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代飞龙，于江浩
（1.新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉，831100；
2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺，113122；
3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺，113122）
目前，我国露天煤矿开采技术已日渐成熟，但在开采煤炭资源带来丰富经济利益的同时，也发生了大量的边坡失稳，经研究发现边坡失稳往往与地下水量剧增导致边坡岩体强度降低有关[1-2]。当矿区发生降雨，地下水通过岩体内的裂隙流动，地下水量剧增时，地下水会带走部分岩石颗粒，使裂隙不断发育，边坡岩体内的自质量、静水压力以及动水压力同时增大，岩体内的弱层层面遇水后往往会发生水解作用，使其表面十分光滑，降低弱层的黏聚力及内摩擦角，使得边坡岩体自身的力学强度进一步降低，最终导致边坡失稳。
将军戈壁二号露天煤矿位于准噶尔盆地东南，矿田主体行政区划奇台县管辖，其首采区西北部有烧变岩层发育，开挖后烧变岩深部潜水会顺势流入矿坑，是未来开采最大的隐患。根据《煤矿防治水细则》规定，煤矿防治水工作应坚持预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采的原则。将军戈壁二号露天矿采掘前必须进行水文地质勘探。基于以上原则，利用高密度电法、瞬变电磁法、水文地质钻探、抽水试验、物探测井等技术手段，查明了将军戈壁二号露天矿首采区西北部烧变岩层地下水分布范围、分布规律，同时根据本次勘察成果对将军戈壁二号露天矿西北部烧变岩区域富水性做出了评价。
矿区内没有常年性地表水流，只在春融季节和夏季降雨时才有暂时性地表径流，但流程不远就汇集在低洼处并随即蒸发，形成了许多大小不等的白板地和龟裂地。
矿田内第四系地层透水不含水，侏罗系地层富水性弱。未来露天采场境界内的裂隙水主要接受大气降水及周围汇集的地表水补给，向坑底径流，以裂隙状散流方式排泄到坑底具微承压性，地下水位埋深25～45 m。
矿田的西北部煤层浅部均已火烧，地表形成广泛分布的烧变岩。煤层顶底板及围岩经火烧烘烤，改变了原岩的性质，成为坚硬、破碎、裂隙及孔隙发育的烧变岩，烧变岩区具备良好的导水通道和储水空间，当矿田开挖后，烧变岩中赋存的地下水顺势向低洼地汇聚。
本次探测区域位于将二矿首采区西北部火烧区内。本次瞬变电磁法探测面积约3.4 km2，高密度探测面积约3.4 km2，高密度测线根据现场施工的允许条件布设于瞬变电磁法测区内。瞬变电磁法设计测网密度40 m×20 m，即线距40 m，点距20 m，工作量为4 473 个坐标点；
高密度电法测网密度80 m×10 m，即线距80 m，点距10 m，工作量为45 780 m。由于测区自然地形条件限制，高密度电法无法在全区布设测线，故采集的高密度数据主要与瞬变电磁数据相互验证，起辅助作用[3-4]。
选取4 条测线对探测区电阻率纵向分布和异常位置进行分析。4 条测线中22 线、78 线、156 线为东西向，168 线为南北向。4 条测线基本覆盖全区，可作为探测区代表性测线。
2.1 瞬变电磁法数据分析
22 线位于测区中南部，地表平坦，长度2 040 m，共有52 个测点。22 线电阻率断面图如图1。
图1 中黑色实线为2 煤底板。由图1 可见，相对高阻沿测线条带状分布。在约12～80 点之间，高阻条带随着点号增加而深度增加；
在80 点至测线末端，高阻条带基本水平，保持在2 煤底板之上，其中在132～148 点之间，高阻条带稍显弱化。
图1 22 线电阻率断面图
根据探测区内钻孔与地质剖面结果，区内煤层B5、B3、B2 均较厚且间隔较小。由于煤层电阻率相对砂岩、泥岩等含煤地层明显为高阻体，则B5、B3、B2 3 层煤联合形成巨厚层的高阻体。认为电阻率断面图中相对高阻条带为正常煤层的电法响应，条带电阻率变低处为异常的电法响应。据此分析，12～80点之间为烧变岩分布区，浅部烧变岩出露，烧变岩底部有积水；
132～148 点之间烧变岩分布，底部有积水；
测线其余地段为正常的西山窑组含煤地层，无烧变岩。
78 线位于测区中部，测线整体平坦但东段地势略低，测线长度达到2 640 m，共有67 个测点。78 线西段电阻率断面图如图2，78 线东段电阻率断面图如图3。
图2 78 线西段电阻率断面图
图3 78 线东段电阻率断面图
由图2～图3 可见，相对高阻沿测线浅部分布。在约280～320 点之间，浅部高阻条带逐渐消失。在56～152 点之间，测线中部、深部为强烈低阻；
在152点至测线末端，测线中、深部出现相对弱高阻条带，该条带在280 点以后幅值变高，深度加大。认为56～280 点之前为烧变岩分布区，浅部高阻条带为烧变岩不含水形成的高阻响应，烧变岩底部积水，使断面下部整体呈现低阻响应。其中，56～152 点之间烧变岩空隙大，富水性相对更强。认为280～320 点之间为正常含煤地层。
根据以上分析，在168 线附近布置了ZK05 钻孔，对烧变岩和地下水进行验证。钻探结果显示，孔深74 m 为烧变岩底界，底部积水，流动性较大。
围绕ZK05 钻孔进一步对电阻率断面异常进行分析。168 线测线穿越ZK05 钻孔的南北向，该测线长820 m，南高北低。
168 点电阻率断面图如图4。由图4 可见，在测线20～32 点之间，2 煤底板上存在明显高阻体；
32 点至测线末端，2 煤底板上为明显低阻体，且浅部为高阻条带。认为20～32 点之间为正常的含煤地层，32点至测线末端为烧变岩分布区。在钻孔ZK05 处，浅部为不含水的烧变岩，钻孔深部进入低阻，应为烧变岩底部的地下水。
图4 168 线电阻率断面图
根据以上分析，该测线大部分火烧，且烧变岩底界处聚集地下水。认为烧变岩分布区中，32～72 点之间的烧变岩空隙相对更大，地下水更加丰富。
156 线位于测区北部，测线整体平坦，测线长度达到1 200 m，共有31 个测点。156 线电阻率断面图如图5。
图5 156 线电阻率断面图
由图5 可见，测线浅部分布有1 层相对高阻层，中部另分布有1 层较厚的相对高阻层，该高阻层在300～348 点之间弱化、消失，在360～388 点之间增强。
认为272～360 点之间为烧变岩分布区，其浅部烧变岩不含水形成相对高阻体，烧变岩底界含水为相对低阻体。360～388 点之间为正常的含煤地层。
2.2 高密度电法数据分析
测区内另布置了高密度直流电法工作，其探测结果与TEM 相吻合。78 线高密度直流电阻率反演断面图如图6。
图6 78 线高密度直流电阻率反演断面图
由图6 可见，高密度直流电阻率法横向电阻率的变化规律与TEM 一致，有效反映了烧变岩与沉积岩的分布范围，分界面位置一致；
但高密度直流电阻率受排列装置的影响，勘探深度相较TEM 要浅，无法从反演断面中划分低阻煤层；
另外，高密度直流电阻具有很好的浅层分辨能力，对烧变岩内部电阻率变化具有良好的响应，其中低阻区体现了大气降水对地下烧变岩富水区的补给通道，是TEM 低阻区富水的利证明[5-6]。
受测区地形条件的限制，高密度直流电法仅在较为平坦的区域进行数据采集，工作量有限，无法形成规则的测网，因此在资料处理解释过程中，仅作为参考资料。
2.3 电阻率平面分析与解释
为进一步分析探测区烧变岩和地下水的分布情况，提取各测点处烧变岩层位的电阻率，形成电阻率等值线平面图，通过分析平面上的电阻率分布特征，解译烧变岩及地下水的分布范围。烧变岩电阻率异常平面分布图如图7。
图7 烧变岩电阻率异常平面分布图
根据上面对断面图的分析，划分了烧变岩与普通地层的分界线，在图中用黑色虚线表示。另根据电阻率在平面上的幅值大小、等值线的特征及掌握已知情况，确定12 Ω·m 和9 Ω·m 为两级低阻异常的阈值。
对烧变岩边界的划分主要依靠电阻率在断面和平面上与普通地层的差异而确定。煤层烧变后，除自身产生空隙外，对顶底板也因烘烤而使其发育裂隙。当烧变岩含水时，其电阻率因空隙被地下水充填而降低，否则因充填空气而升高。充填空气与地下水的烧变岩存在极其明显的电阻率差异。相对正常围岩，不含水的烧变岩表现为相对高阻，含水的烧变岩表现为相对低阻。当烧变岩从浅至深分布时，电阻率断面上表现为极高阻（不含水）随深度增加而快速变化为极低阻（底部积水）。当烧变岩被掩埋在中深部且含水时，其相对同深度围岩表现为电阻率降低。由图7 可见，探测区内基本为烧变岩分布，未烧变区分布相对较少。
当煤层火烧较薄时，对围岩的影响范围较小，煤层及围岩基本保持原生的电阻率特征。随着煤层烧变程度加剧，对围岩的影响程度和范围急剧增加，充水后表现为地下水的低阻特征，原生特征消失殆尽。虽然探测区内基本为烧变岩分布区，但从电阻率分布特征来看，其影响程度并不相同，即烧变岩空隙发育程度不一。当烧变形成空隙较大时，地下水聚集更加丰富，电阻率表现更接近地下水的低阻，即通过电阻率的分布，可定性判断烧变岩孔隙发育程度[7-8]。
根据烧变岩层位电阻率平面分布及确定的异常程度阈值，圈定2 处低阻异常区，分别命名为“一号异常”和“二号异常”。“一号异常”位于探测区西部，主要呈东西向分布，平面范围相对较大；
“二号异常”位于探测区东部，大体呈南北向分布，平面范围相对较小。两处异常存在一定的联结趋势。
根据地质任务要求和相关目标层位低阻异常区的分布情况，结合地质地形、煤层产状、出水资料、揭露的裂隙发育情况和水文地质等资料，对烧变岩富水区进行综合推断。推断探测区内烧变岩普遍含水，根据电阻率高低表现推断，“一号异常区”及“二号异常区”为裂隙发育的强富水区，并认为2 个异常区具有连通性，可形成1 个整体的中等富水区。
本次水文地质补勘过程中共进行5 次单孔抽水试验，根据单孔抽水试验抽水量和水位降深等观测资料计算水文地质参数，并依此对地下水含水层的水文地质条件进行评价，初步分析煤系地层及奥陶系灰岩含水层富水性。
1）抽水试验方法。单孔抽水试验，每个单孔进行1 次最大的水位降深抽水试验，了解水位降深值与涌水量的关系，初步确定含水层的富水性；
单位涌水量大于0.01 L/（s·m），做3 次降深抽水试验。
2）抽水试验稳定标准。①抽水井抽水量保持常量，变化幅度不大于3%；
②水位变幅（包括主孔、观测孔）幅度不大于5%降深值。
3）观测频度及精度。①水位观测时间按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min进行，以后每隔30 min 观测1 次，直至稳定，恢复水位观测同此，观测仪器为指针式电流表；
②水温、气温、供电（柴油机）电流电压2～4 h 测量2 次；
③水位测量精度0.5 cm，流量堰板读数误差1 mm。
抽水设备采用250QJ80 型深井潜水泵，在经过多次抽水试验后测得，极限能力下最大降深仅为0.21 m，最小涌水量2 160 m3/d，渗透系数202.91 m/d，印证了火烧区岩层极为破碎，存在强富水区。
1）根据烧变岩与普通地层的电阻率差异，推断了新的烧变岩边界。
2）根据电阻率在断面和平面的分布特征，确定了2 处低阻异常区，并据此推断了1 处中等富水区和2 处强富水区。认为探测区内烧变岩底部均汇聚有地下水，因为烧变程度不一，产生的能储水的烧变空隙发育程度不一，导致烧变岩含水程度不一。
3）探测区电阻率平面图、推断成果图和抽水试验结果同时表征了烧变岩空隙的发育程度。
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