朱莊礦Ⅲ63 采區(qū)放水試驗成果分析

李孝朋

（山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250100）

井下放水試驗通過放水以及對放水孔與觀測孔的流量、水位等記錄整理研究，對獲得水文地質參數(shù)并評價采區(qū)水文地質條件有較好的效果[1]。

朱莊礦III63 采區(qū)位于安徽省淮北市，屬華北型石炭二疊紀含煤巖系采區(qū)，現(xiàn)開采6 煤，受底板太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層（簡稱太灰）突水的威脅。采區(qū)初次水文地質勘查程度較低，難以查明采區(qū)準確的水文地質條件，為了評價太灰水對該區(qū)煤炭開采的影響，進行了井下放水試驗工作。利用現(xiàn)有放水孔與觀測孔對水位、流量及壓力等指標進行了觀測與記錄，獲得大量的基礎數(shù)據(jù)并整理分析研究，為該區(qū)煤炭的安全開采提供了必要的水文地質保證[2]。

1 地質與水文地質條件

III63 采區(qū)位于朱莊井田東南部，該地段褶曲、斷層均較發(fā)育，地質應力較為集中，地層走向變化大，呈0～360°，傾角為6°～34°。6 煤層開采的直接充水含水層為6 煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層，富水性受裂隙發(fā)育程度控制，總體富水性較弱；間接充水含水層為太灰含水層。太灰為以薄層灰?guī)r為主的含水組，灰?guī)r共12 層，累計厚度約69 m，該含水組以溶洞為主，溶蝕裂隙次之，灰?guī)r溶洞發(fā)育，是富水性較強的含水組，并且與奧灰含水組為互補關系，雖然與6 煤含水組無直接水力聯(lián)系，但在回采中當?shù)装鍘r石結構破壞后，太灰水在較大的靜水壓力作用下，有可能沿煤層底板破碎帶或裂隙帶突出，采區(qū)安全生產(chǎn)受到威脅。太灰含水層富水性較強，是6 煤層開采時礦井安全生產(chǎn)的重大隱患[3]?？傮w來看，該區(qū)地質與水文地質條件復雜。

2 放水試驗鉆孔布置與試驗過程

2.1 鉆孔布置

結合III63 采區(qū)水文地質情況、排水能力以及進行放水試驗的目的，主要放水孔安排在軌道巷。考慮到若放水孔位置距離過遠，不足以引起充分的整體孔位降深而無法為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供基礎，因此放水孔布置應相對集中。根據(jù)三維地震勘探工作所查明的褶曲構造和斷層分布，合理地布置了放水孔具體位置，為充分揭露含水層提供了保證。

觀測孔的布置應滿足控制到邊界整個流場的條件，在分析各含水層之間可能的水力聯(lián)系后進行布置，一般應在井上和井下均布置觀測孔。井上觀測孔應充分利用已施工的孔位，再依據(jù)不足補充設計施工，井下觀測孔根據(jù)井下具體工程情況布置。放水試驗中放水孔有Ⅲ63 放1、Ⅲ63 放3、Ⅲ63 放4、Ⅲ63 放5、Ⅲ63 探10，太灰觀測孔有90-觀1、朱井90-觀4、363 探3、朱井97-觀2、放Ⅵ-1、Ⅲ63 觀2 和Ⅲ63 放2，奧灰孔有90-觀3，共計13 個。除了90-觀1 和90-觀3 是地面孔外，其余孔均為井下孔，放水孔及觀測孔具體布設見圖1。

圖1 太灰含水層放水試驗放水孔觀測孔布設圖

2.2 試驗過程

本次放水試驗采用穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流相結合的方式，放水階段進行了1 個落程的試驗，持續(xù)時間20 日。

3 放水試驗數(shù)據(jù)整理與分析

3.1 觀測孔水位降深變化分析

（1）各觀測孔水位及其變動情況見表1?？梢钥闯觯饔^測孔均形成了一定的降深，距離放水孔群最近的III63 觀2 孔形成了320 m 的降深，90 觀1、97 觀2 和III63 放2 距離放水孔群較遠，降深相對較小。各有效觀測孔都形成了一定的降深，說明III63 采區(qū)放水孔控制范圍內存在降不下去的水位異常區(qū)的可能性較小，開采中可以采用疏降水保證安全。

（2）放VI-I 孔和III63 觀2 孔在打開放水孔之后，在短時間內迅速產(chǎn)生了約35 m 和300 m 的降深，說明太灰水靜儲量較小，徑流條件較好；隨后水位有一定的波動，但波動范圍都在可控的誤差范圍之內，說明有一定的補給來源。受S2 向斜的影響，III63 放2 的水位降深較小。

（3）距離放水孔群較遠但距離90 觀1 較近的奧灰觀測孔90 觀3 也形成了3 m 的降深，說明奧灰含水層與太灰含水層之間存在著水力聯(lián)系，奧灰水對太灰水可能存在著一定的補給關系。

（4）定流量放水，隨著放水時間的延長，水位總體上不斷下降，但在中期出現(xiàn)一定的波動，說明該區(qū)放水試驗影響范圍內動儲量與靜儲量并存。在中后期90 觀1 孔降深與時間的倍比較于初期和中期更大，水位降得更快，可能的原因是，定流量放水隨著時間的增大總流量相應的增大，疏通了原有的巖溶裂隙通道，或者打通了太灰含水層中原有的某些隔水通道，增強了水流的暢通性。

表1 放水過程中太灰和奧灰水位及其變動情況

3.2 水文地質參數(shù)求解

考慮到放水孔相對于觀測孔的位置較為集中，因此取放水孔中心位置為總大井，放水試驗的目的層為太原組灰?guī)r承壓含水層，結合該含水層水位地質特征及放水試驗類型，符合承壓水完整井定流量非穩(wěn)定流特征，因此選用Theis 和Jacob 公式依據(jù)放水觀測數(shù)據(jù)進行含水層參數(shù)的計算。Aquifertest軟件在處理放（抽）水試驗數(shù)據(jù)、分析水文地質條件、求參等方面較為準確實用。為了更精準地求取參數(shù)，同時使用該軟件與人工手動求參互為對比校正。流量取放水孔總流量213 m3/h，含水層厚度取前三層灰?guī)r平均厚度12.81 m，選取中后期放水數(shù)據(jù)進行處理。

3.2.1 配線法求參

在EXCEL 雙對數(shù)坐標系中，分別繪制W（u）-1/u 標準曲線與實測S-t（水位降深-時間）曲線，移動坐標系使兩條曲線大致重合，取一配合點，讀取其W（u）、1/u、S 和t 值，代入Theis 公式T=0.08Q×W（u）/s 與K=T/M 中計算其參數(shù)（表2）。

表2 K 值計算結果（單位：m/d）

3.2.2 Jacob 直線圖解法求參

考慮到觀測孔與放水孔距離r 較小，且放水時間t 較大，滿足u ≤0.01，為了充分利用抽水后期的數(shù)據(jù)，避免配線法的隨意性，可利用Jacob 公式進行求參。根據(jù)觀測孔資料做出s-lgt 曲線，利用EXCEL 的曲線擬合功能做出散點圖的擬合公式，讀取斜率i，代入Jacob 公式T=0.183Q/i 與K=T/M進行計算（表2）。

3.2.3 Aquifertest 軟件求參

配線法：打開Aquifertest 軟件后，依次進行units、Test-create well、Test-create pumping test、Create Datalist、Theis Analysis 各個步驟，每個步驟輸入相應的數(shù)據(jù)或參數(shù)，運用專業(yè)能力結合放水試驗過程以及水文地質特征對曲線進行調整擬合，以達到最佳擬合效果。

Jacob 直線圖解法：在配線法的基礎上，依次選擇Create Datalist、Cooper-Jacob Time-Drawdown，求出參數(shù)。

3.2.4 結果分析

由表2 可以看出，相同觀測孔利用不同方法求得的滲透系數(shù)大致接近，在可控范圍內，但不同觀測孔之間求得的滲透系數(shù)結果相差較大，說明了太灰含水層滲透性及富水性的不均一性。

3.3 水質變化特征分析

通過對太灰水質資料分析，太灰水質類型為HCO3-Ca～HCO3-Ca·Mg 型，pH 值都大于7 呈堿性，顯示了典型的灰?guī)r水特征。Mg2+的增加，指示著放水過程中水流可能流經(jīng)了白云巖或白云質灰?guī)r存在的巖層，也有因放水導致淺部太灰與深部太灰水相互混合運動的原因。本區(qū)太灰水礦化度較低，平均577.43 mg/L，說明太灰水運動流經(jīng)途徑相對較短，速度相對較快，太灰水循環(huán)交替條件較好。

4 結論

（1）本次放水試驗按照非穩(wěn)定流技術要求進行，通過布設太灰觀測孔與奧灰觀測孔，采用自動檢測系統(tǒng)與人工檢測系統(tǒng)結合的方式實時觀測，數(shù)據(jù)準確，為下一步分析工作提供依據(jù)。

（2）該采區(qū)太灰含水層滲透系數(shù)介于0.99～21.65 m/d 之間，滲透性及富水性不均一，靜儲量較小，易于疏降，但考慮到與奧灰含水層有一定的水力聯(lián)系，有一定的動儲量來源，若疏降水量過大，疏降時間長，排水費用昂貴。建議下一步工作評價疏放水的可能性。

（3）通過放水試驗以及后續(xù)的分析工作，基本查明了采區(qū)的太灰含水層的水文地質條件，為該區(qū)礦井水害防治工作提供了可靠的依據(jù)。