开采性抽水试验在煤矿火烧区地下水补给量计算中的应用

刘军

【摘要】煤系地层中的火烧层是木垒县阿吾孜苏煤矿矿区主要的含水层，也是影响煤炭资源安全开采的主要含水层。为保证安全生产，并合理利用火烧层中的地下水，精确的计算地下水的补给量是十分重要的。开采性抽水试验资料可以确定地下水补给来源、抽水影响范围、含水层的富水性及供水保证能力等，由于木垒县阿吾孜苏煤矿矿区面积小，火烧区广泛分布，火烧程度及深度不均一，开采性抽水试验是计算地下水补给量最直接、精度较高的勘察手段。

【关键词】开采性抽水试验；煤矿；火烧层；地下水补给量

引言

木垒县阿吾孜苏煤矿矿区位于木垒县城北部，与木垒县城直线距离82km，矿井设计生产能力0.9Mt/a，煤矿开采以地下井巷开采为主。煤系地层中的火山层是矿区主要的含水层，也是影响煤炭资源安全开采的主要含水层。为保证安全生产，避免开采过程中发生“突水”事件，并合理利用该层中的地下水，精确的计算地下水的补给量是十分重要的。由于矿区面积较小、水文地质条件相对复杂，顾采用开采性抽水试验以较快并较精确的计算地下水补给量。

1、水文地质条件

1.1 基本情况

试验区内的地层有古生界石炭系上统孔雀屏组上段、二叠系下统下芨芨槽群下亚群、中生界侏罗系下统三工河组、中侏罗统西山窑组、新生界第三系中-上新统独山子组和第四系全新统。侏罗系中统西山窑组广泛分布于试验区，是试验区主要含煤地层，火烧层是此层中煤燃烧后引起此层及围岩烧变后的岩性反映，火烧层广泛分布于试验区中部，基本连续，火烧程度和深度不均一，火烧层呈褐色、褐红色、灰黑色，块状、碎裂状、巨厚层状，火烧深度80-150m。

1.2 水文地质条件

根据含水层的成因、岩性特征、控水性质、富水程度和水理特征，将矿区含水层划分为第四系松散岩类透水不含水层、第三系碎屑岩类裂隙孔隙承压含水岩组、侏罗系碎屑岩类孔隙承压含岩组和基岩裂隙水含水岩组四大类。

第四系松散岩类透水不含水层广泛分布于试验区，为含煤地层上部覆盖层，厚度一般10-15m，由于其多处于地下水位以上，从而构成透水不含水层，仅局部低洼处为含水层。

新进系碎屑岩类裂隙孔隙承压含水岩组在试验区内零星分布，不整合于侏罗系含水岩组之上。含水层岩性以砂岩为主，含水岩层较薄，富水性相对较弱。

侏罗系碎屑岩类孔隙裂隙承压含水岩组又分为无火烧侏罗系碎屑岩类孔隙裂隙承压含水岩组和烧变岩类裂隙孔隙含水层。无火烧含水岩组呈条带状分布于矿区周边，岩性主要为一套陆相煤系地层，其中砂岩、砾岩及煤层含水，泥岩、炭质页岩相对隔水，富水性弱。烧变岩裂隙孔隙含水层原属侏罗系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组，广泛分布于试验区中部，因煤层自燃，导致其裂隙和孔隙特别发育，一般呈蜂窝状，透水性强，是地下水储存的良好空间，水量丰富。

基岩裂隙水含水岩组主要为石炭系和二叠系含水岩组。石炭系含水岩组主要分布在矿区东北部，岩性为凝灰岩、砂岩。地下水赋存于各种岩浆岩及中深变质岩系的裂隙中，水量贫乏。二叠系含水岩组分布于矿区东南部，主要岩性为砾岩、砂岩、泥岩。该岩组裂隙不发育，水量贫乏。

2、开采性抽水试验过程

本次试验共启用9眼水文孔，其中东部条带状火烧层布设1眼抽水孔，中部火烧层布设2眼抽水孔，3眼抽水孔外围均匀布设6眼观测孔。抽水试验持续59天，总抽水量为16174.10m3/d。本次抽水试验总体分两个大的阶段：抽水阶段和水位恢复阶段。

抽水阶段共持续28天。抽水开始后，水位急剧下降，第一天水位下降幅度最大，其中SK1由于地处东部条带状火山层中，地下水补给条件相对较差，水位下降22.83m，迅速形成降落漏斗；SK2、SK3水位分别下降0.87m、1.73m。抽水5天后，基本形成降落漏斗，但降落漏斗形态不稳定。随着时间的推移，地下水水位持续下降，但下降速率逐渐降低。抽水至20天后，地下水水位依然持续下降，下降速率趋于稳定，同时形成稳定的降落漏斗。抽水过程中各观测孔水位以稳定的速率下降。至抽水20天后，抽水孔与观测孔水位基本呈同步等幅下降。

水位恢复阶段共持续31天。停泵后，水位急剧上升，第一天水位恢复幅度最大，其中SK1水位上升33.75m、SK2水位上升0.98m、SK3水位上升2.09m。之后水位上升速率明显下降，但仍然持续上升。观测5天后水位上升速率趋于稳定。恢复水位观测至31天后，水位仍无法恢复至原始水位，其中SK1水位较原始水位低1.01m，SK2水位较原始水位低1.48m，SK3水位较原始水位低1.22m。与此同时，各观测孔水位开始同步上升，但31天后，观测孔水位亦无法恢复至初始水位。

3、地下水补给量计算

3.1 开采试验法

在长期抽水过程中，主井及观测井的水位一直持续缓慢下降，停止抽水后，水位虽有恢复，但始终达不到初始水位，说明抽水量大于补给量，消耗了含水层中的储存量。选择抽水后期，主井与观测井出现同步等幅下降时的抽水试验资料，此时，若没有其他消耗，抽水量由两部分组成，即开采条件下的补给量和含水层消耗的储存量，任一抽水段内产生水位降深的水均衡关系式为：

水位恢复时计算补给量的公式为：

将抽水试验抽水后期及水位恢复后期数据带入上述公式（1）及（2）中，利用消元法即可求出地下水补给量。经计算，试验区内地下水补给量为2399.64m3/d。

3.2 断面法

为进一步检验开采试验法的计算结果，采用常用补给量计算方法断面法对其进行验证，断面法计算公式如下：

上述公式计算时，渗透系数K取计算断面上各单孔抽水试验数据计算得到的渗透系数平均值；水力坡度I由等水位线成果量取；含水层平均厚度B取计算断面上各钻孔含水层厚度平均值；计算断面与地下水流方向的夹角由等水位线成果量取。经计算，试验区内地下水补给量为2828.30m3/d。

由上述结果可知，通过开采试验法和断面法计算得到的地下水补给量相差较小，相对误差为17.86%，

认为计算结果可靠。但相对开采试验法而言，断面法精度较低，故试验区内地下水补给量取开采试验法计算得到的2399.64m3/d。

4、结论

（1）开采性抽水试验对于查明水文地质条件复杂的火山区地下水补给来源、补给量等问题是最直接有效且精度相对较高的勘察手段。

（2）分析开采性抽水试验数据可知，本次开采性抽水试验为非稳定流状态，抽水阶段水位持续下降，恢复阶段水位持續上升但无法恢复至初始水位。利用开采性抽水试验数据求得的地下水补给量为2399.64m3/d，与采用断面法计算结果相近，结果可靠。

参考文献：

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