基于抽水試驗的北公村2號大型斷層阻滲性研究

侯俊華，孟凡貞，王 宏，馮魯順，孟令飛

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273512；2.兗州煤業(yè)股份有限公司 地質(zhì)測量部，山東 鄒城 273500)

由于在我國一次石化能源消費中石油和天然氣相對不足，而煤炭資源相對豐富，在今后相當長時間內(nèi)煤炭仍然是我國主要的基礎能源，在我國所有一次性能源結(jié)構中占比50%以上[1]。但隨著開采年限的增加，華北型煤田許多礦井相對易開采區(qū)域基本開采完畢，剩余資源開采或要向淺部進行提高上限開采[2-3]，或要向深部延伸開采[4-5]，或要開采構造復雜區(qū)域[6-8]。深部煤層的地質(zhì)構造條件及水文地質(zhì)條件更加復雜，主要受到太灰和奧灰這兩個主要巖溶承壓含水層的威脅，而一些大型斷層的存在又為底部承壓水上升提供了導水通道。因此，在開采前對大型斷層導含水性的探查變得尤為重要。許多專家學者對該問題進行了研究和探討，吳云等[9]通過原位壓水試驗對永煤城郊煤礦某典型斷層裂隙帶的阻滲性進行了現(xiàn)場壓水測試，得出構造擾動部位的抗?jié)B強度；李文平等[10]設計了實驗室高壓斷層破碎帶突水試驗模型，得到了高水壓條件下斷層突水的滲流轉(zhuǎn)換機制；武強等[11]通過對斷層帶物質(zhì)進行實驗室測試，并結(jié)合數(shù)值模擬，研究得到了斷層滯后型突水機理；路喜等[12]結(jié)合北辛窯礦南翼大巷突水實例，通過綜合分析，表明斷層切割奧灰含水層形成導水通道，導致奧灰含水層水涌入大巷。

作為煤炭開采斷層阻滲性地質(zhì)勘探的重要手段之一，抽水試驗能夠探查含水層本身及其上下含水層之間是否存在水力聯(lián)系，獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)，評價含水層的富水性，并為預計礦井涌水量與對地下水綜合利用的評價提供資料[13-15]。筆者為了探查東灘煤礦3煤層頂板砂巖含水層(3砂含水層)和深部奧灰含水層(奧灰含水層)之間是否通過大型斷層產(chǎn)生水力聯(lián)系，設計施工了針對大型斷層的抽水試驗，建立該斷層阻滲地質(zhì)模型，對比分析試驗結(jié)果，以判明該斷層的突水危險性。

1 研究區(qū)構造及水文地質(zhì)條件概況

1.1 研究區(qū)地質(zhì)構造

研究區(qū)位于東灘井田七采區(qū)，東灘井田位于兗州向斜的核部和深部，以寬緩的褶皺為主，伴有一定數(shù)量的斷裂構造，地質(zhì)構造復雜程度整體上屬中等，但斷層發(fā)育具有明顯的分區(qū)性。七采區(qū)東部邊界為大型嶧山斷層，該斷層落差大于2 000 m，受其影響，研究區(qū)內(nèi)派生斷層十分發(fā)育，屬于復雜構造開采區(qū)域。根據(jù)擬規(guī)劃首采工作面所在位置，本次試驗工作區(qū)內(nèi)分布有6條落差大于15 m以上的斷層，其中可靠斷層有3條，走向基本一致，且最大落差均大于 100 m。這些斷層在平面圖上基本呈南北展布，但斷層面傾向不同，導致主采煤層賦存條件變得非常復雜。筆者選取北公村2號斷層作為研究對象，探究其導含水性及阻滲性，該斷層位于七采區(qū)西部，屬于正斷層，走向近南北，傾向西，傾角60°～65°，落差0～160 m。補勘鉆孔測線剖面方向勘探斷層特征統(tǒng)計見表1。

表1 補勘鉆孔測線剖面方向勘探斷層特征統(tǒng)計

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

七采區(qū)是礦井今后5年規(guī)劃的主要開采區(qū)域，為進一步探查采區(qū)典型斷層的導含水性，進而判斷深部奧灰含水層及主采的3煤層頂板砂巖含水層之間是否存在水力聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)場實際條件，2018年底到2020年5月該采區(qū)進行了一次針對典型大型斷層的水文地質(zhì)補勘工作，共施工5個鉆孔，抽水試驗主要探究3砂含水層和奧灰含水層在典型的北公村2號斷層附近的水力聯(lián)系，此2個含水層已有的水文地質(zhì)特征概述如下：

1)3砂含水層

七采區(qū)3砂含水層富水性受構造裂隙發(fā)育控制較明顯。井下涌水資料證實，采掘工作面位于向斜核部和兩翼及斷層處,往往出現(xiàn)涌水，局部甚至發(fā)生較大突水。從2017年9月到2020年9月期間七采區(qū)內(nèi)的2個3煤層頂板砂巖含水層水位長觀孔數(shù)據(jù)變化曲線如圖1所示。

圖1 七采區(qū)3煤層頂板砂巖含水層水位變化曲線

由圖1可以看出，3砂含水層水位整體上均呈下降的變化趨勢，但不同位置初始水位和水位變化均存在較大差異性。補7-2和P1-13兩孔初測水位標高分別為24.62 m和-44.02 m，到2020年9月變?yōu)?.14 m和-38.51 m，補7-2孔下降了15.48 m，P1-13孔水位上升了5.51 m，補7-2總下降幅度較大；從2017年9月到2020年9月期間2個觀測孔的水位下降幅度差別也較大，補7-2水位下降了3.26 m，P1-13上升了4.45 m。

2)奧灰含水層

奧灰含水層屬巖溶裂隙承壓含水層，由于奧灰埋深大，且受大型斷層構造控制，采區(qū)內(nèi)富水性仍具有較大差異性。根據(jù)區(qū)內(nèi)2010年及以前已施工的下組煤補勘鉆孔資料可知，奧灰含水層富水性具有不均一的特點，橫向、縱向上變化都很大，奧灰厚度大、巖溶裂隙發(fā)育，水量豐富，對七采區(qū)的開采將會造成較大威脅。

從2017年9月到2020年9月期間七采區(qū)內(nèi)的2個奧灰含水層水位長觀孔數(shù)據(jù)變化曲線如 圖2 所示。

圖2 七采區(qū)奧灰含水層水位變化曲線

由圖2可見，補7-5孔和O2-1孔奧灰含水層水位整體上波動不大，呈下降—上升—下降—上升的變化趨勢，但兩孔水位變化趨勢基本一致。七采區(qū)內(nèi)2個奧灰鉆孔相距約1.5 km，但目前兩孔水位標高基本一致，可初步推斷七采區(qū)奧灰含水層水位相對比較穩(wěn)定，該采區(qū)2個水文觀測孔近3年水位下降幅度變化也不大。

2 抽水試驗

2.1 抽水孔布設

根據(jù)七采區(qū)主要斷層的走向展布特征，為控制北公村1號和2號等落差較大斷層導含水性，此次水文地質(zhì)補勘作業(yè)選擇在基本垂直于北公村1號和 2號斷層走向方向施工了5個鉆孔(D7-1～D7-5)，進行水文地質(zhì)補充勘探和抽水試驗工作，主要補勘鉆孔布置如圖3所示。這5個鉆孔，在抽水試驗中D7-1、D7-4和D7-5施工到奧灰底100 m左右，控制奧灰含水層；D7-2和D7-3施工到3煤層頂板，見3煤層為止，控制3煤層頂板砂巖含水層。

2.2 抽水順序及時間安排

由于前期試抽中D7-1、D7-2和D7-3鉆孔的抽水量基本為0，說明D7-1孔揭露的奧灰含水層和D7-2與D7-3孔揭露的3砂含水層補給條件均較差，而 D7-4 和D7-5孔具備進行奧灰抽水試驗條件。因此僅將 D7-4 和D7-5孔作為奧灰抽水孔，其余補勘鉆孔均設置為水位觀測孔。抽水順序及時間安排如下：

1)D7-5孔抽水試驗于2020年5月24日 10點正式開始，6月13日10點，第一次水位降深結(jié)束，共計20 d;6月16日10點第二次水位降深結(jié)束;6月 19日 10點第三次水位降深結(jié)束，而后進行水位恢復。

2)D7-4孔抽水試驗于2020年6月23日16點正式開始，6月26日16點第一次水位降深結(jié)束；6月28日10點第二次水位降深結(jié)束；7月1日10點第三次水位降深結(jié)束，而后進行水位恢復。

3)D7-4孔、D7-5孔聯(lián)合抽水試驗于2020年 7月 5日10點正式開始，7月15日17點結(jié)束，而后進行水位恢復。

3 抽水試驗結(jié)果及分析

3.1 抽水孔及觀測孔水位變化和水文地質(zhì)參數(shù)計算

試驗結(jié)束后，對試驗過程中抽水孔的流量和水位數(shù)據(jù)進行了整理和分析，繪制了水位變化曲線,如圖4所示。根據(jù)三角堰堰口高度記錄的數(shù)據(jù)，查閱參照堰高流量計算公式，得到了每次水位降深的抽水流量[16]。本次抽水試驗中，抽水鉆孔剛好揭穿奧灰承壓含水層的頂板，構成井底進水的不完整井，結(jié)合相關文獻[17-18]，考慮奧灰含水層厚度較大，可將其底板對井流的影響忽略不計，此時井底形狀為半球形，則流線為徑向直線，等水頭面是半個同心球面，在球坐標系中為一維流，這種不完整井流可以作為空間匯點來求解。

圖4 D7-4、D7-5抽水孔水位變化情況

設與匯點距離為ρ的任意點A的水位降深為s，球形過水斷面面積為4πρ2，按照Darcy定律，流向匯點的流量Q′為：

(1)

式中K為滲透系數(shù)。

分離變量后，在ρ和影響半徑(R)的區(qū)間內(nèi)積分上式，得：

(2)

通常，R?ρ，1/R很小，可以忽略不計，故有：

(3)

式(3)為空間匯點的水位降深表達式，即在空間匯點作用下任意點的水位降深。

設想在井軸和含水層頂板交界處放一空間匯點來代替井的作用，則空間匯點流量的一半相當于井的流量，即Q′=2Q，半徑為rw的半球形等水頭面可被視為進水的井底，即令ρ=rw，s=sw。將這些條件代入上式，即得井底進水的承壓水不完整井流量Q計算公式：

Q=2πKrwsw

(4)

式中：sw為抽水井中水位降深，sw=H0-hw；H0為抽水前的初始水頭；hw為抽水井中的動水位。

滲透系數(shù)的計算公式為：

(5)

根據(jù)以上公式，可計算本次抽水試驗中2個鉆孔單獨抽水和聯(lián)合抽水時每次水位降深所對應的奧灰含水層的滲透系數(shù)，具體計算參數(shù)及滲透系數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 抽水情況及參數(shù)記錄

為分析抽水時奧灰含水層和3砂含水層之間是否通過斷層發(fā)生水力聯(lián)系，整理了抽水試驗期間地面3個奧灰和4個3砂孔共2個含水層中的觀測孔數(shù)據(jù)，奧灰的觀測孔包括D7-1、O2-1和補7-5，3砂的觀測孔包括D7-2、P1-13、P1-14和補7-2，根據(jù)整理的數(shù)據(jù)繪制了各個觀測孔的水位變化曲線，如圖5所示。

(a)奧灰含水層各觀測孔水位變化情況

從奧灰含水層觀測孔水位歷時曲線中可以看出，隨著抽水試驗的進行，各個觀測孔中的水位都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，且整體水位下降幅度基本一致。從圖5(a)中可以看出，7月5日開始進行聯(lián)合抽水后，觀測孔的水位下降速率逐漸加快。值得注意的是，在7月12日，研究區(qū)相鄰的古城煤礦采煤工作面發(fā)生突水，可能受出水影響，3個奧灰監(jiān)測孔水位在該天后下降速率明顯增大。

反觀3砂含水層的4個觀測孔水位，受復雜構造條件影響，且各個觀測孔距離較遠，同一含水層的不同觀測孔中的水位相差較大，但是整體趨勢一致，除新施工的D7-2孔外，其余3個孔均沒有發(fā)生較為明顯的波動。由于在施工期間研究區(qū)及周邊一直處于降雨天氣，對于D7-2孔的波動，結(jié)合當?shù)靥鞖馇闆r，推測受到大氣降水補給影響，導致水位上升。

由此可見，抽水試驗反映出奧灰含水層和3煤頂板砂巖含水層之間沒有通過大型斷層發(fā)生水力聯(lián)系。

3.2 斷層阻滲性分析

通過以上抽水試驗觀測數(shù)據(jù)可知，在對奧灰含水層進行抽水時，隨著抽水時間的增加，觀測孔中的奧灰含水層位逐漸降低，而3砂含水層的水位基本未發(fā)生改變，由此可以推測北公村1號和2號斷層的阻滲性較好，奧灰含水層與3砂含水層不存在水力聯(lián)系。

此外，D7-3孔主要設計為控制北公村2號斷層的位置，在抽水試驗結(jié)束后，在該孔繼續(xù)向下施工過程中穿過了北公村2號斷層，在埋深670～690 m區(qū)域揭露破碎帶，690～700 m所取的巖心為砂巖地層，具有較高的完整性，而在700～740 m區(qū)域仍為斷層破碎帶。根據(jù)該鉆孔取心情況，可以推測斷層中存在一層完整砂巖地層可作為隔水層，提高了斷層的阻滲性。

為進一步分析斷層阻滲性，課題組曾在2011—2012年在兗州礦區(qū)進行過多次原位壓滲試驗，獲得了該研究區(qū)相鄰礦區(qū)內(nèi)的斷層破碎帶及采動破壞帶的單位抗?jié)B強度。在本次研究中，可借鑒參考以前壓滲試驗獲得的斷層破碎帶和裂隙較發(fā)育帶實測結(jié)果，通過斷層帶特征及地層揭露情況，取斷層帶綜合的抗?jié)B強度0.12 MPa/m，采動破壞帶的抗?jié)B強度0.03 MPa/m。根據(jù)地質(zhì)剖面圖建立了北公村2號斷層阻滲性評價模型，如圖6所示。圖6中M為斷層附近未受斷層影響地段煤層與奧灰含水層之間的隔水層厚度，其值為246 m；h1為斷層兩盤的落差，其值為160 m。

圖6 北公村2號斷層阻滲性分析地質(zhì)模型

北公村2號斷層明顯縮短了主采的山西組3煤到奧灰的間距，導致開采中受奧灰影響明顯增大。開采3煤層后，根據(jù)文獻[19-21]，可推導出斷層帶抗?jié)B強度P計算公式如下：

P=LPd+h2Pc

(6)

式中：L為斷層破碎帶有效阻滲段斜長，取72.3 m；Pd為斷層破碎帶阻滲強度，0.12 MPa/m；Pc為采動破壞帶阻滲強度，0.03 MPa/m；h2為斷層部位底板采動破壞帶厚度，22 m。

經(jīng)公式(6)計算得到北公村2號斷層的抗?jié)B強度P為9.34 MPa，大于底部奧灰含水層實際水壓值8.15 MPa，由此可見，在開采3煤層條件下該斷層理論上能夠阻止奧灰含水層沿斷層引發(fā)突水事故。

根據(jù)文獻[22]附錄五中突水系數(shù)計算公式，結(jié)合圖6，分別計算了該條件下完整和有構造部位開采山西組3煤層突水系數(shù)分別為0.033、0.094 MPa/m。由此可見，構造位置突水系數(shù)明顯增大，屬于不安全開采范疇。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構造條件復雜，大型斷層多，且基本均為高角度走向展布一致的正斷層，北公村 2號斷層位于區(qū)內(nèi)主采煤工作面，具備導通底部高承壓奧灰含水層的可能性。

2)通過奧灰含水層抽水試驗，發(fā)現(xiàn)奧灰含水層的水位隨試驗時間的增加呈明顯的下降趨勢，而 3煤層頂板砂巖含水層的觀測孔內(nèi)水位基本未發(fā)生變化，分析認為這2個含水層不具備水力聯(lián)系。

3)建立了北公村2號斷層阻滲性模型，結(jié)合壓水試驗結(jié)果，類比分析認為采動條件下北公村2號斷層具有較好的阻滲性，在開采3煤層條件下能夠阻止奧灰含水層水沿該斷層引發(fā)突水事故。