煤層底板厚層砂巖含水層可疏性綜合評(píng)價(jià)

趙寶峰，呂玉廣

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710177；3.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299）

礦井水害是煤礦生產(chǎn)中最嚴(yán)重的的災(zāi)害之一，隨著部分煤礦開(kāi)采水平逐步向深部延伸，其水文地質(zhì)條件逐漸變得復(fù)雜，深部高承壓水嚴(yán)重威脅下組煤的安全生產(chǎn)[1-2]。以往針對(duì)底板水害的研究主要集中在底板灰?guī)r含水層，有效的治理措施包括疏水降壓和注漿治理[3]，針對(duì)厚度較薄、補(bǔ)給條件一般的灰?guī)r含水層水害治理常采用疏水降壓。對(duì)灰?guī)r含水層可疏性評(píng)價(jià)是疏水降壓工作開(kāi)展的依據(jù)和基礎(chǔ)，王皓等基于放水試驗(yàn)資料，建立了礦井水文地質(zhì)模型，利用Feflow數(shù)值模擬軟件分析了大青灰?guī)r含水層疏干可行性[4]；馬亞杰等從含水層水文地質(zhì)參數(shù)空間分布、地質(zhì)構(gòu)造控制作用、含水層揭露部位的涌突水特征與含水層露頭補(bǔ)給條件方面，確定了底板含水層疏降水中心與鉆孔布設(shè)方案[5]；竇仲四等利用桃園煤礦Ⅱ4采區(qū)井下放水試驗(yàn)資料，采用Modflow軟件建立了采區(qū)水文地質(zhì)模型，對(duì)底板灰?guī)r含水層的可疏性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[6]；王心義等根據(jù)平煤八礦底板寒武灰?guī)r水壓高、地下水溫度高且富水性不均一等特點(diǎn)，劃分了富水異常區(qū)，布置了疏水降壓鉆孔[7]。

隨著我國(guó)煤炭生產(chǎn)重點(diǎn)逐步向西部轉(zhuǎn)移，侏羅紀(jì)煤田煤炭資源開(kāi)發(fā)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要保障[8]，以往針對(duì)侏羅紀(jì)煤田頂板含水層疏放開(kāi)展了大量研究工作，趙寶峰等結(jié)合頂板含水層水文地質(zhì)條件和井下涌水量數(shù)據(jù)，分析了含水層水位對(duì)井下集中和持續(xù)涌水的響應(yīng)，利用放水試驗(yàn)對(duì)含水層的可疏性進(jìn)行了研究[9-10]；李永濤等以納林河二號(hào)礦首采工作面為例，開(kāi)展了覆巖破壞規(guī)律、水文地質(zhì)條件、涌水量預(yù)計(jì)等研究，揭示了工作面涌水規(guī)律[11]；姬亞?wèn)|等采用鉆孔涌水量衰減率、含水層水頭高度、疏放水總量及殘余水量等指標(biāo)，對(duì)大南湖一礦1305工作面疏放水效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)[12]；劉基通過(guò)觀察不同疏放水量下的水位降深情況，從而得出了頂板高承壓含水層疏水降壓的可行性[13]。

侏羅紀(jì)煤田開(kāi)采水平向深部不斷延伸，煤層底板砂巖含水層距離下組煤較近，加之其水壓較高，以往許多礦井對(duì)其勘探程度不夠，導(dǎo)致底板砂巖水害成為了下組煤開(kāi)采的重要制約因素。由于砂巖孔隙度相對(duì)較小，注漿效果不佳，故灰?guī)r水害治理常用的注漿改造加固技術(shù)在底板砂巖水害治理中存在一定的局限性。而底板砂巖含水層補(bǔ)給條件通常不如灰?guī)r含水層好，并且其孔隙-裂隙介質(zhì)的富水性和滲透性較灰?guī)r含水層低，徑流條件相對(duì)較差，故疏水降壓是底板砂巖水害治理的主要方法。底板砂巖含水層采用疏水降壓之前，需要對(duì)含水層的可疏性進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而為含水層的疏放提供參考依據(jù)。

1 礦井及水文地質(zhì)條件

1.1 礦井概況

新上海一號(hào)煤礦位于鄂爾多斯盆地西緣，主采侏羅紀(jì)延安組煤層，資源儲(chǔ)量5.19億t，可采儲(chǔ)量3.37億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0 Mt/a，服務(wù)年限60.2年。礦井分為2個(gè)水平，一水平大巷標(biāo)高+880 m，布置在八煤層，二水平大巷標(biāo)高+733 m，布置在二十一煤層，2個(gè)水平大巷之間采用暗斜井聯(lián)系。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)主要含水層由上至下分別為新生界松散潛水含水層和基巖裂隙承壓含水層，后者又可進(jìn)一步分為白堊系、直羅組與含煤巖系含水層，根據(jù)地質(zhì)勘探與淺部含水層水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探資料，白堊系與含煤巖系含水層富水性均為弱，直羅組含水層除了小范圍富水性為中等，其他大部分區(qū)域富水性為弱，從前期勘探成果分析，井田內(nèi)主要含水層富水性弱，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。井田主要含水層水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 井田主要含水層水文地質(zhì)參數(shù)Table 1 The hydrogeological parameters of main aquifers in the coalfield

礦井涌水量由2011年的37.13 m3/h逐漸增加到目前的75.60 m3/h，根據(jù)涌水量觀測(cè)資料，礦井正常涌水量為120.69 m3/h，最大涌水量為184.05 m3/h，礦井水文地質(zhì)類型為中等。

2 煤層底板厚層砂巖含水層可疏性評(píng)價(jià)

2.1 煤層底板砂巖水害概況

一水平和二水平之間的運(yùn)輸暗斜井設(shè)計(jì)坡度為-14°，下山總長(zhǎng)度550.9 m，掘進(jìn)至520 m（迎頭標(biāo)高為+746.4 m，位于二十煤底板以下）處巷道底鼓，繼而發(fā)生集中涌水，峰值涌水量4 000 m3/h左右。

井田內(nèi)除了直羅組含水層小范圍富水性為中等，其他各含水層富水性均為弱，不具備高強(qiáng)度集中涌水的條件。根據(jù)水害發(fā)生的過(guò)程和特征，初步判斷集中涌水水源來(lái)自二十一煤底板的寶塔山砂巖含水層，為了初步探查寶塔山砂巖含水層的水文地質(zhì)條件，在運(yùn)輸暗斜井涌水點(diǎn)附近施工了1號(hào)水文孔，查明了寶塔山砂巖含水層水位標(biāo)高+1 192.11 m，單位涌水量0.299 8 L/（s·m），滲透系數(shù)0.560 0 m/d，說(shuō)明寶塔山砂巖含水層水位較高（運(yùn)輸暗斜井涌水點(diǎn)底板承壓4.46 MPa），并且富水性和滲透性較強(qiáng)，具備作為集中涌水點(diǎn)水源的可能性。周邊鴛鴦湖礦區(qū)、碎石井礦區(qū)和神東礦區(qū)多個(gè)礦井也曾發(fā)生過(guò)底板寶塔山砂巖水害[14]，說(shuō)明底板砂巖含水層已經(jīng)逐漸開(kāi)始成為威脅侏羅紀(jì)煤田下組煤安全生產(chǎn)的重要因素。

由于寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)條件較以往勘探資料復(fù)雜，對(duì)井田下組煤存在較大的水害威脅，在進(jìn)行下組煤采掘活動(dòng)前需要開(kāi)展相應(yīng)的防治水工作。疏水降壓作為底板水害防治最有效的方法應(yīng)用廣泛，在對(duì)底板含水層進(jìn)行疏水降壓前，需要對(duì)其可疏性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 基于抽水試驗(yàn)的含水層可疏性評(píng)價(jià)

2.2.1 抽水試驗(yàn)概況

由于前期針對(duì)二十一煤底板含水層開(kāi)展的抽水試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)含水層包括二十一煤底板的寶塔山砂巖含水層與三疊系含水層，為多層混合抽水試驗(yàn)，獲取的水文地質(zhì)參數(shù)不能代表寶塔山砂巖含水層真實(shí)的水文地質(zhì)條件。在運(yùn)輸暗斜井底板集中涌水后針對(duì)寶塔山砂巖含水層施工了13個(gè)水文地質(zhì)鉆孔，通過(guò)抽水試驗(yàn)，基本查明了含水層厚度、水位標(biāo)高、單位涌水量、滲透系數(shù)等水文地質(zhì)條件，含水層水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2，在進(jìn)行完抽水試驗(yàn)后各水文地質(zhì)鉆孔留設(shè)為長(zhǎng)觀孔。

表2 基于抽水試驗(yàn)的寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)參數(shù)Table 2 The hydrogeological parameters of Baotashan sandstone aquifer based on pumping test

2.2.2 含水層可疏性評(píng)價(jià)

根據(jù)礦井充水條件分析，井田的下組煤在不同程度上受寶塔山砂巖含水層威脅。根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，將抽水試驗(yàn)過(guò)程中降深與涌水量的比值關(guān)系作為疏降可行性的判別標(biāo)準(zhǔn)[15]：

式中：S0′為含水層可疏性指數(shù)，min/m2；S為主要控放范圍內(nèi)的水位降深，m；Q為主要控放范圍內(nèi)的涌水量，m3/min。

S0′>10，補(bǔ)給較弱，易疏降；3≤S0′≤10，補(bǔ)給較強(qiáng)，可以疏降；S0′<3，補(bǔ)給很強(qiáng)，不宜直接疏降。通過(guò)利用式（1）計(jì)算，寶塔山砂巖含水層各水文地質(zhì)鉆孔水位降深與涌水量的比值均大于10，說(shuō)明寶塔砂巖含水層易疏降。

2.3 基于放水試驗(yàn)的含水層可疏性評(píng)價(jià)

2.3.1 放水試驗(yàn)概況

本次針對(duì)寶塔山砂巖含水層開(kāi)展的放水試驗(yàn)，考慮到施工與排水方便，F(xiàn)1、F2、F3、F4放水孔選擇位于井田中央的111082工作面機(jī)巷2#聯(lián)絡(luò)巷，孔間距為15 m，觀測(cè)孔選擇歷次水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探施工的寶塔山砂巖含水層長(zhǎng)觀孔，井田內(nèi)寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)鉆孔平面布置如圖1。

圖1 井田內(nèi)寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)鉆孔平面位置Fig.1 The hydrogeological borehole plane location of Baotashan sandstone aquifer in the mine field

放水試驗(yàn)包括單孔放水和多孔放水，單孔放水試驗(yàn)從2019年8月23日12：00 F2鉆孔開(kāi)始放水，9月18日12：00結(jié)束放水，恢復(fù)水位至10月8日12:00，共計(jì)1 104 h，平均放水量237.91 m3/h；多孔放水試驗(yàn)從10月8日12：00開(kāi)始F2鉆孔放水，10月12日12:00疊加F3鉆孔放水，10月16日12:00疊加F1和F4鉆孔放水，11月6日12：00鉆孔結(jié)束放水，恢復(fù)水位至12月1日12：00，共計(jì)1 296 h，3階段平均放水量分別為206.52、332.93、444.10 m3/h，放水試驗(yàn)階段劃分及放水量見(jiàn)表3。

表3 放水試驗(yàn)階段劃分及放水量Table 3 The stage division of dewatering test and water discharge

放水試驗(yàn)期間，寶塔山砂巖含水層各觀測(cè)孔水位均對(duì)放水產(chǎn)生了不同程度的響應(yīng)，無(wú)論是單孔還是多孔放水試驗(yàn)，水位或水量均隨時(shí)間發(fā)生變化，放水試驗(yàn)寶塔山砂巖含水層水位歷時(shí)變化曲線如圖2，放水試驗(yàn)為非穩(wěn)定流放水。

圖2 放水試驗(yàn)寶塔山砂巖含水層水位歷時(shí)變化曲線Fig.2 The variation curves of groundwater level in Baotashan sandstone aquifer during dewatering test

2.3.2 典型觀測(cè)孔水位單位時(shí)間變化曲線斜率

放水試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)孔單位時(shí)間內(nèi)水位變化曲線的斜率可以近似代表這個(gè)時(shí)間段水位變化的速率，通過(guò)將放水或水位恢復(fù)過(guò)程劃分為若干時(shí)間段，分別計(jì)算各時(shí)間段水位變化曲線的斜率，就可以獲取不同時(shí)間段內(nèi)水位變化的速度。B45長(zhǎng)觀孔在放水過(guò)程水位單位時(shí)間變化曲線斜率如圖3。

圖3 B45長(zhǎng)觀孔在放水過(guò)程水位單位時(shí)間變化曲線斜率（前96 h）Fig.The curve slope of groundwater level per unit time in B45 long-time observation borehole in the process of dewatering test（first 96 h）

將B45長(zhǎng)觀孔前96 h劃分為0～48、48～96 h 2個(gè)時(shí)間段，分別計(jì)算這個(gè)時(shí)間段內(nèi)水位變化曲線的斜率為-6.369 9和-2.579 8，即這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)水位變化速度近似為-6.369 9、-2.579 8 m/h，可以看出隨著放水時(shí)間延長(zhǎng)觀測(cè)孔水位變化速度逐漸變小。

利用上述方法選取B44和B45長(zhǎng)觀孔作為典型觀測(cè)孔，計(jì)算了其放水試驗(yàn)過(guò)程中不同階段水位單位時(shí)間變化曲線斜率，為了便于比較，將放水過(guò)程中水位單位時(shí)間變化曲線斜率取絕對(duì)值。B44和B45長(zhǎng)觀孔在不同階段水位單位時(shí)間變化曲線斜率如圖4和圖5。

由圖4、圖5可以看出，放水試驗(yàn)中B44和B45長(zhǎng)觀孔水位變化特征：①通過(guò)對(duì)單孔放水階段分析，放水過(guò)程中水位變化速率大于水位恢復(fù)過(guò)程，說(shuō)明寶塔山砂巖含水層疏降快，恢復(fù)慢；②通過(guò)對(duì)多孔放水階段分析，隨著放水水量不斷疊加，觀測(cè)孔水位變化速率上下波動(dòng)，說(shuō)明增加放水孔，也就是增大放水量會(huì)有效加快寶塔山砂巖含水層的疏放；③通過(guò)對(duì)單孔和多孔放水階段分析，多孔放水時(shí)觀測(cè)孔水位變化大于單孔放水，說(shuō)明多孔大流量放水可以最大程度上激發(fā)地下水流場(chǎng)的變化；④無(wú)論是單孔放水還是多孔放水，觀測(cè)孔水位均呈持續(xù)下降，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)對(duì)寶塔山砂巖含水層進(jìn)行疏水降壓，可以持續(xù)降低地下水水位。

圖4 B44長(zhǎng)觀孔在不同階段水位單位時(shí)間變化曲線斜率Fig.4 The curves slope of groundwater level in B44 longtime observation borehole per unit time in different stages

圖5 B45長(zhǎng)觀孔在不同階段水位單位時(shí)間變化曲線斜率Fig.5 The curves slope of groundwater level in B45 longtime observation borehole per unit time in different stages

2.3.3 典型觀測(cè)孔水位最大與殘余降深

單孔和多孔放水試驗(yàn)各觀測(cè)孔在不同時(shí)刻的水位如圖6和圖7。

圖6 單孔放水試驗(yàn)各觀測(cè)孔在不同時(shí)刻的水位Fig.6 The groundwater level of each observation borehole in different time during dewatering test of single borehole

圖7 多孔放水試驗(yàn)各觀測(cè)孔在不同時(shí)刻的水位Fig.7 The groundwater level of each observation borehole in different time during dewatering test of multi-borehole

單孔放水試驗(yàn)過(guò)程放水共計(jì)624 h，水位恢復(fù)480 h，水位恢復(fù)時(shí)間占放水時(shí)間的77.92%，而水位僅恢復(fù)了最大降深的39.11%；多孔放水試驗(yàn)過(guò)程放水共計(jì)696 h，水位恢復(fù)600 h，水位恢復(fù)時(shí)間占放水時(shí)間的86.21%，而水位僅恢復(fù)了最大降深的46.56%。通過(guò)對(duì)放水試驗(yàn)過(guò)程中初始水位、最大降深數(shù)位和恢復(fù)水位的分析，說(shuō)明寶塔山砂巖含水層水位易疏降，難恢復(fù)，含水層的補(bǔ)給條件一般。

2.3.4 放水水量變化

單孔放水試驗(yàn)F2鉆孔放水量平均值為237.91 m3/h，在長(zhǎng)達(dá)624 h的放水期內(nèi)未發(fā)生明顯的衰減；多孔放水試驗(yàn)3個(gè)階段放水量平均值分別為206.52、332.93、444.10 m3/h，前2個(gè)階段放水量未發(fā)生明顯的衰減，第3個(gè)階段初始放水量510 m3/h左右，在持續(xù)504 h的放水后，水量逐漸衰減至410 m3/h左右，并趨于穩(wěn)定。

單孔放水量可以穩(wěn)定在237.91 m3/h左右，來(lái)自放水區(qū)域范圍以外的水量補(bǔ)給可以對(duì)放水孔進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)給；同樣，多孔放水量也可穩(wěn)定在332.93 m3/h左右，但是當(dāng)多孔放水量為510 m3/h左右時(shí)，放水量逐漸開(kāi)始衰減，說(shuō)明放水區(qū)域以外的水量對(duì)放水孔水量的補(bǔ)給能夠使其穩(wěn)定在410 m3/h左右。

通過(guò)以上分析，寶塔山砂巖含水層富水性和滲透性較強(qiáng)，放水孔水量雖然較大，但是在大流量放水條件下，其水量也會(huì)發(fā)生衰減。

2.3.5 放水孔水壓變化

放水試驗(yàn)前各放水孔初始水壓均為3.1 MPa，F(xiàn)2鉆孔放水時(shí)水位穩(wěn)定在0.6 MPa，F(xiàn)1、F3、F4放水孔水壓分別穩(wěn)定在2.0、2.38、2.41 MPa，停止放水后，4個(gè)放水孔水壓均恢復(fù)為3.0 MPa，水壓在短時(shí)間內(nèi)未能恢復(fù)至初始水壓；多孔放水第1階段（F2放水）4個(gè)放水孔水壓分別為2.3、0.9、2.5、2.5 MPa，第2階段（F2、F3放水）4個(gè)放水孔水壓分別為2.0、0.7、0.1、2.0 MPa，第3階段（F1、F2、F3、F4放水）4個(gè)放水孔水壓分別為0.7、、0.5、、0、0 MPa，停止放水恢復(fù)后，4個(gè)放水孔水壓均穩(wěn)定在2.7 MPa。

通過(guò)對(duì)放水試驗(yàn)過(guò)程中放水孔水壓的觀測(cè)資料分析，說(shuō)明在大流量疏放水條件下不僅可以有效降低周邊地面觀測(cè)孔的水位，在放水區(qū)域中心還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)含水層水位的大降深疏降。

2.4 含水層邊界條件對(duì)可疏性的影響

井田寶塔山砂巖含水層傾向剖面如圖8。

圖8 井田寶塔山砂巖含水層傾向剖面Fig.8 The inclined section of Baotashan sandstone aquifer in coalfield

由圖8可以看出，井田東部和西部分別有DF20和F2逆斷層，而寶塔山砂巖含水層位于2條逆斷層之間的地塹中，其分別與DF20和F2逆斷層上盤的三疊系地層接觸，通過(guò)抽水試驗(yàn)可知三疊系含水層的單位涌水量為0.000 5～0.040 6 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.000 7～0.022 1 m/d，富水性為弱，與寶塔山砂巖含水層（單位涌水量為0.482 0 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.939 4 m/d）相比，可視作相對(duì)隔水層。寶塔山砂巖含水層上部為二十一煤及十五煤至二十一煤間含水層（單位涌水量為0.007 2～0.021 3 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.000 6～0.013 m/d），二十一煤全井田廣泛分布，煤層厚度0.25～6.00 m，是良好的隔水層。

綜上所述，井田內(nèi)寶塔山砂巖含水層?xùn)|、西、下部邊界均為三疊系地層，上部為二十一煤，均為相對(duì)隔水層；南、北部為人為劃分井田邊界，與上下游同層含水層存在水力聯(lián)系。由于井田為南北長(zhǎng)，東西窄，當(dāng)對(duì)寶塔山砂巖含水層進(jìn)行疏水降壓時(shí)，來(lái)自東、西、下、上部的水量非常有限，而來(lái)自南、北的地下水徑流由于補(bǔ)給途徑較遠(yuǎn)，故寶塔山砂巖含水層的邊界條件有利于對(duì)其進(jìn)行疏水降壓。

2.5 底板厚層砂巖含水層可疏性綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)抽水試驗(yàn)、放水試驗(yàn)、井田地層和構(gòu)造條件的分析，寶塔山砂巖含水層位于相對(duì)封閉的隔水空間內(nèi)，補(bǔ)給條件一般，含水層屬于易疏降，適合采用大流量疏水降壓工程對(duì)其進(jìn)行大規(guī)模疏放水，從而確保下組煤采掘活動(dòng)的安全。

3 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)抽水試驗(yàn)抽水量與水位降深資料，對(duì)侏羅紀(jì)煤田底板砂巖含水層的可疏性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，屬于易疏降型含水層。

2）利用放水試驗(yàn)放水孔和觀測(cè)孔資料，從底板砂巖含水層觀測(cè)孔水位單位時(shí)間變化速率、抽水和恢復(fù)水位曲線、放水孔水壓變化等方面研究，證明了底板砂巖含水層具有可疏性。

3）底板砂巖含水層位于相對(duì)封閉的隔水環(huán)境有利于疏水降壓，含水層的邊界條件是影響其可疏性的重要因素。