陕北某渣场第四系松散层渗透性试验研究

高安民;王海

【摘 要】第四系松散层是陕北的重要水源,易受煤化工渣场渗漏污染.为研究陕北第四系松散层抗污染特性,通过室内及现场试验,研究渣场第四系松散层包气带、含水层及隔水层的渗透性.结果表明:研究区第四系包气带厚度11 ～14 m,垂直渗透系数5.9～6.8 m/d;第四系含水层厚度28 ～41 m,渗透系数1.176 ～2.537m/d,中等富水性,易受污染;隔水层为离石组粉土、粉质黏土,渗透系数在0.0002～0.011 2m/d,不透水—微透水性,隔水性能良好,隔断第四系含水层与基岩孔隙裂隙承压含水层间的水力联系,起到一定隔离污染物的作用. 【期刊名称】《中州煤炭》 【年(卷),期】2018(040)006 【总页数】4页(P148-151)

【关键词】渣场;第四系松散层;包气带;渗透性;隔水层 【作 者】高安民;王海

【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077 【正文语种】中 文 【中图分类】TD327 0 引言

鄂尔多斯高原毛乌素沙漠南缘萨拉乌苏河流域是我国北方上更新河湖相标准地层萨拉乌苏组的命名地［1］，陕北榆神府矿区广泛分布有一套河湖相沉积的萨拉乌苏组，岩性以细砂、中砂为主，厚度差异较大，一般在古沟槽及低洼中心沉积最厚［2］。萨拉乌苏组是陕北重要的地下水类型，区域上分布于鄂尔多斯盆地北部的定边—靖边一线以北、鄂托克旗—鄂托克前旗一线以东、伊金霍洛旗以南、榆林市的榆阳区和神木地区沙漠滩地及其以西区域，是陕北能源化工基地地下水的主要赋存层位［3-6］。其不仅是当地的供水水源，也是维系沙漠地区脆弱生态环境的主要水源［2］，由于陕北煤化工基地建设的需要，建设渣场填埋工业固体废弃物，若渣场渗滤液发生渗漏，将严重污染当地的地下水源。开展陕北第四系松散层渗透性质试验研究，科学、合理处理煤化工渣场区防渗漏问题，对于煤化工企业、当地居民及环境保护均具有重要意义［4-8］。通过室内及现场试验，对陕北某渣场第四系松散层渗透性质进行研究，分析第四系松散层的特性，为渣场渗流液防渗提供参考。 1 概况

研究区渣场位于靖边县毛乌素沙地南部，场地位于风沙地貌，沙丘地多为半固定，其上植被较为发育，以沙蒿、沙柳为主，局部为小杨树。多年平均降雨量399．9 mm，总蒸发量2 027．3 mm，平均相对湿度49．2%。场地附近水系分别为芦河和黑河，属于黄河流域无定河水系。场地处于陕北斜坡，为一单斜构造，局部发育宽缓的短轴状向斜、背斜及鼻状隆起。

场地地表为第四系覆盖，主要有全新统风积沙，浅黄色、土黄色粉沙、粉细沙、细沙，厚5～11 m;萨拉乌苏组，灰、灰黄色中—细砂，厚30～46 m;中更新统离石组，棕黄—棕红色亚黏土、亚砂土，土质紧密，柱状节理发育，厚43～59 m;无基岩出露。场地下伏地层包括:白垩系下统洛河组、侏罗系中统安定组、直罗组、延安组及侏罗系下统富县组，三叠系上统瓦窑堡组等。含水层主要为第四系松散孔

隙潜水、白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙承压水。

距离研究区渣场下游1．2 km处有一村庄，生产生活用水大多利用第四系松散层水，小部分利用洛河组砂岩孔隙裂隙水。若渣场发生渗漏，则可能影响下游村庄生产生活用水安全。 2 包气带垂直渗透性试验

包气带内的孔隙和裂隙能够形成蓄水体，具有吸收、储存和输送水分的功能，能够对降雨及地表水入渗起着调节和再分配的重要作用［9-12］。如若渣场渗滤液发生渗漏现象，则将会通过包气带渗漏到第四系含水层中，包气带垂直渗透性对渗滤液的渗流防治具有至关重要的作用。因此，在研究区南北侧及场地中分别进行包气带垂直渗透性试验。首先在试验区域挖1 m×1 m×1 m试坑，在试坑底嵌入一个高20 cm、直径35．75 cm的铁环，该铁环圈定的面积为1 000 cm2。铁环压入坑底部10 cm深，环壁与土层要紧密接触，环内铺2～3 cm的反滤粗砂。在试验开始时，控制环内水柱保持在10 cm高度上，试验一直进行到渗入水量Q固定不变为止。垂直渗透系数计算见式(1)［9-12］:

式中，Q为稳定渗水量;F为渗水面积。

按式(1)计算包气带垂直渗透速度，所得的渗透速度即为该松散层的渗透系数值，试验结果见表1。研究区包气带垂直渗透系数为5．9～6．8 m/d，渗透性较强，易于地表降水或渗滤液垂直渗漏。

表1 研究区包气带垂直渗透性Tab.1 Vertical permeability of aeration zone序号 稳定渗水量/L时间/min 渗透面积/cm2渗透系数/(m·d－1)1 2．372 5 1 000 6．831 2 2．126 5 1 000 6．123 3 2．049 5 1 000 5．901 3 第四系含水层渗透性试验

第四系松散含水层主要包括风积沙和萨拉乌苏组砂层，在研究区广泛分布，厚

33～59 m，一般39～55 m，水位埋深11～14 m。沙层结构松散，大孔隙，透水性强，易于接收大气降水补给，储集条件良好。地下水的赋存受古地形的严格控制，地下水在侧向运动中补给下伏含水层，由于受下伏土层起伏形态制约，潜水由东南向西北潜流，是区内主要含水层和透水层。在研究区第四系松散潜水含水层布置6个水文地质钻孔，并对其中2组第四系松散含水层段进行抽水试验。 (1)抽水试验方法。钻孔成孔后首先进行洗井，直至水清沙净为止，待水位稳定后开始抽水试验，抽水试验按稳定流方法进行抽水。抽水试验技术要求执行《煤炭资源地质勘探抽水试验规程》，尽机械能力作一次最大降深，水位稳定时间不少于24 h，完成3 次降深，依次为10．0，6．4，3．0 m。

(2)观测方法。抽水试验过程中，孔内水位采用水位遥测仪监测，水位观测按稳定流观测间隔进行。抽水开始后，在第 5，10，15，20，25，30 min 时各观测1次，以后每隔30 min观测记录1次;抽水流量采用电子流量计观测并自动记录流量。

(3)试验结果分析。第四系松散层按潜水含水层完整井公式及潜水含水层经验公式计算渗透系数及影响半径，并绘制Q—S曲线图。计算公式见式(2)、式(3)［13-15］:

式中，Q为钻孔涌水量;R为影响半径;S w为水位降深;H为潜水含水层厚度;r w为钻孔半径;h为潜水含水层抽水后厚度;K为渗透系数。

按照式(4)换算口径91 mm、抽水水位降深10 m时的统降单位涌水量［15］:

式中，Q91、R91、r91分别为孔径91 mm的钻孔涌水量、影响半径和钻孔半径;Q孔、R孔、r孔分别为孔径r的钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径。 根据研究区现场抽水试验资料(表2)，第四系松散层单位涌水量为0．391 2 ～

0．816 8 L/(s·m)，渗透系数为1．176～2．537 m/d，属于中等富水性含水层，水化学类型以 HCO3-Ca型为主，矿化度为0.211～0.231 g/L，属于淡水，可作为生产生活用水。该第四系含水层渗透系数较大，利于水或其他液体渗流，因此，若渣场渗滤液渗漏到该含水层，将迅速扩散并污染整个含水层水质，造成生态环境污染、破坏，影响当地正常的生产生活。

表2 第四系松散层抽水试验结果Tab.2 Results of pumping test about the quaternary looser layer号水位埋深/m含水层厚度/m孔水化学类型1 11.36 43.64 0.816 8 2.537 0.211 HCO3涌水量/(L·(s·m) － 1)渗透系数/(m·d－1)矿化度/(g·L －1)-Ca 2 12.69 42.31 0.391 2 1.176 0.231 HCO3-Ca·Mg 4 第四系隔水层性质试验

研究区内隔水层主要为第四系中更新统离石组粉土、粉质黏土层［16］(表3)。第四系中更新统离石组粉土、粉质黏土隔水层在研究区内连续分布，厚度43～59 m，岩性以黄褐色粉土、粉质黏土为主。顶部粉土渗透系数2.45×10－6～4.71 ×10－6 cm/s，饱和度92.3～98.0，压缩模量3.4～4.8 MPa;中部粉质黏土渗透系数0.22×10－6 cm/s，饱和度93.0，压缩模量4.5 MPa;下部粉土渗透系数1.11×10－6～2.63×10－6 cm/s，饱和度为 93.0 ～99.0，压缩模量为2.5～3.8 MPa;其中夹数层灰褐色古土壤层，含大量钙质结核，局部钙质结核成层分布，底部粉质黏土渗透系数0.54×10－6 cm/s，饱和度95.1，压缩模量 5.0 MPa;为一相对隔水层［17-18］。

离石组粉土、粉质黏土层可有效隔离第四系松散含水层与下伏白垩系洛河组砂岩孔隙裂隙含水层［19-20］。在第四系松散含水层受渣场渗滤液污染的情况下，离石组粉土、粉质黏土层能够将污染体隔离在松散层中，避免白垩系洛河组砂岩孔隙裂隙含水层遭受污染。

表3 隔水层性质试验结果Tab.3 Test results of the water-resisting layer类别

深度/m 干密度/38～43 1.62～1.70 92.3～95.5 4.31～4.71 4.6～4.8粉土 43～48 1.68～1.73 95.0～98.0 2.45～3.18 3.4～3.9粉质黏土 48～51 1.72 93.0 0.22 4.5粉土 51～67 1.68～1.74 93.0～99.0 1.11～2.63 2.5～3.8粉质黏土MPa粉土(g·cm－3) 饱和度/% 渗透系数/(10－6cm·s－1)压缩模量/67～70 1.84 95.1 0.54 5.0 5 结论

通过对陕北毛乌素沙漠南部某煤化工渣场第四系松散层渗透性进行研究，初步得出如下结论:

(1)研究区内第四系松散孔隙潜水含水层厚度28～41 m，包气带为风积沙、萨拉乌苏组砂层，厚度11～14 m，垂直渗透系数5.9～6.8 m/d。

(2)第四系松散层的单位涌水量0.391 2～0.816 8 L/(s·m)，渗透系数 1.176 ～2.537 m/d，中等富水性，易受渣场渗滤液渗漏污染。

(3)研究区隔水层为第四系中更新统离石组粉土、粉质黏土组成，区内普遍分布，隔水层厚43～59 m，隔水层段渗透系数0.000 2～0.011 2 m/d，不透水—微透水性，隔水性能良好，基本隔断了第四系松散孔隙潜水含水层与基岩孔隙裂隙承压含水层间的水力联系，起到一定的隔离污染物的作用。

(4)煤化工渣场附近地下水应长期监测，掌握地下水特别是潜水含水层动态变化规律，并在渣场周边修建截排水沟，设置渗滤井和防渗帷幕，以防渣场渗滤液直接渗入地下水系统而污染地下水。 参考文献(References):

［1］ 欧先交，李保生，靳鹤龄，等．萨拉乌苏河流域萨拉乌苏组沙丘砂沉积特征［J］．地理学报，2006，61(9):965-975．

Ou Xianjiao，Li Baosheng，Jin Heling，et al．Sedimentary characteristics of paleo-eolian dune sands in Salawusu Formation of the Salawusu River

Valley［J］．Acta Geographica Sinica，2006，61(9):965-975． ［2］ 崔邦军，王西泉，蒋泽泉．榆神府矿区萨拉乌苏组的水文地质条件分析［J］．地下水，2011，33(4):93-95．

Cui Bangjun，Wang Xiquan，Jiang Zequan．Hydrogeological condition analysis of salawusu formation in Yushenfu Mining Area［J］．Ground Water，2011，33(4):93-95．

［3］ 周勇．陕北煤炭基地萨拉乌苏组含水层的特征［J］．陕西煤炭，2017(4):68-71．

Zhou Yong．Salawusu formation aquifer characteristics in the coal base of northern Shaanxi［J］．Shaanxi Coal，2017(4):68-71．

［4］ 范立民，杨宏科．沙层对矿井污水的净化作用及矿井水的利用-以榆神府矿区萨拉乌苏组沙层为例［J］．国土资源科技管理，2000(6):21-23．

Fan Limin，Yang Hongke．Purification of sand layer in mine-shaft sewage and a new approach to utilization of mine-shaft sewage［J］．Scientific and Technological Management of Land and Resources，2000(6):21-23． ［5］ 范立民．保水采煤的科学内涵［J］．煤炭学报，2017，42(1):27-35． Fan Limin．Scientific annotation of water-preserved mining［J］．Journal of China Coal Society，2017，42(1):27-35．

［6］ 范立民，王国柱．萨拉乌苏组地下水及采煤影响与保护［J］．采矿技术，2006，6(3):422-428．

Fan Limin，Wang Guozhu．Influence and protection of groundwater and coal mining in Salawusu Formation［J］．Mining Technology，2006，6(3):422-428．

［7］ 蒋泽泉，雷少毅，曹虎生，等．沙漠产流区工作面过沟开采保水技术

［J］．煤炭学报，2017，42(1):73-79．

Jiang Zequan，Lei Shaoyi，Cao Husheng，et al．Coal mining under river recharged by desert［J］．Journal of China Coal Society，2017，42(1):73-79．

［8］ 杨玉春，程汝恩．风积沙工程特性及用作坝壳填筑料可行性研究［J］．人民黄河，2014，36(1):95-97．

Yang Yuchun，Cheng Ruen．Feasibility study on engineering property of aeolian sand and application as dam backfill material［J］．Yellow River，2014，36(1):95-97．

［9］ 杨泽元，范立民，许登科，等．陕北风沙滩地区采煤塌陷裂缝对包气带水分运移的影响:模型建立［J］．煤炭学报，2017，42(1):155-161．

Yang Zeyuan，Fan Limin，Xu Dengke，et al．Influence of fissures due to coal mining on moisture transportation in the vadose zone in the blown-sand region of the northern shaanxi province:model establishment［J］．Journal of China Coal Society，2017，42(1):155-161．

［10］ 王雪，张永波，张志祥，等．基于包气带—含水层联合模型的污染迁移研究［J］．太原理工大学学报，2017，48(5):805-810．

Wang Xue，Zhang Yongbo，Zhang Zhixiang，et al．Study on pollution transfer based on coupling model of vadose zone and aquifer

［J］．Journal of Taiyuan University of Technology，2017，48(5):805-810． ［11］ 王现国，郭立．洛河冲积平原包气带对入渗水污染物净化能力研究［J］．水文地质工程地质，2009(6):123-126，130．

Wang Xianguo，Guo Li．A study of purification capacity of vadose zone on pollutants from infiltration water in the luohe alluvial plain

［J］．Hydrogeology ＆Engineering Geology，2009(6):123-126，130． ［12］ 屈智慧，赵勇胜，张文静，等．包气带砂层中生物作用对垃圾渗滤液中污染物的去处研究［J］．环境科学，2008，29(2):2344-2348．

Qu Zhihui，Zhao Yongsheng，Zhang Wenjing，et al．Contamination removal in landfill leachate by biological effect in sand layer of vadose zone［J］．Environmental Science，2008，29(2):2344-2348． ［13］ 陈江峰，熊法政，李猛，等．松散层富水性评价及水体采动等级划分［J］．煤矿安全，2016，47(5):49-51．

Chen Jiangfeng，Xiong Fazheng，Li Meng，et al．Evaluation of water abundance of loose layer and classification of water body mining level［J］．Safety in Coal Mines，2016，47(5):49-51．

［14］ 曾彩霞．某废弃物处置场污染迁移模拟研究［D］．成都:成都理工大学，2016．

［15］刘再斌．基于抽水试验的侏罗纪砂岩渗透性空间特征研究［J］．煤炭工程，2013(7):82-84，87．

Liu Zaibin．Study on permeability space features of jurassic sandstone based on water pumping test［J］．Coal Engineering，2013(7):82-84，87． ［16］ 黄庆享，蔚保宁，张文忠．浅埋煤层黏土隔水层下行裂隙弥合研究［J］．采矿与安全工程学报，2010(1):35-39．

Huang Qingxiang，Wei Baoning，Zhang Wenzhong．Study of downward crack closing of clay aquiclude in shallowly buried coal seam［J］．Journal of Mining and Safety Engineering，2010(1):35-39．

［17］ 张沛．黏土隔水层仿真模拟实验加水因子影响规律研究［J］．煤矿开采，2010(5):24-25，7．

Zhang Pei．Influence rules of watering ratio in simulation experiment of clay aquiclude［J］．Coal Mining Technology，2010(5):24-25，7． ［18］ 黄庆享．浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究［J］．岩石力学与工程学报，2009(5):987-992．

Huang Qingxiang．Simulation of clay aquifuge stability of water

conservation mining in shallow-buried coal seam［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009(5):987-992．

［19］ 李涛，王苏健，李文平，等．沙漠浅滩地表径流保水煤柱留设生态意义及方法［J］．采矿与安全工程学报，2016(1):134-139．

Li Tao，Wang Sujian，Li Wenping，et al．Ecological significance and method to design protective coal pillar on surface runoff in desert shoal area［J］．Journal of Mining and Safety Engineering，2016(1):134-139． ［20］ 李涛，王苏健，韩磊，等．生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土层合理厚度［J］．煤炭学报，2017，42(1):98-105．

Li Tao，Wang Sujian，Han Lei，et al．Reasonable thickness of protected loess under loose aquifer in ecologically fragile mining area［J］．Journal of China Coal Society，2017，42(1):98-105．