露天采坑烧变岩与古冲沟区域水文地质“双探三预测”技术

牟 义，李 健，丰 莉，王 敏，刘 玉，杜明泽

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.山东科技大学资源学院，山东 泰安 271000；4.晋能控股煤业集团地质测量部，山西 大同 037000；5.华北地质勘查局综合普查大队物探院，河北 三河 065201)

本文中水文地质“双探三预测”的“双探”是指物探和钻探两种水文地质勘探技术，而“三预测”是指单位涌水量、渗透系数、涌水量三种水文地质参数的预测技术。传统水文地质手段采用数值法、解析法、水文地质比拟法、类比法、大井法、数值模拟法等方法预测矿井水文地质参数较为成熟，但与矿井实际水文地质参数存在一定偏差问题[1-2]。采用钻探抽水试验等水文地质基础工作测得矿井水文地质参数较为精确，但工期长、成本较高，不适合大范围水文地质调查[3]；物探探测理论研究及应用较为成熟，可以进行大范围勘探调查，成本较低，能够较为准确地测量物性参数，有效识别电性响应特征，探测含水体大体分布范围、强度，区分含水层空间结构，但在应用过程中，很难达到精确测定水文地质条件[4-5]。因此，本文提出“双探三预测”技术，综合“双探”技术具有物探技术探测区域范围广、钻探技术预测精度高的优点，采用物探来圈定富水区，在物探结果基础上布置钻孔，进行抽水试验，以较为精准地进行“三预测”，实现物探与防治水工作的更有效结合。

榆林市某露天煤矿穿孔队伍在该矿首采区东端帮1 125 m平台岩石平盘进行穿孔时，钻孔涌水明显，多个钻孔均有不同程度水量涌出，由于该区域紧邻火烧区边界和古冲沟区域，经过近2个月时间的疏放，水量未见衰减趋势，维持在250 m3/h左右。此外，火烧区水资源储量巨大，古冲沟区域下方渗入大量水体，相当于一个巨大的“水盆”，一旦发生突水现象，势必会给采坑造成较大的安全隐患。为了实现榆林市某露天矿的安全开采，有必要采取“双探三预测”技术进行水文地质勘探工作，采用电磁法物探、钻探及抽水试验技术查明涌水区域下部的富水区及通道范围，勘查富水区水文地质特性，并预测单位涌水量、渗透系数、涌水量等水文地质参数，为下一步治理方案编制提供依据。本次电磁法物探采用矿坑内用高密度电法、矿坑外采用瞬变电法进行分区物探，矿坑内台阶比较平、电力干扰大、距离富水区高差小，适合高密度电法探测；矿坑外地形起伏大、电力干扰小、距离富水区高差大，适合瞬变电磁法探测，圈出精准的推断富水区，进行富水区定性分析。在物探推断富水区基础上，有针对性地进行水文地质钻探和抽水试验，对物探推断富水体进行渗透系数、单位涌水量及区域涌水量预测，结合水文地质钻探，实现推断富水区从微观到宏观的定量预测。

1 试验区概况及“双探”设计

1.1 试验区概况

榆林市某露天煤矿处于陕北侏罗纪煤田榆神矿区的中部，矿田范围内含可采煤层7～8层，主要可采煤层4层，总厚最大达24.72 m，单层最大厚度12.00 m。其中，2-2煤层是该露天煤矿唯一批复露天开采的可采煤层，为近水平煤层，煤层倾角近1°，煤层主要赋存于延安组第四段顶部，埋深34.14～175.00 m，底板标高1 041.20～1 100.97 m，煤厚9.07～12.16 m，平均厚度11.13 m。首采区采掘场2-2煤层自燃边界呈不规则形状，以南北向延伸分布于勘探区东部，也是露天矿的东部边界。岩体为碎裂结构，烧变变质程度由自燃煤层向上递减。由于岩层破碎，透水性好，又地处沙漠滩地边缘，其补给来源充分，富水性强。据前期勘探资料，含水层厚度32.44～50.31 m，单位涌水量9.217 0～16.337 6 L/s·m，渗透系数28.27～28.29 m/d。

在该矿首采区东端帮1 124 m平台岩石平盘穿孔时，钻孔涌水明显，多个钻孔均有不同程度水量涌出(现场冲洗钻孔时，周边钻孔有岩粒喷出)，涌水呈喷泉状，微承压。经现场勘察，1 125 m岩石平盘东北侧东端帮古冲沟区域也有少量涌水，上述两处水源最终汇合从东南角低洼处流出，水量约为250 m3/h。平台涌水点位置如图1所示，图中圆圈部分即为穿爆孔涌水点，填充区域为风化裂隙层渗水相对集中渗水区段。

图1 东端帮涌水区域位置示意图Fig.1 Location diagram of the water gushing areain east end

1.2 分区物探设计

露天矿矿坑剥离平台距离涌水点深度较浅，甚至出水点喷射出地表，而平台大型车辆、剥挖设备、高压电缆较多，电磁干扰较多。瞬变电磁法浅部20 m之内存在探测深度盲区，且抗干扰能力较弱，而高密度电阻率法探测深度盲区较小，不超过5 m，且接触式探测相较于瞬变电磁感应式探测抗干扰能力更好，因此，本次探测采用高密度电法探测首采区东端帮矿坑平台区域、瞬变电磁法探测首采区东端帮周边未剥离区域的分区物探方法[6-7]。瞬变电磁法施工地点位于首采区东端帮北侧和东侧未剥离区域，划为分开的两块区域： 北区和东区， 测网密度为20 m×20 m，即：线距20 m，点距20 m，采用中心回线装置(每个框测中心一个测点)；高密度电法施工地点位于首采区东端帮矿坑平台，划为连续的1块区域，点距为10 m，采用温纳装置。分区物探测点测线布置如图2所示。

图2 分区物探测网布置图Fig.2 Layout of zoned detection network

1.3 水文地质钻探设计

结合相关勘探规范及地面物探成果，本次勘查设计了6个钻孔，其中，2个为地质勘查钻孔(DK-1号钻孔、BK-1号钻孔)，4个为水文地质钻孔(BK-2号钻孔、BK-3号钻孔、BK-4号钻孔以及BK-5号钻孔)，钻孔位置根据物探成果确定。

2 “双探”技术

2.1 分区物探

2.1.1 高密度电法

高密度电法解释主要依据视电阻率断面图，断面图可以分析整条测线下方不同地层的视电阻率的相对大小，圈定同层地质异常体的范围，分析异常强度[8-9]。

根据矿方提供的资料确定煤层顶板高程约为1 106 m，倾角均近似水平，主要探测煤层顶板各岩层的电性反映。 以测线为单位绘制了所有测线的电阻率断面图，采用黑色填充电阻率相对低的区域，白色填充电阻率相对高的区域，灰色为中间过渡色；目标煤层顶板各岩层，发现的异常以白色虚线标出，图3为对应典型G2线的电阻率断面图。 由图3可知，纵向由浅至深电阻率总体上呈“低阻-高阻”的变化趋势，电阻率变化较为均匀，无明显的突变，与实际地质层位的电性变化特征吻合，横向上差别较大，0～120 m附近总体表现为正常阻值，而120～350 m附近，视电阻率值逐步降低，该处在剥离过程中古冲沟较发育，现场揭露有出水点，富水性较强，吻合性较好。因此，断面图中的低阻异常推断为古冲沟下方烧变岩富水体，烧变变质程度较高，岩层破碎，透水性好。

2.1.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法解释图件与高密度电法类似，主要依靠剖面图和切片图[10]。反演电阻率断面图以典型的N5线为例解释，如图4所示，采用黑色填充反演电阻率相对低的区域，白色填充反演电阻率相对高的区域，灰色为中间过渡色；低阻异常区用白色虚线标出。由图4可知，纵向上断面图高程由上至下对应层位的反演电阻率总体上呈“低阻-高阻-低阻”的变化趋势，与实际地质层位的电性变化特征吻合；浅部低阻层变化平缓无明显突变，推断为第四系一般含水层；中部电阻率逐渐增加，中部的白色及浅灰色填充区域为相对高阻区，推断为含水较少煤岩层；深部电阻率较中部逐渐降低，呈稳定、变化平缓的低阻层，推断为煤层下方存在灰岩含水体。在测线局部存在着上下均匀联通分布的低阻异常，特别是300～400 m处和650～800 m处两处区段没有呈现“低阻-高阻-低阻”变化趋势，而是上下联通低阻异常区，断面图中发现的低阻异常推断为烧变岩富水体，由于烧变程度较高，岩层成碎裂结构，上下岩层发生水力联系，有水力补给。

图3 G2线电阻率断面图Fig.3 Sectional view of resistivity of G2 line

图4 N5线反演电阻率断面图Fig.4 Cross-sectional view of inversion resistivity of N5 line

2.1.3 综合分析

平面解释主要依据抽取的顺层平面图，顺层平面图的抽取主要利用估算的基岩、煤层底板高程数据，抽取相应层位的反演电阻率数据，绘制成图，并进行综合分析解释，本次试验将瞬变电磁和高密度电法探测成果合并到一起进行切片，然后进行分析解释[11]。若地层分布稳定，无采空区或采空回填积水区、局部含/富水区及含/导水构造时，则提取的相应层位平面反演电阻率分布应是较为稳定、近似均匀的，表现为等值线稀疏、平缓和渐变；反之，则地层电性分布的均衡性被打破，平面图上反演电阻率表现为相对较为突然的高阻或低阻变化特征，等值线呈圈闭或密集条带等变形，与断面图中相对应，将其解释为高阻或低阻异常区[12]。在平面图中，为使异常区显示直观，仍沿用断面图中约定的颜色加以填充。由于1 125 m层位附近平台岩石平盘穿孔及古冲沟区域均有涌水现象，因此，以1 125 m层位切片成果为例分析异常区，如图5所示，圈定的异常位置及推断情况见表1。

图5 1 125 m层位叠加图Fig.5 Overlay map of 1 125 m layer

表1 1 125 m层位瞬变电磁法北区异常区及推断统计表Table 1 Anomaly area and inferred statistics in northern area of transient electromagnetic method at 1 125 m layer

2.1.4 钻探验证情况

结合分区物探低阻异常区位置，布置了6个钻孔，如图6所示。DK-1号钻孔布置在+1 124 m平台古冲沟边缘区域，其目的是验证冲刷带边缘区域下部火烧区赋存情况并对物探成果进行反验证；BK-1号钻孔布置在+1 124 m平台古冲沟范围内的高密度测区，其目的是验证高密度低阻异常成果；BK-2号钻孔布置在东端帮基坑边缘的瞬变电磁北测区，验证瞬变电磁低阻异常成果，并获取水位、单孔涌水量；BK-3号钻孔布置在剥离干道与主运输干道之间的瞬变电磁北测区，其目的是验证瞬变电磁低阻异常成果，并获取水位、单孔涌水量；BK-4号钻孔布置在剥离干道外部的瞬变电磁东测区，其目的是验证瞬变电磁低阻异常成果，并获取水位、单孔涌水量；BK-5号钻孔布置在观景台东南角的瞬变电磁北测区，验证瞬变电磁低阻异常成果，并获取水位、单孔涌水量。

图6 钻孔布置示意图Fig.6 Schematic diagram of drilling arrangement

经过打钻验证后，DK-1号钻孔揭露高密度电法测区低阻异常1为古冲沟区域烧边岩含水层水；BK-1号钻孔揭露高密度电法测区低阻异常1为古冲沟区域潜水含水层水和烧边岩含水层水；BK-2号钻孔揭露了高密度电法测区低阻异常1为古冲沟区域潜水含水层水和烧边岩含水层水；BK-3号钻孔揭露瞬变电磁法北区低阻异常1为古冲沟区域烧边岩含水层水；BK-4号钻孔揭露瞬变电磁法东区低阻异常1为潜水含水层水；BK-5号钻孔揭露烧变岩含水层水。BK-2号钻孔与BK-1号钻孔的平面直线距离约93 m，从在BK-1钻孔中加入示踪剂，6个小时内观测到示踪剂从BK-2号钻孔内通过烧变岩裂隙渗流涌出，烧变岩含水层裂隙较为发育，连通性较好。

2.2 水文地质钻探

根据勘查目的，本次针对BK-2号钻孔～BK-5号钻孔进行完整井稳定流抽水试验。抽水试验成果见表2。

表2 抽水试验观测成果表Table 2 Observation results of pumping test

3 “三预测”技术

3.1 渗透系数预测

根据抽水试验成果，采用Dupuit潜水完整井稳定流公式求解BK-4号钻孔潜水含水层的渗透系数K以及影响半径R，具体见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：K为含水层渗透系数，m/d；Q为抽水井流量，m3/d；Sw为抽水井中水位降深，m；R为影响半径，m；H为潜水含水层厚度，m；h为潜水含水层抽水后的厚度，m；rw为抽水井半径，m。根据抽水试验成果，采用Dupuit承压完整井稳定流公式求解BK-2号钻孔、BK-5号钻孔的混合段渗透系数K、影响半径R，以及BK-3号钻孔的烧变岩含水层渗透系数K以及影响半径R，见式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：M为承压含水层厚度，m；其余同上。根据式(1)～式(4)，结合表2分别计算BK-2号钻孔～BK-5号钻孔的渗透系数及影响半径，计算结果见表3。

表3 渗透系数计算成果表Table 3 Calculation results of permeability coefficient

3.2 单位涌水量预测

根据《煤矿防治水细则》附录1中评价含水层的富水性换算方法及公式进行预测，计算见式(5)。

(5)

式中：Q91为孔径为91 mm钻孔的涌水量，L/s·m；R91为孔径为91 mm钻孔的影响半径，m；r91为孔径为91 mm钻孔的钻孔半径，m；Q为拟换算钻孔的涌水量，L/s·m；R为拟换算钻孔的影响半径，m；r为拟换算钻孔的钻孔半径，m。根据式(5)计算口径91 mm、抽水水位降深10 m时的钻孔单位涌水量q，结果见表4。

表4 单位涌水量计算成果表Table 4 Calculation results of unit water inflow

3.3 涌水量预测

由于榆林市某露天煤矿东端帮涌水区域直接出水水源为煤系地层烧变岩水，从钻孔揭露情况可以看出，烧变岩发育程度自BK-1号钻孔的0.2 m向基坑外侧深度逐渐增大，在预留防水煤(岩)柱，不开采东端帮区域煤炭资源的情况下，煤系地层烧变岩水一般不会对采坑排水构成影响[13-14]。本次考虑在剥离东端帮区域煤炭资源的情况下，采用大井法以及集水廊道法对东端帮206 m物探富水区域涌水量进行预计[15-16]。

3.3.1 大井法预测

采用大井法对东端帮206 m物探富水区域的岸坡涌水量进行预测，其计算公式见式(6)和式(7)。

(6)

(7)

以混合段水位降到2-2煤层为基准，即h为0 m，则改写为式(8)。

(8)

式中：Q为抽水井流量，m3/d；K为含水层渗透系数，取3.364 m/d；Sw为抽水井中水位降深，取最大降深42.75 m；R为影响半径，根据式(2)计算取1 025.33 m；H为含水层厚度，取42.75 m；h为含水层抽水后的厚度，取0 m；rw为等效大井半径，即将206 m岸坡等效为大井，其半径为51.5 m。经过上述计算，206 m岸坡预测每天的涌水量为6 453.78 m3。

3.3.2 集水廊道法

采用集水廊道法对东端帮206 m物探富水区域的岸坡涌水量进行预测，其单侧涌水量计算见式(9)。

(9)

式中：Q为集水廊道流量，m3/d；K为含水层渗透系数，m/d；R为影响半径，m；H为含水层水位高度，m；h为含水层抽水后的厚度，m；l为集水廊道长度(即东端帮物探富水区域长度)，m。经过上述计算，206 m岸坡预测每天的涌水量为6 175.94 m3。

综合大井法以及集水廊道法预测结果，基于安全角度考虑，选取涌水量计算结果最大值6 453.78 m3/d作为预测结果。

4 出水水源与成因分析

综合榆林市某露天煤矿东端帮出水区域的“双探三预测”成果，分析出水水源与成因如下所述。

1) 瞬变电磁法北区烧变岩富水区主要集中在测区东部和西部，其中，东部烧变岩富水区异常范围较大，异常强度也较大，与高密度电法东北部异常区连为一体，且存在导水通道，形成补给来源；测区西部存在一定的含水异常区；瞬变电磁法东区烧变岩富水区主要集中在东北部和中部，其中，东北部富水范围较大，异常强度也较大。

2) 瞬变电磁法北区660～780 m处烧变岩富水区联通区域主要集中在北部区域，几乎所有剖面都有反映，特别是700～720 m处和760 m之后区域剖面导水通道联通较为明显，这两块区域上部含水层和下部含水层连为一体，已导通，富水强度强，推断存在较强的导水通道。

3) BK-1号钻孔在0.00～19.00 m区段钻进时，无漏水现象，在钻进至19.80 m处时钻孔涌水，直接溢出孔口，煤层顶部存在烧变现象，其余BK-2号钻孔～BK-5号钻孔在钻进至该标高区段时，皆存在漏浆现象；且榆林市某露天煤矿自5月底在1 124 m岩石平盘穿孔出现涌水至现场施工结束，近两个月的时间内，涌水区域水量未见减小，说明出水层位水量较大，补给较为丰富。

4) BK-2号钻孔混合段综合水位标高1 135.600 m，BK-3号钻孔烧变岩含水层水位标高1 138.151 m，BK-4号钻孔潜水位标高1 137.04 m，可以看出3个钻孔水位标高相差不大；且通过抽水试验以及简易连通试验可知：BK-2号钻孔混合段单位涌水量为2.548 L/s·m，BK-3号钻孔烧变岩含水层单位涌水量为3.364 L/s·m，两个含水岩段富水性均强，裂隙较为发育，连通性较好，可能在东端帮基坑外部区域存在连通，上部潜水含水层对下部煤系地层烧变岩含水层存在一定程度的垂向补给。

5 结论与建议

1) 榆林市某露天矿首采区东端帮的高密度电法探测区域中可以发现，在测区冲沟及东北部烧变岩区域低阻异常范围最大，异常强度呈现极强或强趋势，含水明显，该处烧变岩区域面积较大且古冲沟发育，可形成大面积静水储量，成为穿孔水和古冲沟涌水的来源；瞬变电磁法在该区域探测结果中低阻异常区与高密度电法低阻异常区连为一体，推断存在导水通道，将上部含水层和下部含水层连为一体，补给来源丰富，富水强度极强。

2) 对于烧变岩和古冲沟发育区域，BK-3号钻孔、BK-2号钻孔分别进行了烧变岩含水层、潜水含水层与烧变岩含水层混合段抽水试验。烧变岩含水层呈现“极高渗透系数高涌水量”特征，为强富水性等级；混合段呈现“中渗透系数高涌水量”，也为强富水性等级。

3) 对于其他不存在古冲沟的烧变岩区域，BK-5号钻孔、BK-4号钻孔分别进行了潜水含水层与烧变岩含水层混合段、潜水含水层抽水试验。混合段呈现低渗透系数中涌水量特征，为中等富水性等级；潜水含水层呈现高渗透系数低涌水量特征，为低富水性等级。

4) 榆林市某露天煤矿东端帮烧变岩区域和古冲沟发育区域，形成了相对集中的上下含水层贯通导水通道，使上部潜水含水层与下部煤系地层烧变岩含水层相互连通，上部潜水含水层通过相对集中的导水通道对煤系地层烧变岩含水层形成了较为稳定的动态补给。采用大井法以及集水廊道法对东端帮烧变岩区域和古冲沟发育区域206 m物探强富水区域涌水量进行预计，涌水量为6 453.78 m3。