代飛龍

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉，831100）

將軍戈壁二號露天礦礦田北部有大范圍火燒區(qū)存在，火燒區(qū)內含燒變巖水，火燒區(qū)邊界外，有地層裂隙含水，本礦2016 年4 月16 日進行爆破作業(yè)后，采場北幫東部＋515 m 水平處出現涌水現象，涌水量約30 m3/h。至2016 年5 月1 日，在采場北幫東側＋519 m 水平剝離作業(yè)中端幫邊坡新增5 處涌水點，涌水量急劇增大達到400 m3/h；2016 年5 月4 日，采用泥質細料封堵壓實止水方案對涌水點進行止水，涌水量從400 m3/h 降低至80 m3/h。至2017 年9 月，北幫東側＋475 m 平盤不再滲水，滲水區(qū)域主要在東幫北側＋500 m 坡面。為保證露天開采正常運行，減少地下水對內排土場及采掘場邊坡穩(wěn)定性的影響，將二礦積極采取措施，目前已在北幫東側＋515 m 平盤、東幫北側＋455 m 平盤、采掘場坑底形成排水溝和集水坑，安裝排水設備，將北幫、東幫等部位涌水排至地表水池。在確保涌水不再流入采場坑底的基礎上，每日完成＋515 m 水平抽水量約3 000 m3?！睹旱V防治水細則》中要求，防治水工作應當“堅持預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則。采場北部火燒區(qū)涌水，對安全生產造成較大影響，需要對火燒區(qū)邊界、火燒區(qū)賦水范圍、富水情況、水文地質參數等進行全面勘察[1-2]，并結合以往物探、鉆探、水文資料，綜合評價燒變巖富水區(qū)富水情況及突水性，為進一步研究采場北部火燒區(qū)治理方案提供依據。

1 物探基本原理及地球物理特征

1）電法探測地球物理特征。電法探測方法是利用巖石導電性，確定巖層電阻率值，進而劃分地層特性。一般情況下，泥巖電阻率值小于粉砂巖小于中粗砂巖的電阻率值，電阻率值呈遞增趨勢。地層穩(wěn)定時，垂直方向上電阻率的變化規(guī)律基本一致，而砂巖中含水時，由于水體良好的導電性，與周邊巖體產生明顯導電差異性[3-4]，所有利用電磁法進行水文地質探測的前提。將二礦淺部地層為第四系沖積層，土層電阻率相對為低阻；第四系下部含煤西山窯組為電阻率相對高阻，深部三疊系粉砂巖和細砂巖電阻率相對低阻[5]。將二礦地層剖面從上至下電性變化特征表現為低阻-高阻-低阻。本次電法探測的目標層為西山窯組，其電阻率相對高阻；而目標層北側燒變巖積水有側向補給時，將使受補給影響區(qū)的高阻電性地層轉為相對低阻地層，根據這一特征，從而圈定地下水位置和范圍顯現。上述不同條件下的電性變化就是本次電法探測的地球物理前提。

2）磁法地球物理特征。煤系沉積巖地層，煤層及巖層穩(wěn)定性及均一性較好，一般變質程度低，其磁化率和剩余磁化強度均較低，磁化強度變化范圍較小。若煤層自燃，高溫致使煤層和巖層所含黃鐵礦、菱鐵礦等鐵質結核受熱變質，變質結核具有較強熱剩磁，磁化率和剩余磁化強度大幅度增高，形成明顯的磁性異常區(qū)域，根據燒變煤巖層磁化變化特征用于勘探火燒區(qū)范圍。

2 物探概況

本次瞬變電磁法探測區(qū)域共布置測線32 條，測點3 316 個，基本測網密度40 m × 20 m，磁法探測區(qū)域共布置測線46 條，測點3 037 個，基本測網密度40 m × 20 m，均采用連續(xù)偶數對測點和測線進行編號。高密度電法在瞬變電磁法探測區(qū)域內共布設測線10 條，電極間距10 m，總長度15.52 km，測點1 552 個。參照測區(qū)施工環(huán)境和地球物理條件，在采用磁法探查煤層火燒區(qū)邊界的基礎上，使用瞬變電磁法和高密度電法探查煤層火燒區(qū)富水情況[6]。

2.1 瞬變電磁法試驗

1）接收機一致性。對投入的接收機進行了一致性試驗，各接收機采集的二次場電壓衰減曲線隨時間的增加均呈依次衰減趨勢，符合瞬變電磁法二次場衰減規(guī)律，接收機同一時間范圍內所采集的信號大小基本一致，數據點重合較好，可以用于本次瞬變電磁法勘探施工。接收機的均方相對誤差最大為2.4%，滿足規(guī)范小于7.5%的要求。

2）接收探頭一致性。試驗采用同一地點、同一發(fā)射機、同一接收機、相同激發(fā)參數的條件，依次用4個探頭進行數據采集，對其數據進行一致性分析，并對各探頭適用性予以判斷。4 個探頭的均方相對誤差最大為2.6%，滿足規(guī)范小于7.5%的要求。

3）噪聲分析。試驗區(qū)隨機噪聲電平曲線，大小主要集中在0～2 μV 間范圍內。采用邊長240 m 發(fā)射線框，25 Hz 工作頻率參數進行有效信號采集，發(fā)射電流大于15 A 時，試驗區(qū)隨機噪聲電平曲線，接收機采用頻率25 Hz 時采集的二次場衰減信號隨時間的增加呈逐漸衰減的趨勢，曲線較光滑，表明對隨機噪聲的壓制效果較好[7-8]。

4）試驗參數與效果分析。采集的數據以衰減曲線、斷面圖的形式分析如下：二次場信號均隨時間的增加呈逐漸衰減的趨勢，衰減曲線在30 ms 之前都較為光滑，數據質量較高。結合電法勘探地質任務，探測目標地層由淺部到深部電性呈現“低阻～高阻～低阻”規(guī)律，與實際地層電性特征吻合很好。

5）試驗結論。接收機和探頭的一致性優(yōu)良，當選用發(fā)射線框邊長為240 m × 240 m、工作頻率為25 Hz 時，所采集的數據能夠有效壓制測量區(qū)域隨機噪聲，視電阻率能夠較好反映目標地層電性變化特征，可以滿足勘探地質任務要求。

2.2 磁法試驗

1）儀器一致性分析。對儀器的性能、觀測精度和各儀器間的一致性進行現場校驗，校驗測量點數10個，主要觀測磁力儀的測量穩(wěn)定性，將儀器固定于正常地層區(qū)域，讓儀器自動測量，計算測量時間段內單位時間磁場變化值的離差情況，經檢測測量的平均離差在±2 nT 之間，證明儀器工作狀態(tài)正常。

2）儀器噪聲水平分析。各儀器相距大于20 m，做近似同步日變觀測，周期10 s，連續(xù)讀取10 個數據，2 臺儀器的噪聲水平均未超過0.3 nT，可見儀器的噪聲水平較小且較接近。

3）基站磁場變化規(guī)律。基站連續(xù)觀測4 h，讀數間隔20 s，數據隨著時間在10.001 111～13.951 111間呈先穩(wěn)定下降后穩(wěn)定上升趨勢。

4）試驗結論。磁法探測投入使用的儀器精度滿足規(guī)范要求，可以達到本次探測要求，基站位置選擇合理。

2.3 高密度電法試驗

此次高密度電法要求探測深度較大，故探測跑極極距較大，測量極距間的電位差較小，為了保證探測信噪比，試驗要求最小供電電流不小于200 mA，最小測量電壓不小于1 mV，電極間距10 m，測量極距選擇20 m。野外試驗了四極和三極測深裝置，結果顯示三極、四極裝置所測得數據結果對于異常的響應效果基本一致，與實際地層電性特征吻合，從野外現場施工效率及探測效果考慮，高密度電法最終選用三極裝置進行施工。

3 物探成果資料與解釋

3.1 磁法成果資料與解釋

鉆孔資料顯示ZK001 和ZK4 號鉆孔無火燒現象，ZK1701 號孔揭露B5 號煤層出現火燒。1 880～2 520 m 距離處為正常地層，磁異常曲線上△T（磁異常）值分布在－27.2～－30.78 nT 之內，數據點分布均勻；在橫向距離2 540 m 處△T 值出現跳變，先跳變?yōu)?4.78 nT，呈現先增大后減小，其最大負值為414.29 nT，跳變段主要集中在2 540～3 240 m 之間，正常地層△T 值與煤層火燒區(qū)剩余△T 值變化明顯；煤層完整區(qū)域△T 相對穩(wěn)定，數據點分布均勻，△T 值浮動變化?。粺儙r△T 值出現明顯的跳變現象，其特征大致分為絕對值突然增大、無規(guī)律跳變，第16 測線磁異常剖面曲線示意圖如圖1。

圖1 第16 測線磁異常剖面曲線示意圖

3.2 電法成果資料解釋

地層分布穩(wěn)定、不受富水區(qū)域或含導水構造控制影響，其目標層的電阻率呈有序變化，視電阻率等值線一般分布稀疏、平緩和漸變，在斷面圖上呈似層狀分布。當存在富水區(qū)域或含導水構造影響時，電性分布的均衡性被打破，異常區(qū)域電阻率值出現降低，等值線分布由層狀轉為扭曲、變形或呈密集條帶等狀態(tài)，可直觀確定相對低阻異常體的空間賦存情況和異常強弱程度，視電阻率等值線平面圖出現異常區(qū)域。

由淺層至深部，正常地層中視電阻率呈“低阻-高阻-低阻”的特征分布；在火燒煤層區(qū)域，由于火燒區(qū)成層燃燒的特征，淺層至深部呈不均勻“低阻-高阻-低阻”的特征分布。B5 煤層火燒區(qū)附近分布的不均勻高阻閉合圈，與不含水或含水量較少的燒變巖高阻電性規(guī)律一致，而不均勻的電性分布規(guī)律也預示著地層性質不均一，或者可以推斷為裂隙較發(fā)育，位于上部煤層火燒區(qū)以上或附近的低阻區(qū)，推斷其與燒變巖裂隙局部充水有關系，將類似低阻區(qū)稱之為低阻異常區(qū)。在上下各煤層均出現已被火燒的現象時，其地層巖性受烘烤程度較大，煤層燃燒后形成的空間較大，會導致上部巖層垮塌，裂隙發(fā)育（空間越大，垮塌高度越高，裂隙越發(fā)育），為水的儲存創(chuàng)造了有利條件，同時接受上部含水層或大氣降水的補給就變得相對容易，故出現了斷面圖中的強低阻異常區(qū)，推測此火燒區(qū)域內含/富水性較強。

野外施工期間，在測區(qū)內補充了高密度直流電法，其探測結果與TEM 相吻合。

3.3 富水區(qū)綜合推斷

1）磁法和瞬變電磁法（TEM）數據對比分析與解釋?；馃齾^(qū)燒變巖電性與正常地層電性差異性較大，TEM 數據在燒變巖不含水時中為高阻反映，而當其含富水或強富水時數據反映為相對低阻狀態(tài)。根據實驗結果，富水煤層和火燒區(qū)位于視電阻率斷面圖中的低阻區(qū)域內，與磁異常絕對值緩變增大的特征區(qū)域相吻合。

2）磁異?；瘶O平面圖分析與解釋。結合磁異常視磁化率平面圖及鉆孔資料，正常地層磁異常變化均勻，視磁化率等值線變化平緩，未出現明顯的跳變現象；火燒異常區(qū)填充的顏色在較短的距離范圍內呈階梯狀突變現象，等值線較密集，結果與磁法探測結果吻合。

3）火燒區(qū)邊界綜合推斷。結合視磁化率平面圖、各測線剖面曲線圖和TEM 資料，綜合推斷煤層的火燒區(qū)邊界。

燒變巖富水區(qū)域由火燒區(qū)范圍、燒變地層裂隙發(fā)育、含水層的富水性等影響。通過以上物探方法，結合地質地形資料、煤層產狀資料、端幫出水范圍、裂隙發(fā)育程度、水文地質資料等，對富水區(qū)分布進行了綜合推斷，確定大范圍低阻異常區(qū)推斷為富水火燒巖，推斷煤層火燒邊界示意圖如圖2。

圖2 推斷煤層火燒邊界示意圖

4 水文地質鉆探補勘工作

通過水文地質鉆探、抽水試驗、水平探放孔、水文地質測井、水質全分析、同位素分析等補勘方法，查清了礦區(qū)東北部水文地質參數，為燒變巖的水害評估提供科學依據。

4.1 水文地質試驗

水文地質補充勘探地面鉆孔進行單孔抽水試驗與群抽水試驗結合方式，抽水試驗孔均穿過燒變巖含水層，燒變巖含水層為潛水含水層、層頂界有自由水界面，因此參考潛水完整井計算公式進行參數技術。計算結果：單位涌水量15.9～17.36 L/（s·m），滲透系數74.6～93.1 m/d，影響半徑197.3～239.8 m。

4.2 水質全分析

在補勘過程中，采取水質全分析樣。通過研究地下水水化學成分及其特征，了解地下水循環(huán)條件，用于判斷不同地下水源，研究和解釋礦區(qū)地下水水文地質條件，分析地下水的成因和運移規(guī)律。在補勘過程中，總共采取水質全分析樣12 組。其中在鉆孔施工過程中取燒變巖水樣6 組，取基巖裂隙水水樣6組。地下水中含量較多的離子共有7 種Cl－、HCO3－、Na+、K+、Ca2+、Mg2+，根據水樣數據分析結果，采場各處涌水均來源于燒變巖積水。

利用氚、氘和氧－18 同位素的天然示蹤作用，取氚、氘和氧－18 同位素測試樣研究地下水成因及地下水運移規(guī)律。研究內容：①試驗確定燒變巖積水主要歷史時期地表雪水融化不斷入滲至燒變巖，不斷累積成地下含水體；②礦區(qū)整體上不同含水層之間水力聯系程度較差，燒變巖積水與原巖積水聯系較差。

4.3 突水威脅性

選取科學的評價方法及標準評價北幫突水威脅性，研究內容包括北部帶壓現狀、北幫隔水層（垂向和水平向）發(fā)育特征、巖性組合特性，巖石物理力學性質、巖體完整性。根據目前突水評價的計算方案結合將二礦的實際情況擬采用2 種評價方法：①突水系數法；②突水危險性地質評價。

突水系數作為評價突水可能性的一種方法，應用比較廣泛，突水系數計算公式及評價標準如下：

式中：Ts為突水系數，MPa/m；P 為隔水層承受的水壓，MPa；M 為隔水層厚度，m。

受構造破壞塊段：Ts<0.06 MPa/m 屬于安全區(qū)；Ts≥0.06 MPa/m 屬于危險區(qū)。

正常塊段：Ts<0.1 MPa/m 屬于安全區(qū)；Ts≥0.1 MPa/m 屬于危險區(qū)。

煤層底板突水危險性地質評價是在突水系數法的基礎上，通過對煤層底板巖性和結構的分析，建立評價隔水層隔水性能和抗水壓能力的巖性－結構分類，根據隔水性能和抗水壓能力建立煤層底板突水危險性等級分類。

5 結語

針對新疆天池能源有限責任公司將軍戈壁二號露天煤礦北幫燒變巖區(qū)，通過地質調查、瞬變電磁、磁法勘探、以及施工水平探放孔、水文地質鉆探，結合已有探勘資料，并輔以抽水試驗、水文地質測井、巖石物理力學性質測試、水質全分析、同位素分析等補勘方法，探明了燒變巖特征、邊界、富水區(qū)邊界及詳細水文地質參數、綜合評價突水性，結論為北幫燒變巖富水區(qū)突水風險性較小。為評價水文地質條件及安全生產提供了良好基礎。