郭屯礦底部含水層水文地質特征及其失水因素

趙仁樂，李紅友，侯維華，許光泉，程 樺，李亞昊，彭世龍，5

（1.山東能源臨沂礦業(yè)集團有限責任公司，山東 臨沂276000；2.臨沂礦業(yè)集團菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤274000；3.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南232001；4.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南232001；5.安徽建筑大學 建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥230601）

我國東部煤炭資源豐富，但埋藏較深，為盡可能回收煤炭資源量，提出上提開采，即提高開采上限[1]，開采煤層為二疊系山西組[2]和太原組煤層。由于沉積環(huán)境的差異性，導致了不同地層結構在空間上的復雜多變[3]。在上提開采過程中，“兩帶”高度不僅使煤層上覆地層結構發(fā)生變化[4]，同時也使不同含水層的地下水流場發(fā)生了變化[5]，最終可能形成統(tǒng)一的地下水流場。上提開采對于煤層上覆的新生界底部松散含水層往往擾動較大[6-7]，主要為斷裂帶可能波及到其內，或斷裂帶波及基巖風化帶后，間接影響底部松散含水層，最終導致松散層釋放水量，補給基巖含水層，通過基巖裂隙和采動裂隙通道[8-9]，持續(xù)匯入采場。由太沙基原理[10]可知，底部含水層失水不但引起含水層水位持續(xù)下降，而且引起上下黏土層壓縮[11-12]，由此導致一系列工程問題，主要表現(xiàn)為平原地區(qū)的地面沉降[13]或工業(yè)廣場內的井筒變形[14]。諸如淮北的臨渙、海孜、童亭、朱仙莊[15]，兗州的興隆莊礦均因此出現(xiàn)地面沉降和井筒變形等災害問題[16]。因此，從機理上弄清井筒變形問題，需對松散含水層本身的特性及因煤層開采引起破壞特征[17]、導水裂隙發(fā)育規(guī)律[18]及由此導致的底部含水層的失水原因等做一系統(tǒng)分析，從而為揭示其形成機理提供基礎依據(jù)。為此以山東郭屯煤礦底部含水層為對象，在分析地質和水文地質條件基礎上，利用鉆探數(shù)據(jù)及注水和Slug測試，獲取底部含水層厚度和相關滲透參數(shù)，并結合底部含水層地下水動態(tài)特征，分析其失水誘發(fā)因素，為后續(xù)井筒修復治理提供一定的依據(jù)。

1 研究背景

1.1 地層與構造

郭屯煤礦位于巨野煤田中北部為第四系覆蓋的全隱伏式井田，上覆530～580 m新生界松散層。由上至下為第四系、新近系、古近系、二疊紀石盒子組、二疊系山西組、石炭-二疊系太原組和奧陶系等地層，區(qū)域內含煤地層主要賦存于二疊系山西組和石炭-二疊系太原組。

礦區(qū)東起田橋斷層，西界為煤系地層隱伏露頭，總體為向東傾斜的單斜構造，地層傾角5°～10°，平均6°左右。全區(qū)發(fā)育寬緩褶曲，翼部傾角5°～10°，主要褶曲16條，受東董斷層、八里河斷層、田橋斷層等斷層影響，全區(qū)地層西南緩、北東陡。區(qū)內斷層分布不均勻，統(tǒng)計及了343條，均為北北東向正斷層，其中落差大于100 m有3條；50～100 m有10條、30～50m有8條；10～30m有76條；小于10m有246條。

1.2 含隔水層結構

該礦地下水系統(tǒng)可分為5個含水層，分別為：

1）新生界松散砂礫孔隙含水層。新生界松散砂礫孔隙含水層自上而下又可劃分為3個含水層（組）和2個隔水層（組）：“一含”為第四系含水層，“二含”為新近系上段含水層，“三含”為新近系下段含水層。

2）二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層。二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層又可以分為風氧化帶裂隙含水層與風氧化帶下砂巖裂隙含水層：風氧化帶裂隙含水層單位涌水量為0.113 4～0.494 9 L/（s·m），滲透系數(shù)0.270 87～1.355 7 m/d，富水性中等；風氧化帶下砂巖裂隙含水層單位涌水量0.894 3 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.170 2～1.005 4 m/d，富水性中等。

3）二疊系山西組3煤頂板砂巖含水層。二疊系山西組3煤頂板砂巖含水層單位涌水量為0.003 4～0.003 7 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.006 5～0.0146 m/d，以靜儲量為主，補給條件差，容易疏干。

4）石炭系太原組巖溶裂隙含水層。石炭系太原組巖溶裂隙含水層為多個薄層灰?guī)r段組成，富水性不均勻、受構造控制影響大，滲透性差異較大，如十灰單位涌水量為0.422 5 L/（s·m），滲透系數(shù)為2.944 4 m/d，屬富水性中等的巖溶裂隙含水層。

5）奧陶系巖溶含水層。奧陶系巖溶含水層富水性和滲透性具有非均質性，依據(jù)勘探成果，其富水性弱至中等。

1.3 礦井充水因素

郭屯煤礦主采3煤，主要充水因素為：

1）上部新生界底部含水層與二疊系石盒子組含水層之間，因淺部煤層開采，發(fā)育導水斷裂帶，然后通過基巖風化帶溝通底部含水層，間接發(fā)生水力聯(lián)系，使之發(fā)生垂向入滲滲流，為間接充水水源。

2）由于井田發(fā)育NNE向正斷層，煤層頂?shù)装迳皫r裂隙非常發(fā)育，賦存砂巖裂隙水，當采掘過程中，應力釋放破壞巖體，煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水進行自流疏放。

3）3煤層采后，地煤層底板進行破壞，太原組灰?guī)r水是其充水的水源之一。奧陶系巖溶含水由于距離煤層較遠，一般情況下無水力聯(lián)系，由于斷層落差造成煤層與奧灰含水層之間對接，可能發(fā)生通過發(fā)生奧灰水補給，形成直接的充水水源。礦區(qū)充水通道：垂向斷層和伴生的斷裂帶；此外，煤層下部可存能在隱伏巖溶構造通道等，如陷落柱等，郭屯煤礦充水因素示意圖如圖1。

圖1 郭屯煤礦充水因素示意圖Fig.1 Diagram of water filling factors in Guotun Coal M ine

2 底部含水層的水文地質特征

2.1 底部含水層厚度分布特征

2.1.1 礦區(qū)底部含水層厚度

通過繪制新生界松散層等值線，其厚度為460～670 m。從東到西、從南到北沉積厚度逐漸增大，主要受北北東向斷層對基巖面的控制，導致東西兩側松散層沉積厚度存在顯著差異，郭屯煤礦礦區(qū)松散層厚度等值圖如圖2。

圖2 松散層厚度等值圖（單位：m）Fig.2 Thickness contour of loose layer

底部含水層是新近系下部含水層，常常與下覆于基巖面直接接觸。經(jīng)鉆孔統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)底部含水層從東北到西南沉積厚度較大，向兩側含水層厚度逐漸減小，厚度變化范圍為35～120 m，郭屯煤礦礦區(qū)松散層底部含水層厚度等值圖如圖3。

圖3 松散層底部含水層厚度等值圖（單位：m）Fig.3 Thickness contour of aquifer at the bottom of loose layer

2.1.2 工業(yè)廣場底部含水層厚度

工業(yè)廣場位于礦區(qū)中部偏東一側，受地質構造影響，井筒周邊松散層底部含水層存在一定的地質差異。為進一步查清工業(yè)廣場的松散層底部含水層厚度及水文地質特征，共設計了7個檢驗孔（主井2個，副井2個，風井3個）。工業(yè)廣場內松散層厚度范圍為574～587 m，以水平距離為50.16 m的主井和風井為界，西側與東側兩邊松散層厚度相差10 m。西側（風井及其周邊檢驗孔）松散層厚度達575～578 m，東側（主、副井及其周邊檢驗孔）厚度達580～587 m。對主井和風井的基巖面上下同層段地層巖性進行對比發(fā)現(xiàn)：基巖面578.1 m以上，主井和風井地層巖性相同，而在578.1～585.1 m層段，主井和風井地層巖性存在差異，主井該層段巖性缺失，受斷層影響巖層破碎嚴重。但在585.1 m以下，兩井地層巖性再次保持一致。因此，可以推斷兩井之間存在落差為10 m左右的斷層。由圖2（b）可以看出，井筒周邊呈現(xiàn)出從東向西松散層厚度逐漸變小的趨勢，再結合礦區(qū)發(fā)育的北北東向正斷層，推斷主井和風井之間存在落差為10 m左右北北東向正斷層。因此，會出現(xiàn)東側為上盤，松散層沉積厚度變大，而西側為下盤，松散層沉積厚度變小的現(xiàn)象。

由此，工業(yè)廣場底部含水層厚度為18～40 m。受基巖面地形影響，底部含水層厚度從東南到西北逐漸減小。底部含水層也受主井與風井之間的斷層影響，主井周圍底部含水層厚度大于位于東南的副井周邊，而風井周圍則小于西北側地層。

2.2 壓水試驗

2.2.1 測試方法

通過一定壓力向注水端壓入清水，在一段時間內獲得注水段吸水量，間接分析注水段的透水性能。在試驗場地，先對7個檢驗孔用清水進行洗孔，使栓塞位置位于底部含水層底板處，形成封閉的壓水隔離段。觀測各孔初始水位后正式壓水試驗，每隔30 min觀測1次，記錄流量和壓力[19]。

記錄各檢驗孔壓入水量和壓力數(shù)據(jù)，依據(jù)《工程地質手冊》公式計算相應層段透水率。試驗層段透水率公式為：

式中：Q為一定壓力下的壓入流量，L/min；L為試驗層段厚度，m；p為施加的壓力，MPa；q為試驗層段透水率，LU（1 LU=1 L/（m·MPa·min））。

再根據(jù)承壓井穩(wěn)定流公式，計算滲透系數(shù)K：

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Q為壓入流量，m3/d；M為承壓含水層厚度，m；R為壓水影響半徑，m；r為鉆孔半徑，m；hw為穩(wěn)定后水位至含水層底板高度，m；h為靜止水位至底板高度，m。

對式（1）、式（2）進行修正后，得到滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式為：

式中：p′為壓力水頭，m；α為壓水井系數(shù)，當含水層厚度≥L/3時，α為1.32，當含水層厚度≤L/3時，α為0.66。

2.2.2 測試結果

由式（2）、式（3）計算各檢驗孔底部含水層的滲透率和滲透系數(shù)，試驗段水文地質參數(shù)表見表1。

表1 試驗段水文地質參數(shù)Table 1 Hydrogeological parameters in test section

計算結果表明：各檢驗孔水文地質參數(shù)有較大差異，其中位于工業(yè)廣場東側的主檢孔滲透系數(shù)為最小，其余檢驗孔滲透系數(shù)相對接近。結合鉆孔取心發(fā)現(xiàn)，主檢孔附近黏土夾層透鏡體較厚，隔水性能好。其它檢驗孔附近黏土層厚度較為接近，因此，其滲透性能差異性較小。

2.3 Slug試驗

2.3.1 測試方法

在確定初始水位的基礎上，先設置好DIVER水位傳感器的觀測時間間隔后，并啟動。將與測繩捆綁好的DIVER傳感器置于水下一定位置處，該實驗的DIVER傳感器探頭參數(shù)設定的水位變化范圍要求小于25 m，故向檢驗孔中緩緩下入一定長度的鉆桿，直至完全沉入水面，引起的水位變化應小于25 m，待檢驗孔水位恢復至初始水位時，再緩緩提起鉆桿直至地面，待檢驗孔中水位再次恢復至初始水位，即試驗結束[20]。

運用Aquifer test軟件中Hvorslev模型對含水層參數(shù)進行計算：

式中：H0為檢驗孔初始水頭，m；H（t）為檢驗孔水頭變化，m；t為時間，s；Re為Slug試驗的影響半徑，m；rw為過濾管半徑，m；rc為鉆孔套管半徑，m；Kr為含水層徑向滲透系數(shù)，m/d；B為含水層厚度，m；t0為滯后時間，s，即當動水頭與初始水頭的比值等于0.368時所對應的時間。

2.3.2 測試結果

利用Aquifer test軟件計算：風檢1孔滲透系數(shù)0.508 m/d，風檢2孔滲透系數(shù)為0.002 29 m/d，主檢孔滲透系數(shù)為0.002 64 m/d，副檢孔滲透系數(shù)為0.035 7 m/d。

2.4 底部含水層地下水動態(tài)特征

為了進一步了解井筒周邊松散層底部含水層地下水的水位動態(tài)特征，利用郭屯煤礦立井四周的檢查孔，對周邊底部含水層水位進行觀測，即風檢1孔、風檢2孔、主檢孔、副檢孔等4個孔。檢驗孔松散層底部含水層地下動態(tài)變化曲線如圖4。

圖4 檢驗孔松散層底部含水層地下動態(tài)變化曲線Fig.4 The dynam ic chart of the water level in the bottom of the inspection hole loose layer

結果發(fā)現(xiàn)：在鉆孔施工完畢后產(chǎn)生略微的水位上升外，各檢驗孔底部含水層水位均處于持續(xù)下降狀態(tài)。風檢2孔和主檢孔初始水位相對一致，其它檢驗孔水位差異性較大。從東至西水位具有逐漸增大趨勢，底部含水層降深下降速率逐漸減小，僅風檢1孔出現(xiàn)局部水位上升的情況。

由此可以推斷，目前工業(yè)廣場的底部含水層地下水自東向西流動趨勢，且表現(xiàn)出水位持續(xù)下降趨勢。

3 底部含水層失水因素分析

3.1 融凍階段底部含水層向井壁產(chǎn)生失水

主、副和風立井穿過松散層和風化基巖段采用凍結法施工[21]，在凍結的整個松散含水層，形成一定厚度凍結壁當井筒開挖完成后，井周圍的凍結孔停止凍結，解凍過程中地下水發(fā)生流動，并形成較高水頭差，對井壁產(chǎn)生一定的側向壓力作用，而在3個井筒沒有及時進行壁后注漿處理，導致在某些薄弱段，產(chǎn)生底部含水層地下水滲流作用。因此，松散層底部含水層水通過井壁發(fā)生失水作用，導致其水位的下降。

3.2 風化帶成為底部含水層失水直接通道

礦井構造分析表明：工業(yè)廣場位于構造發(fā)育帶，煤系地層上覆風化帶主要為石英砂巖，因此，垂向裂隙較為發(fā)育。通過鉆探揭露和超聲波探測發(fā)現(xiàn)基巖面下風化帶段發(fā)育垂向張性裂隙11條，從而為底部含水層垂向入滲提供了天然良好通道。因而底部含水層水為基巖含水層補給水源。

2009年馬頭門巷道施工時，曾發(fā)生垮落，因未及時有效處理，長時間連續(xù)出水約1 300萬m3，經(jīng)對出水水質化驗發(fā)現(xiàn)其水源存在底部含水層水，這是對風化帶成為底部含水層失水直接通道的最好佐證。

3.3 回采斷裂帶波及底部含水層

對比郭屯煤礦建井初期與現(xiàn)開采階段，礦井涌水量增加近10倍，已達到500～600 m3/h。同時，底部含水層水位從建井初期-6.35 m，到投產(chǎn)后降至-203.45 m，后期隨著工作面開采數(shù)量的增加，井下涌水量不斷增大，水位降不斷持續(xù)下降。

對工業(yè)廣場范圍附近回采工作面斷裂帶高度采用式（6）計算：

式中：Hf為導水斷裂帶厚度，m；M為累計采厚，m；n為煤分層層數(shù)，無量綱。

郭屯煤礦導水斷裂帶影響范圍圖如圖5。

圖5 郭屯煤礦導水斷裂帶影響范圍（單位：m）Fig.5 Influence range of water conduction fissure zone in Guotun Coal M ine

以A工作面為例，所開采煤層厚為3.9 m，煤層近水平，其斷裂帶高度為42.96 m。統(tǒng)計分析煤層頂板距離基巖面厚度為150～200m，可能存在導水斷裂帶與風化斷裂帶發(fā)生溝通，導致與底部含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系。

4 結 語

1）目前3煤開采時，頂?shù)装迳皫r裂隙水為直接和主要充水水源，底部含水層水也是其充水水源之一。

2）井巷施工導致底部含水層水通過風化帶垂向裂隙發(fā)生補給，成為礦井充水水源；工作面回采發(fā)育導水斷裂帶與上覆風氧化帶，構成與底部含水層水力聯(lián)系導水通道。

3）底部含水層失水是在一定水文地質背景條件下，由采掘活動誘發(fā)而至，為一長期的過程。因此，下一步只有建立井田范圍的底部含水層、“基巖風化帶”水位實時監(jiān)測系統(tǒng)，才能為井筒變形監(jiān)測提供重要基礎數(shù)據(jù)。