苗彥平,楊 磊,黨 冰,楊皓潔,鄭麗娟

(1.陜煤集團(tuán)紅柳林礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.陜西浩興坤達(dá)新能源科技有限公司,陜西 西安 710000)

0 引言

風(fēng)化作用是指地表或者接近地表的堅(jiān)硬巖石、礦物與大氣、水及生物接觸過程中產(chǎn)生的物理、化學(xué)變化。受風(fēng)化作用形成的產(chǎn)物為風(fēng)化基巖,其特征屬性與原巖相比在結(jié)構(gòu)構(gòu)造、力學(xué)強(qiáng)度、孔隙度和含水量方面均發(fā)生顯著變化。關(guān)于風(fēng)化基巖的富水性問題,部分研究人員認(rèn)為風(fēng)化基巖具有一定的隔水作用,另一部分研究人員認(rèn)為風(fēng)化基巖由于其特有的物性富水性較強(qiáng),是突涌水的主要含水層[1-4]。近年來(lái),陜北地區(qū)新建礦井大規(guī)模綜采工作面的突涌水水害,使得研究人員認(rèn)識(shí)到侏羅系風(fēng)化基巖水是礦井突涌水的重要來(lái)源之一。

紅柳林井田煤層上覆基巖較薄,距離風(fēng)化基巖含水層較近。作為煤層開采的直接充水含水層,其發(fā)育厚度不均勻,且富水性強(qiáng)、地下水靜儲(chǔ)量大、補(bǔ)給條件良好,為紅柳林井田水害主要防治對(duì)象。隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模的不斷加大和井巷工程的不斷延伸,煤礦水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,以往的地質(zhì)與勘探研究覆蓋范圍廣,對(duì)于部分區(qū)域的認(rèn)識(shí)并不能指導(dǎo)礦井開采和準(zhǔn)確劃分巷道掘進(jìn)威脅區(qū)域、工作面回采受水威脅區(qū)域等[5-8],不能很好地滿足紅柳林煤礦礦井生產(chǎn)的需要,水文地質(zhì)以及應(yīng)力分布也亟待解決。

NEMV技術(shù)是通過觀測(cè)和分析由巖石、礦石(或者其他探測(cè)對(duì)象)顯示的天然電磁脈沖信號(hào)差異所體現(xiàn)的應(yīng)力變化點(diǎn),結(jié)合專有軟件對(duì)形成的層析成像剖面進(jìn)行研判,進(jìn)而研究地質(zhì)構(gòu)造的一種新型地球物理勘探方法。

1 技術(shù)原理

19世紀(jì)初,科學(xué)家通過Dulong-Petit定律認(rèn)識(shí)到:原子的熱運(yùn)動(dòng)在宏觀上的直接表現(xiàn)為熱比容。到20世紀(jì)初Einstein利用Plank量子假說(shuō)解釋固體熱容為什么會(huì)隨溫度降低而下降的現(xiàn)象。1912年波恩與馮卡門首次使用周期性邊界條件來(lái)研究晶體點(diǎn)陣振動(dòng)。后來(lái)黃昆先生繼承并發(fā)展了波恩理論,他認(rèn)為固體內(nèi)部的晶格在應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)在固體溫度控制的能量范圍內(nèi)發(fā)生微振動(dòng),導(dǎo)致晶格變形,隨著應(yīng)力的增大,產(chǎn)生壓電效應(yīng)。在地球運(yùn)動(dòng)與萬(wàn)有引力的影響下,地球內(nèi)部具有類壓電體性質(zhì)的巖石應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,巖石受到擠壓產(chǎn)生形變甚至破碎,儲(chǔ)存在巖石中的能量突然釋放,這一過程伴隨著巖石固體晶格的斷裂。斷裂會(huì)使晶格中的縱振動(dòng)聲波引起橫向電極化,這一極化會(huì)與某一特定波段的電磁波強(qiáng)烈耦合,從而出現(xiàn)極化激元,產(chǎn)生電磁聲子,形成電磁脈沖波[9]。

NEMV技術(shù)通過接收地下不同深度的自然電磁脈沖信息,對(duì)頻譜內(nèi)不同波長(zhǎng)有效散射面積進(jìn)行還原,提取地質(zhì)極化異常。原巖與風(fēng)化基巖由于物性不一致,內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)不一致,勘測(cè)出的數(shù)值也是不一樣的,進(jìn)而可以精確劃分風(fēng)化、原巖邊界以及含水區(qū)域。

2 風(fēng)化基巖發(fā)育特征及其富水性

2.1 應(yīng)力異常區(qū)

通過對(duì)紅柳林區(qū)域地質(zhì)資料綜合分析研究,地層在原始沉積狀態(tài)且未受外界風(fēng)化、蝕變作用等眾多因素影響的情況下會(huì)始終保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)力關(guān)系,趨于相對(duì)穩(wěn)定的衡值。而當(dāng)這些“平衡”因子被改變時(shí),地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造也會(huì)隨之變化,進(jìn)而呈現(xiàn)或高或低的應(yīng)力差異反應(yīng)。

就研究區(qū)范圍及深度而言,侏羅系基巖風(fēng)化層一般較薄、顆粒較粗、疏松易碎、裂隙發(fā)育,隨著風(fēng)化程度自上而下逐漸變輕,風(fēng)化物質(zhì)逐漸變粗,在應(yīng)力反應(yīng)中,表現(xiàn)為相對(duì)異常低值。新鮮基巖未經(jīng)風(fēng)化,其結(jié)構(gòu)較為緊密,結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均非常低,裂隙帶發(fā)育也較少;在應(yīng)力反應(yīng)中,表現(xiàn)為相對(duì)異常高值。因此,低應(yīng)力異常區(qū)可以直接反應(yīng)風(fēng)化基巖在區(qū)內(nèi)的展布特征,同時(shí)亦為4-2煤層以上風(fēng)化基巖賦水情況研究提供了思路。

紅柳林研究區(qū)共完成地質(zhì)剖面測(cè)量147條,經(jīng)綜合數(shù)據(jù)處理后建立空間應(yīng)力系數(shù)分布3D圖?？梢钥闯?紅柳林研究區(qū)低應(yīng)力異常呈NNE向展布,空洞應(yīng)力系數(shù)分布俯視圖如圖1所示,可以圈定4個(gè)異常區(qū)域,分別編號(hào):L1、L2、L3、L4號(hào)異常。異常系數(shù)范圍在-0.18至-0.28,空間內(nèi)縱向延展最低海拔高度為1 145～1 200 m。其中L3號(hào)異常最大延展面積約47.20萬(wàn)m2,為研究區(qū)內(nèi)最大的低應(yīng)力異常區(qū),見表1。

表1 低應(yīng)力異常區(qū)信息統(tǒng)計(jì)Table 1 Information statistics of low stress anomaly area

圖1 空間應(yīng)力系數(shù)分布俯視Fig.1 Top view of spatial stress coefficient distribution

為了深層次剖析異常原因,故在空間應(yīng)力系數(shù)分布3D圖的基礎(chǔ)上沿著垂直Y軸方向(X-Z方向)經(jīng)過Low-pass Filters后進(jìn)行剖面切割89條,其中對(duì)應(yīng)L1、L2、L3、L4號(hào)異常分別取切片63、切片46、切片31、切片9,如圖2、圖3所示。

圖2 低應(yīng)力異常三維模型切片剖面Fig.2 Slice profile of low-stress anomaly 3D model

圖3 HB1-15鉆孔資料Fig.3 Drilling data of HB1-15

綜上所述,L1、L2、L3、L4號(hào)異常均為原生基巖受風(fēng)化后孔隙度增加、裂隙發(fā)育形成的低應(yīng)力異常表現(xiàn),同時(shí)亦可推斷,該風(fēng)化基巖層很可能已經(jīng)形成天然透水層,進(jìn)一步加劇了低應(yīng)力異常表現(xiàn)。尤其需要注意的是,X-Z切片9對(duì)應(yīng)的L4號(hào)異常,低應(yīng)力異常標(biāo)高為1 150 m,已經(jīng)垂向接近4-2煤層頂板,推斷該位置以南區(qū)域風(fēng)化基巖可能會(huì)觸及4-2煤層底板,甚至更深,如圖2所示。

對(duì)比空間應(yīng)力系數(shù)分布3D俯視圖(圖1)可知,L1、L3、L4號(hào)異常均受4-2煤火燒邊界NNE向貫穿。分析可知,煤層因自燃而形成層間空腔,致使上覆巖層出現(xiàn)垮落或錯(cuò)亂,會(huì)直接形成低應(yīng)力異常表現(xiàn)。故此,X-Z切片63、X-Z切片31、X-Z切片9對(duì)應(yīng)的L1、L3、L4號(hào)異常均表現(xiàn)出異常面積廣、深度大的特征(圖4)。而X-Z切片46對(duì)應(yīng)的L2號(hào)異常,則分析是風(fēng)化基巖的直接體現(xiàn),推斷可能是風(fēng)化作用后經(jīng)地表水下滲富集所致,該處異常底界基本和保德組隔水層標(biāo)高一致,很好的印證了上述觀點(diǎn)。

由此可見,紅柳林研究區(qū)內(nèi)低應(yīng)力異?？梢灾苯臃磻?yīng)風(fēng)化基巖的展布情況,大致呈NNE走向,厚度約20～110 m,整體分布不均。北部風(fēng)化程度較淺,南部風(fēng)化程度較深。建議礦方應(yīng)該在此次研究區(qū)外圍以南區(qū)域繼續(xù)加大勘查力度,追查其低應(yīng)力異常空間展布特征,避免在未來(lái)施工采掘過程中因水害問題造成不必要的麻煩。

2.2 風(fēng)化基巖分布特征

在已有鉆孔巖性風(fēng)化層的劃分基礎(chǔ)上,利用井位投影總結(jié)出研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力與風(fēng)化層界面之間的定量關(guān)系,如圖2所示。HB1-15井,位于延安組二層段,4-2煤上覆巖層,主要巖性為砂質(zhì)泥巖、灰黃色、嚴(yán)重風(fēng)化、破碎,水平狀層理?？赡転?-2煤頂部砂巖破碎帶,具有富水條件。與4-2煤層地形展布情況保持一致。

因此在yz方向以35.622 m為一個(gè)間隔對(duì)研究區(qū)三維圖像進(jìn)行切片,在應(yīng)力剖面切片上對(duì)研究區(qū)內(nèi)風(fēng)化層與新鮮基巖界面進(jìn)行追蹤解釋,如圖4所示,得到界面相關(guān)數(shù)據(jù),從而形成研究區(qū)的風(fēng)化基巖厚度等值線圖,如圖5所示。

4-2煤層上部風(fēng)化基巖在研究區(qū)內(nèi)全區(qū)分布,中部風(fēng)化層最厚,北部風(fēng)化程度較為嚴(yán)重,風(fēng)化基巖厚度比西南部厚,西南部風(fēng)化界面可到4-2煤層頂部,如圖5所示。

2.3 應(yīng)力低值區(qū)的富水性分布

研究區(qū)屬于半干旱區(qū),多年平均降水量?jī)H為434.1 mm,大氣降水是區(qū)內(nèi)地下水的唯一補(bǔ)給源,大氣降水降落至地表后,在降雨特征和地質(zhì)條件的影響下,緩慢入滲補(bǔ)給地下水。在區(qū)域上,窟野河和禿尾河流域控制了地表水和地下水的流向,地表分水嶺與地下分水嶺基本一致。地下水的流向嚴(yán)格受現(xiàn)代地形的控制,一般由北向南徑流補(bǔ)給麻家塔溝,河水再由西向東補(bǔ)給考考烏素溝。地下水循環(huán)呈單向性,即地下水補(bǔ)給地表[10-11]。

地下水按其賦存的介質(zhì)類型特征又可分為第四系松散層孔隙含水層、風(fēng)化基巖裂隙含水層和燒變巖含水層,主要隔水層為第四系中、上更新統(tǒng)黃土層與新近系保德組紅土層,部分區(qū)域紅土層缺失,上覆松散層直接覆蓋在基巖之上,接受大氣降水的良好補(bǔ)給,所以地表水在本區(qū)域內(nèi)普遍存在,且水量充足,而目的層(煤層)是否存在潛在水害則取決于上覆地層是否發(fā)育裂隙。

4-2煤層自燃后周圍圍巖受到不同程度的烘烤,出現(xiàn)變形、坍塌等現(xiàn)象,出現(xiàn)應(yīng)力卸載區(qū)并造成局部應(yīng)力低異常。巖體孔-裂隙、孔洞發(fā)育,為地下水的循環(huán)、徑流、儲(chǔ)存等提供了良好的空間。另一方面,風(fēng)化基巖的物理特性主要表現(xiàn)為:松散、易碎、抗壓性差等特點(diǎn),因此容易形成裂隙發(fā)育帶,相對(duì)于新鮮基巖屬于低應(yīng)力區(qū)。

由此推斷,4-2煤層頂板的風(fēng)化基巖層和火燒區(qū)域普遍富水。結(jié)合NEMV技術(shù)特點(diǎn),風(fēng)化基巖的物理特性極易產(chǎn)生裂隙發(fā)育帶,而裂隙發(fā)育帶屬于應(yīng)力卸載區(qū)域,即表現(xiàn)為應(yīng)力-自然電磁脈沖低異常。因此在本區(qū)域?qū)ふ易匀浑姶琶}沖低異常是判斷是否存在裂隙發(fā)育帶的關(guān)鍵因素。風(fēng)化邊界因物性差異而存在較大的應(yīng)力分布差異,其表現(xiàn)出的應(yīng)力-自然電磁脈沖明顯的強(qiáng)弱差異分布界線是用來(lái)判斷邊界的關(guān)鍵條件。

從表1可以看到L1區(qū)低應(yīng)力值最低點(diǎn)海拔為1 200 m,L2、L3區(qū)應(yīng)力最低點(diǎn)海拔為1 190 m,均穿過保德組底部,保德組上覆為離石組(第四系黃土),比較疏松,存在空隙,應(yīng)力值相對(duì)較低。離石組上部為第四系水平沉積的風(fēng)積沙層(含水層),因此上覆第四系含水層可能向下滲透穿過保德組在4-2煤頂部上方形成區(qū)域富水。

在工作區(qū)域中南部部分水文地質(zhì)鉆孔孔口可聽見水流聲,且涌水量較大。該區(qū)域與L3低值異常區(qū)位置一致,進(jìn)一步推斷L3低值異常區(qū)為富水區(qū)。

結(jié)合圖3鉆孔資料可以看出,L4低應(yīng)力值對(duì)最低點(diǎn)縱向延伸至1 145 m。已經(jīng)穿過4-2煤層底板,煤層下部為中粒砂巖,淺灰色、分選性較好,較疏松,巖層厚度約為5 m。煤層上部巖性為砂質(zhì)泥巖,灰黃色、嚴(yán)重風(fēng)化,破碎,具有水平層理,孔隙發(fā)育,流通性較好。該區(qū)域保德組厚度較薄僅為13 m。因此上覆第四系水平沉積的風(fēng)積沙層(含水層)向下滲透,穿過保德組在4-2煤層頂部形成富水區(qū)域[12-13]。

3 結(jié)論

(1)對(duì)研究區(qū)4-2煤層上部,保德組下部應(yīng)力剖面分析,低應(yīng)力區(qū)為風(fēng)化層,主要分布在中部、西南和東北方向,其中東北部最薄,面積最小,西南部最厚,中部面積最大,高應(yīng)力區(qū)為基巖,主要分布于東南區(qū)域與西北區(qū)域。4-2煤層上部風(fēng)化基巖在研究區(qū)內(nèi)全區(qū)分布,北部風(fēng)化程度較為嚴(yán)重,風(fēng)化基巖厚度比西南部厚。研究區(qū)北部及南部新鮮基巖較薄,中部較厚,西南部風(fēng)化界面可到4-2煤層頂部。

(2)低應(yīng)力異常區(qū)(包括應(yīng)力系數(shù)剖面、三維空間應(yīng)力系數(shù)圖)推斷富水區(qū)主要集中在研究區(qū)的西南部及中部,L1、L2、L3均位于4-2煤層之上,L4區(qū)域地應(yīng)力異常區(qū)向下延展可達(dá)到4-2煤層底板之下,在L3區(qū)域存在大范圍的低應(yīng)力區(qū),面積可達(dá)349 717 m2,該區(qū)域在工程開采階段需重點(diǎn)關(guān)注。其分布范圍與風(fēng)化基巖的發(fā)育特征密切相關(guān),推斷研究區(qū)內(nèi)4-2煤層上部水直接來(lái)源是侏羅系風(fēng)化基巖含水層,部分是燒變巖裂隙、孔洞含水。

(3)受限于勘探區(qū)域的范圍限制,地下徑流展布特征以及在空間上的延展性仍有待驗(yàn)證。