劉軍

【摘要】煤系地層中的火燒層是木壘縣阿吾孜蘇煤礦礦區(qū)主要的含水層，也是影響煤炭資源安全開(kāi)采的主要含水層。為保證安全生產(chǎn)，并合理利用火燒層中的地下水，精確的計(jì)算地下水的補(bǔ)給量是十分重要的。開(kāi)采性抽水試驗(yàn)資料可以確定地下水補(bǔ)給來(lái)源、抽水影響范圍、含水層的富水性及供水保證能力等，由于木壘縣阿吾孜蘇煤礦礦區(qū)面積小，火燒區(qū)廣泛分布，火燒程度及深度不均一，開(kāi)采性抽水試驗(yàn)是計(jì)算地下水補(bǔ)給量最直接、精度較高的勘察手段。

【關(guān)鍵詞】開(kāi)采性抽水試驗(yàn)；煤礦；火燒層；地下水補(bǔ)給量

引言

木壘縣阿吾孜蘇煤礦礦區(qū)位于木壘縣城北部，與木壘縣城直線距離82km，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9Mt/a，煤礦開(kāi)采以地下井巷開(kāi)采為主。煤系地層中的火山層是礦區(qū)主要的含水層，也是影響煤炭資源安全開(kāi)采的主要含水層。為保證安全生產(chǎn)，避免開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生“突水”事件，并合理利用該層中的地下水，精確的計(jì)算地下水的補(bǔ)給量是十分重要的。由于礦區(qū)面積較小、水文地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，顧采用開(kāi)采性抽水試驗(yàn)以較快并較精確的計(jì)算地下水補(bǔ)給量。

1、水文地質(zhì)條件

1.1 基本情況

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的地層有古生界石炭系上統(tǒng)孔雀屏組上段、二疊系下統(tǒng)下芨芨槽群下亞群、中生界侏羅系下統(tǒng)三工河組、中侏羅統(tǒng)西山窯組、新生界第三系中-上新統(tǒng)獨(dú)山子組和第四系全新統(tǒng)。侏羅系中統(tǒng)西山窯組廣泛分布于試驗(yàn)區(qū)，是試驗(yàn)區(qū)主要含煤地層，火燒層是此層中煤燃燒后引起此層及圍巖燒變后的巖性反映，火燒層廣泛分布于試驗(yàn)區(qū)中部，基本連續(xù)，火燒程度和深度不均一，火燒層呈褐色、褐紅色、灰黑色，塊狀、碎裂狀、巨厚層狀，火燒深度80-150m。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)含水層的成因、巖性特征、控水性質(zhì)、富水程度和水理特征，將礦區(qū)含水層劃分為第四系松散巖類(lèi)透水不含水層、第三系碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙承壓含水巖組、侏羅系碎屑巖類(lèi)孔隙承壓含巖組和基巖裂隙水含水巖組四大類(lèi)。

第四系松散巖類(lèi)透水不含水層廣泛分布于試驗(yàn)區(qū)，為含煤地層上部覆蓋層，厚度一般10-15m，由于其多處于地下水位以上，從而構(gòu)成透水不含水層，僅局部低洼處為含水層。

新進(jìn)系碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙承壓含水巖組在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)零星分布，不整合于侏羅系含水巖組之上。含水層巖性以砂巖為主，含水巖層較薄，富水性相對(duì)較弱。

侏羅系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓含水巖組又分為無(wú)火燒侏羅系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓含水巖組和燒變巖類(lèi)裂隙孔隙含水層。無(wú)火燒含水巖組呈條帶狀分布于礦區(qū)周邊，巖性主要為一套陸相煤系地層，其中砂巖、礫巖及煤層含水，泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖相對(duì)隔水，富水性弱。燒變巖裂隙孔隙含水層原屬侏羅系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組，廣泛分布于試驗(yàn)區(qū)中部，因煤層自燃，導(dǎo)致其裂隙和孔隙特別發(fā)育，一般呈蜂窩狀，透水性強(qiáng)，是地下水儲(chǔ)存的良好空間，水量豐富。

基巖裂隙水含水巖組主要為石炭系和二疊系含水巖組。石炭系含水巖組主要分布在礦區(qū)東北部，巖性為凝灰?guī)r、砂巖。地下水賦存于各種巖漿巖及中深變質(zhì)巖系的裂隙中，水量貧乏。二疊系含水巖組分布于礦區(qū)東南部，主要巖性為礫巖、砂巖、泥巖。該巖組裂隙不發(fā)育，水量貧乏。

2、開(kāi)采性抽水試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)共啟用9眼水文孔，其中東部條帶狀火燒層布設(shè)1眼抽水孔，中部火燒層布設(shè)2眼抽水孔，3眼抽水孔外圍均勻布設(shè)6眼觀測(cè)孔。抽水試驗(yàn)持續(xù)59天，總抽水量為16174.10m3/d。本次抽水試驗(yàn)總體分兩個(gè)大的階段：抽水階段和水位恢復(fù)階段。

抽水階段共持續(xù)28天。抽水開(kāi)始后，水位急劇下降，第一天水位下降幅度最大，其中SK1由于地處東部條帶狀火山層中，地下水補(bǔ)給條件相對(duì)較差，水位下降22.83m，迅速形成降落漏斗；SK2、SK3水位分別下降0.87m、1.73m。抽水5天后，基本形成降落漏斗，但降落漏斗形態(tài)不穩(wěn)定。隨著時(shí)間的推移，地下水水位持續(xù)下降，但下降速率逐漸降低。抽水至20天后，地下水水位依然持續(xù)下降，下降速率趨于穩(wěn)定，同時(shí)形成穩(wěn)定的降落漏斗。抽水過(guò)程中各觀測(cè)孔水位以穩(wěn)定的速率下降。至抽水20天后，抽水孔與觀測(cè)孔水位基本呈同步等幅下降。

水位恢復(fù)階段共持續(xù)31天。停泵后，水位急劇上升，第一天水位恢復(fù)幅度最大，其中SK1水位上升33.75m、SK2水位上升0.98m、SK3水位上升2.09m。之后水位上升速率明顯下降，但仍然持續(xù)上升。觀測(cè)5天后水位上升速率趨于穩(wěn)定。恢復(fù)水位觀測(cè)至31天后，水位仍無(wú)法恢復(fù)至原始水位，其中SK1水位較原始水位低1.01m，SK2水位較原始水位低1.48m，SK3水位較原始水位低1.22m。與此同時(shí)，各觀測(cè)孔水位開(kāi)始同步上升，但31天后，觀測(cè)孔水位亦無(wú)法恢復(fù)至初始水位。

3、地下水補(bǔ)給量計(jì)算

3.1 開(kāi)采試驗(yàn)法

在長(zhǎng)期抽水過(guò)程中，主井及觀測(cè)井的水位一直持續(xù)緩慢下降，停止抽水后，水位雖有恢復(fù)，但始終達(dá)不到初始水位，說(shuō)明抽水量大于補(bǔ)給量，消耗了含水層中的儲(chǔ)存量。選擇抽水后期，主井與觀測(cè)井出現(xiàn)同步等幅下降時(shí)的抽水試驗(yàn)資料，此時(shí)，若沒(méi)有其他消耗，抽水量由兩部分組成，即開(kāi)采條件下的補(bǔ)給量和含水層消耗的儲(chǔ)存量，任一抽水段內(nèi)產(chǎn)生水位降深的水均衡關(guān)系式為：

水位恢復(fù)時(shí)計(jì)算補(bǔ)給量的公式為：

將抽水試驗(yàn)抽水后期及水位恢復(fù)后期數(shù)據(jù)帶入上述公式（1）及（2）中，利用消元法即可求出地下水補(bǔ)給量。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給量為2399.64m3/d。

3.2 斷面法

為進(jìn)一步檢驗(yàn)開(kāi)采試驗(yàn)法的計(jì)算結(jié)果，采用常用補(bǔ)給量計(jì)算方法斷面法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，斷面法計(jì)算公式如下：

上述公式計(jì)算時(shí)，滲透系數(shù)K取計(jì)算斷面上各單孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的滲透系數(shù)平均值；水力坡度I由等水位線成果量??；含水層平均厚度B取計(jì)算斷面上各鉆孔含水層厚度平均值；計(jì)算斷面與地下水流方向的夾角由等水位線成果量取。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給量為2828.30m3/d。

由上述結(jié)果可知，通過(guò)開(kāi)采試驗(yàn)法和斷面法計(jì)算得到的地下水補(bǔ)給量相差較小，相對(duì)誤差為17.86%，

認(rèn)為計(jì)算結(jié)果可靠。但相對(duì)開(kāi)采試驗(yàn)法而言，斷面法精度較低，故試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給量取開(kāi)采試驗(yàn)法計(jì)算得到的2399.64m3/d。

4、結(jié)論

（1）開(kāi)采性抽水試驗(yàn)對(duì)于查明水文地質(zhì)條件復(fù)雜的火山區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源、補(bǔ)給量等問(wèn)題是最直接有效且精度相對(duì)較高的勘察手段。

（2）分析開(kāi)采性抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本次開(kāi)采性抽水試驗(yàn)為非穩(wěn)定流狀態(tài)，抽水階段水位持續(xù)下降，恢復(fù)階段水位持續(xù)上升但無(wú)法恢復(fù)至初始水位。利用開(kāi)采性抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得的地下水補(bǔ)給量為2399.64m3/d，與采用斷面法計(jì)算結(jié)果相近，結(jié)果可靠。

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