基于抽水试验和放水试验的断层导水性分析

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）

断层是导致煤矿突水的重要因素，由于断层及其周边岩层裂隙发育是良好的导水通道，同时断层破坏了煤层顶底板岩层的完整性，降低了岩层的力学强度，增加了矿井水文地质条件的复杂性。据统计，70%以上的突水事故均与断层有关[1]。断层导水性的研究对于矿井水害防治工作具有重要的意义，也是确定防治水措施的前提[2-5]。目前，针对断层导水性探查主要包括钻探、物探、水化学及室内试验等，其中通过对断层进行抽水试验探查其导水性应用最为广泛[6-9]，由于井下放水试验距离断层近，且可以最大程度激发地下水流场变化，也是断层导水性探查较为普遍的方法[10-11]。物探具有工程量小，探查范围大等特点，是探查断层的导水性的重要手段[12-13]。水化学分析通常作为断层导水性钻探和物探探查成果的验证和补充[14-15]。室内试验主要是通过相似材料配比，模拟断层在不同条件下导水性的特征[16-17]。以上针对断层导水性的研究成果对于避免断层水害发生，保障矿井安全生产起到了重要作用。

新上海庙一号煤矿井田西部和东部边界以DF20和F2逆断层为界，这2条断层落差均超过150m，井田位于2条逆断层组成的地堑内。由于延安组底部宝塔山砂岩含水层富水性强，是威胁下组煤开采的主要充水含水层，断层的导水性是下组煤采掘活动防治水措施制定的前提。为此，采用抽水试验和放水试验相结合的方法，对DF20、F2等断层的导水性进行定性和定量化分析，获取了断层的渗透系数和单位涌水量，对其导水性及其空间特征进行研究，为断层水害及底板砂岩水害防治提供了依据。

1 矿井及水文地质条件概况

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，可采储量3.37 亿t，设计生产能力4.0Mt/a，服务年限60.2 年。矿井分为2个水平，一水平大巷标高+880m，布置在八煤层，二水平大巷标高+733m，布置在二十一煤层。矿井主采煤层为八煤、十五煤和十八煤，现正在回采一水平的八煤和十五煤工作面。

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，各含水层水文地质参数见表1。前期开采的八煤和十五煤主要充水水源为顶板煤系间和直罗组含水层，后期开采的十八煤主要面临底板宝塔山砂岩含水层的威胁。

表1 井田主要含水层水文地质参数Table1 Hydrogeological parameters of main aquifers in the mine field

2 基于抽水试验和放水试验的断层导水性分析

井田构造纲要及水文地质钻孔平面图如图1。

图1 井田构造纲要及水文地质钻孔平面图Fig.1 Structure outline of mine field and plan of hydrogeological borehole

井田内断层共有21条，落差超过20m的共有8条，其中F2断层落差超过500m，为区域大断层，其次是DF20断层，落差超过150m，F2和DF20断层大体构成了井田的东、西边界，其含（导）水性直接关系着井田各煤层主要充水含水层的边界条件及其之间的水力联系。井田内主要断层参数见表2。

表2 井田主要断层参数Table2 Main fault parameters in the mine field

2.1 基于抽水试验的断层导水性分析

在地质勘探和水文地质补充勘探阶段针对DF20和F2断层开展了抽水试验，基于抽水试验的断层破碎带水文地质参数见表3。

表3 基于抽水试验的断层破碎带水文地质参数Table3 Hydrogeological parameters of fault fracturedzone based on pumping test

地质勘探期间，利用1803钻孔对DF20断层进行抽水试验，根据钻孔单位涌水量，DF20断层富水性弱。2013年水文地质补充勘探时，利用Z11和Z15钻孔对F2断层进行抽水试验，钻孔岩心破碎，倾角急陡，根据钻孔单位涌水量，F2断层富水性弱～中等。

根据地质勘探和水文地质补充勘探针对DF20和F2断层的抽水试验，获取了断层的水文地质参数，但是量化的水文地质参数不能真实反映断层的导水性，必须进一步开展针对断层的水文地质工作，查明DF20和F2等落差较大的断层在垂向上和水平方向上的导水性。

2.2 基于放水试验的断层导水性分析

2.2.1 放水试验

宝塔山砂岩含水层放水试验的放水孔F1、F2、F3、F4钻孔位于井田中部十五煤巷道内，放水孔、部分观测孔与断层剖面图如图2。

图2 放水孔、部分观测孔与断层剖面图（I—I剖面）Fig.2Diagram of drainage boreholes，some observation boreholes and fault sections（I—I section）

放水试验分为单孔放水和多孔放水，其放水时间分别为624、696h，恢复时间分别为480、600h，单孔平均放水量为237.91m3/h，多孔初始（F2钻孔）、一次叠加（F2、F3钻孔）和二次叠加（F1、F2、F3、F4钻孔）平均放水量分别为206.52 、332.93 、444.10 m3/h，单孔和多孔放水时放水区域中心地下水位最大降深分别为260、310m。

DF20和F2断层导水性探查分为垂向和水平方向，通过对各含水层水位对放水试验的响应分析断层垂向上的导水性，利用DF20和F2断层上盘的观测孔水位对下盘放水试验的响应分析断层在水平方向上的导水性。

2.2.2 放水试验断层垂向导水性分析

在宝塔山砂岩含水层放水试验期间，针对井田内主要含水层水位进行了同步观测，放水试验时Z6、Z7、B9观测孔水位历时变化曲线如图3。

图3 放水试验时Z6、Z7、B9观测孔水位历时变化曲线Fig.3 Diachronic variation curves of groundwater level in observation boreholes Z6,Z7,B9during dewatering test

从图3可以看出，白垩系B9观测孔水位对放水试验作出了明显相应，并且水位变化明显，单孔和多孔放水时最大降深分别为15.41 、29.11m，其最大降深甚至超过了距离放水孔较远的宝塔山砂岩含水层观测孔；煤系间含水层Z6和Z7观测孔水位与放水试验具有一定的相关性，Z6和Z7观测孔水位在单孔放水时最大降深分别为2.55 、5.63m，多孔放水时最大降深分别为6.96 、10.16m。

除了B9、Z6和Z7观测孔外，其余各含水层的观测孔水位对放水试验没有发生明显的响应。B9、Z6和Z7观测孔均位于DF20断层附近，其水位变化与放水试验具有较好的一致性，且水位变化明显，初步说明DF20断层具有导水性。

2.2.3 放水试验断层水平方向导水性分析

B36观测孔位于F2断层附近的上盘，放水试验位于F2’断层的下盘，放水试验时B36、B39观测孔水位历时变化曲线如图4。

图4 放水试验时B36、B39观测孔水位历时变化曲线Fig.4 Diachronic variation curves of groundwater level in observation boreholes B36and B39during dewatering test

从图4可以看出，B36观测孔水位对于放水试验具有显著的响应，其在单孔和多孔放水试验时最大降深分别为31.38 、75.38m。从B36观测孔的水位变化情况可以看出F2’和F2断层均具有导水性。

B39观测孔位于DF20断层附近的上盘，放水试验位于DF20断层的下盘，B39观测孔虽然距离放水孔较远，但是其水位仍然对放水试验具有明显的响应，其在单孔和多孔放水试验时最大降深分别为5.91 、12.32m。从B39观测孔的水位变化进一步验证了DF20断层的导水性。

2.3 基于地下水流场变化的断层导水性分析

放水试验不同阶段宝塔山砂岩含水层地下水流场图如图5。

由图5（a）可以看出，放水试验前地下水流场在DF20断层与FD5断层交汇处存在1个明显的地下水位降落漏斗；当单孔放水试验结束时，地下水流场中存在2个地下水位降落漏斗（图5（b）），1个仍然是DF20断层与FD5断层交汇处，另1处为放水孔附近；单孔放水试验水位恢复后地下水流场与初始流场相似，只有DF20断层与FD5断层交汇处存在1个地下水位降落漏斗（图5（c））；多孔放水试验结束时，地下水流场形成1个以放水孔为中心的大型降落漏斗（图5（d））；多孔放水试验水位恢复后地下水流场与初始流场相似，还是以DF20断层与FD5断层交汇处为中心形成1个地下水位降落漏斗（图5（e））。

图5 放水试验不同阶段宝塔山砂岩含水层地下水流场图Fig.5 Groundwater flow field diagrams of Baotashan sandstone aquifer at different stages of dewatering test

通过以上分析可以看出，当宝塔山砂岩含水层无外界影响时，其水位以DF20断层与FD5断层交汇处最低，四周地下水向这个区域补给，当对宝塔山砂岩含水层进行放水试验时，虽然会以放水孔形成降落漏斗，但是DF20断层与FD5断层交汇处还是1个明显地下水位较低的区域，说明在这个区域宝塔山砂岩含水层存在向上部含水层径流的补给通道，根据地质勘探资料，在DF20断层与FD5断层交汇处不存在封闭不良钻孔。DF20断层落差超过150m，FD5断层落差为25m，2个断层交汇处岩层更加破碎，裂隙更加发育，其导水性势必会增强。

2.4 断层导水性的空间差异性

白垩系B3、B9观测孔、三叠系B39观测孔位于DF20断层上盘，当DF20断层下盘的宝塔山砂岩含水层进行放水试验时，B3、B9、B39观测孔水位产生了不同的响应，B3观测孔水位几乎未动，而B9和B39观测孔水位却具有较好的响应，DF20断层附近观测孔水位历时变化曲线图如图6。

由于B3位于工业广场保护煤柱内，附近不存在采掘活动，DF20断层在这个区域导水性较差；由于本井田与南部榆树井井田八煤和十五煤工作面在B9、B39观测孔附近均进行了回采，导致B9～B39观测孔之间的DF20断层具有较好的导水性。

从图6也能够看出，B3观测孔的初始水位较高，其附近的白垩系含水层水位基本未受到井田采掘活动的影响，而B9、B39观测孔初始水位相对较低，说明其附近的白垩系和三叠系含水层水位受到了本井田或南部榆树井井田采掘活动的影响，水位相对B3观测孔较低，而B9、B39观测孔初始水位基本相同，也进而说明了DF20断层在这2个观测孔之间具有较好的导水性。

图6 DF20断层附近观测孔水位历时变化曲线图Fig.6 Diachronic variation curves of groundwater level in observation boreholes near DF20fault

2.5 断层导水性及其对矿井防治水的意义

通过基于抽水试验和放水试验对DF20、F2’、F2断层导水性的综合分析，断层在垂向和水平方向上均为导水断层，并且DF20断层表现为局部导水，以DF20断层和FD5断层交汇处导水性最强，断层导水性对矿井防治水工作具有重要的水文地质意义，重要表现在以下几个方面：

1）含水层边界划分。以往通常认为逆断层导水性较差，但是受到附近采掘活动的影响，逆断层上下盘会发生不均匀沉降，其导水性也会随之发生变化。新上海一号井田的DF20断层南部、F2’断层和F2断层中部具有明显的导水性，不仅是各含水层垂向水力联系的通道，同时也使断层下盘宝塔山砂岩含水层与断层上盘三叠系含水层具有显著的水力联系，故宝塔山砂岩含水层在井田西翼的南部及东翼的中部的边界为导水边界。

2）宝塔山砂岩含水层疏放。宝塔山砂岩含水层是井田内富水性最强的含水层，主要威胁十八煤的安全开采，在十八煤采掘活动前必须要对宝塔山砂岩含水层进行疏水降压。具有导水性的DF20、F2断层使得宝塔山砂岩含水层与上部白垩系、煤系间含水层以及断层另一盘的三叠系具有水力联系，在对宝塔山砂岩含水层进行疏水降压时，这几个含水层势必会对其存在水量补给，在一定程度上增加了宝塔山砂岩含水层疏降的难度。

3）防隔水煤（岩）柱留设。未来十八煤在DF20、F2’、F2断层附近进行采掘活动时，必须要对断层进行探放水，同时需要注意的是导水性较差的逆断层在受到周边采掘活动的影响后，其导水性会发生明显的变化。在断层周边进行采掘活动时要留设足够的防隔水煤（岩）柱，避免断层水害的发生。

3 结 语

1）利用对DF20、F2、FD5断层进行的抽水试验，获取了断层的水文地质参数，初步掌握了其导水性，但是无法查明断层在各含水层之间是否成为水力联系通道。

2）基于宝塔山砂岩含水层开展的大流量大降深放水试验，从放水试验不同阶段白垩系、煤系间含水层观测孔水位变化、DF20、F2断层上盘三叠系观测孔水位变化以及地下水流场变化，明确了DF20、F2断层具有良好的导水性，并且DF20断层的导水性具有不均一性。

3）根据DF20、F2、FD5断层导水性的分析，从含水层边界划分、宝塔山砂岩含水层疏放和防隔水煤（岩）柱留设3个方面提出了断层导水性对矿井防治水的水文地质意义。