柠条塔井田南翼隐伏火烧区特征及富水性评价

侯恩科，杨斯亮，文 强，高利军，王建文，车晓阳，童仁剑，张 琦

（1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；3.陕煤集团 神木柠条塔矿业有限公司，陕西 神木 719300）

我国西部煤炭资源储量占全国的70 %以上[1]，但西部煤炭开采过程中水害较为严重。2011 年神南矿区柠条塔井田S1210 工作面开采时顶板突水[2]，持续4 个半月水量高达1 000 m3/h，突水水源主要为顶板直罗组风化基岩水以及东北侧1-2上煤隐伏火烧区烧变岩水。因此，研究顶板风化基岩、烧变岩含水层的特征和富水性对矿井水防治具有重要意义。

前人对风化基岩和烧变岩的水文地质特征做了大量研究。董书宁等[3]研究了华北型煤田中奥灰顶部的隔水层，发现古风化壳上部由于被不同时期黏土矿物填充，因而变成了相对隔水层；侯恩科等[4]通过对神府煤田煤层自燃区的观察和分析，将烧变岩分为类熔岩、烧结岩、烘烤岩3 种不同类型。在富水性研究方面，基于GIS 多因素复合评价法和物探评价法应用广泛。Roger F Tomlinson[5]首次建立了GIS系统—加拿大地理信息系统（CGIS），其主要是为农业服务的；武强[6]首次提出了以GIS 为软件支撑的多因素信息融合型含水层评价方法可用于煤矿含水层富水性评价，并于2011 年命名为“富水性指数法”。近年来一些学者[7-9]通过数学方法建立含水层富水性预测模型，基于GIS 方法预测含水层的富水性；诸多学者[10-13]亦采用磁法、电法、瞬变电磁法等物探与钻探结合的手段对含水层进行了富水性评价。神南矿区柠条塔煤矿南翼水文地质补勘中发现存在有1-2上煤火烧区，且判定为少见的“封闭型”火烧区，即深埋于第四系松散层和新近系红土层之下的圈闭型隐伏火烧区，以往对此类火烧区特征、成因及富水性研究较少；为此，研究南翼“封闭型”隐伏火烧区的基本特征和富水性，为该隐伏火烧区下煤炭开采水害防治提供依据。

1 研究区概况及地质背景

1.1 研究区概况

研究区地理位置及范围分布示意图如图1。

图1 研究区地理位置及范围分布示意图Fig.1 Schematic diagram of geographical location and scope distribution of the study area

柠条塔煤矿位于陕西省神木市孙家岔镇，研究区位于柠条塔井田南翼东南部，该区地表为风沙滩地，北邻芦草沟与考考乌苏沟的分水岭边界，南邻芦草沟沟脑，地形北高南低，隐伏火烧区面积约1.58 km2。区内地层由老至新依次为：延安组（J2y）、直罗组（J2z）、保德组（N2b）、离石组（Q2l）、萨拉乌苏组（Q3s）、全新统风积沙（Q4eol）。含煤地层为延安组（J2y），主采煤层为2-2，3-1，4-2，4-3和5-2煤层。区内构造简单，地层总体呈近水平状态。区内影响煤层开采的主要含水层为风化基岩含水层和烧变岩含水层。

1.2 地质背景

柠条塔煤矿南翼隐伏火烧区位于鄂尔多斯盆地东北部。从区域地质背景来看，鄂尔多斯盆地是在印支运动后形成的陆相盆地，经历了中晚三叠世、早侏罗世、中侏罗世和早白垩世4 个主要盆地沉积阶段，晚白垩世以后盆地进入后期改造阶段[14]，本区域经历了大规模的地壳隆升，使研究区下白垩统全部、中侏罗统部分地层遭受长期风化剥蚀[15]，目前仅保留了中侏罗统直罗组部分地层。至新近纪上新世以来，本区域经历了多次整体沉降与抬升，形成了新近系上新统保德组、第四系中更新统、上新统和全新统松散层沉积。

钻孔资料显示，在隐伏火烧区，保德组红土全区发育，厚度约为28 ～102.5 m，上覆于直罗组下段地层之上，呈不整合接触关系。根据钻孔揭露，保德组红土层未被火烧，而1-2上煤层之上延安组地层和直罗组下段下部地层被煤层自燃火烧。说明本区直罗组地层沉积之后，新近系保德组红土沉积之前，曾经发生整体隆起，先前形成的侏罗系、白垩系地层遭受风化剥蚀，并使1-2上煤层出露地表，在当时干热气候条件下发生自燃而使煤层顶板岩石发生火烧并形成烧变岩[4,16]。至新近纪上新世，该区域结束了隆起，地壳下沉形成了保德组红土沉积，覆盖了1-2上煤火烧区，形成深埋于地下的隐伏火烧区。结合区域沉积构造演化历史，该隐伏火烧区的形成时代应为早白垩世之后，上新世之前。

2 隐伏火烧区特征

2.1 隐伏火烧区烧变岩特征

烧变岩一般可分为烘烤岩、烧结岩和类熔岩3种类型[17]。根据钻孔资料，研究区烧变岩分布面积仅1.58 km2，厚0.3 ～17.6 m，均为烘烤岩。这主要是由于1-2上煤层厚度（平均厚度1.72 m）薄，自燃时产生的热量少，其围岩只受到轻微烘烤，基本保持了原始沉积岩层理构造特征，只是岩石颜色因火烧发生变化而呈现为浅红色。

为分析研究区隐伏烧变岩的形成和发育特征，根据钻孔资料，编制了研究区及其周边新近系上新统保德组底板即基岩顶面等高线图，由于该区地层近于水平，该等高线图也近似代表了上新统保德组红土沉积前的古地形，隐伏火烧区及其周边上新统沉积前古地形图如图2。

图2 隐伏火烧区及其周边上新统沉积前古地形图Fig.2 Pre-sedimentary paleotopographic map of the concealed burning area and its surrounding area

从图2 可以看出，在上新统保德组沉积之前，隐伏火烧区东侧及北侧地势整体较高，南侧芦草沟沟谷一带地势较低，反映保德组沉积前芦草沟沟谷一带剥蚀作用强于火烧区东侧及北侧区域。由于煤层自燃一般是煤层出露地表遭受风氧化内部聚热而引起的，因此推测在研究区及其周边东北高、西南低的古地形条件下，1-2上煤层隐伏火烧区内可能存在1条窄小的古冲沟，即图中位于HS2 和K10、BK42 钻孔之间1-2上煤剥蚀边界所勾画的区域，使1-2上煤层出露地表与氧气接触，从而自燃。

研究区烧变岩发育于延安组1-2上煤层与直罗组风化基岩之间。从垂向来看，隐伏火烧区1-2上煤上覆基岩组合关系大致可分为3 种类型：①Ⅰ型（烧变岩-风化基岩组合）：多分布于隐伏火烧区中部区域内，1-2上煤层完全燃烧；②Ⅱ型（煤层-烧变岩-风化基岩组合）：大范围分布于隐伏火烧区，1-2上煤未完全燃烧，尚有残留煤；③Ⅲ型（煤层-烧变岩-正常基岩-风化基岩组合）：分布于隐伏火烧区局部边界地带，1-2上煤未火烧殆尽，烧变岩与风化基岩之间还夹有一定厚度的未火烧、未风化的正常基岩。从平面来看，最大的特点是“隐伏”，即烧变岩深埋于地下，未出露地表。其次，在火烧区内部，烧变岩和风化基岩大多处于直接接触状态，仅在火烧边界附近，烧变岩厚度较薄，未能与风化基岩直接接触。隐伏火烧区及周边地层空间关系示意图如图3。

图3 隐伏火烧区及周边地层空间关系示意图Fig.3 Schematic diagram of spatial relationship between concealed burning area and surrounding strata

2.2 隐伏火烧区主要含水层及其水力联系

烧变岩在我国西部侏罗纪煤田大面积分布，因其孔隙、裂隙等较为发育，为地下水的运移、存储提供了良好的空间，且烧变岩水常与上覆风化基岩水、第四系松散层水以及地表水存在密切的水力联系，常一起成为矿区的主要充水含水层[18-19]。根据钻孔抽水试验资料，研究区内第四系风积沙层为透水层、局部发育的上更新统萨拉乌苏组为富水性中等的含水层、中更新统离石黄土为极弱含水层、新近系保德组红土为普遍发育的隔水层、侏罗系中统直罗组风化基岩为富水性中等的承压水含水层、1-2上煤烧变岩为富水性中等的承压水含水层，未风化的直罗组和延安组地层为富水性弱的承压水含水层。研究区1-2上煤烧变岩含水层与风化基岩含水层大多直接接触而连为一体，水力联系密切，形成统一含水层，其单位涌水量为0.009 7～0.179 9 L/（s·m），渗透系数为0.077 2～2.092 3 m/d。1-2上煤烧变岩之下为柠条塔井田的主要可采煤层2-2煤层，其厚度达6.85 m，距1-2上煤层平均间距26.6 m，开采所形成的导水断裂带可直达烧变岩与风化基岩含水层。因此，影响烧变岩下伏煤层开采的主要含水层为连为一体的风化基岩和烧变岩统一含水层。隐伏火烧区及其周边风化基岩+烧变岩含水层等水位线图如图4。

由图4（a）可知，在2014 年4 月时，水位最高点位于钻孔J9 处，最低点位于钻孔SK11 和SK8 处（S1210 突水点附近）。整个隐伏火烧区含水层水的补给来源主要为火烧区的西北侧和北侧区域风化基岩水的侧向补给，地下水通过风化带中的裂隙，由水头高的西侧和北侧区域流入隐伏火烧区，再向水头低的西南部径流，最终排泄至芦草沟。

近年来，随着柠条塔井田南翼2-2煤层的不断开采扰动，隐伏火烧区北侧采空区范围不断扩大，导致风化基岩含水层地下水流场发生了巨大的变化。由图4（b）可知，水头最高点和最低点位置基本没有大的改变，但在隐伏火烧区及周边地下水流场发生了较大变化。特别是隐伏火烧区西侧区域，地下水补给方向甚至出现了反转。由于隐伏火烧区及其周边风化基岩含水层水向矿井的不断排泄，导致地下水水位持续下降，2014—2019 年隐伏火烧区北侧钻孔K1-1 附近地下水头下降达10 m。

图4 隐伏火烧区及其周边风化基岩+烧变岩含水层等水位线图Fig.4 Groundwater flow field diagrams of the concealed burning area and surrounding weathered bedrock

3 隐伏火烧区含水层富水性评价

3.1 数据准备

为了查明隐伏火烧区主要含水层的富水性变化特征，在研究区及其周边开展了钻孔抽水试验及电法、核磁共振等物探工作，将风化基岩含水层钻孔单位涌水量（X1）、烧变岩含水层钻孔单位涌水量（X2）、风化基岩视电阻率（X3）与烧变岩视电阻率（X4）、核磁共振勘探含水率（X5）与渗透系数（X6）共6 种成果图在GIS 中生成指标专题图，隐伏火烧区各类勘探成果数据专题图如图5。

图5 隐伏火烧区各类勘探成果数据专题图Fig.5 Thematic images of various exploration results data in the concealed burning area

3.2 确定权重

数据量化后，采用因子分析法提取成果数据中的因子，并求出各个成果数据的权重。因子分析法[20-22]由C Spearman 最早提出，是1 种压缩原始数据和提取数据的方法，其可以在样本数据信息损失尽可能小的情况下，将原本数量众多复杂且存在信息重叠甚至相互矛盾的原始数据化繁为简，转化成为若干项综合性指标，其基本原理与计算步骤如下：

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1）对原始成果数据进行标准化。假设原始成果数据X=（x1，x2，…，xp），对原始数据进行标准化，使其均值、方差分别等于0 和1，处理方程为：

2）求相关系数矩阵R 及其对应的特征根λ 与特征向量I。采用标准化后的数据=（，，…），计算相关系数矩阵R，得到相关矩阵后，进一步计算该矩阵的特征根与特征向量，分别记为λi、li，其中i=1，2，…，p。

3）计算公共因子及载荷矩阵。计算结果显示，此时公共因子fi=li·（x1，x2，…，xp）′。

4）旋转载荷矩阵，获得具有专业性解释的公共因子。

5）根据公共因子及其表达方程，确定各成果数据权重。

采用上述步骤，计算得到标准化后数据的相关系数矩阵为：

相关矩阵特征根及其占比特征见表1。

表1 相关矩阵特征根及占比统计表Table 1 Statistical table of characteristic roots and percentages of correlation matrix

由上述2 个因子表达式可以看出，f1表达式与风化基岩钻孔单位涌水量呈强正相关关系，与风化基岩电阻率呈强负相关关系，表明f1表达式更能反映隐伏火烧区风化基岩含水层富水特征；而f2与烧变岩钻孔单位涌水量呈较强的正相关关系，与烧变岩电阻率呈强负相关，说明f2表达式更能反映隐伏火烧区及周边烧变岩含水层富水性特征。进而可以求出各勘探数据在隐伏火烧区统一含水层富水性评价中的权重，富水性评价权重系数表见表2。

表2 富水性评价权重系数表Table 2 Table of weight coefficients for water richness evaluation

根据前人认识，在满足Dupuit 假设条件下，承压含水层地下水向完整井的稳定运动满足承压水井的Dupuit 公式，即：

式中：Q 为抽水量，m3/s；K 为渗透系数，m/s；M 为含水层厚度，m；sw为水位降深，m；R 为影响半径，m；rw为抽水井孔径，m。

将式（3）两侧同时除以sw，即可得到钻孔单位涌水量计算公式：

式中：q 为钻孔单位涌水量，L/（s·m）。

钻孔单位涌水量与承压含水层导水系数T=KM呈线性相关。隐伏火烧区内风化基岩含水层与烧变岩含水层垂向上直接接触，水力联系密切，2 个含水层的综合导水系数是各自导水系数之和，即：

因此隐伏火烧区统一含水层的富水性特征能够通过2 个公共因子表达方程的系数最终确定统一含水层富水性评价的权重。

3.3 GIS 叠加结果

利用GIS 的空间叠加功能，将归一化处理后的成果数据，按照上述权重系数叠加复合为统一含水层富水性指标，并对隐伏火烧区及周边富水性进行评价分区，隐伏火烧区统一含水层富水性分区图如图6。

图6 隐伏火烧区统一含水层富水性分区图Fig.6 The water-rich zoning diagram of the uniform aquifer in the concealed burning area

从图6 可以看出，在隐伏火烧区北部和西部小范围内为强富水性区；隐伏火烧区内北西-南东方向呈带状大部分区域为中等富水性区；隐伏火烧区东部及北部部分区域富水性为相对较弱区；隐伏火烧区外北侧为弱富水性区。

将评价结果与柠条塔井田南翼S1233 工作面巷道井下探放水孔的涌水量进行对比分析，S1233 工作面井下探放水钻孔涌水量见表3。

表3 S1233 工作面井下探放水钻孔涌水量Table 3 Underground water exploration and release borehole water gushing in S1233 working face

由表3 可以看出：预测富水性相对较强的区域，探放水孔的涌水量也相对较大，与此同时，巷道向南侧施工的探放水孔涌水量普遍大于巷道北侧区域，与预测结果基本一致，反映当前隐伏火烧区含水层富水性评价结果效果较好。

4 结 语

1）隐伏火烧区内烧变岩均为烘烤岩。1-2上煤上覆基岩组合形式可分为3 类：即Ⅰ型（烧变岩-风化基岩组合）、Ⅱ型（煤层-烧变岩-风化基岩组合）、Ⅲ型（煤层-烧变岩-正常基岩-风化基岩组合）。

2）隐伏火烧区1-2上煤层自燃形成的烧变岩形成于早白垩世末至上新世沉积之前，古冲沟的发育和干热气候条件为隐伏火烧区的形成提供了客观条件。

3）研究区烧变岩含水层与风化基岩含水层水力联系密切，可将其视作统一含水层，因子分析法与GIS 空间分析法相结合，能对含水层富水性进行较准确的评价预测。