煤层底板厚层砂岩含水层可疏性综合评价

2021-10-17赵宝峰吕玉广

煤矿安全 2021年9期

赵宝峰，吕玉广

（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 710177；3.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 016299）

矿井水害是煤矿生产中最严重的的灾害之一，随着部分煤矿开采水平逐步向深部延伸，其水文地质条件逐渐变得复杂，深部高承压水严重威胁下组煤的安全生产[1-2]。以往针对底板水害的研究主要集中在底板灰岩含水层，有效的治理措施包括疏水降压和注浆治理[3]，针对厚度较薄、补给条件一般的灰岩含水层水害治理常采用疏水降压。对灰岩含水层可疏性评价是疏水降压工作开展的依据和基础，王皓等基于放水试验资料，建立了矿井水文地质模型，利用Feflow数值模拟软件分析了大青灰岩含水层疏干可行性[4]；马亚杰等从含水层水文地质参数空间分布、地质构造控制作用、含水层揭露部位的涌突水特征与含水层露头补给条件方面，确定了底板含水层疏降水中心与钻孔布设方案[5]；窦仲四等利用桃园煤矿Ⅱ4采区井下放水试验资料，采用Modflow软件建立了采区水文地质模型，对底板灰岩含水层的可疏性进行了评价[6]；王心义等根据平煤八矿底板寒武灰岩水压高、地下水温度高且富水性不均一等特点，划分了富水异常区，布置了疏水降压钻孔[7]。

随着我国煤炭生产重点逐步向西部转移，侏罗纪煤田煤炭资源开发成为国民经济发展的主要保障[8]，以往针对侏罗纪煤田顶板含水层疏放开展了大量研究工作，赵宝峰等结合顶板含水层水文地质条件和井下涌水量数据，分析了含水层水位对井下集中和持续涌水的响应，利用放水试验对含水层的可疏性进行了研究[9-10]；李永涛等以纳林河二号矿首采工作面为例，开展了覆岩破坏规律、水文地质条件、涌水量预计等研究，揭示了工作面涌水规律[11]；姬亚东等采用钻孔涌水量衰减率、含水层水头高度、疏放水总量及残余水量等指标，对大南湖一矿1305工作面疏放水效果进行了评价[12]；刘基通过观察不同疏放水量下的水位降深情况，从而得出了顶板高承压含水层疏水降压的可行性[13]。

侏罗纪煤田开采水平向深部不断延伸，煤层底板砂岩含水层距离下组煤较近，加之其水压较高，以往许多矿井对其勘探程度不够，导致底板砂岩水害成为了下组煤开采的重要制约因素。由于砂岩孔隙度相对较小，注浆效果不佳，故灰岩水害治理常用的注浆改造加固技术在底板砂岩水害治理中存在一定的局限性。而底板砂岩含水层补给条件通常不如灰岩含水层好，并且其孔隙-裂隙介质的富水性和渗透性较灰岩含水层低，径流条件相对较差，故疏水降压是底板砂岩水害治理的主要方法。底板砂岩含水层采用疏水降压之前，需要对含水层的可疏性进行评价，进而为含水层的疏放提供参考依据。

1 矿井及水文地质条件

1.1 矿井概况

新上海一号煤矿位于鄂尔多斯盆地西缘，主采侏罗纪延安组煤层，资源储量5.19亿t，可采储量3.37亿t，设计生产能力4.0 Mt/a，服务年限60.2年。矿井分为2个水平，一水平大巷标高+880 m，布置在八煤层，二水平大巷标高+733 m，布置在二十一煤层，2个水平大巷之间采用暗斜井联系。

1.2 矿井水文地质条件

井田内主要含水层由上至下分别为新生界松散潜水含水层和基岩裂隙承压含水层，后者又可进一步分为白垩系、直罗组与含煤岩系含水层，根据地质勘探与浅部含水层水文地质补充勘探资料，白垩系与含煤岩系含水层富水性均为弱，直罗组含水层除了小范围富水性为中等，其他大部分区域富水性为弱，从前期勘探成果分析，井田内主要含水层富水性弱，水文地质条件简单。井田主要含水层水文地质参数见表1。

表1 井田主要含水层水文地质参数Table 1 The hydrogeological parameters of main aquifers in the coalfield

矿井涌水量由2011年的37.13 m3/h逐渐增加到目前的75.60 m3/h，根据涌水量观测资料，矿井正常涌水量为120.69 m3/h，最大涌水量为184.05 m3/h，矿井水文地质类型为中等。

2 煤层底板厚层砂岩含水层可疏性评价

2.1 煤层底板砂岩水害概况

一水平和二水平之间的运输暗斜井设计坡度为-14°，下山总长度550.9 m，掘进至520 m（迎头标高为+746.4 m，位于二十煤底板以下）处巷道底鼓，继而发生集中涌水，峰值涌水量4 000 m3/h左右。

井田内除了直罗组含水层小范围富水性为中等，其他各含水层富水性均为弱，不具备高强度集中涌水的条件。根据水害发生的过程和特征，初步判断集中涌水水源来自二十一煤底板的宝塔山砂岩含水层，为了初步探查宝塔山砂岩含水层的水文地质条件，在运输暗斜井涌水点附近施工了1号水文孔，查明了宝塔山砂岩含水层水位标高+1 192.11 m，单位涌水量0.299 8 L/（s·m），渗透系数0.560 0 m/d，说明宝塔山砂岩含水层水位较高（运输暗斜井涌水点底板承压4.46 MPa），并且富水性和渗透性较强，具备作为集中涌水点水源的可能性。周边鸳鸯湖矿区、碎石井矿区和神东矿区多个矿井也曾发生过底板宝塔山砂岩水害[14]，说明底板砂岩含水层已经逐渐开始成为威胁侏罗纪煤田下组煤安全生产的重要因素。

由于宝塔山砂岩含水层水文地质条件较以往勘探资料复杂，对井田下组煤存在较大的水害威胁，在进行下组煤采掘活动前需要开展相应的防治水工作。疏水降压作为底板水害防治最有效的方法应用广泛，在对底板含水层进行疏水降压前，需要对其可疏性进行评价。

2.2 基于抽水试验的含水层可疏性评价

2.2.1 抽水试验概况

由于前期针对二十一煤底板含水层开展的抽水试验目标含水层包括二十一煤底板的宝塔山砂岩含水层与三叠系含水层，为多层混合抽水试验，获取的水文地质参数不能代表宝塔山砂岩含水层真实的水文地质条件。在运输暗斜井底板集中涌水后针对宝塔山砂岩含水层施工了13个水文地质钻孔，通过抽水试验，基本查明了含水层厚度、水位标高、单位涌水量、渗透系数等水文地质条件，含水层水文地质参数见表2，在进行完抽水试验后各水文地质钻孔留设为长观孔。

表2 基于抽水试验的宝塔山砂岩含水层水文地质参数Table 2 The hydrogeological parameters of Baotashan sandstone aquifer based on pumping test

2.2.2 含水层可疏性评价

根据矿井充水条件分析，井田的下组煤在不同程度上受宝塔山砂岩含水层威胁。根据抽水试验资料，将抽水试验过程中降深与涌水量的比值关系作为疏降可行性的判别标准[15]：

式中：S0′为含水层可疏性指数，min/m2；S为主要控放范围内的水位降深，m；Q为主要控放范围内的涌水量，m3/min。

S0′>10，补给较弱，易疏降；3≤S0′≤10，补给较强，可以疏降；S0′<3，补给很强，不宜直接疏降。通过利用式（1）计算，宝塔山砂岩含水层各水文地质钻孔水位降深与涌水量的比值均大于10，说明宝塔砂岩含水层易疏降。

2.3 基于放水试验的含水层可疏性评价

2.3.1 放水试验概况

本次针对宝塔山砂岩含水层开展的放水试验，考虑到施工与排水方便，F1、F2、F3、F4放水孔选择位于井田中央的111082工作面机巷2#联络巷，孔间距为15 m，观测孔选择历次水文地质补充勘探施工的宝塔山砂岩含水层长观孔，井田内宝塔山砂岩含水层水文地质钻孔平面布置如图1。

图1 井田内宝塔山砂岩含水层水文地质钻孔平面位置Fig.1 The hydrogeological borehole plane location of Baotashan sandstone aquifer in the mine field

放水试验包括单孔放水和多孔放水，单孔放水试验从2019年8月23日12：00 F2钻孔开始放水，9月18日12：00结束放水，恢复水位至10月8日12:00，共计1 104 h，平均放水量237.91 m3/h；多孔放水试验从10月8日12：00开始F2钻孔放水，10月12日12:00叠加F3钻孔放水，10月16日12:00叠加F1和F4钻孔放水，11月6日12：00钻孔结束放水，恢复水位至12月1日12：00，共计1 296 h，3阶段平均放水量分别为206.52、332.93、444.10 m3/h，放水试验阶段划分及放水量见表3。

表3 放水试验阶段划分及放水量Table 3 The stage division of dewatering test and water discharge

放水试验期间，宝塔山砂岩含水层各观测孔水位均对放水产生了不同程度的响应，无论是单孔还是多孔放水试验，水位或水量均随时间发生变化，放水试验宝塔山砂岩含水层水位历时变化曲线如图2，放水试验为非稳定流放水。

图2 放水试验宝塔山砂岩含水层水位历时变化曲线Fig.2 The variation curves of groundwater level in Baotashan sandstone aquifer during dewatering test

2.3.2 典型观测孔水位单位时间变化曲线斜率

放水试验过程中观测孔单位时间内水位变化曲线的斜率可以近似代表这个时间段水位变化的速率，通过将放水或水位恢复过程划分为若干时间段，分别计算各时间段水位变化曲线的斜率，就可以获取不同时间段内水位变化的速度。B45长观孔在放水过程水位单位时间变化曲线斜率如图3。

图3 B45长观孔在放水过程水位单位时间变化曲线斜率（前96 h）Fig.The curve slope of groundwater level per unit time in B45 long-time observation borehole in the process of dewatering test（first 96 h）

将B45长观孔前96 h划分为0～48、48～96 h 2个时间段，分别计算这个时间段内水位变化曲线的斜率为-6.369 9和-2.579 8，即这2个时间段内水位变化速度近似为-6.369 9、-2.579 8 m/h，可以看出随着放水时间延长观测孔水位变化速度逐渐变小。

利用上述方法选取B44和B45长观孔作为典型观测孔，计算了其放水试验过程中不同阶段水位单位时间变化曲线斜率，为了便于比较，将放水过程中水位单位时间变化曲线斜率取绝对值。B44和B45长观孔在不同阶段水位单位时间变化曲线斜率如图4和图5。

由图4、图5可以看出，放水试验中B44和B45长观孔水位变化特征：①通过对单孔放水阶段分析，放水过程中水位变化速率大于水位恢复过程，说明宝塔山砂岩含水层疏降快，恢复慢；②通过对多孔放水阶段分析，随着放水水量不断叠加，观测孔水位变化速率上下波动，说明增加放水孔，也就是增大放水量会有效加快宝塔山砂岩含水层的疏放；③通过对单孔和多孔放水阶段分析，多孔放水时观测孔水位变化大于单孔放水，说明多孔大流量放水可以最大程度上激发地下水流场的变化；④无论是单孔放水还是多孔放水，观测孔水位均呈持续下降，说明在一定范围内对宝塔山砂岩含水层进行疏水降压，可以持续降低地下水水位。

图4 B44长观孔在不同阶段水位单位时间变化曲线斜率Fig.4 The curves slope of groundwater level in B44 longtime observation borehole per unit time in different stages

图5 B45长观孔在不同阶段水位单位时间变化曲线斜率Fig.5 The curves slope of groundwater level in B45 longtime observation borehole per unit time in different stages

2.3.3 典型观测孔水位最大与残余降深

单孔和多孔放水试验各观测孔在不同时刻的水位如图6和图7。

图6 单孔放水试验各观测孔在不同时刻的水位Fig.6 The groundwater level of each observation borehole in different time during dewatering test of single borehole

图7 多孔放水试验各观测孔在不同时刻的水位Fig.7 The groundwater level of each observation borehole in different time during dewatering test of multi-borehole

单孔放水试验过程放水共计624 h，水位恢复480 h，水位恢复时间占放水时间的77.92%，而水位仅恢复了最大降深的39.11%；多孔放水试验过程放水共计696 h，水位恢复600 h，水位恢复时间占放水时间的86.21%，而水位仅恢复了最大降深的46.56%。通过对放水试验过程中初始水位、最大降深数位和恢复水位的分析，说明宝塔山砂岩含水层水位易疏降，难恢复，含水层的补给条件一般。

2.3.4 放水水量变化

单孔放水试验F2钻孔放水量平均值为237.91 m3/h，在长达624 h的放水期内未发生明显的衰减；多孔放水试验3个阶段放水量平均值分别为206.52、332.93、444.10 m3/h，前2个阶段放水量未发生明显的衰减，第3个阶段初始放水量510 m3/h左右，在持续504 h的放水后，水量逐渐衰减至410 m3/h左右，并趋于稳定。

单孔放水量可以稳定在237.91 m3/h左右，来自放水区域范围以外的水量补给可以对放水孔进行持续补给；同样，多孔放水量也可稳定在332.93 m3/h左右，但是当多孔放水量为510 m3/h左右时，放水量逐渐开始衰减，说明放水区域以外的水量对放水孔水量的补给能够使其稳定在410 m3/h左右。

通过以上分析，宝塔山砂岩含水层富水性和渗透性较强，放水孔水量虽然较大，但是在大流量放水条件下，其水量也会发生衰减。

2.3.5 放水孔水压变化

放水试验前各放水孔初始水压均为3.1 MPa，F2钻孔放水时水位稳定在0.6 MPa，F1、F3、F4放水孔水压分别稳定在2.0、2.38、2.41 MPa，停止放水后，4个放水孔水压均恢复为3.0 MPa，水压在短时间内未能恢复至初始水压；多孔放水第1阶段（F2放水）4个放水孔水压分别为2.3、0.9、2.5、2.5 MPa，第2阶段（F2、F3放水）4个放水孔水压分别为2.0、0.7、0.1、2.0 MPa，第3阶段（F1、F2、F3、F4放水）4个放水孔水压分别为0.7、、0.5、、0、0 MPa，停止放水恢复后，4个放水孔水压均稳定在2.7 MPa。

通过对放水试验过程中放水孔水压的观测资料分析，说明在大流量疏放水条件下不仅可以有效降低周边地面观测孔的水位，在放水区域中心还可以实现对含水层水位的大降深疏降。

2.4 含水层边界条件对可疏性的影响

井田宝塔山砂岩含水层倾向剖面如图8。

图8 井田宝塔山砂岩含水层倾向剖面Fig.8 The inclined section of Baotashan sandstone aquifer in coalfield

由图8可以看出，井田东部和西部分别有DF20和F2逆断层，而宝塔山砂岩含水层位于2条逆断层之间的地堑中，其分别与DF20和F2逆断层上盘的三叠系地层接触，通过抽水试验可知三叠系含水层的单位涌水量为0.000 5～0.040 6 L/（s·m），渗透系数为0.000 7～0.022 1 m/d，富水性为弱，与宝塔山砂岩含水层（单位涌水量为0.482 0 L/（s·m），渗透系数为0.939 4 m/d）相比，可视作相对隔水层。宝塔山砂岩含水层上部为二十一煤及十五煤至二十一煤间含水层（单位涌水量为0.007 2～0.021 3 L/（s·m），渗透系数为0.000 6～0.013 m/d），二十一煤全井田广泛分布，煤层厚度0.25～6.00 m，是良好的隔水层。

综上所述，井田内宝塔山砂岩含水层东、西、下部边界均为三叠系地层，上部为二十一煤，均为相对隔水层；南、北部为人为划分井田边界，与上下游同层含水层存在水力联系。由于井田为南北长，东西窄，当对宝塔山砂岩含水层进行疏水降压时，来自东、西、下、上部的水量非常有限，而来自南、北的地下水径流由于补给途径较远，故宝塔山砂岩含水层的边界条件有利于对其进行疏水降压。