姬中奎，薛小渊，杨志斌，罗安昆，牛光亮

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，西安 710077；3.西安科技大学地质与环境学院，西安 710054)

0 引言

我国新疆及陕北等煤矿区烧变岩现象较为常见[1-3]。烧变岩裂隙发育[4]。若烧变岩旁边有水库，烧变岩可能与水库有水力联系，此时若烧变岩下部煤层开采，烧变岩可能将水库水导入工作面，不仅给煤矿带来灾害，还会给水库造成水资源损失。陕煤集团张家峁煤矿位于神木市北部，是一座年产千万吨的特大型现代化矿井，建矿以来5-2煤一直是主采煤层，拟采的15207及15208综采面靠近常家沟水库。工作面采前必须研究上覆4-2煤烧变岩与水库的水力联系。若烧变岩与水库无水力联系，则工作面可以正常回采；若烧变岩与水库有水力联系，则需要采取截流措施。因渗漏关系水库一般不会建在烧变岩旁边，故国内外关于烧变岩与水库水力联系的文献很少。研究张家峁煤矿烧变岩与水库的水力联系，对于张家峁煤矿安全回采和常家沟水库防渗保水具有双重现实意义，对于分析地表水体与烧变岩之间的水文地质关系有重要的参考价值。

研究地表水与地下水之间的水力联系可根据地下水与地表水的水位响应关系进行分析[5]，也可根据水化学特征如同位素进行判断[6]，还可采用群孔抽水试验水位降落漏斗形状和Δh2-lgr曲线规律进行研究[7]，也可以通过示踪试验进行验证[8]。由于研究项目的特殊性，利用水位响应关系分析时烧变岩中要施工水文观测孔，需至少一个水文年观测水库水位与钻孔水位的关系，研究周期长。水化学特征法适用于研究深部含水层与地表水的联系，且水化学特征相似往往是地表水与地下水有水力联系的必要条件而非充分条件。采用群孔抽水试验方法时需施工多个钻孔并进行复杂的抽水试验，且观测孔必须在影响半径内，因工作面切眼与水库距离远不适用。示踪试验法较为复杂，在水库这种大型水体中难以投放和接收，实施的难度和工作量非常大。本次研究中，根据研究区特殊的地形地质条件，运用野外水文地质调查，结合水文地质钻探，研究了水库水位和沟谷泉水的关系，采用水位流量响应法证明了水库水是泉水的补给源。通过分析地质空间关系在排除了其他补给通道后，间接证明了水库与烧变岩有水力联系，为帷幕截流工程提供了重要依据。

1 研究区概况

1.1 地形地质

张家峁煤矿位于陕北侏罗纪煤田神府矿区南部，井田大部分位于黄土丘陵沟壑区，存在多层烧变岩，沟谷中2-2、3-1、4-2、5-2煤均有直接露头，井田中东部各煤层烧变岩十分发育，见图1。

图1 张家峁井田平面图Figure 1 Zhangjiamao minefield plan

张家峁井田构造简单，总体上为向西缓倾的单斜构造，地层倾角一般为1°，井田内地层自上而下为：风积沙(Q4eol)、离石组黄土(Q2l)、保德组红土(N2b)及延安组(J2y)基岩风化带、4-2煤上部新鲜基岩、4-2煤烧变岩、5-2煤顶板岩层、5-2煤、5-2煤底板岩层。延安组底部为富县组(J1f)，见图2。研究区主要含水层有风积沙含水层、风化带含水层、烧变岩含水层及延安组含水层。各含水层参数见图2。在区域较大范围内，地下水整体上自西向东流动，由于地表切割严重，覆盖条件下的补给径流排泄条件受干扰后，沟谷成为排泄点和补给点。研究区主要隔水层为保德组红土，离石组黄土为相对隔水层。

图2 地层柱状Figure 2 Stratigraphic column

1.2 常家沟水库

常家沟水库位于张家峁井田中部，建于乌兰不拉河与老来河的交汇处，是神木市最大的蓄水水库，水库汇水面积44km2，容水面积0.3km2，总库容1 200万m3，蓄水量在500～600万m3，水库洪峰期最高水位+1 138.17m，枯水期最低水位+1 121.74m，水库底部最低点标高+1 111.74m。水库水既供下游农田灌溉和人畜饮用，同时还承担电厂供水任务。

1.3 5-2煤工作面

张家峁煤矿自2009年6月试生产以来，已完成了5-2煤的15201试采面、15201首采面和15202—15206工作面的回采，见图1。各工作面均采用大采高一次采全高综采工艺。已生产工作面虽上覆有4-2煤火烧区，但回采过程中顶板烧变岩没有水。随着工作面向西布置，接续生产的15207—15208工作面离常家沟水库越来越近，根据采掘设计图，15207工作面切眼距离水库最近286m，15208工作面距常家沟水库最近190m。

2 水力联系分析

2.1 泉水补给来源

2.1.1 泉水流量与水库水位观测

15207工作面回采前，为了研究烧变岩与水库的水力联系，对工作区进行了野外踏勘。2016年5月12日，研究人员首次发现15207工作面上方的陈家塔沟谷中有泉水，出水点标高+1 134.5m，出水点平面上距15207工作面切眼约580m，距回风巷约60m(图3)。发现泉水后对泉流量及水库水位进行观测(表1)。

图3 井上下结合平面Figure 3 Surface-underground contrast plan

观测日期泉流量/m3·h-1水库水位/m水库水位下降/m水库水位高出泉点水位/m2016-05-1230+1 136.20—1.702016-05-2813+1 135.900.301.402016-06-030+1 135.660.541.162016-06-130+1 135.440.760.942016-06-300+1 134.701.500.202016-07-060+1 134.501.700

2.1.2 泉水来源初步分析

1)水库水。由表1可知，从5月12日到6月3日，泉流量从30m3/h逐步变小至无水，5月12日水库水位为+1 136.2m，高于泉点1.7m，之后水位逐步下降，至6月3日水位+1 135.66m，高于泉点1.16m时泉流不再有水。水库水位下降后泉点无水，能在一定程度说明泉水从水库来，但由于缺乏水库水位上升后泉水再次涌出的完整响应关系，且之前已回采的5-2煤工作面顶板烧变岩均没有水，因此不能排除泉水来源的其他可能性。

2)大气降水。泉水可能与降雨入渗有关。根据神木市气象资料，该市2016年4月和5月中除5月13日有小到中雨外，其余仅有的几次小雨。神木气候干旱，小雨时降雨量并不大，而5月13日中雨前泉点已经出水，因此泉点出水和降雨关系不大。

3)基岩风化带水。泉水有一种可能性是来自埋藏区基岩风化带水。踏勘中可见，泉点处陈家塔沟两侧沟坡上有基岩风化带直接露头，高出泉点15m以上。基岩风化带有水应该已通过露头排泄，更何况泉点北部、东侧、西侧4-2煤工作面均已回采，基岩风化带若有水，已经全部进入4-2煤采空区中了，因此基岩风化带不可能是泉水来源。

4)农田灌溉水。泉水可能与农民浇地有关。梁峁处农田灌溉时有水停灌后无水。经分析，出水期间没有农事灌溉活动，泉水流量达30m3/h且出水时长达半月之久，农民灌溉时间没有这么长，浇地强度也没有这么高，从而说明泉水和灌溉无关。

5)工业园区排水。泉水也可能与某厂矿企业排水有关。若某企业在特定时间段排水，通过地表入渗泉点有水，停止排水后泉水断流。经分析，出水点附近没有厂矿排水点，神木市工业园区距离出水点超过10km以上，之间隔着好几条切割很深的大沟，因此泉水与厂矿排水无关。

综合分析水库水、大气降水、基岩风化带水、农田灌溉水和厂矿排水等情况，认为泉水来自水库的可能性最大，但要证明泉水从水库来，还需开展相关工作。

2.1.3 泉水与水库水关系分析

为了进一步研究陈家塔沟谷中泉水的来源，研究人员对常家沟水务局工作人员和当地居民进行了深入的走访调查。从常家沟水库水务局得知，常家沟水库建于1979年，每年9月15日至来年4月15日为补水期，上游芦草沟有水源补给水库，当年4月15日至当年9月15日关水期，上游芦草沟水源停止补给，每年7月到8月下游用水量较大，总体上，常家沟水库4～5月水位最高，9～10月水位最低。当地居民在调查中反映，在水库建成蓄水之间，陈家塔沟出水点处从没有泉水，水库建成后出水点处才有泉水。该泉水是一个季节性泉水，每年春夏之交水库水位上涨时泉水较大，秋冬之交水库水位下降时泉水干涸。

走访调查工作表明，水库水位和泉水流量有直接响应关系，水库水位高则泉有水，水库水位低则泉无水，多年来泉水与水库的响应关系充分证明，常家沟水库水是泉水的来源。泉水来源清楚但通道不明，应查明过水通道。

2.2 泉水补给通道分析

2.2.1 泉水出露层位分析

研究中于2016年7月对陈家塔沟泉水出露点进行了详细踏勘，并在泉点附近施工了3个探坑。踏勘中发现，泉点在沟底靠东侧，泉点处沟谷两岸有4-2煤烧变岩露头，烧变岩顶部高出沟底地面10～12m，烧变岩底部略高于沟底，向北往沟谷上游方向，烧变岩底部逐渐掩埋在坍塌的岩块和草丛中。沿泉点向南往下游方向，可见陈家塔沟两侧烧变岩位置越来越高，烧变岩底板与沟谷底部的高差也越来越大。在沟谷下游开阔处陈家塔水潭西侧，部分烧变岩底板的风化岩中有水渗出。探坑开挖中发现，各探坑上部为土层，下部为灰色风化砂岩和泥岩，土层厚度0.3～1.2m，风化岩顶部标高+1 133.1～+1 134.0m。根据已有钻孔资料做出研究区4-2煤煤层底板等高线，泉点位于+1 135m等高线附近，泉点处风化岩标高低于煤层底板，故风化岩为4-2煤煤层底板风化带。从泉点沿沟谷往北，地势越来越高但煤层底板越来越低，根据图3火烧区边界线可知，沟谷下部有4-2煤烧变岩，泉点的直接出露层位为4-2煤底板风化带，沟谷往北风化带上部覆盖有4-2煤烧变岩。

2.2.2 水库水与4-2煤烧变岩接触关系分析

根据野外踏勘，常家沟水库北岸水库水与4-2煤烧变岩有直接的接触关系。在北岸西侧，水库水完全淹没4-2煤烧变岩，在北岸东侧，由于地层抬起水库水只淹没4-2煤烧变岩的下部层段。研究中于2016年11月，在15207及15208工作面外侧施工了3个水文地质孔，根据钻孔取心和水文地质测井，各钻孔钻探中均揭露了4-2煤烧变岩，验证了图3火烧区范围的可靠性，T2、T3、T4孔揭露烧变岩的标高分别为+1 128.3～+1 140.1m、+1 129.4～+1 141.7m、+1 134.7～+1 143.5m，烧变岩底板下为新鲜基岩，自西向东4-2煤烧变岩底板逐步升高，与井田4-2煤煤层底板等高线趋势吻合，见图4。

图4 T2—T4剖面示意Figure 4 T2—T4 schematic section

2.2.3 水库补给泉水的通道分析

陈家塔沟泉水的出露层位为4-2煤底板风化带。该风化带系沟谷切割冲刷剥蚀产生的裸露区风化带，在陈家塔沟仅发育在沟谷两侧和底板，从沟谷两侧和底板露头区往埋藏区，风化带很快过渡为新鲜基岩。张家峁煤矿4-2煤已开采区域揭露所有4-2煤底板均是新鲜岩石。常家沟水库水所淹没浸泡的地层有4-2煤烧变岩、 4-2煤烧变岩底部地层和少量浅层4-2煤烧变岩顶部地层，除烧变岩外，烧变岩顶底部地层均为类似陈家塔沟谷的裸露区风化带，因陈家塔沟和常家沟之间距离超过300m，两沟之间的裸露区风化带不会贯通。图4中T2～T4断面烧变岩顶板还有新鲜基岩，新鲜基岩往上才是的埋藏区基岩风化带，该风化带在矿区普遍发育并与下覆地层呈角度不整合关系。图4中的断面是水库水补给泉点的必由之路。常家沟水库历史最高水位+1 138.17m，T2、T3、T4断面烧变岩顶部高于+1 140m，因此水库水不可能越过烧变岩顶板埋藏区风化带补给泉水，换言之，烧变岩是水库水补给泉水的通道，水库水只能通过4-2煤烧变岩向北流动变成烧变岩水，在沟谷处烧变岩水进入裸露区风化带，部分在陈家塔水潭西侧渗出，部分以间歇性泉的形式从泉点地面涌出。

2.3 烧变岩与水库水力联系分析

通过分析水库补给泉点的过水通道，可知水库水与4-2煤烧变岩之间存在水力联系，若两者之间无水力联系，泉点不可能有季节性的间歇水。15201～15206等工作面在回采中顶板烧变岩没有水，其原因是因地层倾角关系煤层底板较高，加之陈家塔沟切割有排泄点，水库水经烧变岩无法渗流到5-2煤各工作面顶板上的4-2煤烧变岩中。

3 水力联系验证

3.1 烧变岩富水性及危害

水库水渗入火烧区后使烧变岩成为一个含水层，T2和T3孔抽水试验中，T2孔单位涌水量q=9.981L/(s·m)，渗透系数148.7m/d，T3孔单位涌水量q=1.767L/(s·m)，渗透系数27.3m/d，抽水结果表明4-2煤烧变岩含水层富水性强，渗透性好。工作面切眼送到位后，在井下施工了11个烧变岩探查孔，进一步验证了火烧区范围，对其中7个揭露烧变岩的钻孔进行了放水试验，7d后总放水量从278m3/h稳定为138m3/h，表明4-2火烧区烧变岩水量充沛，补给丰富。5-2煤平均厚度5.6m，5-2煤和4-2煤间距75m，根据矿方实测数据，5-2煤回采后导水裂隙带会发育至4-2煤层位[9-10]，因此，15207及15208工作面采前必须采取截流措施，否则回采时一方面顶板烧变岩会突水，同时水库水资源还会大量流失。

3.2 帷幕工程验证

确定水库水与烧变岩存在水力联系且烧变岩富水性强之后，在切眼外侧做了一道注浆帷幕墙，帷幕墙由2排钻孔组成[11]，外排钻孔距离切眼50m，内排钻孔距离切眼41.34m，帷幕墙东至陈家塔沟谷边缘，西至火烧区边界实煤体中，下至烧变岩下部新鲜基岩5m，上至烧变岩顶部新鲜基岩。帷幕工程于2017年1月14日开始，4月23日结束，施工中时值水库水位上涨期，注浆中帷幕外侧烧变岩观测孔水位随水库上涨，帷幕内侧烧变岩观测孔水位逐步下降。从2月中旬开始，陈家塔沟谷泉水流量越来越小，至3月19日泉水彻底干涸。帷幕工程后期井下进行了烧变岩疏放水，从4月6日至4月17日，放水量从502m3/h很快衰减至16m3/h，关闭放水孔后观测孔水位未恢复。以上帷幕内外钻孔水位变化、泉水流量变化及井下放水中放水孔流量及观测孔水位变化充分说明，常家沟水库水与4-2煤烧变岩存在水力联系，帷幕切断了两者之间的联系。

4 结论

1)张家峁煤矿15207、15208工作面上覆4-2煤火烧区与常家沟水库存在水力联系，4-2煤烧变岩富水性强，工作面采前必须采取帷幕截流措施。

2)泉水是研究水库水与烧变岩水力联系的一个重要线索，通过分析泉水流量和水库水位之间的响应关系可确定水库是泉水的补给源，根据地质关系在排除了其他通道可能性后，可得出烧变岩与水库有水力联系。