河兴梁井田烧变岩含水层水文地质特征分析

邵新风,宋一民,冯学琳,张丽伟

(1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司,陕西 西安 710021;2.榆林河兴梁煤业有限责任公司,陕西 榆林 719300;3.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,陕西 西安 710021)

0 引言

河兴梁井田地处我国西北内陆,为典型的中温带半干旱大陆性气候,干旱少雨,水资源匮乏。根据地表出露和钻孔揭露,河兴梁井田2-2煤层由露头处向深部延伸全部自燃,并使其上覆基岩遭受烧灼烘烤,导致岩体结构变形,孔隙、裂隙和孔洞发育,为地下水的径流、储存提供了良好的空间。烧变岩含水层作为特殊的含水体,为当地提供了大量的优质地下水资源,同时,巨量的地下水体对矿井安全开采也构成了一定威胁。因此,查清烧变岩含水层水文地质特征对煤炭开采、水资源的开发利用与保护具有重要意义。

1 井田概况

河兴梁井田位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区东南部,行政区划隶属神木市高家堡镇和榆阳区大河塔镇管辖,为陕西榆神能源开发建设集团有限公司所属矿井,成立于2020年3月5日。井田面积105.02 km2,设计产能1.20 Mt/a。可采煤层3层,分别为3-1、4-3、5-3煤层。

井田位于陕北黄土高原北部,毛乌素沙漠东南缘,为风沙地及黄土梁峁地貌,地形总体西北高、东南低。井田地层由老至新依次为:三叠系上统永坪组,侏罗系下统富县组、中统延安组,新近系上新统保德组,第四系中更新统离石组、上更新统萨拉乌苏组、全新统河流冲积层及风积沙。

2 井田水文地质条件

2.1 地表水

井田内大的水系为北部的红柳沟和南部的扎林川,均为秃尾河一级支流,2条河流自西向东径流于井田外汇入秃尾河。区内小的沟流如沙岔沟、香水沟、红崖沟、中沙沟和吴家沟,均为季节性水系。根据水质化验资料,大部分地表水属淡水,矿化度0.317 g/L,总硬度100 mg/L,pH值为7。

井田及其周边范围内存在香水沟水库和吴家沟水库2座水库。香水沟水库位于红柳河支沟的香水沟内,为砌石拦坝,控制流域面积为5.6 km2,兴利库容为56.8万m3,死库容为2.5万m3,设计总库容为71.4万m3。主要补给水源为香水沟沟脑的烧变岩泉水。根据本次调查,香水沟沟脑有泉点7处,全流量共计203.78 L/s,为香水沟水库的补给水源。吴家沟水库位于扎林川支沟的吴家沟内,为土拦坝,平均水深约4 m,蓄水面积2 000 m2,主要补给水源为沟脑的沙层泉水及大片芦苇湿地渗水,水源补给较小,坝口排泄流量为1.24 L/s。

2.2 地下水含(隔)水层

根据地下水埋藏条件及水力特征,将井田内含水层划分为第四系潜水含水层、中生界碎屑岩类裂隙及孔隙承压水、烧变岩孔隙、裂隙潜水3类。如图1所示。

图1 萨拉乌苏组含水层分布示意

2.2.1 第四系潜水含水层

第四系全新统冲、洪积含水层:分布于红柳沟、扎林川及其支沟的沟谷、漫滩及阶地,岩性以细砂、中粗砂为主,厚度3～10 m,水位埋深小于5 m,矿化度小于0.4 g/L,为HCO3—Ca·Mg或HCO3—Ca型水,富水性中等。

第四系上更新统萨拉乌苏组含水层:分布于井田东部,出露于滩地及沙丘低洼处,岩性主要为中沙、细沙及粉沙,含水层厚度2.86～26.56 m,单位涌水量0.084 84～0.412 7 L/(s·m),渗透系数1.600 6～4.977 5 m/d,富水性弱-中等,水化学类型HCO3—Ca·Mg型,矿化度小于0.3 g/L。

2.2.2 新近系保德组红土隔水层

除局部沟谷地段未见外,新近系红土基本全井田分布,钻孔揭露厚度为0～125.64 m,厚度西部较厚,东部较薄,厚度约30～50 m,平均厚度33.75 m。岩性以棕红色粘土、亚粘土为主,为井田内主要隔水层。

2.2.3 中生界碎屑岩类裂隙孔隙含水层

风化基岩裂隙承压含水层:平均厚度约7 m。由于受风化后其颜色较复杂,多为灰黄色,黄绿色,黄褐色等,其结构较疏松,裂隙较发育,含水岩性以细粒砂岩、粉砂岩为主。单位涌水量0.004 0～0.170 8 L/(s·m),渗透系数0.011 5～1.208 8 m/d,水化学类型为HCO3—Ca·Mg或HCO3—K·Na型,矿化度0.268～0.325 g/L,富水性弱-中等。

正常基岩裂隙承压含水层:岩性主要为中、粗、细粒砂岩,单位涌水量远小于0.01 L/(s·m),为富水性弱含水层。

中生界隔水层:在中生界各组地层中泥岩、砂质泥岩、粉砂岩与中、细粒砂岩均呈相互交替存在,泥岩、砂质泥岩、粉砂岩厚度约占各组(段)的一半多,是相对隔水层。

2.2.4 烧变岩孔隙、裂隙承压含水层

烧变岩孔隙、裂隙含水层主要分布于井田西部,面积48.88 km2。在香水沟沟脑、沙岔沟龙王庙附近出露于地表。钻孔揭露厚度0.9～41.44 m,平均厚度18.67 m。根据抽水试验数据,烧变岩含水层单位涌水量为0.002 08～87.236 L/(s·m),渗透系数为0.039 34～217.91 m/d,如图2所示。

图2 烧变岩厚度等值线

2.3 地下水的补给、径流及排泄条件

潜水面起伏与地形起伏基本一致,并受基岩顶面形态影响,径流主要受地形控制,本区南北部地形受红柳沟、扎林川及中沙沟切割较为严重,中部大面积梁峁地带较为平坦,地下水一般是从地形较高的梁峁及斜坡顶部向两侧沟谷及坡角运移,径流条件较好,流向由高至低宏观上与现代地形一致,局部受地层结构的影响流向有所改变。潜水多以下降泉、侧向径流形式排泄于河流、沟谷之中。

3 烧变岩含水层分布及水文地质特征

3.1 烧变岩含水层分布特征

烧变岩孔隙、裂隙含水层因煤层自燃形成的张性裂隙及气孔状构造使其具有良好的储水空间,但因火烧程度不同,裂隙发育不均匀,含水层富水性在垂向和横向上均有较大变化,勘探施工的多个钻孔在钻进至烧变岩段时均出现泥浆大量漏失现象(漏失量均大于9 m3/h)。从垂向分布分析,具有明确的分带特征:自上而下分成了烘烤岩、烧结岩和类熔岩,如图3所示,其破碎程度总体上也是自上而下逐渐增加。

图3 烧变岩垂向分层特征

3.2 烧变岩含水层岩性特征

钻探施工中,遇烧变岩钻孔大都发生不同程度的漏水,特别是勘探施工的X27、X31、X35、X5、水X3、水X21等钻孔在钻进至烧变岩地段时均出现泥浆大量漏失现象(漏失量均大于9 m3/h),因堵漏不成,钻机不得不下套管止水进行施工,甚至X27钻孔堵漏不住,采用清水钻进施工,同时,钻具陷落掉块、卡钻等现象频发。

据水文测井,烧变岩潜水井液电阻率曲线ρ反应很明显。根据电视窥视法勘探,烧变岩段下部裂隙非常发育,10 cm以上大裂隙达4、5处以上,如图4所示。烧变岩地层岩体破碎,具有大量的气孔、烧变裂隙及炉渣状构造的空洞。烧变裂隙呈不规则的交错网状,上部窄小、下部宽大。烧变岩含水层导水性强,储水空间开阔,径流通畅,含水层底板埋藏在侵蚀基准面以下,形成大的储水构造。

图4 水X21钻孔烧变岩层段电视窥视照片

3.3 烧变岩含水层水文地质特征

根据钻孔抽水试验资料,见表1。烧变岩含水层单位涌水量为0.002 08～87.236 L/(s·m)。将烧变岩含水层划分为4个富水性区(弱、中等、强、极强),渗透系数为0.039 34～217.91 m/d,如图5～6所示。总体上井田内的含水层较强,呈现出自南向北富水性逐步增强的基本特征,尤其是可行性研究中初步的先期开采区域属于井田富水性最强、烧变岩含水层渗透性最强的区域。

表1 烧变岩含水层抽水试验成果

图5 烧变岩含水层富水性分区

图6 烧变岩含水层渗透系数等高线

烧变岩水主要接受第四系松散层潜水补给,在露头地带接受降雨的入渗补给。依据烧变岩层段抽水钻孔水位标高,绘制出研究区烧变岩等水位线图,如图7所示。区内烧变岩水由南东向北西方向径流,在方家畔煤矿范围内的香水沟沟脑地带以下降泉泉群的形式排泄,最终汇集到香水沟水库。

图7 烧变岩含水层等水位线

根据长期观测资料,河流、泉流量在4月与12月初流量最小,8、9月最大,流量有季节性变化规律。根据当地气象资料,4月为解冻期,7、8、9月份为全年降雨集中期,说明烧变岩水与大气降水、地表水关系极为密切,具有明显的同步变化特征。

由于烧变岩孔洞裂隙发育,为地下水的储存及运移提供了有利条件,同时,其水化学类型较单一,矿化度较低,具有良好的供水意义和生态价值。

4 结论

(1)河兴梁井田烧变岩含水层分布于井田西部,不同区域火烧程度不同,裂隙发育不均匀,含水层富水性在垂向和横向上均有较大变化,导致在不同区域富水性差异较大。

(2)烧变岩裂隙发育,部分地区烧变岩地下水富集,接受大气降水和第四系潜水补给,以泉的形式排泄,形成烧变岩泉,烧变岩泉流量稳定且大。

(3)根据抽水试验资料,烧变岩含水层富水性总体强-极强,含水量巨大且水质良好,即威胁矿井安全生产同时也能给矿区提供良好水源,建议矿井实施保水采煤,既能高效率采煤又能充分保护水源。