郭屯矿底部含水层水文地质特征及其失水因素

赵仁乐，李红友，侯维华，许光泉，程 桦，李亚昊，彭世龙，5

（1.山东能源临沂矿业集团有限责任公司，山东 临沂276000；2.临沂矿业集团菏泽煤电有限公司 郭屯煤矿，山东 菏泽274000；3.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001；4.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001；5.安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥230601）

我国东部煤炭资源丰富，但埋藏较深，为尽可能回收煤炭资源量，提出上提开采，即提高开采上限[1]，开采煤层为二叠系山西组[2]和太原组煤层。由于沉积环境的差异性，导致了不同地层结构在空间上的复杂多变[3]。在上提开采过程中，“两带”高度不仅使煤层上覆地层结构发生变化[4]，同时也使不同含水层的地下水流场发生了变化[5]，最终可能形成统一的地下水流场。上提开采对于煤层上覆的新生界底部松散含水层往往扰动较大[6-7]，主要为断裂带可能波及到其内，或断裂带波及基岩风化带后，间接影响底部松散含水层，最终导致松散层释放水量，补给基岩含水层，通过基岩裂隙和采动裂隙通道[8-9]，持续汇入采场。由太沙基原理[10]可知，底部含水层失水不但引起含水层水位持续下降，而且引起上下黏土层压缩[11-12]，由此导致一系列工程问题，主要表现为平原地区的地面沉降[13]或工业广场内的井筒变形[14]。诸如淮北的临涣、海孜、童亭、朱仙庄[15]，兖州的兴隆庄矿均因此出现地面沉降和井筒变形等灾害问题[16]。因此，从机理上弄清井筒变形问题，需对松散含水层本身的特性及因煤层开采引起破坏特征[17]、导水裂隙发育规律[18]及由此导致的底部含水层的失水原因等做一系统分析，从而为揭示其形成机理提供基础依据。为此以山东郭屯煤矿底部含水层为对象，在分析地质和水文地质条件基础上，利用钻探数据及注水和Slug测试，获取底部含水层厚度和相关渗透参数，并结合底部含水层地下水动态特征，分析其失水诱发因素，为后续井筒修复治理提供一定的依据。

1 研究背景

1.1 地层与构造

郭屯煤矿位于巨野煤田中北部为第四系覆盖的全隐伏式井田，上覆530～580 m新生界松散层。由上至下为第四系、新近系、古近系、二叠纪石盒子组、二叠系山西组、石炭-二叠系太原组和奥陶系等地层，区域内含煤地层主要赋存于二叠系山西组和石炭-二叠系太原组。

矿区东起田桥断层，西界为煤系地层隐伏露头，总体为向东倾斜的单斜构造，地层倾角5°～10°，平均6°左右。全区发育宽缓褶曲，翼部倾角5°～10°，主要褶曲16条，受东董断层、八里河断层、田桥断层等断层影响，全区地层西南缓、北东陡。区内断层分布不均匀，统计及了343条，均为北北东向正断层，其中落差大于100 m有3条；50～100 m有10条、30～50m有8条；10～30m有76条；小于10m有246条。

1.2 含隔水层结构

该矿地下水系统可分为5个含水层，分别为：

1）新生界松散砂砾孔隙含水层。新生界松散砂砾孔隙含水层自上而下又可划分为3个含水层（组）和2个隔水层（组）：“一含”为第四系含水层，“二含”为新近系上段含水层，“三含”为新近系下段含水层。

2）二叠系石盒子组砂岩裂隙含水层。二叠系石盒子组砂岩裂隙含水层又可以分为风氧化带裂隙含水层与风氧化带下砂岩裂隙含水层：风氧化带裂隙含水层单位涌水量为0.113 4～0.494 9 L/（s·m），渗透系数0.270 87～1.355 7 m/d，富水性中等；风氧化带下砂岩裂隙含水层单位涌水量0.894 3 L/（s·m），渗透系数为0.170 2～1.005 4 m/d，富水性中等。

3）二叠系山西组3煤顶板砂岩含水层。二叠系山西组3煤顶板砂岩含水层单位涌水量为0.003 4～0.003 7 L/（s·m），渗透系数为0.006 5～0.0146 m/d，以静储量为主，补给条件差，容易疏干。

4）石炭系太原组岩溶裂隙含水层。石炭系太原组岩溶裂隙含水层为多个薄层灰岩段组成，富水性不均匀、受构造控制影响大，渗透性差异较大，如十灰单位涌水量为0.422 5 L/（s·m），渗透系数为2.944 4 m/d，属富水性中等的岩溶裂隙含水层。

5）奥陶系岩溶含水层。奥陶系岩溶含水层富水性和渗透性具有非均质性，依据勘探成果，其富水性弱至中等。

1.3 矿井充水因素

郭屯煤矿主采3煤，主要充水因素为：

1）上部新生界底部含水层与二叠系石盒子组含水层之间，因浅部煤层开采，发育导水断裂带，然后通过基岩风化带沟通底部含水层，间接发生水力联系，使之发生垂向入渗渗流，为间接充水水源。

2）由于井田发育NNE向正断层，煤层顶底板砂岩裂隙非常发育，赋存砂岩裂隙水，当采掘过程中，应力释放破坏岩体，煤层顶底板砂岩裂隙水进行自流疏放。

3）3煤层采后，地煤层底板进行破坏，太原组灰岩水是其充水的水源之一。奥陶系岩溶含水由于距离煤层较远，一般情况下无水力联系，由于断层落差造成煤层与奥灰含水层之间对接，可能发生通过发生奥灰水补给，形成直接的充水水源。矿区充水通道：垂向断层和伴生的断裂带；此外，煤层下部可存能在隐伏岩溶构造通道等，如陷落柱等，郭屯煤矿充水因素示意图如图1。

图1 郭屯煤矿充水因素示意图Fig.1 Diagram of water filling factors in Guotun Coal M ine

2 底部含水层的水文地质特征

2.1 底部含水层厚度分布特征

2.1.1 矿区底部含水层厚度

通过绘制新生界松散层等值线，其厚度为460～670 m。从东到西、从南到北沉积厚度逐渐增大，主要受北北东向断层对基岩面的控制，导致东西两侧松散层沉积厚度存在显著差异，郭屯煤矿矿区松散层厚度等值图如图2。

图2 松散层厚度等值图（单位：m）Fig.2 Thickness contour of loose layer

底部含水层是新近系下部含水层，常常与下覆于基岩面直接接触。经钻孔统计发现，矿区底部含水层从东北到西南沉积厚度较大，向两侧含水层厚度逐渐减小，厚度变化范围为35～120 m，郭屯煤矿矿区松散层底部含水层厚度等值图如图3。

图3 松散层底部含水层厚度等值图（单位：m）Fig.3 Thickness contour of aquifer at the bottom of loose layer

2.1.2 工业广场底部含水层厚度

工业广场位于矿区中部偏东一侧，受地质构造影响，井筒周边松散层底部含水层存在一定的地质差异。为进一步查清工业广场的松散层底部含水层厚度及水文地质特征，共设计了7个检验孔（主井2个，副井2个，风井3个）。工业广场内松散层厚度范围为574～587 m，以水平距离为50.16 m的主井和风井为界，西侧与东侧两边松散层厚度相差10 m。西侧（风井及其周边检验孔）松散层厚度达575～578 m，东侧（主、副井及其周边检验孔）厚度达580～587 m。对主井和风井的基岩面上下同层段地层岩性进行对比发现：基岩面578.1 m以上，主井和风井地层岩性相同，而在578.1～585.1 m层段，主井和风井地层岩性存在差异，主井该层段岩性缺失，受断层影响岩层破碎严重。但在585.1 m以下，两井地层岩性再次保持一致。因此，可以推断两井之间存在落差为10 m左右的断层。由图2（b）可以看出，井筒周边呈现出从东向西松散层厚度逐渐变小的趋势，再结合矿区发育的北北东向正断层，推断主井和风井之间存在落差为10 m左右北北东向正断层。因此，会出现东侧为上盘，松散层沉积厚度变大，而西侧为下盘，松散层沉积厚度变小的现象。

由此，工业广场底部含水层厚度为18～40 m。受基岩面地形影响，底部含水层厚度从东南到西北逐渐减小。底部含水层也受主井与风井之间的断层影响，主井周围底部含水层厚度大于位于东南的副井周边，而风井周围则小于西北侧地层。

2.2 压水试验

2.2.1 测试方法

通过一定压力向注水端压入清水，在一段时间内获得注水段吸水量，间接分析注水段的透水性能。在试验场地，先对7个检验孔用清水进行洗孔，使栓塞位置位于底部含水层底板处，形成封闭的压水隔离段。观测各孔初始水位后正式压水试验，每隔30 min观测1次，记录流量和压力[19]。

记录各检验孔压入水量和压力数据，依据《工程地质手册》公式计算相应层段透水率。试验层段透水率公式为：

式中：Q为一定压力下的压入流量，L/min；L为试验层段厚度，m；p为施加的压力，MPa；q为试验层段透水率，LU（1 LU=1 L/（m·MPa·min））。

再根据承压井稳定流公式，计算渗透系数K：

式中：K为渗透系数，m/d；Q为压入流量，m3/d；M为承压含水层厚度，m；R为压水影响半径，m；r为钻孔半径，m；hw为稳定后水位至含水层底板高度，m；h为静止水位至底板高度，m。

对式（1）、式（2）进行修正后，得到渗透系数的经验公式为：

式中：p′为压力水头，m；α为压水井系数，当含水层厚度≥L/3时，α为1.32，当含水层厚度≤L/3时，α为0.66。

2.2.2 测试结果

由式（2）、式（3）计算各检验孔底部含水层的渗透率和渗透系数，试验段水文地质参数表见表1。

表1 试验段水文地质参数Table 1 Hydrogeological parameters in test section

计算结果表明：各检验孔水文地质参数有较大差异，其中位于工业广场东侧的主检孔渗透系数为最小，其余检验孔渗透系数相对接近。结合钻孔取心发现，主检孔附近黏土夹层透镜体较厚，隔水性能好。其它检验孔附近黏土层厚度较为接近，因此，其渗透性能差异性较小。

2.3 Slug试验

2.3.1 测试方法

在确定初始水位的基础上，先设置好DIVER水位传感器的观测时间间隔后，并启动。将与测绳捆绑好的DIVER传感器置于水下一定位置处，该实验的DIVER传感器探头参数设定的水位变化范围要求小于25 m，故向检验孔中缓缓下入一定长度的钻杆，直至完全沉入水面，引起的水位变化应小于25 m，待检验孔水位恢复至初始水位时，再缓缓提起钻杆直至地面，待检验孔中水位再次恢复至初始水位，即试验结束[20]。

运用Aquifer test软件中Hvorslev模型对含水层参数进行计算：

式中：H0为检验孔初始水头，m；H（t）为检验孔水头变化，m；t为时间，s；Re为Slug试验的影响半径，m；rw为过滤管半径，m；rc为钻孔套管半径，m；Kr为含水层径向渗透系数，m/d；B为含水层厚度，m；t0为滞后时间，s，即当动水头与初始水头的比值等于0.368时所对应的时间。

2.3.2 测试结果

利用Aquifer test软件计算：风检1孔渗透系数0.508 m/d，风检2孔渗透系数为0.002 29 m/d，主检孔渗透系数为0.002 64 m/d，副检孔渗透系数为0.035 7 m/d。

2.4 底部含水层地下水动态特征

为了进一步了解井筒周边松散层底部含水层地下水的水位动态特征，利用郭屯煤矿立井四周的检查孔，对周边底部含水层水位进行观测，即风检1孔、风检2孔、主检孔、副检孔等4个孔。检验孔松散层底部含水层地下动态变化曲线如图4。

图4 检验孔松散层底部含水层地下动态变化曲线Fig.4 The dynam ic chart of the water level in the bottom of the inspection hole loose layer

结果发现：在钻孔施工完毕后产生略微的水位上升外，各检验孔底部含水层水位均处于持续下降状态。风检2孔和主检孔初始水位相对一致，其它检验孔水位差异性较大。从东至西水位具有逐渐增大趋势，底部含水层降深下降速率逐渐减小，仅风检1孔出现局部水位上升的情况。

由此可以推断，目前工业广场的底部含水层地下水自东向西流动趋势，且表现出水位持续下降趋势。

3 底部含水层失水因素分析

3.1 融冻阶段底部含水层向井壁产生失水

主、副和风立井穿过松散层和风化基岩段采用冻结法施工[21]，在冻结的整个松散含水层，形成一定厚度冻结壁当井筒开挖完成后，井周围的冻结孔停止冻结，解冻过程中地下水发生流动，并形成较高水头差，对井壁产生一定的侧向压力作用，而在3个井筒没有及时进行壁后注浆处理，导致在某些薄弱段，产生底部含水层地下水渗流作用。因此，松散层底部含水层水通过井壁发生失水作用，导致其水位的下降。

3.2 风化带成为底部含水层失水直接通道

矿井构造分析表明：工业广场位于构造发育带，煤系地层上覆风化带主要为石英砂岩，因此，垂向裂隙较为发育。通过钻探揭露和超声波探测发现基岩面下风化带段发育垂向张性裂隙11条，从而为底部含水层垂向入渗提供了天然良好通道。因而底部含水层水为基岩含水层补给水源。

2009年马头门巷道施工时，曾发生垮落，因未及时有效处理，长时间连续出水约1 300万m3，经对出水水质化验发现其水源存在底部含水层水，这是对风化带成为底部含水层失水直接通道的最好佐证。

3.3 回采断裂带波及底部含水层

对比郭屯煤矿建井初期与现开采阶段，矿井涌水量增加近10倍，已达到500～600 m3/h。同时，底部含水层水位从建井初期-6.35 m，到投产后降至-203.45 m，后期随着工作面开采数量的增加，井下涌水量不断增大，水位降不断持续下降。

对工业广场范围附近回采工作面断裂带高度采用式（6）计算：

式中：Hf为导水断裂带厚度，m；M为累计采厚，m；n为煤分层层数，无量纲。

郭屯煤矿导水断裂带影响范围图如图5。

图5 郭屯煤矿导水断裂带影响范围（单位：m）Fig.5 Influence range of water conduction fissure zone in Guotun Coal M ine

以A工作面为例，所开采煤层厚为3.9 m，煤层近水平，其断裂带高度为42.96 m。统计分析煤层顶板距离基岩面厚度为150～200m，可能存在导水断裂带与风化断裂带发生沟通，导致与底部含水层产生水力联系。

4 结 语

1）目前3煤开采时，顶底板砂岩裂隙水为直接和主要充水水源，底部含水层水也是其充水水源之一。

2）井巷施工导致底部含水层水通过风化带垂向裂隙发生补给，成为矿井充水水源；工作面回采发育导水断裂带与上覆风氧化带，构成与底部含水层水力联系导水通道。

3）底部含水层失水是在一定水文地质背景条件下，由采掘活动诱发而至，为一长期的过程。因此，下一步只有建立井田范围的底部含水层、“基岩风化带”水位实时监测系统，才能为井筒变形监测提供重要基础数据。