侏罗纪煤田宝塔山砂岩含水层大流量大降深放水试验

赵宝峰

(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)

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在一次性能源结构中占60%左右[1]。鄂尔多斯盆地是我国重要的含煤盆地，其侏罗纪煤炭资源总量占全国的31.9%[2]，我国批准建设了14个亿吨级煤炭生产基地，其中有4个基地开发鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源。侏罗系延安组是侏罗纪煤田的重要含煤地层，其采掘活动主要受到顶板水害的威胁[3-4]，前人在顶板含水层水文地质条件探查[5-6]、水害机理分析[7-9]和顶板水害治理方面[10-11]开展了大量工作，取得了丰硕的成果。而延安组煤系间含水层(包括底部的宝塔山砂岩含水层)通常被认为渗透性和富水性较弱，不会对矿井生产造成水害威胁，故侏罗纪煤田地质勘探和水文地质补充勘探均对宝塔山砂岩含水层开展的水文地质工作较少，同时缺乏对宝塔山砂岩含水层水文地质条件的系统研究。

随着对延安组下组煤炭资源的开发，煤层底板宝塔山砂岩含水层成为影响和威胁下组煤安全开采的重要因素：宁东煤田鸳鸯湖矿区某矿6煤和10煤工作面2次揭露一个封闭不良钻孔，底板涌水量分别为25 m3/h和31 m3/h，18煤首采工作面机巷施工过程中发生底板出水，涌水量为60 m3/h，水压为0.25 MPa；碎石井矿区某矿风井掘进揭露封闭不良钻孔发生集中出水，底板涌水量达120 m3/h；鄂托克前旗新上海一号煤矿一分区胶带暗斜井掘进至二十煤底板附近发生底板涌水，峰值水量达3 600 m3/h。为了保障侏罗纪煤田下组煤安全开采，需要针对宝塔山砂岩含水层开展专项水文地质勘探工作。抽水试验是矿井水文地质条件探查的主要手段，但是由于受到孔径和水泵能力的限制，抽水量有限，导致抽水试验目标含水层地下水位的降深也较小，不能在最大程度上暴露含水层的水文地质条件，而井下放水试验由于距离目标含水层较近，放水过程无需动力驱动，可以开展大流量大降深放水试验，从而可以完成某些抽水试验不能完成的探查任务[12-14]。

1 研究区宝塔山砂岩含水层概况

1.1 研究区概况

新上海一号煤矿位于内蒙古鄂尔多斯鄂托克前旗上海庙矿区，主采侏罗系延安组煤层，可采煤层 10层，资源储量5.19亿t，设计生产能力400万t/a，服务年限60.2 a。矿井分为2个水平，一水平大巷标高+880 m，布置在八煤；二水平大巷标高+773 m，布置在二十一煤。矿井于2008年5月开工建设，目前正在回采八煤和十五煤，工作面采用走向长壁一次采全高综采采煤法，全部垮落法控制工作面顶板。

1.2 研究区地质与水文地质条件

井田内钻孔揭露地层由老至新主要有：三叠系延长组、侏罗系延安组、侏罗系直罗组；白垩系志丹群；古近系及第四系。其中含煤地层为侏罗系延安组，盖层为白垩系、古近系及第四系。

该井田主体构造形态为一向东倾伏的单斜构造，北部发育有宽缓的次级褶曲，井田内岩层较为平缓，一般岩层倾角为3°～13°，除断层附近外，基本无突然倾斜变化。井田共发现30条断层，落差大于20 m的断层9条，其中规模最大的为F2(落差>500 m)和DF20(落差>150 m)断层，如图1所示。

图1 井田构造纲要及各水文地质钻孔平面布置图

井田内含水层主要为松散岩类孔隙含水层和碎屑岩类孔隙裂隙含水层，后者包括白垩系、侏罗系直罗组、延安组煤系间、延安组底部宝塔山和三叠系承压含水层水，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，后期开采的十八煤和二十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

1.3 宝塔山砂岩含水层

延安组底部的宝塔山砂岩是延安组地层在区域上比较明显的对比划分主要标志层，其岩性主要为灰白、灰黄色粗粒长石石英砂岩，底部常有细砾岩或砂砾岩，易于识别[15]。

2015年11月，新上海一号煤矿一分区胶带暗斜井下山掘进至+746.6 m(二十煤顶板5～8 m)处，发生底板集中涌水，涌水量由最初的1 500 m3/h逐渐增大至3 600 m3/h，根据对出水原因的分析，出水水源为二十一煤底板宝塔山砂岩含水层水。为了进一步探查宝塔山砂岩含水层水文地质条件，在胶带暗斜井底板出水后施工了1号水文孔，2017年和2019年针对宝塔山砂岩含水层又分别开展了水文地质补充勘探工作，共施工了13个水文地质钻孔，根据钻探和抽水试验成果，含水层厚度为14.21～127.10 m，平均值为59.64 m；单位涌水量为0.037 7～1.070 9 L/(s·m)，平均值为0.482 0 L/(s·m)；渗透系数为0.105 7～2.060 3 m/d，平均值为0.939 4 m/d；影响半径为76.95～239.37 m，平均值为154.70 m；抽水水位降深为8.17～51.86 m，平均值为21.46 m；抽水量为5.22～40.35 m3/h，平均值为26.08 m3/h。通过以上水文地质勘探工作，初步查明了宝塔山砂岩含水层的水文地质条件。

由于抽水试验的抽水量与地下水位降深较小，其影响半径有限，从而对含水层地下水流场扰动较小。宝塔山砂岩含水层与其他含水层之间的水力联系，在大流量疏放水的条件下含水层是否具备可疏性，以及其最大水位降深与影响范围、疏放水量的衰减特征等均无法通过抽水试验查清。为了全面掌握宝塔山砂岩含水层的水文地质条件，拟在井下开展大流量大降深放水试验。

2 宝塔山砂岩含水层放水试验

2.1 放水试验概况

本次放水试验的目标含水层为煤层底板宝塔山砂岩含水层，放水孔F1、F2、F3和F4位于井田中部，观测孔选取在井田范围内及周边布设的各主要含水层长观孔，放水试验平面布置见图1。

放水试验分为单孔放水试验及多孔放水试验，其放水试验起止日期、放水孔编号、放水量与放水时间见表2。

表2 放水试验阶段划分及放水量

2.2 井下放水孔观测数据分析

2.2.1 放水孔水压观测

在F1～F4井下放水孔放水时，也对其水压变化进行了同步观测。4个放水孔的初始水压均为3.1 MPa，F2单孔放水时，其水压稳定在0.6 MPa，F1、F3和 F4放水孔水压分别稳定在2.0、2.4、2.4 MPa，停止放水恢复水位后，4个放水孔水压均稳定在3.0 MPa，水压在短时间内未能恢复至初始水压；多孔放水第一阶段(F2放水)4个放水孔水压分别为2.3、0.9、2.5、2.5 MPa，第二阶段(F2、F3放水)4个放水孔水压分别为2.0、0.7、0.1、2.0 MPa，第三阶段(F1、F2、F3和F4放水)4个放水孔水压分别为0.7、0.5、0、0 MPa，停止放水恢复水位后，4个放水孔水压均稳定在2.7 MPa。放水孔水压历时变化曲线如图2所示。

图2 各放水孔水压历时变化曲线

2.2.2 放水孔水量观测

F2单孔放水量平均值为237.91 m3/h，且在长达624 h的放水过程中水量没有发生明显衰减，说明宝塔山砂岩含水层富水性和渗透性较强，并具有一定的补给水源。放水孔总放水量历时变化曲线如图3所示。

图3 放水孔总放水量历时变化曲线

多孔放水第一阶段F2放水量为206.52 m3/h;第二阶段F2放水量减小至192.06 m3/h，F3放水量为140.86m3/h；第三阶段F2放水量减小至160.06 m3/h，F3放水量减小至113.66 m3/h。这表明放水孔之间连通性较好。4个放水孔总放水量在444.10 m3/h长达504 h的放水条件下，总放水量呈现出逐渐衰减的趋势，初步说明宝塔山砂岩含水层在大流量长时间的疏水降压条件下具备可疏性。多孔放水试验各放水孔放水量历时变化曲线如图4所示。

图4 多孔放水试验各放水孔放水量历时变化曲线

2.3 地面观测孔数据分析

在本次放水试验中，宝塔山砂岩含水层水位地面观测孔共有10个，各观测孔水位均对井下放水产生了不同程度的响应，在大流量放水条件下宝塔山砂岩含水层水位呈现持续下降趋势。宝塔山砂岩含水层各观测孔水位历时变化曲线如图5所示。

2.4 宝塔山砂岩含水层水文地质参数计算

1)渗透系数

本次放水试验为非稳定流放水，为了使基于放水试验获取的渗透系数更加可靠，利用距离放水孔最近的B6、B7、B44和B45观测孔水位资料，采用配线法、Aquifer test和直线图解法3种方法计算了宝塔山砂岩含水层的渗透系数(见表3)，与抽水试验结果相差不大。

表3 基于放水试验的宝塔山砂岩含水层渗透系数计算结果

2)单位涌水量

F2放水孔单孔放水试验时水量为237.91 m3/h(66.09 L/s)，水压从3.1 MPa降到0.6 MPa(水位降深250 m)，计算得到单位涌水量q为0.264 3 L/(s·m)。与以往单位涌水量计算结果相比，本次放水试验获取的单位涌水量较小，主要是由于放水孔未完全揭露宝塔山砂岩含水层所致。

2.5 宝塔山砂岩含水层与其他含水层的水力联系

在对宝塔山砂岩含水层进行放水的同时，对白垩系、直罗组、煤系间及三叠系含水层水位进行了同步观测，各含水层观测孔平面位置见图1。其中白垩系含水层B9观测孔、煤系间Z6、Z7观测孔和三叠系B36、B39观测孔产生了不同程度的水位变化响应，各含水层观测孔水位历时变化曲线见图6。三叠系含水层B39观测孔水位变化幅度较小，主要是由于其位于井田南部边界，距离放水孔较远所致。根据B9、Z6、Z7、B36和B39观测孔水位变化幅度判断，宝塔山砂岩含水层与三叠系含水层水力联系最为紧密，其次是白垩系，宝塔山砂岩含水层与煤系间含水层具有一定的水力联系。

图6 各含水层观测孔水位历时变化曲线

2.6 宝塔山砂岩含水层放水试验影响范围

放水试验期间各观测孔水位降深及其与放水孔之间距离的相关关系见图7，两者呈对数型相关关系，观测孔水位降深随着与放水孔距离的增大而减小。在单孔和多孔放水试验时，距离放水孔最远的B37观测孔水位也出现了明显的响应，放水试验的影响范围超过了5 500 m，说明宝塔山砂岩含水层在水平方向上的连续性强，渗透性好。

图7 水位降深与放水孔之间距离的相关关系曲线

2.7 宝塔山砂岩含水层水文地质特征及水害防治方案

2.7.1 宝塔山砂岩含水层水文地质特征

通过对宝塔山砂岩含水层开展大流量大降深放水试验，在最大程度上激发了井田内各含水层水位变化，进一步查明了含水层的水文地质特征，包括以下几个方面：

1)疏放水量大。单孔放水水量平均值为237.91 m3/h，多孔放水水量平均值为444.10 m3/h，远大于抽水试验的抽水水量(最大值40.35 m3/h)，说明可以在井下对含水层进行大流量疏水降压。

2)水压高。根据钻孔资料，十八煤平均带压3.88 MPa，二十煤平均带压4.28 MPa，下组煤普遍带压程度较高。

3)放水影响范围广。大流量放水试验的影响范围超过5 500 m，远大于抽水试验的影响范围(最大值239.37 m)。

4)具有一定的补给条件。宝塔山砂岩含水层与白垩系、煤系间、三叠系含水层存在水力联系，在疏水降压时会接受其他含水层的补给。

5)具有可疏性。放水试验后各观测孔水位在短时间内均没有恢复至初始水位，并且大流量放水使地下水位产生最大降深达310 m，远大于抽水试验时地下水位降深(最大值51.86 m)，同时放水孔的流量还有明显的衰减趋势，说明宝塔山砂岩含水层具有可疏性。

2.7.2 宝塔山砂岩含水层水害防治方案

根据抽水试验和放水试验研究成果，下一步应该在八煤或十五煤具备条件的区域对宝塔山砂岩含水层进行疏水降压，暗斜井向二水平掘进过程中要严格按照《煤矿防治水细则》相关要求进行探放水，在十八煤和二十煤工作面回采前采用突水系数对其安全开采的可行性进行论证，或对工作面与宝塔山砂岩含水层之间的防隔水煤(岩)柱尺寸进行核算，确保宝塔山砂岩含水层地下水位及其与工作面之间的隔水层厚度满足相关要求，方可进行工作面回采。

3 结论

1)对宝塔山砂岩含水层进行大流量放水试验时，根据其他各含水层的水位变化情况，确定宝塔山砂岩含水层与白垩系、煤系间、三叠系含水层之间存在水力联系。

2)大流量放水试验不仅可以在垂向上使地下水位出现大降深，同时在平面上的影响范围也较大，说明宝塔山砂岩含水层具有一定的可疏性。

3)基于宝塔山砂岩含水层大流量大降深放水试验，进一步查明了含水层的水文地质特征，并形成了相应的底板砂岩水害防治方案，为下组煤安全开采提供了依据。