基于抽水試驗(yàn)和放水試驗(yàn)的斷層導(dǎo)水性分析

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）

斷層是導(dǎo)致煤礦突水的重要因素，由于斷層及其周邊巖層裂隙發(fā)育是良好的導(dǎo)水通道，同時(shí)斷層破壞了煤層頂?shù)装鍘r層的完整性，降低了巖層的力學(xué)強(qiáng)度，增加了礦井水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的突水事故均與斷層有關(guān)[1]。斷層導(dǎo)水性的研究對(duì)于礦井水害防治工作具有重要的意義，也是確定防治水措施的前提[2-5]。目前，針對(duì)斷層導(dǎo)水性探查主要包括鉆探、物探、水化學(xué)及室內(nèi)試驗(yàn)等，其中通過對(duì)斷層進(jìn)行抽水試驗(yàn)探查其導(dǎo)水性應(yīng)用最為廣泛[6-9]，由于井下放水試驗(yàn)距離斷層近，且可以最大程度激發(fā)地下水流場變化，也是斷層導(dǎo)水性探查較為普遍的方法[10-11]。物探具有工程量小，探查范圍大等特點(diǎn)，是探查斷層的導(dǎo)水性的重要手段[12-13]。水化學(xué)分析通常作為斷層導(dǎo)水性鉆探和物探探查成果的驗(yàn)證和補(bǔ)充[14-15]。室內(nèi)試驗(yàn)主要是通過相似材料配比，模擬斷層在不同條件下導(dǎo)水性的特征[16-17]。以上針對(duì)斷層導(dǎo)水性的研究成果對(duì)于避免斷層水害發(fā)生，保障礦井安全生產(chǎn)起到了重要作用。

新上海廟一號(hào)煤礦井田西部和東部邊界以DF20和F2逆斷層為界，這2條斷層落差均超過150m，井田位于2條逆斷層組成的地塹內(nèi)。由于延安組底部寶塔山砂巖含水層富水性強(qiáng)，是威脅下組煤開采的主要充水含水層，斷層的導(dǎo)水性是下組煤采掘活動(dòng)防治水措施制定的前提。為此，采用抽水試驗(yàn)和放水試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)DF20、F2等斷層的導(dǎo)水性進(jìn)行定性和定量化分析，獲取了斷層的滲透系數(shù)和單位涌水量，對(duì)其導(dǎo)水性及其空間特征進(jìn)行研究，為斷層水害及底板砂巖水害防治提供了依據(jù)。

1 礦井及水文地質(zhì)條件概況

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，可采儲(chǔ)量3.37 億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0Mt/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+880m，布置在八煤層，二水平大巷標(biāo)高+733m，布置在二十一煤層。礦井主采煤層為八煤、十五煤和十八煤，現(xiàn)正在回采一水平的八煤和十五煤工作面。

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，各含水層水文地質(zhì)參數(shù)見表1。前期開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，后期開采的十八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)Table1 Hydrogeological parameters of main aquifers in the mine field

2 基于抽水試驗(yàn)和放水試驗(yàn)的斷層導(dǎo)水性分析

井田構(gòu)造綱要及水文地質(zhì)鉆孔平面圖如圖1。

圖1 井田構(gòu)造綱要及水文地質(zhì)鉆孔平面圖Fig.1 Structure outline of mine field and plan of hydrogeological borehole

井田內(nèi)斷層共有21條，落差超過20m的共有8條，其中F2斷層落差超過500m，為區(qū)域大斷層，其次是DF20斷層，落差超過150m，F(xiàn)2和DF20斷層大體構(gòu)成了井田的東、西邊界，其含（導(dǎo)）水性直接關(guān)系著井田各煤層主要充水含水層的邊界條件及其之間的水力聯(lián)系。井田內(nèi)主要斷層參數(shù)見表2。

表2 井田主要斷層參數(shù)Table2 Main fault parameters in the mine field

2.1 基于抽水試驗(yàn)的斷層導(dǎo)水性分析

在地質(zhì)勘探和水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探階段針對(duì)DF20和F2斷層開展了抽水試驗(yàn)，基于抽水試驗(yàn)的斷層破碎帶水文地質(zhì)參數(shù)見表3。

表3 基于抽水試驗(yàn)的斷層破碎帶水文地質(zhì)參數(shù)Table3 Hydrogeological parameters of fault fracturedzone based on pumping test

地質(zhì)勘探期間，利用1803鉆孔對(duì)DF20斷層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，根據(jù)鉆孔單位涌水量，DF20斷層富水性弱。2013年水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探時(shí)，利用Z11和Z15鉆孔對(duì)F2斷層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，鉆孔巖心破碎，傾角急陡，根據(jù)鉆孔單位涌水量，F(xiàn)2斷層富水性弱～中等。

根據(jù)地質(zhì)勘探和水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探針對(duì)DF20和F2斷層的抽水試驗(yàn)，獲取了斷層的水文地質(zhì)參數(shù)，但是量化的水文地質(zhì)參數(shù)不能真實(shí)反映斷層的導(dǎo)水性，必須進(jìn)一步開展針對(duì)斷層的水文地質(zhì)工作，查明DF20和F2等落差較大的斷層在垂向上和水平方向上的導(dǎo)水性。

2.2 基于放水試驗(yàn)的斷層導(dǎo)水性分析

2.2.1 放水試驗(yàn)

寶塔山砂巖含水層放水試驗(yàn)的放水孔F1、F2、F3、F4鉆孔位于井田中部十五煤巷道內(nèi)，放水孔、部分觀測孔與斷層剖面圖如圖2。

圖2 放水孔、部分觀測孔與斷層剖面圖（I—I剖面）Fig.2Diagram of drainage boreholes，some observation boreholes and fault sections（I—I section）

放水試驗(yàn)分為單孔放水和多孔放水，其放水時(shí)間分別為624、696h，恢復(fù)時(shí)間分別為480、600h，單孔平均放水量為237.91m3/h，多孔初始（F2鉆孔）、一次疊加（F2、F3鉆孔）和二次疊加（F1、F2、F3、F4鉆孔）平均放水量分別為206.52 、332.93 、444.10 m3/h，單孔和多孔放水時(shí)放水區(qū)域中心地下水位最大降深分別為260、310m。

DF20和F2斷層導(dǎo)水性探查分為垂向和水平方向，通過對(duì)各含水層水位對(duì)放水試驗(yàn)的響應(yīng)分析斷層垂向上的導(dǎo)水性，利用DF20和F2斷層上盤的觀測孔水位對(duì)下盤放水試驗(yàn)的響應(yīng)分析斷層在水平方向上的導(dǎo)水性。

2.2.2 放水試驗(yàn)斷層垂向?qū)苑治?/p>

在寶塔山砂巖含水層放水試驗(yàn)期間，針對(duì)井田內(nèi)主要含水層水位進(jìn)行了同步觀測，放水試驗(yàn)時(shí)Z6、Z7、B9觀測孔水位歷時(shí)變化曲線如圖3。

圖3 放水試驗(yàn)時(shí)Z6、Z7、B9觀測孔水位歷時(shí)變化曲線Fig.3 Diachronic variation curves of groundwater level in observation boreholes Z6,Z7,B9during dewatering test

從圖3可以看出，白堊系B9觀測孔水位對(duì)放水試驗(yàn)作出了明顯相應(yīng)，并且水位變化明顯，單孔和多孔放水時(shí)最大降深分別為15.41 、29.11m，其最大降深甚至超過了距離放水孔較遠(yuǎn)的寶塔山砂巖含水層觀測孔；煤系間含水層Z6和Z7觀測孔水位與放水試驗(yàn)具有一定的相關(guān)性，Z6和Z7觀測孔水位在單孔放水時(shí)最大降深分別為2.55 、5.63m，多孔放水時(shí)最大降深分別為6.96 、10.16m。

除了B9、Z6和Z7觀測孔外，其余各含水層的觀測孔水位對(duì)放水試驗(yàn)沒有發(fā)生明顯的響應(yīng)。B9、Z6和Z7觀測孔均位于DF20斷層附近，其水位變化與放水試驗(yàn)具有較好的一致性，且水位變化明顯，初步說明DF20斷層具有導(dǎo)水性。

2.2.3 放水試驗(yàn)斷層水平方向?qū)苑治?/p>

B36觀測孔位于F2斷層附近的上盤，放水試驗(yàn)位于F2’斷層的下盤，放水試驗(yàn)時(shí)B36、B39觀測孔水位歷時(shí)變化曲線如圖4。

圖4 放水試驗(yàn)時(shí)B36、B39觀測孔水位歷時(shí)變化曲線Fig.4 Diachronic variation curves of groundwater level in observation boreholes B36and B39during dewatering test

從圖4可以看出，B36觀測孔水位對(duì)于放水試驗(yàn)具有顯著的響應(yīng)，其在單孔和多孔放水試驗(yàn)時(shí)最大降深分別為31.38 、75.38m。從B36觀測孔的水位變化情況可以看出F2’和F2斷層均具有導(dǎo)水性。

B39觀測孔位于DF20斷層附近的上盤，放水試驗(yàn)位于DF20斷層的下盤，B39觀測孔雖然距離放水孔較遠(yuǎn)，但是其水位仍然對(duì)放水試驗(yàn)具有明顯的響應(yīng)，其在單孔和多孔放水試驗(yàn)時(shí)最大降深分別為5.91 、12.32m。從B39觀測孔的水位變化進(jìn)一步驗(yàn)證了DF20斷層的導(dǎo)水性。

2.3 基于地下水流場變化的斷層導(dǎo)水性分析

放水試驗(yàn)不同階段寶塔山砂巖含水層地下水流場圖如圖5。

由圖5（a）可以看出，放水試驗(yàn)前地下水流場在DF20斷層與FD5斷層交匯處存在1個(gè)明顯的地下水位降落漏斗；當(dāng)單孔放水試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，地下水流場中存在2個(gè)地下水位降落漏斗（圖5（b）），1個(gè)仍然是DF20斷層與FD5斷層交匯處，另1處為放水孔附近；單孔放水試驗(yàn)水位恢復(fù)后地下水流場與初始流場相似，只有DF20斷層與FD5斷層交匯處存在1個(gè)地下水位降落漏斗（圖5（c））；多孔放水試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，地下水流場形成1個(gè)以放水孔為中心的大型降落漏斗（圖5（d））；多孔放水試驗(yàn)水位恢復(fù)后地下水流場與初始流場相似，還是以DF20斷層與FD5斷層交匯處為中心形成1個(gè)地下水位降落漏斗（圖5（e））。

圖5 放水試驗(yàn)不同階段寶塔山砂巖含水層地下水流場圖Fig.5 Groundwater flow field diagrams of Baotashan sandstone aquifer at different stages of dewatering test

通過以上分析可以看出，當(dāng)寶塔山砂巖含水層無外界影響時(shí)，其水位以DF20斷層與FD5斷層交匯處最低，四周地下水向這個(gè)區(qū)域補(bǔ)給，當(dāng)對(duì)寶塔山砂巖含水層進(jìn)行放水試驗(yàn)時(shí)，雖然會(huì)以放水孔形成降落漏斗，但是DF20斷層與FD5斷層交匯處還是1個(gè)明顯地下水位較低的區(qū)域，說明在這個(gè)區(qū)域?qū)毸缴皫r含水層存在向上部含水層徑流的補(bǔ)給通道，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，在DF20斷層與FD5斷層交匯處不存在封閉不良鉆孔。DF20斷層落差超過150m，F(xiàn)D5斷層落差為25m，2個(gè)斷層交匯處巖層更加破碎，裂隙更加發(fā)育，其導(dǎo)水性勢必會(huì)增強(qiáng)。

2.4 斷層導(dǎo)水性的空間差異性

白堊系B3、B9觀測孔、三疊系B39觀測孔位于DF20斷層上盤，當(dāng)DF20斷層下盤的寶塔山砂巖含水層進(jìn)行放水試驗(yàn)時(shí)，B3、B9、B39觀測孔水位產(chǎn)生了不同的響應(yīng)，B3觀測孔水位幾乎未動(dòng)，而B9和B39觀測孔水位卻具有較好的響應(yīng)，DF20斷層附近觀測孔水位歷時(shí)變化曲線圖如圖6。

由于B3位于工業(yè)廣場保護(hù)煤柱內(nèi)，附近不存在采掘活動(dòng)，DF20斷層在這個(gè)區(qū)域?qū)暂^差；由于本井田與南部榆樹井井田八煤和十五煤工作面在B9、B39觀測孔附近均進(jìn)行了回采，導(dǎo)致B9～B39觀測孔之間的DF20斷層具有較好的導(dǎo)水性。

從圖6也能夠看出，B3觀測孔的初始水位較高，其附近的白堊系含水層水位基本未受到井田采掘活動(dòng)的影響，而B9、B39觀測孔初始水位相對(duì)較低，說明其附近的白堊系和三疊系含水層水位受到了本井田或南部榆樹井井田采掘活動(dòng)的影響，水位相對(duì)B3觀測孔較低，而B9、B39觀測孔初始水位基本相同，也進(jìn)而說明了DF20斷層在這2個(gè)觀測孔之間具有較好的導(dǎo)水性。

圖6 DF20斷層附近觀測孔水位歷時(shí)變化曲線圖Fig.6 Diachronic variation curves of groundwater level in observation boreholes near DF20fault

2.5 斷層導(dǎo)水性及其對(duì)礦井防治水的意義

通過基于抽水試驗(yàn)和放水試驗(yàn)對(duì)DF20、F2’、F2斷層導(dǎo)水性的綜合分析，斷層在垂向和水平方向上均為導(dǎo)水?dāng)鄬?，并且DF20斷層表現(xiàn)為局部導(dǎo)水，以DF20斷層和FD5斷層交匯處導(dǎo)水性最強(qiáng)，斷層導(dǎo)水性對(duì)礦井防治水工作具有重要的水文地質(zhì)意義，重要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）含水層邊界劃分。以往通常認(rèn)為逆斷層導(dǎo)水性較差，但是受到附近采掘活動(dòng)的影響，逆斷層上下盤會(huì)發(fā)生不均勻沉降，其導(dǎo)水性也會(huì)隨之發(fā)生變化。新上海一號(hào)井田的DF20斷層南部、F2’斷層和F2斷層中部具有明顯的導(dǎo)水性，不僅是各含水層垂向水力聯(lián)系的通道，同時(shí)也使斷層下盤寶塔山砂巖含水層與斷層上盤三疊系含水層具有顯著的水力聯(lián)系，故寶塔山砂巖含水層在井田西翼的南部及東翼的中部的邊界為導(dǎo)水邊界。

2）寶塔山砂巖含水層疏放。寶塔山砂巖含水層是井田內(nèi)富水性最強(qiáng)的含水層，主要威脅十八煤的安全開采，在十八煤采掘活動(dòng)前必須要對(duì)寶塔山砂巖含水層進(jìn)行疏水降壓。具有導(dǎo)水性的DF20、F2斷層使得寶塔山砂巖含水層與上部白堊系、煤系間含水層以及斷層另一盤的三疊系具有水力聯(lián)系，在對(duì)寶塔山砂巖含水層進(jìn)行疏水降壓時(shí)，這幾個(gè)含水層勢必會(huì)對(duì)其存在水量補(bǔ)給，在一定程度上增加了寶塔山砂巖含水層疏降的難度。

3）防隔水煤（巖）柱留設(shè)。未來十八煤在DF20、F2’、F2斷層附近進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)，必須要對(duì)斷層進(jìn)行探放水，同時(shí)需要注意的是導(dǎo)水性較差的逆斷層在受到周邊采掘活動(dòng)的影響后，其導(dǎo)水性會(huì)發(fā)生明顯的變化。在斷層周邊進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)要留設(shè)足夠的防隔水煤（巖）柱，避免斷層水害的發(fā)生。

3 結(jié) 語

1）利用對(duì)DF20、F2、FD5斷層進(jìn)行的抽水試驗(yàn)，獲取了斷層的水文地質(zhì)參數(shù)，初步掌握了其導(dǎo)水性，但是無法查明斷層在各含水層之間是否成為水力聯(lián)系通道。

2）基于寶塔山砂巖含水層開展的大流量大降深放水試驗(yàn)，從放水試驗(yàn)不同階段白堊系、煤系間含水層觀測孔水位變化、DF20、F2斷層上盤三疊系觀測孔水位變化以及地下水流場變化，明確了DF20、F2斷層具有良好的導(dǎo)水性，并且DF20斷層的導(dǎo)水性具有不均一性。

3）根據(jù)DF20、F2、FD5斷層導(dǎo)水性的分析，從含水層邊界劃分、寶塔山砂巖含水層疏放和防隔水煤（巖）柱留設(shè)3個(gè)方面提出了斷層導(dǎo)水性對(duì)礦井防治水的水文地質(zhì)意義。