侏羅紀(jì)煤田寶塔山砂巖含水層大流量大降深放水試驗(yàn)

趙寶峰

(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)

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭在一次性能源結(jié)構(gòu)中占60%左右[1]。鄂爾多斯盆地是我國(guó)重要的含煤盆地，其侏羅紀(jì)煤炭資源總量占全國(guó)的31.9%[2]，我國(guó)批準(zhǔn)建設(shè)了14個(gè)億噸級(jí)煤炭生產(chǎn)基地，其中有4個(gè)基地開(kāi)發(fā)鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤炭資源。侏羅系延安組是侏羅紀(jì)煤田的重要含煤地層，其采掘活動(dòng)主要受到頂板水害的威脅[3-4]，前人在頂板含水層水文地質(zhì)條件探查[5-6]、水害機(jī)理分析[7-9]和頂板水害治理方面[10-11]開(kāi)展了大量工作，取得了豐碩的成果。而延安組煤系間含水層(包括底部的寶塔山砂巖含水層)通常被認(rèn)為滲透性和富水性較弱，不會(huì)對(duì)礦井生產(chǎn)造成水害威脅，故侏羅紀(jì)煤田地質(zhì)勘探和水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探均對(duì)寶塔山砂巖含水層開(kāi)展的水文地質(zhì)工作較少，同時(shí)缺乏對(duì)寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)條件的系統(tǒng)研究。

隨著對(duì)延安組下組煤炭資源的開(kāi)發(fā)，煤層底板寶塔山砂巖含水層成為影響和威脅下組煤安全開(kāi)采的重要因素：寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)某礦6煤和10煤工作面2次揭露一個(gè)封閉不良鉆孔，底板涌水量分別為25 m3/h和31 m3/h，18煤首采工作面機(jī)巷施工過(guò)程中發(fā)生底板出水，涌水量為60 m3/h，水壓為0.25 MPa；碎石井礦區(qū)某礦風(fēng)井掘進(jìn)揭露封閉不良鉆孔發(fā)生集中出水，底板涌水量達(dá)120 m3/h；鄂托克前旗新上海一號(hào)煤礦一分區(qū)膠帶暗斜井掘進(jìn)至二十煤底板附近發(fā)生底板涌水，峰值水量達(dá)3 600 m3/h。為了保障侏羅紀(jì)煤田下組煤安全開(kāi)采，需要針對(duì)寶塔山砂巖含水層開(kāi)展專項(xiàng)水文地質(zhì)勘探工作。抽水試驗(yàn)是礦井水文地質(zhì)條件探查的主要手段，但是由于受到孔徑和水泵能力的限制，抽水量有限，導(dǎo)致抽水試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)含水層地下水位的降深也較小，不能在最大程度上暴露含水層的水文地質(zhì)條件，而井下放水試驗(yàn)由于距離目標(biāo)含水層較近，放水過(guò)程無(wú)需動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，可以開(kāi)展大流量大降深放水試驗(yàn)，從而可以完成某些抽水試驗(yàn)不能完成的探查任務(wù)[12-14]。

1 研究區(qū)寶塔山砂巖含水層概況

1.1 研究區(qū)概況

新上海一號(hào)煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯鄂托克前旗上海廟礦區(qū)，主采侏羅系延安組煤層，可采煤層 10層，資源儲(chǔ)量5.19億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬(wàn)t/a，服務(wù)年限60.2 a。礦井分為2個(gè)水平，一水平大巷標(biāo)高+880 m，布置在八煤；二水平大巷標(biāo)高+773 m，布置在二十一煤。礦井于2008年5月開(kāi)工建設(shè)，目前正在回采八煤和十五煤，工作面采用走向長(zhǎng)壁一次采全高綜采采煤法，全部垮落法控制工作面頂板。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)鉆孔揭露地層由老至新主要有：三疊系延長(zhǎng)組、侏羅系延安組、侏羅系直羅組；白堊系志丹群；古近系及第四系。其中含煤地層為侏羅系延安組，蓋層為白堊系、古近系及第四系。

該井田主體構(gòu)造形態(tài)為一向東傾伏的單斜構(gòu)造，北部發(fā)育有寬緩的次級(jí)褶曲，井田內(nèi)巖層較為平緩，一般巖層傾角為3°～13°，除斷層附近外，基本無(wú)突然傾斜變化。井田共發(fā)現(xiàn)30條斷層，落差大于20 m的斷層9條，其中規(guī)模最大的為F2(落差>500 m)和DF20(落差>150 m)斷層，如圖1所示。

圖1 井田構(gòu)造綱要及各水文地質(zhì)鉆孔平面布置圖

井田內(nèi)含水層主要為松散巖類孔隙含水層和碎屑巖類孔隙裂隙含水層，后者包括白堊系、侏羅系直羅組、延安組煤系間、延安組底部寶塔山和三疊系承壓含水層水，各含水層水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。前期開(kāi)采的八煤和十五煤主要充水水源為頂板煤系間和直羅組含水層，后期開(kāi)采的十八煤和二十煤主要面臨底板寶塔山砂巖含水層的威脅。

表1 井田主要含水層水文地質(zhì)參數(shù)

1.3 寶塔山砂巖含水層

延安組底部的寶塔山砂巖是延安組地層在區(qū)域上比較明顯的對(duì)比劃分主要標(biāo)志層，其巖性主要為灰白、灰黃色粗粒長(zhǎng)石石英砂巖，底部常有細(xì)礫巖或砂礫巖，易于識(shí)別[15]。

2015年11月，新上海一號(hào)煤礦一分區(qū)膠帶暗斜井下山掘進(jìn)至+746.6 m(二十煤頂板5～8 m)處，發(fā)生底板集中涌水，涌水量由最初的1 500 m3/h逐漸增大至3 600 m3/h，根據(jù)對(duì)出水原因的分析，出水水源為二十一煤底板寶塔山砂巖含水層水。為了進(jìn)一步探查寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)條件，在膠帶暗斜井底板出水后施工了1號(hào)水文孔，2017年和2019年針對(duì)寶塔山砂巖含水層又分別開(kāi)展了水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作，共施工了13個(gè)水文地質(zhì)鉆孔，根據(jù)鉆探和抽水試驗(yàn)成果，含水層厚度為14.21～127.10 m，平均值為59.64 m；單位涌水量為0.037 7～1.070 9 L/(s·m)，平均值為0.482 0 L/(s·m)；滲透系數(shù)為0.105 7～2.060 3 m/d，平均值為0.939 4 m/d；影響半徑為76.95～239.37 m，平均值為154.70 m；抽水水位降深為8.17～51.86 m，平均值為21.46 m；抽水量為5.22～40.35 m3/h，平均值為26.08 m3/h。通過(guò)以上水文地質(zhì)勘探工作，初步查明了寶塔山砂巖含水層的水文地質(zhì)條件。

由于抽水試驗(yàn)的抽水量與地下水位降深較小，其影響半徑有限，從而對(duì)含水層地下水流場(chǎng)擾動(dòng)較小。寶塔山砂巖含水層與其他含水層之間的水力聯(lián)系，在大流量疏放水的條件下含水層是否具備可疏性，以及其最大水位降深與影響范圍、疏放水量的衰減特征等均無(wú)法通過(guò)抽水試驗(yàn)查清。為了全面掌握寶塔山砂巖含水層的水文地質(zhì)條件，擬在井下開(kāi)展大流量大降深放水試驗(yàn)。

2 寶塔山砂巖含水層放水試驗(yàn)

2.1 放水試驗(yàn)概況

本次放水試驗(yàn)的目標(biāo)含水層為煤層底板寶塔山砂巖含水層，放水孔F1、F2、F3和F4位于井田中部，觀測(cè)孔選取在井田范圍內(nèi)及周邊布設(shè)的各主要含水層長(zhǎng)觀孔，放水試驗(yàn)平面布置見(jiàn)圖1。

放水試驗(yàn)分為單孔放水試驗(yàn)及多孔放水試驗(yàn)，其放水試驗(yàn)起止日期、放水孔編號(hào)、放水量與放水時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 放水試驗(yàn)階段劃分及放水量

2.2 井下放水孔觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 放水孔水壓觀測(cè)

在F1～F4井下放水孔放水時(shí)，也對(duì)其水壓變化進(jìn)行了同步觀測(cè)。4個(gè)放水孔的初始水壓均為3.1 MPa，F(xiàn)2單孔放水時(shí)，其水壓穩(wěn)定在0.6 MPa，F(xiàn)1、F3和 F4放水孔水壓分別穩(wěn)定在2.0、2.4、2.4 MPa，停止放水恢復(fù)水位后，4個(gè)放水孔水壓均穩(wěn)定在3.0 MPa，水壓在短時(shí)間內(nèi)未能恢復(fù)至初始水壓；多孔放水第一階段(F2放水)4個(gè)放水孔水壓分別為2.3、0.9、2.5、2.5 MPa，第二階段(F2、F3放水)4個(gè)放水孔水壓分別為2.0、0.7、0.1、2.0 MPa，第三階段(F1、F2、F3和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)水位后，4個(gè)放水孔水壓均穩(wěn)定在2.7 MPa。放水孔水壓歷時(shí)變化曲線如圖2所示。

圖2 各放水孔水壓歷時(shí)變化曲線

2.2.2 放水孔水量觀測(cè)

F2單孔放水量平均值為237.91 m3/h，且在長(zhǎng)達(dá)624 h的放水過(guò)程中水量沒(méi)有發(fā)生明顯衰減，說(shuō)明寶塔山砂巖含水層富水性和滲透性較強(qiáng)，并具有一定的補(bǔ)給水源。放水孔總放水量歷時(shí)變化曲線如圖3所示。

圖3 放水孔總放水量歷時(shí)變化曲線

多孔放水第一階段F2放水量為206.52 m3/h;第二階段F2放水量減小至192.06 m3/h，F(xiàn)3放水量為140.86m3/h；第三階段F2放水量減小至160.06 m3/h，F(xiàn)3放水量減小至113.66 m3/h。這表明放水孔之間連通性較好。4個(gè)放水孔總放水量在444.10 m3/h長(zhǎng)達(dá)504 h的放水條件下，總放水量呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢(shì)，初步說(shuō)明寶塔山砂巖含水層在大流量長(zhǎng)時(shí)間的疏水降壓條件下具備可疏性。多孔放水試驗(yàn)各放水孔放水量歷時(shí)變化曲線如圖4所示。

圖4 多孔放水試驗(yàn)各放水孔放水量歷時(shí)變化曲線

2.3 地面觀測(cè)孔數(shù)據(jù)分析

在本次放水試驗(yàn)中，寶塔山砂巖含水層水位地面觀測(cè)孔共有10個(gè)，各觀測(cè)孔水位均對(duì)井下放水產(chǎn)生了不同程度的響應(yīng)，在大流量放水條件下寶塔山砂巖含水層水位呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。寶塔山砂巖含水層各觀測(cè)孔水位歷時(shí)變化曲線如圖5所示。

2.4 寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

1)滲透系數(shù)

本次放水試驗(yàn)為非穩(wěn)定流放水，為了使基于放水試驗(yàn)獲取的滲透系數(shù)更加可靠，利用距離放水孔最近的B6、B7、B44和B45觀測(cè)孔水位資料，采用配線法、Aquifer test和直線圖解法3種方法計(jì)算了寶塔山砂巖含水層的滲透系數(shù)(見(jiàn)表3)，與抽水試驗(yàn)結(jié)果相差不大。

表3 基于放水試驗(yàn)的寶塔山砂巖含水層滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2)單位涌水量

F2放水孔單孔放水試驗(yàn)時(shí)水量為237.91 m3/h(66.09 L/s)，水壓從3.1 MPa降到0.6 MPa(水位降深250 m)，計(jì)算得到單位涌水量q為0.264 3 L/(s·m)。與以往單位涌水量計(jì)算結(jié)果相比，本次放水試驗(yàn)獲取的單位涌水量較小，主要是由于放水孔未完全揭露寶塔山砂巖含水層所致。

2.5 寶塔山砂巖含水層與其他含水層的水力聯(lián)系

在對(duì)寶塔山砂巖含水層進(jìn)行放水的同時(shí)，對(duì)白堊系、直羅組、煤系間及三疊系含水層水位進(jìn)行了同步觀測(cè)，各含水層觀測(cè)孔平面位置見(jiàn)圖1。其中白堊系含水層B9觀測(cè)孔、煤系間Z6、Z7觀測(cè)孔和三疊系B36、B39觀測(cè)孔產(chǎn)生了不同程度的水位變化響應(yīng)，各含水層觀測(cè)孔水位歷時(shí)變化曲線見(jiàn)圖6。三疊系含水層B39觀測(cè)孔水位變化幅度較小，主要是由于其位于井田南部邊界，距離放水孔較遠(yuǎn)所致。根據(jù)B9、Z6、Z7、B36和B39觀測(cè)孔水位變化幅度判斷，寶塔山砂巖含水層與三疊系含水層水力聯(lián)系最為緊密，其次是白堊系，寶塔山砂巖含水層與煤系間含水層具有一定的水力聯(lián)系。

圖6 各含水層觀測(cè)孔水位歷時(shí)變化曲線

2.6 寶塔山砂巖含水層放水試驗(yàn)影響范圍

放水試驗(yàn)期間各觀測(cè)孔水位降深及其與放水孔之間距離的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖7，兩者呈對(duì)數(shù)型相關(guān)關(guān)系，觀測(cè)孔水位降深隨著與放水孔距離的增大而減小。在單孔和多孔放水試驗(yàn)時(shí)，距離放水孔最遠(yuǎn)的B37觀測(cè)孔水位也出現(xiàn)了明顯的響應(yīng)，放水試驗(yàn)的影響范圍超過(guò)了5 500 m，說(shuō)明寶塔山砂巖含水層在水平方向上的連續(xù)性強(qiáng)，滲透性好。

圖7 水位降深與放水孔之間距離的相關(guān)關(guān)系曲線

2.7 寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)特征及水害防治方案

2.7.1 寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)特征

通過(guò)對(duì)寶塔山砂巖含水層開(kāi)展大流量大降深放水試驗(yàn)，在最大程度上激發(fā)了井田內(nèi)各含水層水位變化，進(jìn)一步查明了含水層的水文地質(zhì)特征，包括以下幾個(gè)方面：

1)疏放水量大。單孔放水水量平均值為237.91 m3/h，多孔放水水量平均值為444.10 m3/h，遠(yuǎn)大于抽水試驗(yàn)的抽水水量(最大值40.35 m3/h)，說(shuō)明可以在井下對(duì)含水層進(jìn)行大流量疏水降壓。

2)水壓高。根據(jù)鉆孔資料，十八煤平均帶壓3.88 MPa，二十煤平均帶壓4.28 MPa，下組煤普遍帶壓程度較高。

3)放水影響范圍廣。大流量放水試驗(yàn)的影響范圍超過(guò)5 500 m，遠(yuǎn)大于抽水試驗(yàn)的影響范圍(最大值239.37 m)。

4)具有一定的補(bǔ)給條件。寶塔山砂巖含水層與白堊系、煤系間、三疊系含水層存在水力聯(lián)系，在疏水降壓時(shí)會(huì)接受其他含水層的補(bǔ)給。

5)具有可疏性。放水試驗(yàn)后各觀測(cè)孔水位在短時(shí)間內(nèi)均沒(méi)有恢復(fù)至初始水位，并且大流量放水使地下水位產(chǎn)生最大降深達(dá)310 m，遠(yuǎn)大于抽水試驗(yàn)時(shí)地下水位降深(最大值51.86 m)，同時(shí)放水孔的流量還有明顯的衰減趨勢(shì)，說(shuō)明寶塔山砂巖含水層具有可疏性。

2.7.2 寶塔山砂巖含水層水害防治方案

根據(jù)抽水試驗(yàn)和放水試驗(yàn)研究成果，下一步應(yīng)該在八煤或十五煤具備條件的區(qū)域?qū)毸缴皫r含水層進(jìn)行疏水降壓，暗斜井向二水平掘進(jìn)過(guò)程中要嚴(yán)格按照《煤礦防治水細(xì)則》相關(guān)要求進(jìn)行探放水，在十八煤和二十煤工作面回采前采用突水系數(shù)對(duì)其安全開(kāi)采的可行性進(jìn)行論證，或?qū)ぷ髅媾c寶塔山砂巖含水層之間的防隔水煤(巖)柱尺寸進(jìn)行核算，確保寶塔山砂巖含水層地下水位及其與工作面之間的隔水層厚度滿足相關(guān)要求，方可進(jìn)行工作面回采。

3 結(jié)論

1)對(duì)寶塔山砂巖含水層進(jìn)行大流量放水試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)其他各含水層的水位變化情況，確定寶塔山砂巖含水層與白堊系、煤系間、三疊系含水層之間存在水力聯(lián)系。

2)大流量放水試驗(yàn)不僅可以在垂向上使地下水位出現(xiàn)大降深，同時(shí)在平面上的影響范圍也較大，說(shuō)明寶塔山砂巖含水層具有一定的可疏性。

3)基于寶塔山砂巖含水層大流量大降深放水試驗(yàn)，進(jìn)一步查明了含水層的水文地質(zhì)特征，并形成了相應(yīng)的底板砂巖水害防治方案，為下組煤安全開(kāi)采提供了依據(jù)。