侏羅紀煤田寶塔山砂巖含水層大流量大降深放水試驗

趙寶峰

(1.中煤科工集團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重點實驗室，陜西 西安 710177)

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭在一次性能源結構中占60%左右[1]。鄂爾多斯盆地是我國重要的含煤盆地，其侏羅紀煤炭資源總量占全國的31.9%[2]，我國批準建設了14個億噸級煤炭生產基地，其中有4個基地開發鄂爾多斯盆地侏羅紀煤炭資源。侏羅系延安組是侏羅紀煤田的重要含煤地層，其采掘活動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條件探查[5-6]、水害機理分析[7-9]和頂板水害治理方面[10-11]開展了大量工作，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)通常被認為滲透性和富水性較弱，不會對礦井生產造成水害威脅，故侏羅紀煤田地質勘探和水文地質補充勘探均對寶塔山砂巖含水層開展的水文地質工作較少，同時缺乏對寶塔山砂巖含水層水文地質條件的系統研究。

隨著對延安組下組煤炭資源的開發，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采的重要因素：寧東煤田鴛鴦湖礦區某礦6煤和10煤工作面2次揭露一個封閉不良鉆孔，底板涌水量分別為25 m3/h和31 m3/h，18煤首采工作面機巷施工過程中發生底板出水，涌水量為60 m3/h，水壓為0.25 MPa；碎石井礦區某礦風井掘進揭露封閉不良鉆孔發生集中出水，底板涌水量達120 m3/h；鄂托克前旗新上海一號煤礦一分區膠帶暗斜井掘進至二十煤底板附近發生底板涌水，峰值水量達3 600 m3/h。為了保障侏羅紀煤田下組煤安全開采，需要針對寶塔山砂巖含水層開展專項水文地質勘探工作。抽水試驗是礦井水文地質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，導致抽水試驗目標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條件，而井下放水試驗由于距離目標含水層較近，放水過程無需動力驅動，可以開展大流量大降深放水試驗，從而可以完成某些抽水試驗不能完成的探查任務[12-14]。

1 研究區寶塔山砂巖含水層概況

1.1 研究區概況

新上海一號煤礦位于內蒙古鄂爾多斯鄂托克前旗上海廟礦區，主采侏羅系延安組煤層，可采煤層 10層，資源儲量5.19億t，設計生產能力400萬t/a，服務年限60.2 a。礦井分為2個水平，一水平大巷標高+880 m，布置在八煤；二水平大巷標高+773 m，布置在二十一煤。礦井于2008年5月開工建設，目前正在回采八煤和十五煤，工作面采用走向長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 研究區地質與水文地質條件

井田內鉆孔揭露地層由老至新主要有：三疊系延長組、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。

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

圖1 井田構造綱要及各水文地質鉆孔平面布置圖

井田內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，各含水層水文地質參數見表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參數

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域上比較明顯的對比劃分主要標志層，其巖性主要為灰白、灰黃色粗粒長石石英砂巖，底部常有細礫巖或砂礫巖，易于識別[15]。

2015年11月，新上海一號煤礦一分區膠帶暗斜井下山掘進至+746.6 m(二十煤頂板5～8 m)處，發生底板集中涌水，涌水量由最初的1 500 m3/h逐漸增大至3 600 m3/h，根據對出水原因的分析，出水水源為二十一煤底板寶塔山砂巖含水層水。為了進一步探查寶塔山砂巖含水層水文地質條件，在膠帶暗斜井底板出水后施工了1號水文孔，2017年和2019年針對寶塔山砂巖含水層又分別開展了水文地質補充勘探工作，共施工了13個水文地質鉆孔，根據鉆探和抽水試驗成果，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。通過以上水文地質勘探工作，初步查明了寶塔山砂巖含水層的水文地質條件。

由于抽水試驗的抽水量與地下水位降深較小，其影響半徑有限，從而對含水層地下水流場擾動較小。寶塔山砂巖含水層與其他含水層之間的水力聯系，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法通過抽水試驗查清。為了全面掌握寶塔山砂巖含水層的水文地質條件，擬在井下開展大流量大降深放水試驗。

2 寶塔山砂巖含水層放水試驗

2.1 放水試驗概況

本次放水試驗的目標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，觀測孔選取在井田范圍內及周邊布設的各主要含水層長觀孔，放水試驗平面布置見圖1。

放水試驗分為單孔放水試驗及多孔放水試驗，其放水試驗起止日期、放水孔編號、放水量與放水時間見表2。

表2 放水試驗階段劃分及放水量

2.2 井下放水孔觀測數據分析

2.2.1 放水孔水壓觀測

在F1～F4井下放水孔放水時，也對其水壓變化進行了同步觀測。4個放水孔的初始水壓均為3.1 MPa，F2單孔放水時，其水壓穩定在0.6 MPa，F1、F3和 F4放水孔水壓分別穩定在2.0、2.4、2.4 MPa，停止放水恢復水位后，4個放水孔水壓均穩定在3.0 MPa，水壓在短時間內未能恢復至初始水壓；多孔放水第一階段(F2放水)4個放水孔水壓分別為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個放水孔水壓分別為0.7、0.5、0、0 MPa，停止放水恢復水位后，4個放水孔水壓均穩定在2.7 MPa。放水孔水壓歷時變化曲線如圖2所示。

圖2 各放水孔水壓歷時變化曲線

2.2.2 放水孔水量觀測

F2單孔放水量平均值為237.91 m3/h，且在長達624 h的放水過程中水量沒有發生明顯衰減，說明寶塔山砂巖含水層富水性和滲透性較強，并具有一定的補給水源。放水孔總放水量歷時變化曲線如圖3所示。

圖3 放水孔總放水量歷時變化曲線

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，F3放水量為140.86m3/h；第三階段F2放水量減小至160.06 m3/h，F3放水量減小至113.66 m3/h。這表明放水孔之間連通性較好。4個放水孔總放水量在444.10 m3/h長達504 h的放水條件下，總放水量呈現出逐漸衰減的趨勢，初步說明寶塔山砂巖含水層在大流量長時間的疏水降壓條件下具備可疏性。多孔放水試驗各放水孔放水量歷時變化曲線如圖4所示。

圖4 多孔放水試驗各放水孔放水量歷時變化曲線

2.3 地面觀測孔數據分析

在本次放水試驗中，寶塔山砂巖含水層水位地面觀測孔共有10個，各觀測孔水位均對井下放水產生了不同程度的響應，在大流量放水條件下寶塔山砂巖含水層水位呈現持續下降趨勢。寶塔山砂巖含水層各觀測孔水位歷時變化曲線如圖5所示。

2.4 寶塔山砂巖含水層水文地質參數計算

1)滲透系數

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

表3 基于放水試驗的寶塔山砂巖含水層滲透系數計算結果

2)單位涌水量

F2放水孔單孔放水試驗時水量為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算結果相比，本次放水試驗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系

在對寶塔山砂巖含水層進行放水的同時，對白堊系、直羅組、煤系間及三疊系含水層水位進行了同步觀測，各含水層觀測孔平面位置見圖1。其中白堊系含水層B9觀測孔、煤系間Z6、Z7觀測孔和三疊系B36、B39觀測孔產生了不同程度的水位變化響應，各含水層觀測孔水位歷時變化曲線見圖6。三疊系含水層B39觀測孔水位變化幅度較小，主要是由于其位于井田南部邊界，距離放水孔較遠所致。根據B9、Z6、Z7、B36和B39觀測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系。

圖6 各含水層觀測孔水位歷時變化曲線

2.6 寶塔山砂巖含水層放水試驗影響范圍

放水試驗期間各觀測孔水位降深及其與放水孔之間距離的相關關系見圖7，兩者呈對數型相關關系，觀測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時，距離放水孔最遠的B37觀測孔水位也出現了明顯的響應，放水試驗的影響范圍超過了5 500 m，說明寶塔山砂巖含水層在水平方向上的連續性強，滲透性好。

圖7 水位降深與放水孔之間距離的相關關系曲線

2.7 寶塔山砂巖含水層水文地質特征及水害防治方案

2.7.1 寶塔山砂巖含水層水文地質特征

通過對寶塔山砂巖含水層開展大流量大降深放水試驗，在最大程度上激發了井田內各含水層水位變化，進一步查明了含水層的水文地質特征，包括以下幾個方面：

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，遠大于抽水試驗的抽水水量(最大值40.35 m3/h)，說明可以在井下對含水層進行大流量疏水降壓。

2)水壓高。根據鉆孔資料，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。大流量放水試驗的影響范圍超過5 500 m，遠大于抽水試驗的影響范圍(最大值239.37 m)。

4)具有一定的補給條件。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系，在疏水降壓時會接受其他含水層的補給。

5)具有可疏性。放水試驗后各觀測孔水位在短時間內均沒有恢復至初始水位，并且大流量放水使地下水位產生最大降深達310 m，遠大于抽水試驗時地下水位降深(最大值51.86 m)，同時放水孔的流量還有明顯的衰減趨勢，說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

根據抽水試驗和放水試驗研究成果，下一步應該在八煤或十五煤具備條件的區域對寶塔山砂巖含水層進行疏水降壓，暗斜井向二水平掘進過程中要嚴格按照《煤礦防治水細則》相關要求進行探放水，在十八煤和二十煤工作面回采前采用突水系數對其安全開采的可行性進行論證，或對工作面與寶塔山砂巖含水層之間的防隔水煤(巖)柱尺寸進行核算，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要求，方可進行工作面回采。

3 結論

1)對寶塔山砂巖含水層進行大流量放水試驗時，根據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系。

2)大流量放水試驗不僅可以在垂向上使地下水位出現大降深，同時在平面上的影響范圍也較大，說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，進一步查明了含水層的水文地質特征，并形成了相應的底板砂巖水害防治方案，為下組煤安全開采提供了依據。