翟曉榮，沈書豪，張海潮，吳基文，樊 成，龔世龍

(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽淮南 232001;2.大連大學材料破壞力學數(shù)值試驗研究中心，遼寧大連 116622;3.安徽省淮北礦業(yè)集團公司桃園煤礦，安徽宿州 234116)

礦井水害一直是威脅我國煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一［1～2］。華北型石炭—二疊系煤田在下組煤開采過程中普遍受到其底部的太灰及奧灰?guī)r溶含水層高承壓水的威脅，一旦發(fā)生突水事故，將會造成極大的損失［3］。對于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，在其生產(chǎn)過程中，常需要探查各含水層間相互水力聯(lián)系及灰?guī)r含水層的可疏放性，井下放水試驗是最常用、有效的方法之一［4～5］。通過放水試驗，可以獲得含水層水文地質(zhì)參數(shù)，揭示含水層間水力聯(lián)系，能夠為礦井防治水工作提供指導(dǎo)。

桃園煤礦位于安徽省宿州市墉橋區(qū)北楊寨鄉(xiāng)、桃園鎮(zhèn)、祁縣鎮(zhèn)境內(nèi)，礦井北距宿州市約11 km，南距蚌埠市約75 km。其北界為F1斷層，南部以第10勘探線為界與祁南煤礦毗鄰，西界為10煤層露頭線，東界至32煤層-800 m底板等高線的水平投影線。礦井走向長約15 km，傾向?qū)?.5～3.5 km，面積29.45 km2。

1 Ⅱ2采區(qū)水文地質(zhì)問題

桃園煤礦Ⅱ2采區(qū)位于井田中部-520 m水平以下，上部多個工作面在采掘過程中曾多次發(fā)生涌、突水(如1022工作面最大突水量達410 m3/h)，1041工作面軌道巷揭露1#陷落柱，該區(qū)域井下有多個太灰放水孔，水量均在50 m3/h以上。地面瞬變電磁法探查表明，Ⅱ2采區(qū)下部存在多個富水異常區(qū)。該區(qū)水壓大(大于3.8 MPa)，煤層傾角大，存在褶曲構(gòu)造，三維地震勘探揭露斷層較多，構(gòu)造較復(fù)雜。根據(jù)近期施工的井下水文地質(zhì)鉆孔及巷道揭露情況，該采區(qū)顯示出異常的水文地質(zhì)現(xiàn)象，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，但由于該采區(qū)水文地質(zhì)勘查程度低，水文地質(zhì)條件不清，下組煤10煤開采過程中將受到底板太原組灰?guī)r含水層的高承壓和強富水威脅，同時可能受到奧灰強含水層的補給。為此，在井下開展放水試驗，探查太灰與奧灰間的水力聯(lián)系，為采區(qū)防治水方法的選擇提供科學依據(jù)。

2 放水試驗簡介

2.1 工程布置

根據(jù)現(xiàn)場條件，放水試驗在Ⅱ4軌道大巷進行，為了充分揭露目標含水層的水文地質(zhì)條件，要求放水形成水位降深要足夠大，因此，施工三個放水孔分別為FS1、FS2、FS3，放水孔布置相對集中，以構(gòu)成放水“大井”，井下布置3個水位觀測孔分別為 G1、G2、G3，平面位置圖見圖1。

2.2 放水過程

圖1 放水試驗平面布置圖Fig.1 Project layout of the pumping test

本次放水試驗采用定流量非穩(wěn)定流方式進行，由小到大二次定流量放水，于2014年7月18日—2014年8月2日進行了井下放水試驗工作。總歷時360余小時，共取得各類試驗觀測數(shù)據(jù)約45 000個，累計放水量約36 000 m3。分二個階段進行:第一階段:FS1、FS2孔于2014年7月18日16∶00開始正式放水，放水歷時71.5h，總放水量約15 730 m3，兩孔總涌水量平均為220 m3/h;第二階段:于2014年7月21日15∶30，打開FS3孔，三孔總放水量平均為280 m3/h，歷時89.5 h，總放水量約25 060 m3。

2.3 放水試驗結(jié)果

根據(jù)放水試驗前初始水位及放水試驗過程中井下觀測孔水位資料，對Ⅱ4軌道大巷內(nèi)太灰水位及降深變化進行了分析，結(jié)果見圖2。

圖2 太灰含水層水位變化與降深曲線示意圖Fig.2 Drawdown and water level of the Taiyuan Group limestone aquifer

從圖2中可以看出，在放水試驗開始前，放水孔位置處出現(xiàn)明顯的高水位異?，F(xiàn)象，這與初始探查階段水壓異常吻合。井下觀測孔降深最大為G2孔，總降深值為41.84 m，G3孔次之為25.51 m，最小為G1孔，下降值為2.04 m。此外，地面奧灰長觀孔水位也出現(xiàn)了同步下降，降幅1 m左右。井下各觀測孔離放水孔越遠，水位降深越小。但是放水試驗后，在放水孔位置仍為高水位區(qū)，水位形態(tài)呈開口向下的“喇叭”狀，并未形成一般放水試驗結(jié)束后的水位降落漏斗，說明可能存在奧灰水的補給，這反映了本次放水試驗的特殊性。

此外，從圖2中可以看出，放水區(qū)段所處位置的巖層地質(zhì)條件為一寬緩的褶曲，通常情況下在向、背斜軸部巖體應(yīng)力集中，其附近巖體中裂隙也較正常位置更為發(fā)育，且放水過程中所揭露的高水位異常區(qū)也在此位置附近，同時在勘探及井下揭露中并未發(fā)現(xiàn)該處有大的斷層發(fā)育。因此，基于上述分析，推測該處高水位異常區(qū)很可能是沿該褶曲軸部發(fā)育的一條破碎帶造成，從而使奧灰與太灰含水層在垂向上產(chǎn)生直接水力聯(lián)系。

3 含水層系統(tǒng)概化

3.1 模擬區(qū)域

為了全面了解Ⅱ2采區(qū)的水文地質(zhì)條件和放水過程中地下水流場的變化過程，本次模擬區(qū)域南北方向以采區(qū)邊界為界，西部以10煤隱伏露頭為界，東部邊界為10煤層底板-950 m等值線。模擬區(qū)東西寬1 400 m，南北長2 800 m。

3.2 含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概化

本次放水試驗的目的主要是探查太原組上部1-4灰與下部奧灰強含水層之間的水力聯(lián)系，因此，模型垂向上概化為三段。太原組上段灰?guī)r含水層，主要包括4層薄層灰?guī)r，厚度約30 m，其中第一、二層石灰?guī)r厚度小，第三、四層石灰?guī)r厚度較大，巖溶裂隙發(fā)育，含水豐富，各灰?guī)r層間無穩(wěn)定隔水層，水力聯(lián)系密切，將其視為一統(tǒng)一含水體;4灰以下各層灰?guī)r富水性較弱，為弱透水層;下部奧灰為強含水層。含水層在不同的區(qū)域其滲透系數(shù)K值不同，屬于非均質(zhì)含水層，但在同一區(qū)，其各個方向上的滲透系數(shù)差別不大，可視為各向同性含水層。

3.3 補排項概化

排泄項為礦井疏放水和含水層側(cè)向徑流排泄等。由于本次模擬將4灰下至奧灰之間的巖層概化為弱透水層，可不考慮中段弱透水層的補給，僅考慮1-4灰含水層本身及下部奧灰水。因此，所有補給項來源于太灰上部1-4灰層間側(cè)向補給及下部奧灰水的垂向補給。

3.4 邊界條件概化

根據(jù)研究區(qū)1-4灰?guī)r含水層結(jié)構(gòu)特點，上部與煤系砂巖裂隙含水層距離較大，與其不發(fā)生垂向上的水力聯(lián)系，下部不考慮與中段弱透水層發(fā)生水力聯(lián)系。根據(jù)本次放水試驗的特點，放水孔附近出現(xiàn)水壓高異常，在7 MPa左右，且在放水過程中，奧灰水位與太灰水位發(fā)生了同步性下降，最大降幅1 m左右，由此推斷，放水段可能在下方受到了奧灰的垂向直接補給，因此下段奧灰含水層可視為定水頭補給邊界，其余邊界可作為流量邊界。

4 模型建立及結(jié)果分析

4.1 模型的建立及參數(shù)分區(qū)

根據(jù)采區(qū)地質(zhì)特征，模擬區(qū)屬于單斜構(gòu)造，地層傾角約20°，地質(zhì)剖面圖見圖3。本次模型垂向上概化為三段，上段1-4灰厚30 m，中段弱透水層厚80 m，下段奧灰厚10 m，模型厚度共計120 m，模擬區(qū)南北長2 800 m，東西寬1 400 m，對研究區(qū)域進行三維剖分。本次用軟件進行自動剖分為280行，140列，共39 200個計算單元。

圖3 研究區(qū)沿傾向地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological profile in the dip direetion in the study area

通過對研究區(qū)內(nèi)放水試驗水文地質(zhì)資料進行整理，根據(jù)太灰含水層的分布規(guī)律(埋深、厚度、組合特征)、巖溶水的天然流場、構(gòu)造條件以及巖溶發(fā)育規(guī)律，并參考放水試驗資料的解析法求參結(jié)果，經(jīng)過多次的參數(shù)調(diào)試，最終確定了研究區(qū)的參數(shù)分區(qū)，分區(qū)圖見圖4，結(jié)果見表1。

圖4 模型沿走向參數(shù)分區(qū)圖Fig.4 Partition of parameters in the strike direction

表1 模型水文地質(zhì)參數(shù)優(yōu)選成果表Table 1 Optimization results of hydrogeological parameters

4.2 模擬時間的確定

模擬時間取放水持續(xù)時間，分為兩個階段:第一階段2014年7月18日16:00-21日15:30，持續(xù)時間3 d:第二階段2014年7月21日15:30時-25日9:00，持續(xù)時間3.5d。對應(yīng)二個放水階段模型分為2個地下水應(yīng)力期，每應(yīng)力期時間步長設(shè)為10，遞增因子設(shè)為 1.2［6］。

4.3 模型的識別驗證

為使建立的數(shù)值模型能準確地刻畫客觀水文地質(zhì)原型，需對模型進行調(diào)試和識別［7］。通過對水文長觀孔地下水位曲線的擬合，識別含水層給水度及彈性釋水系數(shù)的空間分布。水位觀測孔擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5 觀測孔水位擬合圖Fig.5 Fitting of guoundwater levels in the observation holes

通過對比分析模擬結(jié)果與觀測成果發(fā)現(xiàn)，模擬的水位變化過程與實測的水位變化趨勢基本一致，擬合精度較高，僅個別時間點的水位值擬合產(chǎn)生一定誤差，但水位變化趨勢是一定的，表明觀測孔水位擬合良好，對整體地下水流場影響不大。

4.4 模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬確定了奧灰與太灰含水層之間存在垂向上的補給通道，當計算水位與實際擬合程度最高時，最終確定該補給帶寬度為50～60 m，長度約為300 m，且垂向滲透性明顯大于其側(cè)向滲透性，具有明顯的各向異性。

基于軟件Zone budget得出本次放水試驗過程中奧灰通過補給通道對太灰的總補給量約為300 m3/h，略大于放水量，說明本次放水補給源主要來自該條帶。該補給量略大于本次放水試驗的放水量，說明由于放水段高水位的存在，下伏奧灰水在水力梯度的作用下，不僅對太灰含水層進行垂向補給，同時還對太灰含水層進行層間側(cè)向補給。因此，若發(fā)生底板突水，采區(qū)煤層開采將受到奧灰水的嚴重威脅。

5 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬得出，桃園礦Ⅱ2采區(qū)太灰含水層與下伏奧灰強含水層間存在一寬度50～60 m，長度約300 m的垂向補給通道，且該通道垂向滲透性大于側(cè)向滲透性，具有明顯各向異性。

(2)通過Zone budget得出，放水試驗期間奧灰補給量約300 m3/h，放水量基本來自奧灰含水層，太灰本層補給有限，采區(qū)下組煤開采受到奧灰含水層的威脅。

(3)基于放水試驗結(jié)果，目前在該采區(qū)采用了地面垂直鉆探，到達太灰層位后改用水平鉆進技術(shù)，對異常區(qū)太灰含水層沿層面進行注漿加固改造的防治水措施，為下一步該采區(qū)10煤的開采提供安全保障。

［1］ 邵太生，邵愛軍，彭建平.峰峰五礦底板突水數(shù)值模擬及涌水量預(yù)測［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36(4):27-31.［SHAO T S，SHAO A J，PENG J P.Numerical simulation of water invasion of No.5 Mine in Fengfeng Coalfield ［J］. Hydrogeology ＆Engineering Geology，2009，36(4):27-31.(in Chinese)］

［2］ 魯海峰，袁寶遠，姚多喜.帶壓開采煤層底板突水安全可靠性分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，37(6):1-5.［LU H F，YUAN B Y，YAO D X.Reliability analysis of water inrush from the confined aquifer above the seam floor during mining［J］.Hydrogeology ＆Engineering Geology，2011，37(6):1-5.(in Chinese)］

［3］ 潘國營，王佩璐.基于群孔大型放水試驗的寒灰水疏放可行性研究［J］.河南理工大學學報(自然科學版)，2011，30(6):675-678.［PAN G Y，WANG P L.The feasibility study on Cambrian limestone water discharging based on large dewatering text of group holes［J］. Journal of Henan University of Science and Technology(Natural Science)，2011，30(6):675-678.(in Chinese)］

［4］ 許光泉，桂和榮.礦井大型放水試驗及其意義［J］.地下水，2002，9(4):200-201.［XU G Q，GUI H R.Large dewatering test and its significance of coal mine［J］.Underground Water，2002，9(4):200-201.(in Chinese)］

［5］ 翟曉榮，吳基文，韓東亞.補給邊界群孔放水試驗的含水層參數(shù)計算［J］.中國礦業(yè)大學學報，2014，43(5):837-840.［ZHAI X R，WU J W，HAN D Y.Aquifer parameter calculation of pumping test of group holes with recharge boundary［J］.Journal of China University of Mining＆ Technology，2014，43(5):837-840.(in Chinese)］

［6］ 毛邦燕.復(fù)雜巖溶介質(zhì)礦井涌水量的三維數(shù)值模擬研究［D］.成都:成都理工大學，2005.［MAO B Y.3-D Numerical simulation for the mine discharge of complexkarstmediator［D］. Chengdu:Chengdu University of Technology，2005.(in Chinese)］

［7］ 李貴仁，趙珍，陳植華.數(shù)值模擬在反演礦區(qū)水文地質(zhì)條件中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40(2):19-23.［LI G R，ZHAO Z，CHEN Z H.Application of numerical simulation to inverting hydrogeologicalconditions in mining areas ［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2013，40(2):19-23.(in Chinese)］