将军戈壁二号露天矿火烧区综合水文地质勘察

代飞龙

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉，831100）

将军戈壁二号露天矿矿田北部有大范围火烧区存在，火烧区内含烧变岩水，火烧区边界外，有地层裂隙含水，本矿2016 年4 月16 日进行爆破作业后，采场北帮东部＋515 m 水平处出现涌水现象，涌水量约30 m3/h。至2016 年5 月1 日，在采场北帮东侧＋519 m 水平剥离作业中端帮边坡新增5 处涌水点，涌水量急剧增大达到400 m3/h；2016 年5 月4 日，采用泥质细料封堵压实止水方案对涌水点进行止水，涌水量从400 m3/h 降低至80 m3/h。至2017 年9 月，北帮东侧＋475 m 平盘不再渗水，渗水区域主要在东帮北侧＋500 m 坡面。为保证露天开采正常运行，减少地下水对内排土场及采掘场边坡稳定性的影响，将二矿积极采取措施，目前已在北帮东侧＋515 m 平盘、东帮北侧＋455 m 平盘、采掘场坑底形成排水沟和集水坑，安装排水设备，将北帮、东帮等部位涌水排至地表水池。在确保涌水不再流入采场坑底的基础上，每日完成＋515 m 水平抽水量约3 000 m3。《煤矿防治水细则》中要求，防治水工作应当“坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则。采场北部火烧区涌水，对安全生产造成较大影响，需要对火烧区边界、火烧区赋水范围、富水情况、水文地质参数等进行全面勘察[1-2]，并结合以往物探、钻探、水文资料，综合评价烧变岩富水区富水情况及突水性，为进一步研究采场北部火烧区治理方案提供依据。

1 物探基本原理及地球物理特征

1）电法探测地球物理特征。电法探测方法是利用岩石导电性，确定岩层电阻率值，进而划分地层特性。一般情况下，泥岩电阻率值小于粉砂岩小于中粗砂岩的电阻率值，电阻率值呈递增趋势。地层稳定时，垂直方向上电阻率的变化规律基本一致，而砂岩中含水时，由于水体良好的导电性，与周边岩体产生明显导电差异性[3-4]，所有利用电磁法进行水文地质探测的前提。将二矿浅部地层为第四系冲积层，土层电阻率相对为低阻；第四系下部含煤西山窑组为电阻率相对高阻，深部三叠系粉砂岩和细砂岩电阻率相对低阻[5]。将二矿地层剖面从上至下电性变化特征表现为低阻-高阻-低阻。本次电法探测的目标层为西山窑组，其电阻率相对高阻；而目标层北侧烧变岩积水有侧向补给时，将使受补给影响区的高阻电性地层转为相对低阻地层，根据这一特征，从而圈定地下水位置和范围显现。上述不同条件下的电性变化就是本次电法探测的地球物理前提。

2）磁法地球物理特征。煤系沉积岩地层，煤层及岩层稳定性及均一性较好，一般变质程度低，其磁化率和剩余磁化强度均较低，磁化强度变化范围较小。若煤层自燃，高温致使煤层和岩层所含黄铁矿、菱铁矿等铁质结核受热变质，变质结核具有较强热剩磁，磁化率和剩余磁化强度大幅度增高，形成明显的磁性异常区域，根据烧变煤岩层磁化变化特征用于勘探火烧区范围。

2 物探概况

本次瞬变电磁法探测区域共布置测线32 条，测点3 316 个，基本测网密度40 m × 20 m，磁法探测区域共布置测线46 条，测点3 037 个，基本测网密度40 m × 20 m，均采用连续偶数对测点和测线进行编号。高密度电法在瞬变电磁法探测区域内共布设测线10 条，电极间距10 m，总长度15.52 km，测点1 552 个。参照测区施工环境和地球物理条件，在采用磁法探查煤层火烧区边界的基础上，使用瞬变电磁法和高密度电法探查煤层火烧区富水情况[6]。

2.1 瞬变电磁法试验

1）接收机一致性。对投入的接收机进行了一致性试验，各接收机采集的二次场电压衰减曲线随时间的增加均呈依次衰减趋势，符合瞬变电磁法二次场衰减规律，接收机同一时间范围内所采集的信号大小基本一致，数据点重合较好，可以用于本次瞬变电磁法勘探施工。接收机的均方相对误差最大为2.4%，满足规范小于7.5%的要求。

2）接收探头一致性。试验采用同一地点、同一发射机、同一接收机、相同激发参数的条件，依次用4个探头进行数据采集，对其数据进行一致性分析，并对各探头适用性予以判断。4 个探头的均方相对误差最大为2.6%，满足规范小于7.5%的要求。

3）噪声分析。试验区随机噪声电平曲线，大小主要集中在0～2 μV 间范围内。采用边长240 m 发射线框，25 Hz 工作频率参数进行有效信号采集，发射电流大于15 A 时，试验区随机噪声电平曲线，接收机采用频率25 Hz 时采集的二次场衰减信号随时间的增加呈逐渐衰减的趋势，曲线较光滑，表明对随机噪声的压制效果较好[7-8]。

4）试验参数与效果分析。采集的数据以衰减曲线、断面图的形式分析如下：二次场信号均随时间的增加呈逐渐衰减的趋势，衰减曲线在30 ms 之前都较为光滑，数据质量较高。结合电法勘探地质任务，探测目标地层由浅部到深部电性呈现“低阻～高阻～低阻”规律，与实际地层电性特征吻合很好。

5）试验结论。接收机和探头的一致性优良，当选用发射线框边长为240 m × 240 m、工作频率为25 Hz 时，所采集的数据能够有效压制测量区域随机噪声，视电阻率能够较好反映目标地层电性变化特征，可以满足勘探地质任务要求。

2.2 磁法试验

1）仪器一致性分析。对仪器的性能、观测精度和各仪器间的一致性进行现场校验，校验测量点数10个，主要观测磁力仪的测量稳定性，将仪器固定于正常地层区域，让仪器自动测量，计算测量时间段内单位时间磁场变化值的离差情况，经检测测量的平均离差在±2 nT 之间，证明仪器工作状态正常。

2）仪器噪声水平分析。各仪器相距大于20 m，做近似同步日变观测，周期10 s，连续读取10 个数据，2 台仪器的噪声水平均未超过0.3 nT，可见仪器的噪声水平较小且较接近。

3）基站磁场变化规律。基站连续观测4 h，读数间隔20 s，数据随着时间在10.001 111～13.951 111间呈先稳定下降后稳定上升趋势。

4）试验结论。磁法探测投入使用的仪器精度满足规范要求，可以达到本次探测要求，基站位置选择合理。

2.3 高密度电法试验

此次高密度电法要求探测深度较大，故探测跑极极距较大，测量极距间的电位差较小，为了保证探测信噪比，试验要求最小供电电流不小于200 mA，最小测量电压不小于1 mV，电极间距10 m，测量极距选择20 m。野外试验了四极和三极测深装置，结果显示三极、四极装置所测得数据结果对于异常的响应效果基本一致，与实际地层电性特征吻合，从野外现场施工效率及探测效果考虑，高密度电法最终选用三极装置进行施工。

3 物探成果资料与解释

3.1 磁法成果资料与解释

钻孔资料显示ZK001 和ZK4 号钻孔无火烧现象，ZK1701 号孔揭露B5 号煤层出现火烧。1 880～2 520 m 距离处为正常地层，磁异常曲线上△T（磁异常）值分布在－27.2～－30.78 nT 之内，数据点分布均匀；在横向距离2 540 m 处△T 值出现跳变，先跳变为54.78 nT，呈现先增大后减小，其最大负值为414.29 nT，跳变段主要集中在2 540～3 240 m 之间，正常地层△T 值与煤层火烧区剩余△T 值变化明显；煤层完整区域△T 相对稳定，数据点分布均匀，△T 值浮动变化小；烧变岩△T 值出现明显的跳变现象，其特征大致分为绝对值突然增大、无规律跳变，第16 测线磁异常剖面曲线示意图如图1。

图1 第16 测线磁异常剖面曲线示意图

3.2 电法成果资料解释

地层分布稳定、不受富水区域或含导水构造控制影响，其目标层的电阻率呈有序变化，视电阻率等值线一般分布稀疏、平缓和渐变，在断面图上呈似层状分布。当存在富水区域或含导水构造影响时，电性分布的均衡性被打破，异常区域电阻率值出现降低，等值线分布由层状转为扭曲、变形或呈密集条带等状态，可直观确定相对低阻异常体的空间赋存情况和异常强弱程度，视电阻率等值线平面图出现异常区域。

由浅层至深部，正常地层中视电阻率呈“低阻-高阻-低阻”的特征分布；在火烧煤层区域，由于火烧区成层燃烧的特征，浅层至深部呈不均匀“低阻-高阻-低阻”的特征分布。B5 煤层火烧区附近分布的不均匀高阻闭合圈，与不含水或含水量较少的烧变岩高阻电性规律一致，而不均匀的电性分布规律也预示着地层性质不均一，或者可以推断为裂隙较发育，位于上部煤层火烧区以上或附近的低阻区，推断其与烧变岩裂隙局部充水有关系，将类似低阻区称之为低阻异常区。在上下各煤层均出现已被火烧的现象时，其地层岩性受烘烤程度较大，煤层燃烧后形成的空间较大，会导致上部岩层垮塌，裂隙发育（空间越大，垮塌高度越高，裂隙越发育），为水的储存创造了有利条件，同时接受上部含水层或大气降水的补给就变得相对容易，故出现了断面图中的强低阻异常区，推测此火烧区域内含/富水性较强。

野外施工期间，在测区内补充了高密度直流电法，其探测结果与TEM 相吻合。

3.3 富水区综合推断

1）磁法和瞬变电磁法（TEM）数据对比分析与解释。火烧区烧变岩电性与正常地层电性差异性较大，TEM 数据在烧变岩不含水时中为高阻反映，而当其含富水或强富水时数据反映为相对低阻状态。根据实验结果，富水煤层和火烧区位于视电阻率断面图中的低阻区域内，与磁异常绝对值缓变增大的特征区域相吻合。

2）磁异常化极平面图分析与解释。结合磁异常视磁化率平面图及钻孔资料，正常地层磁异常变化均匀，视磁化率等值线变化平缓，未出现明显的跳变现象；火烧异常区填充的颜色在较短的距离范围内呈阶梯状突变现象，等值线较密集，结果与磁法探测结果吻合。

3）火烧区边界综合推断。结合视磁化率平面图、各测线剖面曲线图和TEM 资料，综合推断煤层的火烧区边界。

烧变岩富水区域由火烧区范围、烧变地层裂隙发育、含水层的富水性等影响。通过以上物探方法，结合地质地形资料、煤层产状资料、端帮出水范围、裂隙发育程度、水文地质资料等，对富水区分布进行了综合推断，确定大范围低阻异常区推断为富水火烧岩，推断煤层火烧边界示意图如图2。

图2 推断煤层火烧边界示意图

4 水文地质钻探补勘工作

通过水文地质钻探、抽水试验、水平探放孔、水文地质测井、水质全分析、同位素分析等补勘方法，查清了矿区东北部水文地质参数，为烧变岩的水害评估提供科学依据。

4.1 水文地质试验

水文地质补充勘探地面钻孔进行单孔抽水试验与群抽水试验结合方式，抽水试验孔均穿过烧变岩含水层，烧变岩含水层为潜水含水层、层顶界有自由水界面，因此参考潜水完整井计算公式进行参数技术。计算结果：单位涌水量15.9～17.36 L/（s·m），渗透系数74.6～93.1 m/d，影响半径197.3～239.8 m。

4.2 水质全分析

在补勘过程中，采取水质全分析样。通过研究地下水水化学成分及其特征，了解地下水循环条件，用于判断不同地下水源，研究和解释矿区地下水水文地质条件，分析地下水的成因和运移规律。在补勘过程中，总共采取水质全分析样12 组。其中在钻孔施工过程中取烧变岩水样6 组，取基岩裂隙水水样6组。地下水中含量较多的离子共有7 种Cl－、HCO3－、Na+、K+、Ca2+、Mg2+，根据水样数据分析结果，采场各处涌水均来源于烧变岩积水。

利用氚、氘和氧－18 同位素的天然示踪作用，取氚、氘和氧－18 同位素测试样研究地下水成因及地下水运移规律。研究内容：①试验确定烧变岩积水主要历史时期地表雪水融化不断入渗至烧变岩，不断累积成地下含水体；②矿区整体上不同含水层之间水力联系程度较差，烧变岩积水与原岩积水联系较差。

4.3 突水威胁性

选取科学的评价方法及标准评价北帮突水威胁性，研究内容包括北部带压现状、北帮隔水层（垂向和水平向）发育特征、岩性组合特性，岩石物理力学性质、岩体完整性。根据目前突水评价的计算方案结合将二矿的实际情况拟采用2 种评价方法：①突水系数法；②突水危险性地质评价。

突水系数作为评价突水可能性的一种方法，应用比较广泛，突水系数计算公式及评价标准如下：

式中：Ts为突水系数，MPa/m；P 为隔水层承受的水压，MPa；M 为隔水层厚度，m。

受构造破坏块段：Ts<0.06 MPa/m 属于安全区；Ts≥0.06 MPa/m 属于危险区。

正常块段：Ts<0.1 MPa/m 属于安全区；Ts≥0.1 MPa/m 属于危险区。

煤层底板突水危险性地质评价是在突水系数法的基础上，通过对煤层底板岩性和结构的分析，建立评价隔水层隔水性能和抗水压能力的岩性－结构分类，根据隔水性能和抗水压能力建立煤层底板突水危险性等级分类。

5 结语

针对新疆天池能源有限责任公司将军戈壁二号露天煤矿北帮烧变岩区，通过地质调查、瞬变电磁、磁法勘探、以及施工水平探放孔、水文地质钻探，结合已有探勘资料，并辅以抽水试验、水文地质测井、岩石物理力学性质测试、水质全分析、同位素分析等补勘方法，探明了烧变岩特征、边界、富水区边界及详细水文地质参数、综合评价突水性，结论为北帮烧变岩富水区突水风险性较小。为评价水文地质条件及安全生产提供了良好基础。