泊江海子矿放水试验及地下水位动态特征与影响因素分析

，，， ，

(1.淮南西部煤矿投资管理有限公司泊江海子矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

泊江海子矿放水试验及地下水位动态特征与影响因素分析

李守好1，金修如1，黎志豪2，李旭2，许光泉2

(1.淮南西部煤矿投资管理有限公司泊江海子矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

查清水文地质条件是泊江海子矿科学设计排水系统的重要前提。本文以泊江海子矿为例，通过井下放水试验工程，开展侏罗系中统含水层的疏放水试验发现，其地下水动态变化在空间上具有一定规律性，而白垩系含水层水位不受其影响，二者之间不存在水力联系。试验区范围的渗透系数差异较大，为弱透水性，单位涌水量在空间上具有较大的差异性，其富水位性中等到弱，影响其变化的主要因素为后期的燕山和新构造运动的构造地质作用与沉积环境共同作用的结果。

泊江海子矿；放水试验工程；地下水动态；构造地质与沉积环境

井下放水试验是矿山水文地质勘探最重要的补充手段[1]，是查清不明矿井水文地质条件的最重要的方法[2]。它以现有井下巷道作为依托，向四周煤层顶底板含水层按照一定要求施工水文地质钻孔，开展疏放水试验[3]，同时，对井下和地面的观测孔进行水压(位)观测，利用大量的水文地质信息，分析试验区内的水文地质条件，从而为矿山防治水提供重要的依据[4-6]。泊江海子矿位于鄂尔多斯盆地北部，是目前周边开采最深的矿井。井田自上而下地层为第四系、白垩系、侏罗系以及三叠系和二叠系等地层。侏罗系下统延安组3-1煤层为开采对象，其直接充水水源为煤层顶板的砂岩孔隙-裂隙水，且具有以孔隙储水、裂隙导水的双重介质特点。通过近几年来对侏罗系中统地面水文地质勘探及先期的两个工作面疏放水工程，其地下水水位下降过程中，具有不均匀性，初步分析认为与其渗透性与富水性密切相关。为了进一步研究在疏放水过程中其地下水动态变化规律，为矿井排水系统设计提供依据，在113106工作面巷道设计、施工疏放水钻孔。当1#孔施工穿过砾石层后，至128 m时，单孔水量达115 m3/h，是以往工作面单孔放水量10倍，且水压为4～5 Mpa，该范围的顶板砂岩富水性与其他采面截然不同，因而需要在113106面巷道内系统开展一次放水试验，分析其影响因素。

1 试验区水文地质条件

1.1 试验区概况

试验区为一盘区所在范围，包括113101至113106面，以及首采区的联巷，如图1。其中113106面位于矿井西翼3-1煤层的一盘区中部，主采3-1煤层，工作面长为2 830 m，宽为240 m，底板标高为+786.7～+843 m。煤层厚度3.15～6.17 m，且结构复杂，一般含0～2层以泥岩为主的夹矸，厚度0.18～0.60 m，煤层倾向240°～325°，倾角0°～3°。

试验区地质构造简单，总体为北西向倾斜的单斜构造。在北段为一宽缓向西倾伏的苏家村北向斜，北翼地层倾向240°～260°，倾角1°～3°，南翼地层倾向320°～350°，地层倾角0°～2°，局部起伏较大。

1.2 试验区含(隔)水层

试验区的3-1煤层上部含(隔)水层分别为侏罗系中、下统延安组顶部的不稳定砂泥层、砾岩隔水层，以及侏罗系中统(J2)砂岩承压水含水层，白垩系下统志丹群(K1zh)底部隔水层以及志丹群(K1zh)孔隙潜水-承压水含水层。

图1 放水试验平面布置图

图2 二勘探线地层剖面

在试验区各工作面的顶板上部为分布不稳定的薄层粉砂岩、细砂岩含水层，再向上为砂质泥岩以及厚层砾岩组成的相对隔水层，平均厚度为41.3 m，其中砾岩的厚度为8.5～32 m，较为稳定，为良好隔水层，砾石层顶部的侏罗系中统的厚层状充水含水层，也是本次试验目标层，它由浅黄色、青灰色中粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩以及紫红色、杂色粉砂岩及泥岩等构成，富水性较好，平均厚度为123 m，如图2所示。

1.3 试验区地下水补、径、排

试验区上部含水层为白垩系下统志丹群(K1zh)、侏罗系中统(J2)承压含水层，且志丹群(K1zh)及侏罗系中统(J2)仅在井田西北部零星出露，因此承压水的主要补给来源为区外承压水的侧向径流补给，其次为上部潜水的垂直入渗补给，在西北部基岩出露处也接受大气降水的入渗补给。承压水一般沿地层走向径流。承压水以侧向径流排泄为主，以及受掘进影响，以垂向和侧向渗流流入巷道。

2 群孔放水试验

在前期工作面疏放资料分析的基础上，依据《煤矿防治水规定》(国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局，2009)，结合现有井下巷道特点，来设计合理疏放与观测钻孔参数。采用1～3个孔放水、多孔观测的群孔放水试验方法，整个过程分为放水阶段与恢复阶段，其中放水阶段为不断增加放水量；试验过程中，井上、下水位(水压)同时观测，并严格按照放水试验要规范进行操作，且考虑到试验前背景值对此的影响。

2.1 放水试验工程布置

依侏罗系中统砂岩含水层产状为水平，低渗透性、非均质性的特点，放水钻孔采用仰角60°、深度150 m布置，井下共施工S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8放水孔，如表1与图1所示。结合地面7个观测孔，如表2(侏罗系中统水文长观测孔有4个，分别为水文1#孔、水J8、水J6、水文3#孔；白垩系水文长观测孔有3个，分别为水文2#孔、水K5孔、水K7孔，)，共计15个试验孔。

表1 放水试验孔参数

表2 白垩系、侏罗系含水层观测孔 m

2.2 试验过程

放水试验于2015年9月25日0时开始，利用S1#孔进行第一阶段放水试验，地面观测孔同步观测含水层水位，于10月4日17时结束第一阶段放水，历时233 h，水量趋于稳定，水位稳定下降；10月4日18时，打开S8#孔，开始放水试验第二阶段，同时观测S1#及S8#孔放水量，井下S4、S5、S6、S7#孔及地面观测孔同步观测水压及水位，于10月10日17时结束第二阶段放水试验，历时144 h，放水量开始增大，水位下降未有明显变化；10月10日18时，打开S5#孔，开始放水试验第三阶段，同时观测S1#、S8#及S5#孔放水量，井下S4、S6、S7#孔及地面观测孔同步观测，于10月19日9时结束时，放水量明显变大，水压水位变化较稳定；10月19日10时进入水位恢复阶段，关闭S5#孔，同步观测S1#、S8#孔放水量，井下S4、S5、S6、S7#孔水压及地面观测孔水位，水量明显减小，且S5#孔水位恢复明显，其他观测孔水位略微下降，不显著。

2.3 地下水动态特征分析

侏罗系中统含水层水文观测孔为水文1#、水文3#、水J6及水J8等，其水位随疏放水量的变化如图3～图9。白垩系含水层水文观测孔为水文2#、水K7，如图10、图11所示。

图3 J8#孔水位历时动态曲线 图4 S5#孔图水位历时动态曲线

依以上放水试验各观测孔水位与流量之间数据分析结果发现，在放水试验孔附近，侏罗系中统含水层水位下降明显，降幅较大，而远离试验区范围的孔，水位下降幅度相对较小，反映同一含水层之间其内部联系程度为不均匀性；而白垩系志丹群含水层水位对放水试验响应不明显，且在试验期间，水位具有一定缓慢上升的趋势，表明在试验区范围内侏罗系中统含水层与白垩系志丹群含水层水力联系较差。结合前期地质资料分析，井田内大部分被第四系松散沉积物，而白垩系志丹群基岩仅在矿区周围零星分布，白垩系志丹群主要接受大气降水入渗补给，不受井下放水试验影响，也说明侏罗系中统与志丹群之间存在很好的隔水层。

图5 S4#孔水位历时动态曲线 图6 S6#孔水位历时动态曲线

图7 水J6#孔水位历时动态曲线 图8 水文1#孔水位历时动态曲线

图9 水文3#孔水位历时动态曲线 图10 水文2#孔水位历时动态曲线

图11 K7#孔水位历时动态曲线

3 影响试验区地下水动态变化因素分析

地下水动态变化受含水层的渗透性与富水性影响，其中侏罗系中统含水层渗透系数为0.000 43～0.000 89 m/d，单位涌水量为0.113 0～000 791 s·m。因此，其渗透性及富水性在不同地段差异较大，究其原因主要受构造地质作用与沉积时期的沉积环境所形成的岩性相关。

3.1 构造地质作用影响

泊江海子矿为白垩系、侏罗系地层为一套陆相沉积物，由于成岩时间晚，岩石成熟度低，胶结性差(岩石颗粒间多为泥质、钙质胶结充填)，受燕山运动和新构造运动作用，表现为抬升作用和水平挤压作用，再加上各种风化作用，最终形成了以孔隙储水、裂隙导水的双重介质特性。放水试验范围为苏家村向斜轴部，含水层起伏相对较大，如图12，微褶皱范围内的裂隙发育，特别为垂向裂隙发育，为地下水储存提供良好的空间和导水通道。现有巷道揭露了苏家村向斜，发现周围发育较多的小断层，且断层带附近煤岩层较为破碎，如在113106工作面巷道中揭露了两条正断层，F1601的走向35°～45°，倾角70°，落差2.4 m；F1602的走向340°～350°，倾角75°，落差1.8 m。它们均是良好导水通道，也是本次放水试验放水孔水量之大主要原因之一。

利用煤层底板基岩面等高线分布结果，目前放水孔揭露对应含水层埋深最大，煤层底板标高较首采工作面113101低25～30 m，为该区域最主要水流汇集区，且砂岩含水层为相对富水区段。

图12 泊江海子矿试验区范围构造条件分析

3.2 沉积环境

3-1煤层及其顶板的泥岩为泥炭沼泽沉积，其上部的4.8～40.22 m的砾岩层，为山前洪积扇沉积物，然后在此基础上发育了辫状河，即侏罗系中统含水层的岩性以灰白色粗、中粒砂岩为主，局部为灰色粉砂岩、砂质泥岩，经研究分析为陆相辫状河沉积，表现为下部粗、上部细的“二元”河流相沉积特点，现宏观上呈现“砂包泥”，为砂质-富泥辫状河沉积，其富水性大于浅湖、滨湖相沉积，为弱至中等富水。

当放水孔施工过程中穿过该砾石层后进入中粗砂岩后才均出现水量变现为逐渐增大特点。后经统计整个井田岩性发现，粗砂岩分布广泛具有一定的局限性，所占比例仅为38%。因此，厚层状中粗砂岩广泛分布于试验区范围内，这也是放水孔水量大的另一个主要原因。

4 结语

通过放水试验综合分析认为：鄂尔多斯北部地区的侏罗系中统含水层其渗透系数在空间上差异性较大，上述影响因素验证了井下不同地段疏放水量大小悬殊的原因；113101、113102工作面及以东区为弱富水性，而113106试验区范围内主要以中等富水为主，其原因主要受先期的沉积环境与后期褶皱和抬升共同作用结果，其中局部裂隙发育是其影响的主导因素。

[1]许光泉，桂和荣.矿井大型放水试验及其意义[J]. 地下水.2002.9(4)：200-201.

[2]赵雨晴，许光泉，施安才，等.潘北矿A组煤层底板高承压水数值模拟及疏水量预报[J].煤田地质与勘探.2014.42(3)：55-58.

[3]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局. 煤矿防治水规定[S]. 北京：煤炭工业出版社.2009.

[4]谢绍颖，李承军，魏大勇. 恒源煤矿深部开采放水试验及防治水方案[J]. 煤矿安全.2010.31(10)：54-56.

[5]张迎秋，魏久传，王敏，等. 杨村煤矿二、四采区奧灰水放水试验及数值模拟分析[J].水文地质工程地质.2009.53(1)：65-68.

[6]潘国营，王佩璐. 基于群孔大型放水试验的寒灰水疏放可行性研究[J]. 河南理工大学学报.2011.30(6)：674-678.

P641.74

B

1004-1184(2017)05-0043-03

2017-06-05

国家自然科学基金项目(41572147)

李守好(1963-)，男，安徽阜阳人，高级工程师，主要从事矿区水文地质工程方面工作。