燒變巖水文地質(zhì)特征研究現(xiàn)狀與展望

燒變巖水文地質(zhì)特征研究現(xiàn)狀與展望

1燒變巖的地質(zhì)意義及形成時代中國西北部廣泛分布的煤層自燃區(qū)（煤礦火區(qū)）（管海倫等人，1998年）是地質(zhì)歷史時期竊取的，大量資源和熱量被燒棄，形成燃燒的巖石（侯恩科等人，1993；范立民，1997）。燒變巖的研究有益于對煤層形成以來所經(jīng)歷的構(gòu)造運動、古氣候和古地理的探討。同時,它也是重要的水文地質(zhì)研究對象。在陜北,侏羅紀(jì)煤田分布區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,水資源貧乏,地下水資源主要賦存于第四系薩拉烏蘇組和燒變巖中(范立民,1996)。燒變巖孔洞、裂隙發(fā)育,有利于地下水的徑流與儲存。在有利的構(gòu)造條件下,形成強(qiáng)富水含水層,是陜北地區(qū)主要含水層之一(王雙明等,2010)。它不僅為煤炭基地建設(shè)提供水源,而且是生態(tài)脆弱礦區(qū)生態(tài)環(huán)境改善的重要基礎(chǔ),也是保水采煤的重要研究對象(王雙明等,2010;范立民,2005)和礦井防治水的防范對象(賀衛(wèi)中,2002;黨浩宇,2009;王宏科等,2009)。關(guān)于對燒變巖的研究,張志堅(1959)首次系統(tǒng)報道了燒變巖的形成及特征。他認(rèn)為,就燒變巖的巖性看,它具有火成巖、沉積巖及變質(zhì)巖的部分特征;就成因看,它同某些火成巖和變質(zhì)巖有一定相似的成巖過程,因之燒變巖可以考慮作為三大巖類間的一類巖石。從1961年開始,煤田地質(zhì)工作者在新疆、甘肅、寧夏三區(qū)(省)近20多個井田試驗采用磁法和自然電場法探測火區(qū),效果較好,但直到1980年才陸續(xù)報道了燒變巖的磁性特征及勘探方法(張秀山,1980,2001;祁明星等,1987;劉長齡,1988;尚桂林等,1990;張全洪,1988;馮富成,1991)。劉長嶺(1988)認(rèn)為,燒變礦床及燒變巖系煤自燃的產(chǎn)物,應(yīng)從宏觀及微觀上搞清其產(chǎn)狀、分帶性、物質(zhì)組分及其形成機(jī)理,開拓地質(zhì)科學(xué)的新領(lǐng)域,填補(bǔ)巖石礦物學(xué)及礦床學(xué)中的空白,并作為找煤的有效標(biāo)志,增加耐火材料、建材、陶瓷原料的新類型和基地。關(guān)于燒變巖的形成時間,一些學(xué)者曾使用ESR技術(shù)測試了侵入巖和燒變巖中石英氧空位的相對濃度。根據(jù)庫車河二次侵入巖的K-Ar年齡,以及石英氧空位的相對濃度和劑量率,估算出上三疊統(tǒng)塔里齊克組燒變巖的形成年齡為(3.26±0.3)Ma,中侏羅統(tǒng)克孜努爾組燒變巖的形成年齡為(2.33±0.2)Ma(業(yè)渝光等,1998)。侯恩科(1993)等研究了煤層自燃特征。黃雷等系統(tǒng)研究了陜北燒變巖巖石學(xué)特征和形成時間(黃雷等,2008),開發(fā)了燒變巖建筑材料(楊時元等,2008)。而對于燒變巖水文地質(zhì)意義的認(rèn)識,韓樹青(1989)提出了薩拉烏蘇組是陜北侏羅紀(jì)煤田的主要含水層,燒變巖直接或間接接受薩拉烏蘇組地下水的補(bǔ)給,其含水豐富,是理想的水源地。隨后,一些地學(xué)工作者陸續(xù)針對特定研究區(qū)域,論述了燒變巖的水文地質(zhì)條件(姜建海,1990;范立民,1996;范立民等,1996;蔣澤泉,2005)。燒變巖是煤層自燃后,圍巖發(fā)生火燒,有機(jī)質(zhì)燒失后坍塌形成的特殊巖體,與煤層采出后圍巖坍塌類似。結(jié)合大柳塔煤礦采空區(qū)泉水流量觀測結(jié)果,范立民提出了保水采煤的新思路,即采空區(qū)含水層再造問題(范立民等,2006)。陜北侏羅紀(jì)煤田燒變巖主要分布在各河流及其支溝兩側(cè),呈條帶狀展布,其長度蜿蜒十到幾十千米,甚至更長,寬度一般為1～2km,總分布面積687km2。其中神北礦區(qū)485km2,榆神礦區(qū)202km2。筆者主要介紹燒變巖特征及其水文地質(zhì)意義的研究現(xiàn)狀及方向。2巖屑及其劃分研究2.1煤層承擔(dān)計算煤層自燃范圍大小由自燃露頭寬度和自燃深度所決定,自燃露頭寬度在溝谷發(fā)育的地方一目了然,但確定自燃深度較為困難。由于本區(qū)煤層產(chǎn)狀近水平,所以,自燃深度實際上是從露頭開始沿近水平方向煤層向里燃燒的深度。由于后期沖刷,煤層自燃部分與未燃部分常暴露于地表,因而野外可直接觀測煤層的自燃深度。各煤層自燃范圍大小與煤層厚度、煤層出露高度以及節(jié)理密集程度三大因素有關(guān)。通常,煤層厚度越大,自燃深度越大,煤層出露高度愈高,自燃深度愈大。如,2-2煤層出露高,常大面積自燃且自燃深度很大,節(jié)理裂隙愈密集的地帶,通風(fēng)愈好,煤層自燃深度愈大。陜北地區(qū)煤層自燃深度一般為30～200m,以50～100m常見。當(dāng)上述3方面因素有利配合時,自燃深度可達(dá)數(shù)百米,但這種情況并不多見。2.2巖石學(xué)和礦物特征含煤巖系巖性以細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粉砂巖、泥巖為主,呈互層沉積,泥質(zhì)膠結(jié)類型居多,局部鈣、硅質(zhì)膠結(jié)。不同巖性燒變巖的結(jié)構(gòu)破壞有所差異。細(xì)粒砂巖、中粒砂巖燒變后,呈塊狀結(jié)構(gòu)體,單位面積裂隙率小;粉砂巖、泥巖、燒變變形破壞后,呈片狀、棱片狀等碎塊,裂隙雜亂無緒,孔洞發(fā)育。燒變巖體從垂向上可分為3個帶:Ⅰ.類熔巖帶。為自然煤層頂板,因距火源較近,巖石發(fā)生塑變和熔化流變。這一“類熔”變化,會生成爐渣狀殘留物,巖石呈紫灰、灰藍(lán)等雜色,多氣孔,表面粗糙,形狀不規(guī)則,質(zhì)地堅硬,厚度1～3m。Ⅱ.燒結(jié)巖帶。位于類熔巖之上,因巖層烘烤強(qiáng)烈,呈紫紅色、磚紅色,局部呈白色。未發(fā)生或具輕微塑變,結(jié)構(gòu)構(gòu)造略有改變。其硬度大,裂隙發(fā)育且張開度好,厚度10～30m。Ⅲ.烘烤巖帶。位于燒結(jié)巖之上,距自燃煤層較遠(yuǎn)。該帶巖石呈淺紅色,層理清晰,硬度略有增大,裂隙以閉合為主,厚度20m左右。根據(jù)燒變巖區(qū)的眾多鉆孔資料和露頭觀測,燒變巖3個不是處處齊全。當(dāng)自然煤層愈厚,上覆基巖較厚形成的3個愈明顯。一般第Ⅰ類型帶的厚度和分布范圍比較復(fù)雜,而大部分區(qū)段以Ⅱ、Ⅲ類型居多。鉆進(jìn)到Ⅱ、Ⅰ類型時,燒變巖段發(fā)生掉鉆(遇到空洞或大裂隙)現(xiàn)象時有發(fā)生,掉鉆落距一般為0.3～1.5m。鉆孔沖洗液消耗量發(fā)生明顯漏失位置為Ⅱ類型燒變巖帶,所以燒變巖裂隙發(fā)育強(qiáng)度在垂向上規(guī)律明顯:下劇—中強(qiáng)—上弱,燒烤程度不同,裂隙發(fā)育也有很大差異。燒變巖裂隙最發(fā)育,類熔巖次之,烘烤巖最差(表1)。橫向上因裂隙密實程度不一,劇、強(qiáng)、弱都存在。另外,燒變巖裂隙發(fā)育程度與原巖巖石類型也有一定關(guān)系。泥巖、粉砂巖類受自燃影響,裂隙、孔隙顯著增大;砂巖類變化不明顯,尤其是粗粒砂巖變化較小,甚至有變小趨勢;中粒砂巖孔隙率增大,但含水率降低,可能是由于樣品代表性所致(表2)。2.3燒變巖分布及分布區(qū)域燒變巖主要分布于現(xiàn)代溝谷沿岸的煤層露頭區(qū)(圖1、圖2)。在神木北部礦區(qū)燒變巖主要分布于窟野河沿岸,礦區(qū)面積為1267km2,燒變巖分布面積為484.75km2。沿煤層露頭向深部,最大燃燒寬度為12km。在考考烏素溝中檸條塔燒變巖區(qū)由2-2煤自燃形成,溝谷中寬度綿延為0.5～2.5km,燒變巖分布面積為6.14km2,地下水補(bǔ)給面積為20.4km2。燒變巖底板地形低洼,有利于地下水富集,出露有流水壕、水頭泉。泉水穩(wěn)定流量大于6500m3/d,是煤炭資源開發(fā)的良好供水資源。位于烏蘭木倫河中上游地段的活雞兔、大柳塔、朱蓋塔、孫家岔井田燒變巖區(qū),燒變巖分布面積為2～10km2,其他區(qū)有零星分布。1997年,在活雞兔井田首次發(fā)現(xiàn)了“封閉狀”的燒變巖區(qū)(范立民,1997),周圍為未自燃的煤層,在中間一個很小的區(qū)域,發(fā)現(xiàn)了煤層自燃區(qū),并形成燒變巖。榆神礦區(qū)東部的禿尾河西側(cè),由2-2、3-1煤層自燃形成的燒變巖區(qū)分布面積最廣,南起大河塔北部到袁家溝,長26km,寬4～11km,面積約202km2。其中,兩層煤燒變巖重疊區(qū)占有一定范圍。紅柳溝、清水溝、彩兔溝、黑龍溝和袁家溝各支溝水量均發(fā)源于燒變巖區(qū)。另外,一些小的溝谷地帶,還有零星分布的燒變巖,但往往由于分布面積小,地板向溝谷傾斜。因此,其多數(shù)含水微弱或不含水。3北系、規(guī)律模型韓樹青最早研究了燒變巖的水文地質(zhì)條件,認(rèn)為燒變巖富水性強(qiáng),是陜北侏羅紀(jì)煤田開發(fā)的重要水源地。研究現(xiàn)狀表明,燒變巖的水文地質(zhì)特征與其分布區(qū)及鄰區(qū)的地形地貌條件有關(guān)外(范立民,1996),還與上覆巖層的巖性和厚度有關(guān),也與煤層底板傾斜構(gòu)造有關(guān)。3.1燒變巖地下水的水文、地質(zhì)背景侏羅系延安組含煤地層,總體呈北西傾的單斜構(gòu)造,傾角1°～3°。局部存在洼盆形構(gòu)造。燒變巖區(qū)也以這兩種底板構(gòu)造形態(tài)為主,并受溝谷切割影響。煤層自燃由溝谷露頭向兩側(cè)深部擴(kuò)展,位于煤層傾伏一側(cè)具有隔水邊界的燒變巖區(qū)易形成儲水構(gòu)造單元,位于仰起一側(cè)的則不易形成儲水單元。當(dāng)溝谷切割方向與煤層傾向一致時,儲水構(gòu)造的完整性與溝谷切割程度相關(guān)。神木北部礦區(qū)檸條塔露天區(qū),燒變巖底板形成一個含水盆地,形成了強(qiáng)富水區(qū)(圖3),據(jù)水文地質(zhì)鉆孔抽水試驗,地下水位下降0.1m,鉆孔涌水量達(dá)788m3/d。燒變巖區(qū)地下水常以下降泉的形式排泄,故泉水出露較多?？伎紴跛販蠌纳城剿拈T溝地段,燒變巖泉水總流量為90.635～102.503L/s。其中,沙渠及水頭兩大泉合計平均流量達(dá)65.167L/s。據(jù)以往資料,2-2煤燒變巖區(qū)地下水靜儲量約433×104m3,燒變巖地下水的來源主要靠南部沙層潛水的側(cè)向補(bǔ)給。1990年,燒變巖潛水位標(biāo)高為1144.67m。2006年補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn),由于小煤礦采動影響,3-1煤以上的地下水自然流場已經(jīng)變動,燒變巖水已溝通流入采空區(qū),水頭和沙渠兩泉干枯,燒變巖潛水位大致在1137m±處,水位南高北低,水位有所降低?；铍u兔井田1-2煤層為特厚煤層,厚度達(dá)8.92～11.27m。井田東部1-2煤層自燃,形成了10.97km2的燒變巖,燒變巖裂隙發(fā)育(圖4),并局部形成了封閉型自燃區(qū)(范立民,1997)。補(bǔ)給充沛,水流通暢,其下伏為隔水的延安組泥巖,在活雞兔井田形成了非常有利的儲水構(gòu)造,是活雞兔井田的主要含水層。含水層平均厚度為3.50m,總儲存量高達(dá)130×104m3。據(jù)抽水試驗,單孔出水量可達(dá)2000m3/d。根據(jù)勘察資料,由于局部存在1-2、2-2煤的重疊自燃區(qū),因此,含水層厚度增大(圖5),形成極強(qiáng)—強(qiáng)富水區(qū)。面積為509452m2,含水層平均厚度為6.94m,給水度0.196。計算表明,燒變巖接受大氣降水的補(bǔ)給量為52m3/h。由此可見,本區(qū)燒變巖地下水是以靜儲量為主、動儲量為次的水文地質(zhì)類型。大柳塔井田東部的布代壕燒變巖,燒變巖裂隙發(fā)育分布面積只有0.6km2(圖6),但富水性極強(qiáng)。J175號鉆孔單孔出水量達(dá)3196m3/d(圖6),是陜北罕見的強(qiáng)富水區(qū)。但由于采礦影響,該富水區(qū)已經(jīng)被疏干。燒變巖具備了良好的孔隙裂隙空間和儲水構(gòu)造條件,其富水性則取決于補(bǔ)給條件。燒變巖上覆地層一般為第四系礫石黃土,薩拉烏蘇組及風(fēng)積沙,燒變巖帶發(fā)育高度多波及地表,易于接受大氣降水補(bǔ)給。當(dāng)燒變巖區(qū)與鄰區(qū)第四系薩拉烏蘇組存在水力聯(lián)系時,則形成統(tǒng)一的補(bǔ)、徑、排系統(tǒng),構(gòu)成極好的富水區(qū)。其單位涌水量最大可達(dá)88.67L/s·m,滲透系數(shù)為1631.30m/d(表3),表明徑流非常通暢。燒變巖儲水構(gòu)造類似于一個地下水庫,由此可見,燒變巖區(qū)儲水構(gòu)造范圍越大,接受第四系潛水的補(bǔ)給強(qiáng)度越大,其富水程度越好。如,清水溝、袁家溝燒變巖泉流量達(dá)3×104m3/d以上。通過研究,發(fā)現(xiàn)燒變巖帶富水性因素為:燒變巖層的裂隙發(fā)育不均一性是該層富水性不均一的基本因素;儲水構(gòu)造條件是燒變巖水富集部位和地段的制約因素;燒變巖形成的含水層接受外來補(bǔ)給的條件及地下水的排泄基準(zhǔn)確面的高低是燒變巖富水程度的決定因素。在鉆探施工中,燒變巖鉆孔大都發(fā)生了不同程度的漏水,漏水層段厚度達(dá)3.74～49.54m。依據(jù)水文測井,燒變巖潛水井液電阻率曲線ρ反映很明顯(圖7)。3.2地下水保水開采方案燒變巖地下水資源與淺部第四系潛水資源多分布于煤炭資源淺埋區(qū)。燒變巖中發(fā)育很多大的泉水,其中單泉流量大于10L/s的至少有28處(表4)。因此,井田劃分及礦井布置必須重視并具有中型水源地開發(fā)利用的水資源,避免在開采煤炭資源時,造成水資源的嚴(yán)重破壞。筆者認(rèn)為,應(yīng)該認(rèn)真研究采礦對燒變巖地下水的影響(馬雄德等,2010),提出建立燒變巖地下水供水水源地的方案,滿足礦區(qū)建設(shè)的用水要求,保護(hù)燒變巖地下水資源不受采礦的影響和破壞。值得關(guān)注的是,陜北地區(qū)特殊的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和煤層賦存條件,使采煤對上覆含水層造成破壞,影響到泉的動態(tài),直接危及泉水流量和表生生態(tài)環(huán)境。4燒變巖水文地質(zhì)燒變巖是一種特殊類型的巖體,50年來,只有百余篇文獻(xiàn)涉及燒變巖,歸納起來,主要研究內(nèi)容為燒變巖的形成時間、分帶特征、巖石學(xué)特征、巖體結(jié)構(gòu)特性、物性特征與勘探方法(包括遙感解譯)、水文地質(zhì)意義,只有1篇論文報道了其作為建筑材料的適宜性問題。筆者認(rèn)為,目前應(yīng)該繼續(xù)深入開展燒變巖的研究,主要研究燒變巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、非均質(zhì)性特征、空間分布形態(tài)及作為含水層的水文地質(zhì)參數(shù)和供水意義等。在陜北侏羅紀(jì)煤田,分布近1000km2的燒變巖(其中,神木北部礦區(qū)、榆神礦區(qū)燒變巖分布面積為687km2),研究其水文地質(zhì)意義及采煤對燒變巖含水層的影響、燒變巖含水層對煤礦安全生產(chǎn)的影響,比純粹研究燒變巖自身特征更具有工程意義。30年來,盡管在燒變巖研究中開展了數(shù)十次抽水試驗,但除1個鉆孔外,多數(shù)開展的單孔穩(wěn)定流抽水試驗所取得的參數(shù)偏少,精度也有待于提高。因此,建議開展燒變巖水文地質(zhì)專門勘查工作,為充分、合理利用燒變巖地下水資源提供可靠資料。燒變巖孔隙、裂隙和孔洞發(fā)育,其空隙中除提供了地下水的儲存空間外,還是各種氣體的儲存空間,尤其是侵蝕基準(zhǔn)面以上的部分,往往儲存惰性氣體,或者燒變巖地下水中溶解有部分有毒有害氣體,在壓力釋放條件下,氣體逸出。陜北侏羅紀(jì)煤田檸條塔煤礦巷道掘進(jìn)通過燒變巖時,就遇到了大量硫化氫等有毒有害氣體逸出,造成礦井建設(shè)的災(zāi)害。因此,燒變巖空隙氣體形成及富集規(guī)律探測、研究也是燒變巖研究的重要方向之一。5燒變巖的地質(zhì)特征(1)劉志堅于1959年從地質(zhì)學(xué)角度研究了燒變