0 引 言
我国煤矿主要开采方式有露天开采和井工开采，露天开采一般要求煤层浅，而符合这一条件的矿区较少，主要集中在内蒙、陕西、新疆浅埋深矿区以及山西个别矿井，因此，大部分矿井都采用井工开采。而部分地区既存在浅部煤层，又存在中深部煤层，就出现了浅部采用露天开采，而中深部采用井工开采的情况，于是在露天开采和井工开采2种基本开采方式的基础上又衍生出这种露-井联采的组合开采方式。露-井联采开采方式从时间或空间顺序上又分为露天转井工开采，井工转露天开采和复合型开采等方式，但无论哪种方式，其水文地质勘查工作均不能用单一的露天矿或井工矿水文补充勘探手段，要统筹兼顾露-井联采不同开采方式，系统性的研究适合露-井联采矿井的水文地质补勘手段，弄清露-井联采区域的充水水源及通道、富水强度等要素，才能有效的实现露-井协调与安全开采。
由国家煤矿安全监察局下发的《煤矿防治水细则》(2018年9月1日起实施)第21条中规定：“矿井水文地质补充勘探应当针对具体问题合理选择勘查技术、方法，井田内以水文地质物探、钻探、试验、实验及长期动态观(监)测等为主，进行综合勘查”。目前，针对矿井水文地质补充勘探的具体问题可供选择的方法较多，不同专家学者从不同勘查技术、方法角度进行了深入研究，李宏杰等[1]系统研究了煤矿水害防治问题，提出了复杂水文地质条件下多方法优化组合的隐蔽水害综合探测技术，建立了各类隐蔽水害精细勘探技术体系；张俊英等[2-3]以榆林地区为例，通过物探勘查手段对可疑及重点区域进行探测，较为准确地获得采空区及水文地质情况，并通过钻探勘查手段来获取地层结构，并对物探结果进行验证，较好的掌握了榆林地区采空区分布及水文地质特征；李文等[4]采用了高密度电阻率、瞬变电磁法、浅层地震法等物探方法以及钻探方法对采空区相关水害问题进行了理论研究和工程实践，摸索出一套浅部水文地质条件勘查的有效手段；牟义[5]依托鄂尔多斯地区水文地质补勘项目，针对浅埋深采空区及富水性进行了瞬变电磁法干扰试验、优化试验及电性响应特征分析，提高了浅部水文地质瞬变电磁法勘探的精度；李曦滨[6]对华北型煤田岩溶区下组煤水文地质条件，提出了突出物探先导、井上下钻探结合、井下放水试验为主，同时辅以水化学、环境同位素测试及示踪试验等手段方法的勘查技术手段，取得了较好的效果；张超[7]针对鄂尔多斯盆地基底为奥灰岩溶含水层的水文地质条件，提出了地面瞬变电磁勘探、区域水文地质调查、地面与井下水文地质钻探、水文长观、水化学测试、岩样测试、抽、注、放水试验等方法进行综合探查水文地质勘查体系；朱宏军等[8]采用2个观测孔的抽水试验方式，并通过对抽水孔的降深进行修正，来获取较为正确的水文地质参数。从以上研究成果来看，众多专家学者围绕物探、钻探、化探以及水文地质试验等进行了大量研究，研究成果侧重于解决某个具体问题，提出合理的勘查技术、方法，而针对复杂开采条件的河流区域露-井联采矿区的复杂水文地质条件研究较少，依托呼和乌素煤矿水文地质勘探项目，面向复杂开采条件(露采回填区、井工采空区)、复杂水文地质条件(地表河流交汇)的水文地质勘查问题，从“点(钻探)-线(化探)-面(物探)”一体化水文地质勘查方法、技术体系角度，开展水文地质综合勘查技术研究，期望能够指导类似复杂矿区水文地质勘探工作。
1 水文地质概况
目前，呼和乌素矿
和3号煤已回采，其中3号煤层为房柱式开采，井田大部分范围3号煤层房柱式采空区已露天剥离治理并回填。结合现场调研及后期资料整理表明，呼和乌素矿北部存在分布范围不详的3煤房柱式采空区，井田东部存在大范围3煤剥离回填区，且房柱式采空区与剥离回填区可能与地表河流(乌兰木伦河和呼和乌素沟)沟通，成为其直接补给水源，给煤矿安全生产带来较大隐患。因此，将水文地质勘查区域重点集中在矿井北部和东部区域，即乌兰木伦河、呼和乌素沟流经区域附近，勘查区域、河流位置如图1所示。
图1 水文补勘区域位置
Fig.1 Location of hydrological supplementary survey area
2 水文地质补勘
此次水文地质补勘工程的布置主要控制井田西北边界以内部分区域及东部边界，重点查明目标含水层：3煤顶板含水层及3煤～4煤层顶之间含水层的水文地质参数，钻孔布置如图1所示。分析钻孔揭露的岩性结构，对关键层进行物理力学性质测试，发现研究区内3煤顶板含水层(侏罗纪中下统延安组三段：J1+2y3)及3煤-4煤层顶之间含水层(侏罗统延安组二段：J1+2y2)厚度差距明显，且抽水试验反映出研究区内目标含水层富水性不均匀[9-10]，抽水试验成果见表1。
表1 抽水试验结果
Table 1 Pumping test results
孔号含水(段)水位标高/m降低次数单位涌水量/(L·s-1·m-1)SK01J1+2y3+1 144.310.003 120.004 630.007 4SK02J1+2y3+1 155.49510.001 1SK03J1+2y2+1 095.25510.000 7SK04J1+2y3+1 118.10810.000 1SK06回填区潜水含水层+1 105.19610.005 8J1+2y2+1 097.88610.000 5SK07回填区潜水含水层+1 102.98310.001 4SK09J1+2y3+ J1+2y2+1 100.47810.033 220.026 930.029 6SK10J1+2y2+1 105.52110.081 6SK12J1+2y3+1 139.729J1+2y2+1 112.52910.008 420.012 630.020 910.002 620.003 130.004 1SK13回填区潜水含水层+1 093.804117.361213.428 3
2.1 抽水试验
用抽水试验成果绘制矿井等水位线，如图2所示，从表1及图2中得知：靠近乌兰木伦河的SK13号钻孔的单位涌水量与远离河流的SK02、SK03、SK04等钻孔的单位涌水量相差上千倍，表现出含水
图2 勘查区域等水位线
Fig.2 Groundwater level of survey area
层富水性极不均匀。以SK12孔为例，图3a、图3b分别为SK12孔侏罗统延安组三段
和侏罗统延安组二段
含水层Q-S曲线，计算得出，钻孔单位涌水量分别为0.016 L/(s·m)和0.01 L/(s·m)，均小于0.1L/(s·m)，属弱富水性。将SK13孔的抽水试验成果换算出的钻孔单位涌水量大于0.5 L/(s·m)，属极强富水性。可见研究区内目标含水层富水性不均匀。
图3 SK12孔抽水试验Q-S曲线
Fig.3 Q-S curves of pumping test of No.SK12 borehole
2.2 涌水量预测
本次仅对井田内3、4号煤层进行矿井涌水量预测，由于井田内含水层富水性极不均匀，结合此次物探及钻探成果将井田北部及东部分为3个区域进行预测，将此3个区域分别命名为区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅲ，具体位置如图4所示。
图4 涌水量预测分区
Fig.4 Division of water inflow prediction
限于篇幅，仅以3号煤层涌水量计算为例，3号煤层涌水量计算时主要涉及顶板延安组含水层，综合本次勘查结果选取参数，3号煤层上覆延安组含水层涉及8个水文孔，钻孔号分别为SK01、SK02、SK04、SK06、SK07、SK09、SK12、SK13，其中SK01、SK02、SK04和SK12位于区域Ⅰ内，SK13位于区域Ⅱ内，SK06、SK07和SK09位于区域Ⅲ内。由于SK09选做联合抽水试验，因此，在此不做单独计算，3个区域均采用“大井法”进行预测[11]涌水量Q，即
(1)
式中：H为水柱高度，m；K为渗透系数；R为影响半径，m；R0为“大井”影响半径，m；M为导水裂缝带导通的含水层厚度，m。
同理，计算4煤开采时的涌水量，其涌水量为3号煤上覆顶板涌水量与3-4号煤间含水层释放的水量的总和，预测结果见表2。
表2 4号煤层涌水量预测结果
Table 2 Water inflow prediction results of No. 4 coal seam
预测分区涌水量/(m3·h-1)3号煤层上覆含水层3—4号煤含水层最大区域Ⅰ23.0523.9547.00区域Ⅱ5 652.6111.335 663.94区域Ⅲ41.1284.03125.15
3 水化学特征分析
为了分析各水源的水化学特征，利用元素类比法及Piper三线图法判断目标含水层水质特征及其与地表河流的补给关系。本次共取水样12个，将该12个水样送实验室进行水质化验。参考水样水质化验结果，运用元素类比法和Piper三线图法对比已知含水层水质特征与未知水样水质之间的区别，元素类比特征和Piper三线图分别表3和如图5所示，判断未知水样所属含水层水[12-14]。得出以下结论：因此，判断水样2为砂岩含水层水。
图5 综合水化学Piper三线图
Fig.5 Piper three-line of integrated water chemistry
1)由表3知，水样1与水样2分别取自乌兰木伦河与呼和乌素沟，参考《煤矿水害防治水化学分析方法》，水样1与水样2中水质主要离子的毫克当量比值rNa/rCl>1，多属于砂岩裂隙水或第四系冲积层水。水样2中水质主要离子的毫克当量比值rNa+/rCl->1且
则属于砂岩水特征，
2)由表3知，水样1的水质属于
水质类型，水样2的水质属于HCO3·Cl-Na+水质类型，与SK06-2和SK10的水质类型相同。
3)由表3知，对比水样1与水样2的水质类型，水样1中的
增多，综合分析认为，呼和乌素沟地表水对回填区含水层进行大量补给，增加了回填区含水层中的Na+(K+)、Cl-等离子的含量，且回填层为3号煤层露天剥离区，含水层属于地表潜水层，O2补充充足，亦与3煤层残留的硫化物发生氧化反应，从而增加了的含量。
4)从图5中可以看出，在左边阳离子三角形中，水样1和水样2分布在三角形的右下部，Na++K+占优；右边阴离子三角图中，水样1和水样2分布在三角形左下部，
占优。在菱形区域中，水样1与SK06-1和SK07的水样点最为接近，则说明水样1与SK06-1和SK07的水质类型类似；水样2与SK06-2和SK10的水样点基本重合，说明水样2的水质类型与SK06-2和SK10的水质类型相同。
表3 水样水质化验结果
Table 3 Water quality test rusults
水样来源水样阳离子质量浓度/(mg·L-1)Na++K+Ca2+Mg2+阴离子质量浓度/(mg·L-1)Cl-SO2-4HCO-3水质类型回填区潜水含水层SK06-1445.265.125.5125.4316.9869.9HCO-3·SO2-4-Na+·Ca2+SK07503.255.133.4104.2612.1741.7HCO-3·SO2-4-Na+SK13279.081.124.386.6230.5613.5HCO-3·SO2-4-Na+·Ca2+J1+2y3SK0164.330.17.924.816.8195.6HCO-3-Na+·Ca2+SK02126.032.17.344.372.2265.9HCO-3-Na+·Ca2+SK04203.421.19.778.0103.5320.9HCO-3-Na+SK12-184.428.015.226.545.5277.8HCO-3-Na+·Ca2+·Mg2+J1+2y2SK03157.513.01.237.126.3311.3HCO-3-Na+SK06-2407.310.02.4245.586.4576.9HCO-3·Cl--Na+SK10285.56.01.8178.436.0369.3HCO-3·Cl--Na+SK12-2152.115.07.365.445.5274.7HCO-3-Na+J1+2y3+J21-2ySK09327.0156.250.477.7525.7805.8HCO-3·SO2-4-Na+·Ca2+地表水水样1(乌兰木伦河)187.838.114.698.9153.6311.3HCO-3·Cl-·SO2-4-Na+水样2(呼和乌素沟)383.44.06.1141.3120.0476.1HCO-3·Cl+-Na+
综上所述，虽然呼和乌素沟为乌兰木伦河的支流，但根据水质分析结果，乌兰木伦河和呼和乌素沟水质明显不同。通过元素类比法和Piper三线图法综合分析得出：水样1(乌兰木伦河)水质类型与同属于回填区潜水含水层的SK06-1和SK07水样中水质类型相似，属于第四系冲积层水；水样2(呼和乌素沟)与同属于
的SK06-2和SK10的水质类型相同，属于砂岩含水层水。从而间接说明乌兰木伦河和呼和乌素沟与回填区含水层存在补给关系。
4 瞬变电磁法探测
1)施工布置。本次瞬变电磁法勘查区面积0.914 7 km2；测区位置如图6所示。测区呈不规则矩形，分为A区和B区，点距均为20 m，线距均为20 m(即网度20 m×20 m)。呼和乌素煤矿共布设瞬变电磁法测线56条，其中A区37条，B区19条。
2)探测成果分析。根据已收集到的地质、钻孔、采掘等资料，结合勘查区内煤层开采条件、开采方法、井下开拓布局及采空区分布与积水情况等，充分参考探测异常性质及分布特征，进行地质异常推断解释[15-17]。
以+1 080 m(3煤层位)为例进行解释，如图6所示，其它层位有类似趋势。图6中A区仅南部边界靠近呼和乌素沟，因此，A区西南部低阻异常范围呈现较少趋势，高阻普遍存在。从西往东远离河流，视电阻率值整体增大，说明富水性较弱(或不含水)，且整体阻值从西往东较为均匀，该区内SK01、SK02和SK11均发现存在较大范围采空区，高阻异常推断为不含水或弱含水采空区。图6中B区位于乌兰木伦河与呼和乌素沟交汇处附近，B区东部、南部低阻异常普遍存在。低阻异常范围较大，低阻阻值较低，富水性较强—强，且呈现从西向东靠近河流交汇处，视电阻率值整体降低，B区大部分区域呈现明显低阻异常。
3)单位涌水量估算。除了通过常规抽水试验计算单位涌水量外，尝试结合物探方法计算单位涌水量[18]。根据物探A区SK01、SK02、SK12和B区SK05钻孔抽水试验测得的3煤顶板(含回填区)单位涌水量，结合瞬变电磁法在A区、B区相应钻孔位置3煤顶板(含回填区)测得的视电阻率值，形成不同钻孔单位涌水量和视电阻率值关系曲线图，如图7所示。进行数据拟合，形成关联函数，拟合公式为
y=3×109x-5.855
(2)
式中：y为单位涌水量；x为视电阻率。
图6 物探结果叠加图(3煤层顶板)
Fig.6 Geophysical results overlay (No.3 coal seam roof)
图7 视电阻率与单位涌水量拟合曲线
Fig.7 Approximate curve of apparent resistivity and
unit water inflow
根据式(2)是建立在钻孔中视电阻率和单位涌水量之间的关系，由点到线，再到面，将之推广到整个物探区域，根据拟合公式计算整个物探区域A区和B区的单点单位涌水量，将3煤视电阻率切片图中视电阻率换算成单位涌水量，则可以形成物探A区、B区涌水量平面图，如图8所示，其中从深色调(红色)到浅色调(蓝色)单位涌水量逐渐增大，可以看出图8涌水量分布图和图6视电阻率分布图趋势基本类似，高视电阻率值区域单位涌水量值也较低，反之亦然。可以看出A区单位涌水量大部分区域低于0.1 L/(s·m)，受呼和乌素沟影响区域单位涌水量0.1～1 L/(s·m)之间，说明A区受3煤采空区受河流补给较少，基本不受影响；而B区一大半区域单位涌水量高于6 L/(s·m)(SK13孔单位涌水量达到17.361 L/(s·m)，与A区差别明显，单位涌水量几十倍，说明B区3煤上方回填区受乌兰木伦河和呼和乌素沟下游较大河水影响，补给充足，且回填区破碎裂隙发育，连通性较好，富水性强。
图8 单位涌水量平面图(3煤层顶板)
Fig.8 Plan view of unit water inflow (No.3 coal seam roof)
5 结 论
1)采用“点-线-面”一体化技术对研究区进行水文地质勘查：物探探测目标层富水性、钻探及抽水试验验证目标层富水区及涌水量预测、化探分析目标层与河流的连通关系，从而查明研究区域目标层富水性及与河流之间的补给关系。
2)从勘查成果中可以看出，研究区内目标含水层厚度不均匀，靠近地表河流的钻孔涌水量与其他钻孔涌水量相差甚远。乌兰木伦河和呼和乌素沟水质类型明显不同。水样1(乌兰木伦河)属于第四系冲积层水，水样2(呼和乌素沟)属于砂岩含水层水。回填区与地表河流存在明显的补给关系。A区从西往东远离河流，视电阻率值整体增大，说明富水性较弱(或不含水)，且整体阻值从西往东较为均匀，B区从西向东在靠近河流交汇处，视电阻率值整体降低，低阻异常范围较大。
3)初步尝试应用瞬变电磁法，建立了视电阻率与单位涌水量之间的函数关系式，并绘制研究区单位涌水量平面图，为区域内水文地质参数的获取提供依据，降低勘查成本。
由于本次采用的钻孔数据较少，其可靠性有待进一步验证，建议今后在大数据支持下，应用物探方法对含水层富水性进行定量或半定量研究。
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