研究区含水层结构特征主要受地形地貌、地层岩性、地质构造、古地理环境等因素的控制，结合区内钻孔资料，可将研究区地层划分为5个含(隔)水层(段)，具体如表1所示。

表1 研究区含水岩组及隔水岩组划分表

2.2 地下水的补给、径流和排泄

研究区内地下水赋存类型主要为碎屑岩类裂隙孔隙水。其补给主要来源于上游北部卡拉麦里山区的大气降水或冰雪融水的补给，经地下长途运移后而形成。同时，部分暂时性地表洪流可通过地表岩石风化裂隙、构造裂隙、岩石孔隙或其他途径顺地层入渗补给地下水。

研究区内地下水总体流向为由北向南径流，在研究区中部由于受矿井水疏干排水的影响，在区内中部副立井局部地段形成一个降落漏斗。通过对矿井开采前后静止水位的观测比较，地下水位在矿井开采后发生了大幅度下降，导致地下水流向在研究区中部发生局部改变。

由于研究区地层主要以泥岩、粉砂岩为主，夹少量的砂岩及巨厚煤层，裂隙发育较差，因此岩层透水性和富水性都较弱，地下水径流也不畅，交替滞缓，表现出由北往南随着地层的加深及运移距离的延长，溶解性总固体含量也明显增高。此外，区内未见地下水的天然露头，地下水的排泄方式主要是沿径流方向顺势向下游或向深部运移的方式向南流出研究区之外，最后矿井的疏干排水也是地下水的排泄方式之一。

2.3 地下水化学特征

通过本阶段施工的ZK0410、ZK0412钻孔抽水试验时采集混合地层的水样分析成果，研究区地下水的水化学特征，见表2。

表2 研究区及外围地下水水化学特征表

从表2中可以看出：研究区地下水的水化学类型为SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na、Cl-Na型，pH值7.40～9.20，溶解性总固体在1 570.6～9 681.6 mg/L之间，水质较差，为微咸-咸水。因此，在研究区煤系地层中，由于岩石裂隙发育较差，且多为泥质充填，地层渗透性差，补给、径流条件较差，致使研究区地下水运移缓慢，水质较差。

3 研究区包气带渗透性能研究

原位渗水试验是一种在野外测定包气带非饱和松散岩层渗透系数的有效和简易方法，包括双环法渗水试验和单环法渗水试验两种类型[14]。但是，双环法渗水试验与单环法试验相比，双环法试验的结果更接近实际情况。因此，为了能更好的评价研究区内粉细砂型包气带渗透性能，本文采用双环法渗水试验对其进行测定。

3.1 渗水试验点分布

根据研究区工业场地的选址，并结合区内地质条件的分析，分别在研究区矸石周转场和选煤厂工业场地等两处位置分别布置2组双环法渗水试验，进而通过求取各场地包气带渗透系数，评价其渗透性能。因此，四处渗水试验点的选择具有一定的代表性和典型性。

3.2 试验方法和过程

在选好的渗水试验场地的坑底嵌入双环渗水试验仪，其中外环直径为0.5 m，内环直径为0.25 m。试验时同时往内、外铁环内注水，并保持内外环的水柱都在同一高度，以0.1 m为宜。此外，按1 min、2 min、5 min、10 min、20 min、30 min为间隔进行观测渗入水量，相同间隔时间可观测3～5次，直至单位时间渗入水量达到相对稳定，稳定时间延续3 h以上。当渗入的水量达到稳定时，再利用达西定律的原理求出野外松散地层的渗透系数。其计算公式见下式。

式中：K为渗透系数(cm/s)；Q为入渗的稳定流量(cm3/s))；ω为内环的面积(m2)。

3.3 试验结果及分析

表3 包气带渗透系数计算结果

根据表3渗水试验计算结果可知：研究区矸石周转场两组渗水试验所得渗透系数分别为0.000 392 cm/s、0.002 264 cm/s，选煤厂两组渗水试验所得渗透系数分别为0.000 207 cm/s、0.000 167 cm/s。按照《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ610-2011)包气带防渗性能分类依据，矸石周转场包气带渗透系数K>10-4cm/s且包气带岩层单层厚度0.5 m≤Mb<1.0 m，因此矸石周转场包气带防污性能为弱；选煤厂工业场地渗透系数K>10-4cm/s且包气带岩层单层厚度Mb>1.0 m，因此选煤厂工业场地包气带防污性能也为弱。

4 煤矸石淋溶浸出试验

在对研究区包气带渗透性能研究的基础上，为了能进一步了解后续矿井开发后，煤矸石对研究区土壤和地下水的污染情况，在区内采集了三组煤矸石样进行室内煤矸石淋溶浸出试验，对煤矸石淋溶浸出试验分析煤矸石中As、Pb、Cd、Cr+6、Cu、Zn、pH值、汞、氟化物、硫化物等元素浸出液中有害成分浓度与《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)和《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级标准浓度限值的对比结果，最终判定煤矸石的属性。研究区煤矸石淋溶浸出试验结果如表4所示。

表4 研究区煤矸石淋溶浸出试验结果表

按照《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)和《污水综合排放标准》(GB8978-1996)对煤矸石浸出液进行危险废物鉴别，评价结果显示：三组煤矸石样中除氟化物和硫化物浸出液浓度超过《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中第二类污染物最高允许排放量浓度一级标准值，其余检测项目按照规范要求均未超标。因此判定堆放在排矸场的煤矸石经雨水淋滤后会对地下水造成不同程度的污染。

5 结论

本文通过对准东煤电二号矿井水文地质条件和包气带结构渗透性能的分析和研究，可以得出以下结论。

1)研究区内地下水类型主要为中新生界碎屑岩类层间裂隙孔隙水。区内地下水的补给主要来源于上游北部卡拉麦里山区的大气降水或冰雪融水，地下水总体流向为由北向南。在研究区中部由于受矿井水疏干排水的影响，副立井局部地段形成一个降落漏斗，导致地下水流向在研究区中部发生局部改变。地下水的排泄方式除沿径流方向向南流出研究区之外，矿井的疏干排水也是地下水的排泄方式之一。

2)研究区内包气带岩性结构主要为第四系上更新统-全新统粉细砂地层，岩性成分主要为长石、石英等。选煤厂工业场地包气带控制厚度为6.30～9.90 m，平均厚度为7.91 m；矸石周转场包气带控制厚度为0.20～1.10 m，平均厚度为0.63 m，均为透水不含水地层。

3)根据双环渗水试验计算结果可知，研究区内场地包气带渗透系数在0.000 167～0.002 264 cm/s之间，其防污性能级别均属于“弱”；通过对煤矸石浸出液进行浸溶试验可知，三组煤矸石样中除氟化物和硫化物浸出液浓度超标外，其余检测项目按照规范要求均未超标。因此判定堆放在排矸场的煤矸石经雨水淋滤后会对地下水造成不同程度的污染。

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Study on the permeability of aeration zone in No.2 coalmine of east Junggar basin

CHEN Kai1，WANG Wenke1，2，LI Sheng1，ZHANG Zizhao1，3，CHU Chunmei1，CHENG Wenyu1

(1.College of Geology & Mining Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046，China；2.School of Environment Science & Engineering，Changan University，Xi’an 710054，China；3.School of Resource and Earth Science，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China)

Impacts assessment of mine on groundwater environment，its hydrogeology condition is one of the most important factors.Moreover，soil permeability of the aeration zone is one of the key issues in the study of hydrogeology.Eastern Junggar Coalfield is one of the fourteenth planned and constructed energy bases in China.In order to find out the hydrogeological conditions and the permeability of vadose zone in this area，this paper adopts round block technique to conduct research on the permeability of vadose zone，analyzing the soil quality and coal gangue lixivium.The results are as follows：the thickness of the vadose zone within the research area is generally between 0.63 m and 7.91 m；the lithology is fine sand in Quaternary Upper Pleistocene alluvial and pluvial formation.The seepage velocity of the vadose zone of sites in the area is between 0.000 167 cm/s and 0.002 264 cm/s.The antifouling property level is “weak”.Various kinds of test items of soils in the area in the area are under the level.At last，the coal gangue lixivium would pollute underground water after being leached by rainwater.

hydrogeological conditions；aeration zone；permeability；coalfield of east Junggar basin

2017-05-12 责任编辑：刘艳敏

新疆维吾尔自治区引进高层次人才及“天山学者”启动基金资助；中国地质调查局项目资助(编号：1212011120477)；新疆维吾尔自治区重点研发计划项目资助(编号：2016B02029)

陈凯(1985-)，男，汉，山东肥城人，讲师，2014年毕业于中国矿业大学地质工程专业，主要从事矿山水文地质、工程地质以及地质灾害的教学与研究工作，E-mail：chenk412@126.com。

王文科(1962-)，男，汉，陕西岐山人，教授，博士生导师，主要从事地下水资源合理开发与生态环境保护研究，E-mail：wenkew@gmail.com。

TD167

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1004-4051(2017)07-0164-04