侏罗系煤田宝塔山砂岩含水层疏放水可行性研究

李德彬，

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

侏罗系煤田开采下组煤受底板宝塔山砂岩承压含水层水影响。706水文孔显示该含水层静水位压力约为2.48MPa，煤层底板突水系数(T=0.207MPa/m)大于0.1MPa/m。底板采动裂隙，钻进至含水层的15个钻孔(其中9个钻孔被采动破坏无法重新封堵)，以及未揭露的隐伏构造等充水通道均可能导致工作面回采过程中沟通底板砂岩含水层，形成水害。煤矿底板水害是煤矿建设与安全生产中的主要灾害之一，为了预防这一灾害，确保工作面安全生产，有必要对煤层底板高压含水层进行超前疏放水[1]。超前疏放水的目的有：一是，疏排含水层中的水，使富水含水层变为贫水层甚至被疏干；二是，降低含水层水位，实现不带压开采或在安全水头压力下开采[2]。疏放水效果主要受充水含水层水文地质特征影响[10]，底板含水层为富水性中等的砂岩裂隙含水层且疏放效果未知，为了确保疏放水能实现上述目的，需要开展含水层疏放的可行性研究。放水试验不仅能研究含水层疏放的可行性，对认识矿区水文地质条件也有十分重要的意义[3]。我国很多矿区都进行过大型放水试验，研究了含水层超前疏放水的可行性[4-9]，周振方[10]利用单指数动力衰减模型拟合了含水层疏放钻孔涌水量动态变化规律，探讨了影响疏放水效果的主要因素。因此通过放水试验对侏罗系煤田(灵新煤矿)宝塔山砂岩含水层的可疏放性进行研究。

1 放水试验方案

本次放水试验共布置4个下斜钻孔，以及2个机动下斜钻孔。将G1、G2钻孔布置在+985m水平，FS1、FS2、JF、JG钻孔布置在+855m水平；+855m水平的四个钻孔主要分布在水仓周边区域便于排水。钻孔进入宝塔山砂岩含水层底板以下75m，各钻孔可作为放水钻孔，亦可作为观测钻孔，706水文孔作为观测孔。井下放水试验钻孔布置如图1所示，以FS2钻孔为中心，等距环形分布，50m半径圈内布置JF、JG孔，150m半径圈内布置FS1孔(706水文孔包含在内)，450m半径圈布置G1、G2，G1、G2和JF、JG钻孔在平面内距离较近。

图1 井下放水试验钻孔布置平面图

放水试验分为两个阶段，单孔放水(FS2放水孔)试验和三孔叠加放水(FS2、JG、JF放水孔)试验。单孔放水试验(FS2钻孔)于2017年6月29日9：00开始，7月4日17：00停止放水，7月11日9：00水位恢复时期结束。累计放水时长128h，水位恢复时长160h。三孔叠加放水试验(FS2、JG、JF钻孔)首先进行FS2单孔放水，接着进行三孔叠加放水，多孔放水试验于2017年7月11日9：00开始FS2单孔放水，7月16日17：00开始三孔叠加放水，7月22日9：00停止放水，7月30日15：00水位恢复时期结束。累计放水时间264h，水位恢复时长198h，其中FS2单孔放水时长128h，三孔叠加放水时长136h。

2 放水试验结果

2.1 放水前状态

2017年6月29日9：00放水试验前，矿井各采区涌水量基本处于稳定涌出状态，矿井总涌水量454m3/h，一采区涌水量157.5m3/h，三、四、五、六采区总涌水量288m3/h。六采区基本为顶板滴淋水或涌水点，无明显底板涌水点，所以六采区底板宝塔山砂岩含水层处于原始流场状态。

2.2 放水量动态

单孔放水(FS2放水孔)试验和三孔叠加放水(FS2、JG、JF放水孔)试验阶段的累计放水时间392h，累计放水量17575.36m3。放水孔流量的动态变化曲线如图2所示，放水孔流量总体呈现24h内下降迅速，随后呈现下降缓慢，有波动，直至稳定；三孔叠加放水试验期间各放水孔流量出现较明显袭夺现象。

图2 放水孔流量变化曲线

2.3 放水阶段水位与水压动态

2.3.1 单孔放水阶段

FS2孔放水过程中，各孔水位变化如图3所示，各孔水位在放水时期明显下降，在水位恢复时期明显回升。放水和恢复时期各孔的水位和水压值见表1，观测孔水位降深小于FS2放水孔。JF与JG钻孔相距非常近(约6.5m)，两孔水位变化趋势基本一致。G2与G1钻孔相距较近(20m)，水位变化趋势近似。G1和G2钻孔水位变化相比距离放水孔较近的JG、JF钻孔，具有明显滞后性，降深也较小。通过FS2、JG、JF、FS1、G1和G2钻孔稳定水压计算的底板突水系数分别为0.098MPa/m，0.12MPa/m，0.127MPa/m，0.183MPa/m，0.063MPa/m和0.067MPa/m。

2.3.2 三孔叠加放水阶段

各放水孔在进行放水时，不具备水位观测条件；放水孔未进行放水时，可观测水位变化趋势。各孔水位变化曲线如图4所示，各孔水位在放水时期持续下降，在水位恢复时期明显上升。放水和恢复时期各孔的水位和水压值见表2，观测孔水位降深小于放水孔。FS2、JG和JF，FS2、JG、JF、FS1、G1

和G2钻孔稳定水压计算的底板突水系数分别为0.056MPa/m，0.035MPa/m，0.052MPa/m，0.159MPa/m，0.043MPa/m，0.047MPa/m。

图3 单孔放水试验各孔水位历时变化曲线

图4 多孔放水试验各孔水位历时变化曲线

钻孔与FS2距离/m初始水位/m初始水压/MPa稳定水位/m稳定水压/MPa底板突水系数/(MPa·m-1)累计降深/m恢复水位/m恢复水压/MPa累计回升/m下降与回升水位差值/mFS201081.6342.27971.6341.170.0981101075.6342.211046JG431069.3782.15998.3781.440.12711064.3782.10665JF381077.3782.231006.3781.520.127711072.3782.18665FS11351093.0992.381074.0992.190.183191088.0992.33145G14001080.4580.941062.4580.760.063181074.4580.88126G24201082.3930.961066.3930.80.067161075.3930.89977061481096.2无1056.7无无39.481087.7无318.48

表2 多孔放水试验各孔水位变化

3 底板水可疏放性

3.1 放水阶段含水层流场变化

单孔放水阶段，宝塔山砂岩含水层流场变化如图5所示。由图5可知，放水试验前宝塔山砂岩含水层地下水流向由南向北；单孔放水试验开始后，随着放水时间持续延长，到达稳定状态时，以FS2放水孔为中心的降落漏斗形态已经形成，影响范围内的地下水流向FS2放水孔；关闭放水孔阀门进入放水试验恢复阶段，地下水流向基本与初始流场一致由南向北，但含水层水位整体下降了5m左右。

图5 宝塔山砂岩含水层流场变化图(单孔放水)

多孔放水阶段单孔放水试验前(初始)、FS2单孔放水稳定、FS2+JG+JF叠加放水稳定及水位恢复后的流场变化如图6所示。由图6可以看出，由单孔放水到三孔叠加放水，放水试验所形成的降落漏斗不断扩大，影响半径增大，宝塔山组砂岩含水层水位降深随之增大；关闭放水孔阀门进入放水试验恢复阶段，地下水流向基本与初始流场一致由南向北，但含水层水位整体下降了9m左右。

图6 宝塔山组砂岩含水层流场变化图(三孔叠加放水)

3.2 影响半径R

1)采用裘布依假设模型[11]，利用两个观测孔数据计算影响半径R，计算公式如下：

式中，r1为放水孔至1#观测孔之间的距离，m；s1为观测孔内水位降深，m；r2为放水孔至2#观测孔之间的距离，m；s2为观测孔内水位降深，m。

R的计算结果见表3。在FS2单孔放水情况下，稳定时刻地下水漏斗的延伸半径范围为844～909m；而在叠加放水期间，稳定时刻地下水漏斗的延伸半径范围为1108～1289m。

表3 双观测孔计算影响半径R

2)利用浸润曲线外推法[12]，绘制稳定水位与到放水孔距离曲线，如图7所示，以光滑的曲线按自然趋势连接，并外推与自然水位线相交于一点，该点至放水孔的距离，即为影响半径R。单孔放水阶段稳定时刻和多孔放水阶段叠加放水稳定时刻的影响半径R分别约为830m和1020m。

图7 稳定水位与到放水孔距离曲线

3)采用s-lgr直线交汇法[11]，将同一时间水位稳定时刻各钻孔的水位降深s，与其各自到放水孔的距离r，按照s-lgr格式作出散点图并进行线性拟合，降深与到放水孔距离对数线性关系如图8所示。降深s与lgr之间呈显著的线性相关性(R2>0.8)，将各直线外推，与r轴交于一点，此点的r值即为影响半径R。前后两个阶段的影响半径R分别为710m和1122m。

图8 降深与到放水孔距离对数线性关系

从以上三种方法计算影响半径R的结果来看，对于单孔放水：双观测孔裘布依法结果最大，浸润曲线法次之，直线汇交法最小，且前两种方法所得结果较为接近，直线汇交法所得结果与前两者相差约120～200m；对于多孔放水阶段叠加放水：双观测孔裘布依法和s-lgr直线交汇法结果最接近，浸润曲线外推法所得结果与之相差约100m。以上差异主要是由于前后三种计算方法在本质上的差异所造成的，前两种方法依据的是裘布衣假设模型，这种条件本身与实际模型之间就存在较大的不一致性，比如天然水位本身就不符合假设条件；而s-lgr法是基于降深与距离之间的近似线性关系来获得的，依靠一定的统计意义。总而言之，由于含水层的非均质特征，导致上述方法均具有不确定性的特点，影响半径R的计算要从含水层自身特点出发，具体条件具体分析。

3.3 底板水可疏放性

放水试验初期钻孔涌水量较大(约60m3/h)，经一周左右时间水量逐渐明显降低并趋于稳定(单孔20～30m3/h)，说明矿井充水含水层以静储量为主，动态补给量有限。经过放水试验，各孔水位明显降低，距离放水孔越近，降深越大。地下水位形成明显的降落漏斗形态(图5和图6)，且影响半径较大(大于700m)。从单孔到多孔放水试验，降落漏斗形态不断扩大，水位降深增大，各钻孔水压力降低。单孔放水阶段关闭阀门后，FS2、G1和G2钻孔水压计算的底板突水系数小于正常标准值0.1MPa/m；多孔放水阶段关闭阀门后，FS2、JG、JF、G1和G2钻孔水压计算的底板突水系数小于0.1MPa/m。水位恢复结束时，地下水流向基本与初始流场一致由南向北，单孔放水恢复阶段含水层水位整体下降了5m左右，多孔放水恢复阶段含水层水位整体下降了9m左右。上述都说明了底板水可疏放性明显。通过底板宝塔山砂岩含水层预疏放，有效减小了工作面采后涌水量峰值，不断疏放水可使工作面底板水压力降低至煤层底板以下，避免了集中涌水的发生，该技术方法经济有效可行，可达到减轻或消除矿井底板水害的目的。

4 结 语

钻孔涌水量随着放水试验的进行逐渐降低并趋于稳定。放水试验稳定时，地下水水位形成降落漏斗形态，且影响半径较大(大于700m)；由单孔放水到三孔叠加放水，降落漏斗形态扩大，影响半径增大。放水试验导致煤层底板水压力明显下降。单孔放水试验底板突水系数小于正常标准的钻孔为FS2、G1和G2；多孔放水试验底板突水系数小于正常标准的钻孔为FS2、JG、JF、G1和G2。突水系数法为初步引用于鄂尔多斯盆地煤田，适用性有待于进一步研究。单孔和多孔放水恢复阶段，地下水流向基本与初始流场一致由南向北，含水层水位相比初始流场分别整体下降了5m左右和9m左右。底板砂岩含水层可疏放性明显，采用预先疏放水措施可以有效降低煤层底板承受压力，避免底板突水水害的发生。