基于抽水试验的北公村2号大型断层阻渗性研究

侯俊华，孟凡贞，王 宏，冯鲁顺，孟令飞

(1.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城 273512；2.兖州煤业股份有限公司 地质测量部，山东 邹城 273500)

由于在我国一次石化能源消费中石油和天然气相对不足，而煤炭资源相对丰富，在今后相当长时间内煤炭仍然是我国主要的基础能源，在我国所有一次性能源结构中占比50%以上[1]。但随着开采年限的增加，华北型煤田许多矿井相对易开采区域基本开采完毕，剩余资源开采或要向浅部进行提高上限开采[2-3]，或要向深部延伸开采[4-5]，或要开采构造复杂区域[6-8]。深部煤层的地质构造条件及水文地质条件更加复杂，主要受到太灰和奥灰这两个主要岩溶承压含水层的威胁，而一些大型断层的存在又为底部承压水上升提供了导水通道。因此，在开采前对大型断层导含水性的探查变得尤为重要。许多专家学者对该问题进行了研究和探讨，吴云等[9]通过原位压水试验对永煤城郊煤矿某典型断层裂隙带的阻渗性进行了现场压水测试，得出构造扰动部位的抗渗强度；李文平等[10]设计了实验室高压断层破碎带突水试验模型，得到了高水压条件下断层突水的渗流转换机制；武强等[11]通过对断层带物质进行实验室测试，并结合数值模拟，研究得到了断层滞后型突水机理；路喜等[12]结合北辛窑矿南翼大巷突水实例，通过综合分析，表明断层切割奥灰含水层形成导水通道，导致奥灰含水层水涌入大巷。

作为煤炭开采断层阻渗性地质勘探的重要手段之一，抽水试验能够探查含水层本身及其上下含水层之间是否存在水力联系，获取含水层水文地质参数，评价含水层的富水性，并为预计矿井涌水量与对地下水综合利用的评价提供资料[13-15]。笔者为了探查东滩煤矿3煤层顶板砂岩含水层(3砂含水层)和深部奥灰含水层(奥灰含水层)之间是否通过大型断层产生水力联系，设计施工了针对大型断层的抽水试验，建立该断层阻渗地质模型，对比分析试验结果，以判明该断层的突水危险性。

1 研究区构造及水文地质条件概况

1.1 研究区地质构造

研究区位于东滩井田七采区，东滩井田位于兖州向斜的核部和深部，以宽缓的褶皱为主，伴有一定数量的断裂构造，地质构造复杂程度整体上属中等，但断层发育具有明显的分区性。七采区东部边界为大型峄山断层，该断层落差大于2 000 m，受其影响，研究区内派生断层十分发育，属于复杂构造开采区域。根据拟规划首采工作面所在位置，本次试验工作区内分布有6条落差大于15 m以上的断层，其中可靠断层有3条，走向基本一致，且最大落差均大于 100 m。这些断层在平面图上基本呈南北展布，但断层面倾向不同，导致主采煤层赋存条件变得非常复杂。笔者选取北公村2号断层作为研究对象，探究其导含水性及阻渗性，该断层位于七采区西部，属于正断层，走向近南北，倾向西，倾角60°～65°，落差0～160 m。补勘钻孔测线剖面方向勘探断层特征统计见表1。

表1 补勘钻孔测线剖面方向勘探断层特征统计

1.2 研究区水文地质条件

七采区是矿井今后5年规划的主要开采区域，为进一步探查采区典型断层的导含水性，进而判断深部奥灰含水层及主采的3煤层顶板砂岩含水层之间是否存在水力联系。根据现场实际条件，2018年底到2020年5月该采区进行了一次针对典型大型断层的水文地质补勘工作，共施工5个钻孔，抽水试验主要探究3砂含水层和奥灰含水层在典型的北公村2号断层附近的水力联系，此2个含水层已有的水文地质特征概述如下：

1)3砂含水层

七采区3砂含水层富水性受构造裂隙发育控制较明显。井下涌水资料证实，采掘工作面位于向斜核部和两翼及断层处,往往出现涌水，局部甚至发生较大突水。从2017年9月到2020年9月期间七采区内的2个3煤层顶板砂岩含水层水位长观孔数据变化曲线如图1所示。

图1 七采区3煤层顶板砂岩含水层水位变化曲线

由图1可以看出，3砂含水层水位整体上均呈下降的变化趋势，但不同位置初始水位和水位变化均存在较大差异性。补7-2和P1-13两孔初测水位标高分别为24.62 m和-44.02 m，到2020年9月变为9.14 m和-38.51 m，补7-2孔下降了15.48 m，P1-13孔水位上升了5.51 m，补7-2总下降幅度较大；从2017年9月到2020年9月期间2个观测孔的水位下降幅度差别也较大，补7-2水位下降了3.26 m，P1-13上升了4.45 m。

2)奥灰含水层

奥灰含水层属岩溶裂隙承压含水层，由于奥灰埋深大，且受大型断层构造控制，采区内富水性仍具有较大差异性。根据区内2010年及以前已施工的下组煤补勘钻孔资料可知，奥灰含水层富水性具有不均一的特点，横向、纵向上变化都很大，奥灰厚度大、岩溶裂隙发育，水量丰富，对七采区的开采将会造成较大威胁。

从2017年9月到2020年9月期间七采区内的2个奥灰含水层水位长观孔数据变化曲线如 图2 所示。

图2 七采区奥灰含水层水位变化曲线

由图2可见，补7-5孔和O2-1孔奥灰含水层水位整体上波动不大，呈下降—上升—下降—上升的变化趋势，但两孔水位变化趋势基本一致。七采区内2个奥灰钻孔相距约1.5 km，但目前两孔水位标高基本一致，可初步推断七采区奥灰含水层水位相对比较稳定，该采区2个水文观测孔近3年水位下降幅度变化也不大。

2 抽水试验

2.1 抽水孔布设

根据七采区主要断层的走向展布特征，为控制北公村1号和2号等落差较大断层导含水性，此次水文地质补勘作业选择在基本垂直于北公村1号和 2号断层走向方向施工了5个钻孔(D7-1～D7-5)，进行水文地质补充勘探和抽水试验工作，主要补勘钻孔布置如图3所示。这5个钻孔，在抽水试验中D7-1、D7-4和D7-5施工到奥灰底100 m左右，控制奥灰含水层；D7-2和D7-3施工到3煤层顶板，见3煤层为止，控制3煤层顶板砂岩含水层。

2.2 抽水顺序及时间安排

由于前期试抽中D7-1、D7-2和D7-3钻孔的抽水量基本为0，说明D7-1孔揭露的奥灰含水层和D7-2与D7-3孔揭露的3砂含水层补给条件均较差，而 D7-4 和D7-5孔具备进行奥灰抽水试验条件。因此仅将 D7-4 和D7-5孔作为奥灰抽水孔，其余补勘钻孔均设置为水位观测孔。抽水顺序及时间安排如下：

1)D7-5孔抽水试验于2020年5月24日 10点正式开始，6月13日10点，第一次水位降深结束，共计20 d;6月16日10点第二次水位降深结束;6月 19日 10点第三次水位降深结束，而后进行水位恢复。

2)D7-4孔抽水试验于2020年6月23日16点正式开始，6月26日16点第一次水位降深结束；6月28日10点第二次水位降深结束；7月1日10点第三次水位降深结束，而后进行水位恢复。

3)D7-4孔、D7-5孔联合抽水试验于2020年 7月 5日10点正式开始，7月15日17点结束，而后进行水位恢复。

3 抽水试验结果及分析

3.1 抽水孔及观测孔水位变化和水文地质参数计算

试验结束后，对试验过程中抽水孔的流量和水位数据进行了整理和分析，绘制了水位变化曲线,如图4所示。根据三角堰堰口高度记录的数据，查阅参照堰高流量计算公式，得到了每次水位降深的抽水流量[16]。本次抽水试验中，抽水钻孔刚好揭穿奥灰承压含水层的顶板，构成井底进水的不完整井，结合相关文献[17-18]，考虑奥灰含水层厚度较大，可将其底板对井流的影响忽略不计，此时井底形状为半球形，则流线为径向直线，等水头面是半个同心球面，在球坐标系中为一维流，这种不完整井流可以作为空间汇点来求解。

图4 D7-4、D7-5抽水孔水位变化情况

设与汇点距离为ρ的任意点A的水位降深为s，球形过水断面面积为4πρ2，按照Darcy定律，流向汇点的流量Q′为：

(1)

式中K为渗透系数。

分离变量后，在ρ和影响半径(R)的区间内积分上式，得：

(2)

通常，R≫ρ，1/R很小，可以忽略不计，故有：

(3)

式(3)为空间汇点的水位降深表达式，即在空间汇点作用下任意点的水位降深。

设想在井轴和含水层顶板交界处放一空间汇点来代替井的作用，则空间汇点流量的一半相当于井的流量，即Q′=2Q，半径为rw的半球形等水头面可被视为进水的井底，即令ρ=rw，s=sw。将这些条件代入上式，即得井底进水的承压水不完整井流量Q计算公式：

Q=2πKrwsw

(4)

式中：sw为抽水井中水位降深，sw=H0-hw；H0为抽水前的初始水头；hw为抽水井中的动水位。

渗透系数的计算公式为：

(5)

根据以上公式，可计算本次抽水试验中2个钻孔单独抽水和联合抽水时每次水位降深所对应的奥灰含水层的渗透系数，具体计算参数及渗透系数计算结果见表2。

表2 抽水情况及参数记录

为分析抽水时奥灰含水层和3砂含水层之间是否通过断层发生水力联系，整理了抽水试验期间地面3个奥灰和4个3砂孔共2个含水层中的观测孔数据，奥灰的观测孔包括D7-1、O2-1和补7-5，3砂的观测孔包括D7-2、P1-13、P1-14和补7-2，根据整理的数据绘制了各个观测孔的水位变化曲线，如图5所示。

(a)奥灰含水层各观测孔水位变化情况

从奥灰含水层观测孔水位历时曲线中可以看出，随着抽水试验的进行，各个观测孔中的水位都呈现逐渐下降的趋势，且整体水位下降幅度基本一致。从图5(a)中可以看出，7月5日开始进行联合抽水后，观测孔的水位下降速率逐渐加快。值得注意的是，在7月12日，研究区相邻的古城煤矿采煤工作面发生突水，可能受出水影响，3个奥灰监测孔水位在该天后下降速率明显增大。

反观3砂含水层的4个观测孔水位，受复杂构造条件影响，且各个观测孔距离较远，同一含水层的不同观测孔中的水位相差较大，但是整体趋势一致，除新施工的D7-2孔外，其余3个孔均没有发生较为明显的波动。由于在施工期间研究区及周边一直处于降雨天气，对于D7-2孔的波动，结合当地天气情况，推测受到大气降水补给影响，导致水位上升。

由此可见，抽水试验反映出奥灰含水层和3煤顶板砂岩含水层之间没有通过大型断层发生水力联系。

3.2 断层阻渗性分析

通过以上抽水试验观测数据可知，在对奥灰含水层进行抽水时，随着抽水时间的增加，观测孔中的奥灰含水层位逐渐降低，而3砂含水层的水位基本未发生改变，由此可以推测北公村1号和2号断层的阻渗性较好，奥灰含水层与3砂含水层不存在水力联系。

此外，D7-3孔主要设计为控制北公村2号断层的位置，在抽水试验结束后，在该孔继续向下施工过程中穿过了北公村2号断层，在埋深670～690 m区域揭露破碎带，690～700 m所取的岩心为砂岩地层，具有较高的完整性，而在700～740 m区域仍为断层破碎带。根据该钻孔取心情况，可以推测断层中存在一层完整砂岩地层可作为隔水层，提高了断层的阻渗性。

为进一步分析断层阻渗性，课题组曾在2011—2012年在兖州矿区进行过多次原位压渗试验，获得了该研究区相邻矿区内的断层破碎带及采动破坏带的单位抗渗强度。在本次研究中，可借鉴参考以前压渗试验获得的断层破碎带和裂隙较发育带实测结果，通过断层带特征及地层揭露情况，取断层带综合的抗渗强度0.12 MPa/m，采动破坏带的抗渗强度0.03 MPa/m。根据地质剖面图建立了北公村2号断层阻渗性评价模型，如图6所示。图6中M为断层附近未受断层影响地段煤层与奥灰含水层之间的隔水层厚度，其值为246 m；h1为断层两盘的落差，其值为160 m。

图6 北公村2号断层阻渗性分析地质模型

北公村2号断层明显缩短了主采的山西组3煤到奥灰的间距，导致开采中受奥灰影响明显增大。开采3煤层后，根据文献[19-21]，可推导出断层带抗渗强度P计算公式如下：

P=LPd+h2Pc

(6)

式中：L为断层破碎带有效阻渗段斜长，取72.3 m；Pd为断层破碎带阻渗强度，0.12 MPa/m；Pc为采动破坏带阻渗强度，0.03 MPa/m；h2为断层部位底板采动破坏带厚度，22 m。

经公式(6)计算得到北公村2号断层的抗渗强度P为9.34 MPa，大于底部奥灰含水层实际水压值8.15 MPa，由此可见，在开采3煤层条件下该断层理论上能够阻止奥灰含水层沿断层引发突水事故。

根据文献[22]附录五中突水系数计算公式，结合图6，分别计算了该条件下完整和有构造部位开采山西组3煤层突水系数分别为0.033、0.094 MPa/m。由此可见，构造位置突水系数明显增大，属于不安全开采范畴。

4 结论

1)研究区内地质构造条件复杂，大型断层多，且基本均为高角度走向展布一致的正断层，北公村 2号断层位于区内主采煤工作面，具备导通底部高承压奥灰含水层的可能性。

2)通过奥灰含水层抽水试验，发现奥灰含水层的水位随试验时间的增加呈明显的下降趋势，而 3煤层顶板砂岩含水层的观测孔内水位基本未发生变化，分析认为这2个含水层不具备水力联系。

3)建立了北公村2号断层阻渗性模型，结合压水试验结果，类比分析认为采动条件下北公村2号断层具有较好的阻渗性，在开采3煤层条件下能够阻止奥灰含水层水沿该断层引发突水事故。