新疆阜康市砂沟井田火烧区储水量预测研究

崔德广 周梓欣 王俊辉

（新疆维吾尔自治区煤田地质局，新疆 乌鲁木齐 830091）

砂沟井田内存在大量火烧情况，区内沟谷发育，未来煤矿开采时，矿井水补给有多重形式。本文采用物探手段分别划分火烧区边界，计算了砂沟井田火烧区储水量，根据预算的结果供矿井设计部门使用，为矿方在未来制定防治水措施提供了科学依据。根据中国矿业大学孙亚军老师团队多年对西北干旱地区矿井涌水量预测及科学合理利用相关研究成果[1]，针对我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈、生态环境脆弱的基本特征，合理开发利用火烧区储水量极为重要。

1 概况

砂沟井田位于新疆阜康市东南35 km，行政区划属阜康市管辖，井田东西长6.55 km，南北宽2.30 km，面积15.43 km2。地势南高北低，西高东低。南部山区山势陡峻，地形切割较强烈，冲沟发育，多为“V”型谷，局部为“U”型谷，沟谷坡度较陡；井田北部为戈壁平原区，地势平坦。全区海拔高度1001～1345 m，沟底与山顶相对高差可达80～300 m。

2 火烧区岩性特征及充水情况

区域内主要分布有4 条南北向季节性冲沟和数条小冲沟，降雨时，地表煤层火烧区部分接受降雨的直接入渗和季节性冲沟水流经火烧区断面时的向下补给，为火烧区含水带的补给水源。

因区内侏罗系下统八道湾组含煤地层所含煤层自燃，在地表形成了大面积火烧区，分布多条，对煤层产生巨大破坏作用[2-3]。另外，由于受煤层自燃影响，煤层顶底板因火烧或烘烤均已变质成烧变岩，岩石变的硬而脆，裂隙发育，透水性好，接受大气降水或地表水及第四系潜水补给，赋存大量的地下水[4]。

3 火烧区储水边界及含水层特征

3.1 火烧区储水边界的确定

根据勘查区已施工三维地震的成果资料，以及本次瞬变电磁勘探成果资料（如图1），结合地质资料成果进行对比分析，确定富水异常区的分布规律和分布范围，根据瞬变电磁异常点共划分Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区三个积水区[5]。

图1 瞬变电磁切片图

通过剖面、平面及钻探测井资料综合解释，划分确定井田内火烧区和富水区边界如图2 所示。根据施工的ZK3 孔和ZK1301 孔两个钻孔揭露火烧区地界情况，火烧区垂深大致为480 m 左右，并对两个钻孔进行了水位观测，确定了火烧区静止水位。

图2 火烧区边界确定示意图

（1）ZK1 孔中进行了火烧层富水性的抽水试验，渗透系数为0.11 m/d，单位涌水量为0.047 6 L/s·m，此孔静止水位为165.34 m，水位标高960.07 m。地下水水化学类型属SO4·HCO3—K·Na，溶解性总固体（矿化度）为5 215.00 mg/L，pH 值为9.00。

（2）ZK2 孔进行了火烧层富水性抽水试验工作，其渗透系数为0.011 m/d，单位涌水量为0.012 1 L/s·m，此孔静止水位埋深较浅，为41.50 m，水位标高为1 100.837 m。地下水水化学类型属HCO3·Cl—K·Na，溶解性总固体（矿化度）为8 825.00 mg/L，pH 值为7.40。

（3）ZK3 孔进行了火烧层富水性抽水试验工作，其渗透系数为0.52 m/d，单位涌水量为0.700 7 L/s·m，此孔静止水位埋深较深，为157.77 m，水位标高为954.60 m。地下水水化学类型属SO4·Cl—K·Na·Mg，溶解性总固体（矿化度）为2 619.00 mg/L，pH 值为8.00。

三个火烧区钻孔抽水试验结果表明，ZK3 钻孔单位涌水量较大，说明该钻孔附近火烧区富水性较强，与瞬变电磁解释结果吻合，验证了瞬变电磁的准确性。三个火烧区水质化验矿化度均较高，说明火烧区水流动性差。但ZK3 号钻孔火烧区水矿化度低于ZK1、ZK2 号钻孔，说明ZK3 号钻孔附近火烧区含水带地下水流动性强于其余两个钻孔附近火烧区富水带。

3.2 火烧区含水层特征

分布于井田中部，呈东西向条带状贯穿整个井田。井田内A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10 煤层在浅部火烧，其火烧宽度在150～400 m 之间。其中，A4 煤层火烧最低标高为643.71 m；A5 煤层最大火烧深度为728 m，标高为506.5 m；A6 煤层火烧最低标高为544.56 m；A7 煤层火烧最低标高为590.00 m；A8 煤层火烧最低标高为583.42 m；A9煤层火烧最低标高为625.43 m；A10 煤层火烧最低标高为698.72 m。如图3 所示。

图3 勘查区含水层立面投影图

在以往勘查工作区内选择3 个钻孔进行了抽水试验，抽水试验参数及水质化验成果如下：

3.3 潜水位的确定

根据钻孔单层水位观测资料，水位总体自西向东逐渐降低，结合本次钻孔及以往勘查钻孔资料确定火烧区内地下水水位标高。

4 火烧区含水层储水量的计算

4.1 火烧区含水层公式选择

火烧区含水带，分别以邻近钻孔单层水位标高为顶界。在地质剖面上圈定各剖面火烧区富水区面积（S），以相邻两条剖面之间距离划定的富水区块为单位计算火烧区含水带体积[6]。

式中：V为井田火烧区地下水静储量，m3；Vi～Vn为分块段计算体积，m3；Si～Si+1为各剖面火烧区富水带面积，m2；di为所采用相邻剖面间距离，m。

根据单孔抽水试验资料确定给水度。给水度[7]可按下式计算：

式中：V为稳定降落漏斗之体积。

式中：H为抽水前含水层厚度，m；h0为抽水稳定后，孔内水柱高度，m；R为影响半径，m；r为钻孔半径，m。λ取决于降落漏斗的形状h0/H和r/R值的系数，查表1 确定。

表1 系数λ 值

本次施工3 个火烧区钻孔，抽水试验计算给水度μ值见表2。

表2 μ 值计算结果表

为保证煤矿安全生产，μ值采用3 个钻孔中较大值计算火烧区含水层储水量。

4.2 火烧区含水层储水量计算单元

本次补充勘查未在井田东部即V～东侧矿权边界内施工钻孔，对井田东部火烧区储水量进行估算。根据瞬变电磁切片可以看出，井田范围内火烧区富水性东部强于西部，给水度根据距离较近的ZK3 钻孔给水度估算。

经上述计算可知，井田范围内首采区火烧区地下水储水量为128.20 万m3。井田内V～东侧矿权边界火烧区地下水储水量估算为122.05 万m3。砂沟煤井田火烧区总储水量为250.24 万m3。

5 结论

火烧区岩层裂隙发育，为富水性强的含水层，且接受大气降水、地表径流的补给条件好，在全井田范围内已经形成了一个互相连通的庞大水体，直接威胁着矿井的生产和安全。火烧区水是未来矿井生产的主要安全隐患之一。未来矿井在开采火烧区下部煤层时，应预留足够宽的防水煤柱，防止采动火烧区下部煤层导水裂隙带达到火烧区含水层造成水害。