陳 凱，王文科，2，李 升，張紫昭，3，儲(chǔ)春妹，程文瑜

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

準(zhǔn)東煤電二號(hào)礦井包氣帶結(jié)構(gòu)滲透性能研究

陳 凱1，王文科1，2，李 升1，張紫昭1，3，儲(chǔ)春妹1，程文瑜1

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

在對(duì)礦山地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)過程中，水文地質(zhì)條件是其中最重要的因素之一，而包氣帶滲透性又是水文地質(zhì)研究中的核心問題之一。準(zhǔn)東煤田是我國(guó)規(guī)劃建設(shè)的第十四個(gè)能源基地之一，為查明該礦區(qū)水文地質(zhì)條件和包氣帶滲透性特征。本文選用雙環(huán)法開展包氣帶滲透性能的研究，最后對(duì)礦區(qū)煤矸石浸出液進(jìn)行淋溶浸出試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)地下水類型主要為中新生界碎屑巖類層間裂隙孔隙水，富水性弱；研究區(qū)內(nèi)包氣帶厚度一般在0.63～7.91 m之間，巖性均為第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)粉細(xì)砂；區(qū)內(nèi)場(chǎng)地包氣帶滲透系數(shù)在0.000 167～0.002 264 cm/s之間，其防污性能級(jí)別均屬于“弱”；場(chǎng)地內(nèi)煤矸石樣品浸出液在經(jīng)雨水淋濾后會(huì)對(duì)地下水造成不同程度的污染。

水文地質(zhì)條件；包氣帶；滲透性能；準(zhǔn)東煤田

新疆作為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)，將建成大型煤炭-煤電-煤化工基地和國(guó)家能源資源陸上大通道。國(guó)網(wǎng)能源新疆準(zhǔn)東煤電有限公司二號(hào)礦井位于準(zhǔn)東煤田的中北部，奇臺(tái)縣城以北，距奇臺(tái)縣城140 km，距吉木薩爾縣城100 km，主體隸屬奇臺(tái)縣管轄，交通便利。準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)二號(hào)井田為一多邊形，北與一號(hào)井田為鄰，南到烏準(zhǔn)鐵路北線，以保護(hù)煤柱及產(chǎn)業(yè)帶公路為界，東與三號(hào)井田為鄰，西部與南、北兩個(gè)露天煤礦相鄰。東西長(zhǎng)12 km，南北寬12.3～13 km，面積152.42 km2。

近年來，隨著準(zhǔn)東煤田能源基地的開發(fā)，對(duì)于準(zhǔn)東煤田能源基地煤礦開采問題，許多學(xué)者分別從煤炭地下氣化、煤相、煤層自燃氧化特性、巨厚煤層開采方案設(shè)計(jì)、沖擊地壓等角度進(jìn)行了研究[1-5]，并取得了豐碩的研究成果。但是對(duì)于礦產(chǎn)資源開發(fā)所引起的地下水環(huán)境問題的研究成果較為薄弱[6-9]，而包氣帶結(jié)構(gòu)的滲透性又是水文地質(zhì)研究的核心問題之一。這些對(duì)地下水和包氣帶結(jié)構(gòu)滲透性能的研究，又與西北生態(tài)脆弱礦區(qū)的安全開采以及環(huán)境評(píng)價(jià)等內(nèi)容息息相關(guān)。

因此，本文在對(duì)準(zhǔn)東煤電二號(hào)礦井地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)研究成果[9-13]，對(duì)該礦井的含水層結(jié)構(gòu)的劃分、補(bǔ)徑排特征以及地下水化學(xué)特征進(jìn)行分析，并通過雙環(huán)滲水試驗(yàn)對(duì)研究區(qū)第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)粉細(xì)砂型包氣帶結(jié)構(gòu)的滲透性能進(jìn)行研究。此外，為了能進(jìn)一步了解后續(xù)礦井開發(fā)后，煤矸石對(duì)研究區(qū)土壤和地下水的污染情況，在區(qū)內(nèi)進(jìn)行了煤矸石淋溶浸出試驗(yàn)。通過對(duì)準(zhǔn)東煤電二號(hào)礦井水文地質(zhì)條件和包氣帶結(jié)構(gòu)滲透性能的研究，可以為該礦井地下水的環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于卡拉麥里山南麓山前一帶，海拔549～840 m，地貌形態(tài)為殘丘狀剝蝕準(zhǔn)平原與戈壁，地勢(shì)呈現(xiàn)出北高南低的特點(diǎn)，地形較平坦。研究區(qū)屬大陸干旱荒漠氣候，年平均降水量為106 mm，年蒸發(fā)量1 202～2 382 mm，全年日照3 053 h，冬季積雪稀少，最大凍土深度為1.50 m。

研究區(qū)內(nèi)地表無常年水流，夏季降雨形成的暫時(shí)性水流向井田以南的凹陷盆地低洼處排泄。此外，由于準(zhǔn)東礦區(qū)北部新近系地層出露，使地下水位在此壅高，造成地下水蒸發(fā)較為強(qiáng)烈，形成低洼鹽堿地。

1.2 地層巖性

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

該大井礦區(qū)位于大井凹陷構(gòu)造單元中。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征以及收集的二維、三維地震成果和鉆探成果可知，研究區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造為褶皺，該褶皺整體為一近似呈北西西走向，向南南西傾伏的單斜構(gòu)造。此外，在研究區(qū)內(nèi)未見斷裂構(gòu)造和巖漿巖分布。因此，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造類型簡(jiǎn)單。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析

2.1 含水層結(jié)構(gòu)的劃分

研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)特征主要受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、古地理環(huán)境等因素的控制，結(jié)合區(qū)內(nèi)鉆孔資料，可將研究區(qū)地層劃分為5個(gè)含(隔)水層(段)，具體如表1所示。

表1 研究區(qū)含水巖組及隔水巖組劃分表

2.2 地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄

研究區(qū)內(nèi)地下水賦存類型主要為碎屑巖類裂隙孔隙水。其補(bǔ)給主要來源于上游北部卡拉麥里山區(qū)的大氣降水或冰雪融水的補(bǔ)給，經(jīng)地下長(zhǎng)途運(yùn)移后而形成。同時(shí)，部分暫時(shí)性地表洪流可通過地表巖石風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙、巖石孔隙或其他途徑順地層入滲補(bǔ)給地下水。

研究區(qū)內(nèi)地下水總體流向?yàn)橛杀毕蚰蠌搅?，在研究區(qū)中部由于受礦井水疏干排水的影響，在區(qū)內(nèi)中部副立井局部地段形成一個(gè)降落漏斗。通過對(duì)礦井開采前后靜止水位的觀測(cè)比較，地下水位在礦井開采后發(fā)生了大幅度下降，導(dǎo)致地下水流向在研究區(qū)中部發(fā)生局部改變。

由于研究區(qū)地層主要以泥巖、粉砂巖為主，夾少量的砂巖及巨厚煤層，裂隙發(fā)育較差，因此巖層透水性和富水性都較弱，地下水徑流也不暢，交替滯緩，表現(xiàn)出由北往南隨著地層的加深及運(yùn)移距離的延長(zhǎng)，溶解性總固體含量也明顯增高。此外，區(qū)內(nèi)未見地下水的天然露頭，地下水的排泄方式主要是沿徑流方向順勢(shì)向下游或向深部運(yùn)移的方式向南流出研究區(qū)之外，最后礦井的疏干排水也是地下水的排泄方式之一。

2.3 地下水化學(xué)特征

通過本階段施工的ZK0410、ZK0412鉆孔抽水試驗(yàn)時(shí)采集混合地層的水樣分析成果，研究區(qū)地下水的水化學(xué)特征，見表2。

表2 研究區(qū)及外圍地下水水化學(xué)特征表

從表2中可以看出：研究區(qū)地下水的水化學(xué)類型為SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na、Cl-Na型，pH值7.40～9.20，溶解性總固體在1 570.6～9 681.6 mg/L之間，水質(zhì)較差，為微咸-咸水。因此，在研究區(qū)煤系地層中，由于巖石裂隙發(fā)育較差，且多為泥質(zhì)充填，地層滲透性差，補(bǔ)給、徑流條件較差，致使研究區(qū)地下水運(yùn)移緩慢，水質(zhì)較差。

3 研究區(qū)包氣帶滲透性能研究

原位滲水試驗(yàn)是一種在野外測(cè)定包氣帶非飽和松散巖層滲透系數(shù)的有效和簡(jiǎn)易方法，包括雙環(huán)法滲水試驗(yàn)和單環(huán)法滲水試驗(yàn)兩種類型[14]。但是，雙環(huán)法滲水試驗(yàn)與單環(huán)法試驗(yàn)相比，雙環(huán)法試驗(yàn)的結(jié)果更接近實(shí)際情況。因此，為了能更好的評(píng)價(jià)研究區(qū)內(nèi)粉細(xì)砂型包氣帶滲透性能，本文采用雙環(huán)法滲水試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)定。

3.1 滲水試驗(yàn)點(diǎn)分布

根據(jù)研究區(qū)工業(yè)場(chǎng)地的選址，并結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件的分析，分別在研究區(qū)矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)和選煤廠工業(yè)場(chǎng)地等兩處位置分別布置2組雙環(huán)法滲水試驗(yàn)，進(jìn)而通過求取各場(chǎng)地包氣帶滲透系數(shù)，評(píng)價(jià)其滲透性能。因此，四處滲水試驗(yàn)點(diǎn)的選擇具有一定的代表性和典型性。

3.2 試驗(yàn)方法和過程

在選好的滲水試驗(yàn)場(chǎng)地的坑底嵌入雙環(huán)滲水試驗(yàn)儀，其中外環(huán)直徑為0.5 m，內(nèi)環(huán)直徑為0.25 m。試驗(yàn)時(shí)同時(shí)往內(nèi)、外鐵環(huán)內(nèi)注水，并保持內(nèi)外環(huán)的水柱都在同一高度，以0.1 m為宜。此外，按1 min、2 min、5 min、10 min、20 min、30 min為間隔進(jìn)行觀測(cè)滲入水量，相同間隔時(shí)間可觀測(cè)3～5次，直至單位時(shí)間滲入水量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間延續(xù)3 h以上。當(dāng)滲入的水量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，再利用達(dá)西定律的原理求出野外松散地層的滲透系數(shù)。其計(jì)算公式見下式。

式中：K為滲透系數(shù)(cm/s)；Q為入滲的穩(wěn)定流量(cm3/s))；ω為內(nèi)環(huán)的面積(m2)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表3 包氣帶滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3滲水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果可知：研究區(qū)矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)兩組滲水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)分別為0.000 392 cm/s、0.002 264 cm/s，選煤廠兩組滲水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)分別為0.000 207 cm/s、0.000 167 cm/s。按照《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》(HJ610-2011)包氣帶防滲性能分類依據(jù)，矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)包氣帶滲透系數(shù)K>10-4cm/s且包氣帶巖層單層厚度0.5 m≤Mb<1.0 m，因此矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)包氣帶防污性能為弱；選煤廠工業(yè)場(chǎng)地滲透系數(shù)K>10-4cm/s且包氣帶巖層單層厚度Mb>1.0 m，因此選煤廠工業(yè)場(chǎng)地包氣帶防污性能也為弱。

4 煤矸石淋溶浸出試驗(yàn)

在對(duì)研究區(qū)包氣帶滲透性能研究的基礎(chǔ)上，為了能進(jìn)一步了解后續(xù)礦井開發(fā)后，煤矸石對(duì)研究區(qū)土壤和地下水的污染情況，在區(qū)內(nèi)采集了三組煤矸石樣進(jìn)行室內(nèi)煤矸石淋溶浸出試驗(yàn)，對(duì)煤矸石淋溶浸出試驗(yàn)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濃度與《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)—浸出毒性鑒別》(GB5085.3-2007)和《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的對(duì)比結(jié)果，最終判定煤矸石的屬性。研究區(qū)煤矸石淋溶浸出試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 研究區(qū)煤矸石淋溶浸出試驗(yàn)結(jié)果表

按照《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)—浸出毒性鑒別》(GB5085.3-2007)和《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)對(duì)煤矸石浸出液進(jìn)行危險(xiǎn)廢物鑒別，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：三組煤矸石樣中除氟化物和硫化物浸出液濃度超過《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)中第二類污染物最高允許排放量濃度一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，其余檢測(cè)項(xiàng)目按照規(guī)范要求均未超標(biāo)。因此判定堆放在排矸場(chǎng)的煤矸石經(jīng)雨水淋濾后會(huì)對(duì)地下水造成不同程度的污染。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)準(zhǔn)東煤電二號(hào)礦井水文地質(zhì)條件和包氣帶結(jié)構(gòu)滲透性能的分析和研究，可以得出以下結(jié)論。

1)研究區(qū)內(nèi)地下水類型主要為中新生界碎屑巖類層間裂隙孔隙水。區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給主要來源于上游北部卡拉麥里山區(qū)的大氣降水或冰雪融水，地下水總體流向?yàn)橛杀毕蚰稀Ｔ谘芯繀^(qū)中部由于受礦井水疏干排水的影響，副立井局部地段形成一個(gè)降落漏斗，導(dǎo)致地下水流向在研究區(qū)中部發(fā)生局部改變。地下水的排泄方式除沿徑流方向向南流出研究區(qū)之外，礦井的疏干排水也是地下水的排泄方式之一。

2)研究區(qū)內(nèi)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)主要為第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)粉細(xì)砂地層，巖性成分主要為長(zhǎng)石、石英等。選煤廠工業(yè)場(chǎng)地包氣帶控制厚度為6.30～9.90 m，平均厚度為7.91 m；矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)包氣帶控制厚度為0.20～1.10 m，平均厚度為0.63 m，均為透水不含水地層。

3)根據(jù)雙環(huán)滲水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果可知，研究區(qū)內(nèi)場(chǎng)地包氣帶滲透系數(shù)在0.000 167～0.002 264 cm/s之間，其防污性能級(jí)別均屬于“弱”；通過對(duì)煤矸石浸出液進(jìn)行浸溶試驗(yàn)可知，三組煤矸石樣中除氟化物和硫化物浸出液濃度超標(biāo)外，其余檢測(cè)項(xiàng)目按照規(guī)范要求均未超標(biāo)。因此判定堆放在排矸場(chǎng)的煤矸石經(jīng)雨水淋濾后會(huì)對(duì)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 責(zé)任編輯：劉艷敏

新疆維吾爾自治區(qū)引進(jìn)高層次人才及“天山學(xué)者”啟動(dòng)基金資助；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目資助(編號(hào)：1212011120477)；新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：2016B02029)

陳凱(1985-)，男，漢，山東肥城人，講師，2014年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事礦山水文地質(zhì)、工程地質(zhì)以及地質(zhì)災(zāi)害的教學(xué)與研究工作，E-mail：chenk412@126.com。

王文科(1962-)，男，漢，陜西岐山人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事地下水資源合理開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究，E-mail：wenkew@gmail.com。

TD167

A

1004-4051(2017)07-0164-04