基于抽水試驗和放水試驗的斷層導水性分析

趙寶峰，呂玉廣

（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；3.內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016299）

斷層是導致煤礦突水的重要因素，由于斷層及其周邊巖層裂隙發育是良好的導水通道，同時斷層破壞了煤層頂底板巖層的完整性，降低了巖層的力學強度，增加了礦井水文地質條件的復雜性。據統計，70%以上的突水事故均與斷層有關[1]。斷層導水性的研究對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，針對斷層導水性探查主要包括鉆探、物探、水化學及室內試驗等，其中通過對斷層進行抽水試驗探查其導水性應用最為廣泛[6-9]，由于井下放水試驗距離斷層近，且可以最大程度激發地下水流場變化，也是斷層導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，是探查斷層的導水性的重要手段[12-13]。水化學分析通常作為斷層導水性鉆探和物探探查成果的驗證和補充[14-15]。室內試驗主要是通過相似材料配比，模擬斷層在不同條件下導水性的特征[16-17]。以上針對斷層導水性的研究成果對于避免斷層水害發生，保障礦井安全生產起到了重要作用。

新上海廟一號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。由于延安組底部寶塔山砂巖含水層富水性強，是威脅下組煤開采的主要充水含水層，斷層的導水性是下組煤采掘活動防治水措施制定的前提。為此，采用抽水試驗和放水試驗相結合的方法，對DF20、F2等斷層的導水性進行定性和定量化分析，獲取了斷層的滲透系數和單位涌水量，對其導水性及其空間特征進行研究，為斷層水害及底板砂巖水害防治提供了依據。

1 礦井及水文地質條件概況

1）礦井概況。新上海一號煤礦位于鄂爾多斯盆地西緣，主采侏羅紀延安組煤層，可采儲量3.37 億t，設計生產能力4.0Mt/a，服務年限60.2 年。礦井分為2個水平，一水平大巷標高+880m，布置在八煤層，二水平大巷標高+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，現正在回采一水平的八煤和十五煤工作面。

2）礦井水文地質條件。井田內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Table1 Hydrogeological parameters of main aquifers in the mine field

2 基于抽水試驗和放水試驗的斷層導水性分析

井田構造綱要及水文地質鉆孔平面圖如圖1。

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

井田內斷層共有21條，落差超過20m的共有8條，其中F2斷層落差超過500m，為區域大斷層，其次是DF20斷層，落差超過150m，F2和DF20斷層大體構成了井田的東、西邊界，其含（導）水性直接關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系。井田內主要斷層參數見表2。

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

2.1 基于抽水試驗的斷層導水性分析

在地質勘探和水文地質補充勘探階段針對DF20和F2斷層開展了抽水試驗，基于抽水試驗的斷層破碎帶水文地質參數見表3。

表3 基于抽水試驗的斷層破碎帶水文地質參數Table3 Hydrogeological parameters of fault fracturedzone based on pumping test

地質勘探期間，利用1803鉆孔對DF20斷層進行抽水試驗，根據鉆孔單位涌水量，DF20斷層富水性弱。2013年水文地質補充勘探時，利用Z11和Z15鉆孔對F2斷層進行抽水試驗，鉆孔巖心破碎，傾角急陡，根據鉆孔單位涌水量，F2斷層富水性弱～中等。

根據地質勘探和水文地質補充勘探針對DF20和F2斷層的抽水試驗，獲取了斷層的水文地質參數，但是量化的水文地質參數不能真實反映斷層的導水性，必須進一步開展針對斷層的水文地質工作，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水性。

2.2 基于放水試驗的斷層導水性分析

2.2.1 放水試驗

寶塔山砂巖含水層放水試驗的放水孔F1、F2、F3、F4鉆孔位于井田中部十五煤巷道內，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）

放水試驗分為單孔放水和多孔放水，其放水時間分別為624、696h，恢復時間分別為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，單孔和多孔放水時放水區域中心地下水位最大降深分別為260、310m。

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

2.2.2 放水試驗斷層垂向導水性分析

在寶塔山砂巖含水層放水試驗期間，針對井田內主要含水層水位進行了同步觀測，放水試驗時Z6、Z7、B9觀測孔水位歷時變化曲線如圖3。

圖3 放水試驗時Z6、Z7、B9觀測孔水位歷時變化曲線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觀測孔水位對放水試驗作出了明顯相應，并且水位變化明顯，單孔和多孔放水時最大降深分別為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具有一定的相關性，Z6和Z7觀測孔水位在單孔放水時最大降深分別為2.55 、5.63m，多孔放水時最大降深分別為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放水試驗沒有發生明顯的響應。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斷層具有導水性。

2.2.3 放水試驗斷層水平方向導水性分析

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

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

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

B39觀測孔位于DF20斷層附近的上盤，放水試驗位于DF20斷層的下盤，B39觀測孔雖然距離放水孔較遠，但是其水位仍然對放水試驗具有明顯的響應，其在單孔和多孔放水試驗時最大降深分別為5.91 、12.32m。從B39觀測孔的水位變化進一步驗證了DF20斷層的導水性。

2.3 基于地下水流場變化的斷層導水性分析

放水試驗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，放水試驗前地下水流場在DF20斷層與FD5斷層交匯處存在1個明顯的地下水位降落漏斗；當單孔放水試驗結束時，地下水流場中存在2個地下水位降落漏斗（圖5（b）），1個仍然是DF20斷層與FD5斷層交匯處，另1處為放水孔附近；單孔放水試驗水位恢復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個地下水位降落漏斗（圖5（c））；多孔放水試驗結束時，地下水流場形成1個以放水孔為中心的大型降落漏斗（圖5（d））；多孔放水試驗水位恢復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個地下水位降落漏斗（圖5（e））。

圖5 放水試驗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，當寶塔山砂巖含水層無外界影響時，其水位以DF20斷層與FD5斷層交匯處最低，四周地下水向這個區域補給，當對寶塔山砂巖含水層進行放水試驗時，雖然會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個明顯地下水位較低的區域，說明在這個區域寶塔山砂巖含水層存在向上部含水層徑流的補給通道，根據地質勘探資料，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，FD5斷層落差為25m，2個斷層交匯處巖層更加破碎，裂隙更加發育，其導水性勢必會增強。

2.4 斷層導水性的空間差異性

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

由于B3位于工業廣場保護煤柱內，附近不存在采掘活動，DF20斷層在這個區域導水性較差；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觀測孔附近均進行了回采，導致B9～B39觀測孔之間的DF20斷層具有較好的導水性。

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的影響，而B9、B39觀測孔初始水位相對較低，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的影響，水位相對B3觀測孔較低，而B9、B39觀測孔初始水位基本相同，也進而說明了DF20斷層在這2個觀測孔之間具有較好的導水性。

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

2.5 斷層導水性及其對礦井防治水的意義

通過基于抽水試驗和放水試驗對DF20、F2’、F2斷層導水性的綜合分析，斷層在垂向和水平方向上均為導水斷層，并且DF20斷層表現為局部導水，以DF20斷層和FD5斷層交匯處導水性最強，斷層導水性對礦井防治水工作具有重要的水文地質意義，重要表現在以下幾個方面：

1）含水層邊界劃分。以往通常認為逆斷層導水性較差，但是受到附近采掘活動的影響，逆斷層上下盤會發生不均勻沉降，其導水性也會隨之發生變化。新上海一號井田的DF20斷層南部、F2’斷層和F2斷層中部具有明顯的導水性，不僅是各含水層垂向水力聯系的通道，同時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富水性最強的含水層，主要威脅十八煤的安全開采，在十八煤采掘活動前必須要對寶塔山砂巖含水層進行疏水降壓。具有導水性的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系，在對寶塔山砂巖含水層進行疏水降壓時，這幾個含水層勢必會對其存在水量補給，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。未來十八煤在DF20、F2’、F2斷層附近進行采掘活動時，必須要對斷層進行探放水，同時需要注意的是導水性較差的逆斷層在受到周邊采掘活動的影響后，其導水性會發生明顯的變化。在斷層周邊進行采掘活動時要留設足夠的防隔水煤（巖）柱，避免斷層水害的發生。

3 結 語

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

2）基于寶塔山砂巖含水層開展的大流量大降深放水試驗，從放水試驗不同階段白堊系、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斷層具有良好的導水性，并且DF20斷層的導水性具有不均一性。

3）根據DF20、F2、FD5斷層導水性的分析，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3個方面提出了斷層導水性對礦井防治水的水文地質意義。