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(1.淮南西部煤礦投資管理有限公司泊江海子礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

泊江海子礦放水試驗(yàn)及地下水位動(dòng)態(tài)特征與影響因素分析

李守好1，金修如1，黎志豪2，李旭2，許光泉2

(1.淮南西部煤礦投資管理有限公司泊江海子礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

查清水文地質(zhì)條件是泊江海子礦科學(xué)設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的重要前提。本文以泊江海子礦為例，通過井下放水試驗(yàn)工程，開展侏羅系中統(tǒng)含水層的疏放水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其地下水動(dòng)態(tài)變化在空間上具有一定規(guī)律性，而白堊系含水層水位不受其影響，二者之間不存在水力聯(lián)系。試驗(yàn)區(qū)范圍的滲透系數(shù)差異較大，為弱透水性，單位涌水量在空間上具有較大的差異性，其富水位性中等到弱，影響其變化的主要因素為后期的燕山和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造地質(zhì)作用與沉積環(huán)境共同作用的結(jié)果。

泊江海子礦；放水試驗(yàn)工程；地下水動(dòng)態(tài)；構(gòu)造地質(zhì)與沉積環(huán)境

井下放水試驗(yàn)是礦山水文地質(zhì)勘探最重要的補(bǔ)充手段[1]，是查清不明礦井水文地質(zhì)條件的最重要的方法[2]。它以現(xiàn)有井下巷道作為依托，向四周煤層頂?shù)装搴畬影凑找欢ㄒ笫┕に牡刭|(zhì)鉆孔，開展疏放水試驗(yàn)[3]，同時(shí)，對(duì)井下和地面的觀測(cè)孔進(jìn)行水壓(位)觀測(cè)，利用大量的水文地質(zhì)信息，分析試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件，從而為礦山防治水提供重要的依據(jù)[4-6]。泊江海子礦位于鄂爾多斯盆地北部，是目前周邊開采最深的礦井。井田自上而下地層為第四系、白堊系、侏羅系以及三疊系和二疊系等地層。侏羅系下統(tǒng)延安組3-1煤層為開采對(duì)象，其直接充水水源為煤層頂板的砂巖孔隙-裂隙水，且具有以孔隙儲(chǔ)水、裂隙導(dǎo)水的雙重介質(zhì)特點(diǎn)。通過近幾年來對(duì)侏羅系中統(tǒng)地面水文地質(zhì)勘探及先期的兩個(gè)工作面疏放水工程，其地下水水位下降過程中，具有不均勻性，初步分析認(rèn)為與其滲透性與富水性密切相關(guān)。為了進(jìn)一步研究在疏放水過程中其地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，在113106工作面巷道設(shè)計(jì)、施工疏放水鉆孔。當(dāng)1#孔施工穿過礫石層后，至128 m時(shí)，單孔水量達(dá)115 m3/h，是以往工作面單孔放水量10倍，且水壓為4～5 Mpa，該范圍的頂板砂巖富水性與其他采面截然不同，因而需要在113106面巷道內(nèi)系統(tǒng)開展一次放水試驗(yàn)，分析其影響因素。

1 試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)為一盤區(qū)所在范圍，包括113101至113106面，以及首采區(qū)的聯(lián)巷，如圖1。其中113106面位于礦井西翼3-1煤層的一盤區(qū)中部，主采3-1煤層，工作面長(zhǎng)為2 830 m，寬為240 m，底板標(biāo)高為+786.7～+843 m。煤層厚度3.15～6.17 m，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含0～2層以泥巖為主的夾矸，厚度0.18～0.60 m，煤層傾向240°～325°，傾角0°～3°。

試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體為北西向傾斜的單斜構(gòu)造。在北段為一寬緩向西傾伏的蘇家村北向斜，北翼地層傾向240°～260°，傾角1°～3°，南翼地層傾向320°～350°，地層傾角0°～2°，局部起伏較大。

1.2 試驗(yàn)區(qū)含(隔)水層

試驗(yàn)區(qū)的3-1煤層上部含(隔)水層分別為侏羅系中、下統(tǒng)延安組頂部的不穩(wěn)定砂泥層、礫巖隔水層，以及侏羅系中統(tǒng)(J2)砂巖承壓水含水層，白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)底部隔水層以及志丹群(K1zh)孔隙潛水-承壓水含水層。

圖1 放水試驗(yàn)平面布置圖

圖2 二勘探線地層剖面

在試驗(yàn)區(qū)各工作面的頂板上部為分布不穩(wěn)定的薄層粉砂巖、細(xì)砂巖含水層，再向上為砂質(zhì)泥巖以及厚層礫巖組成的相對(duì)隔水層，平均厚度為41.3 m，其中礫巖的厚度為8.5～32 m，較為穩(wěn)定，為良好隔水層，礫石層頂部的侏羅系中統(tǒng)的厚層狀充水含水層，也是本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)層，它由淺黃色、青灰色中粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖以及紫紅色、雜色粉砂巖及泥巖等構(gòu)成，富水性較好，平均厚度為123 m，如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排

試驗(yàn)區(qū)上部含水層為白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)、侏羅系中統(tǒng)(J2)承壓含水層，且志丹群(K1zh)及侏羅系中統(tǒng)(J2)僅在井田西北部零星出露，因此承壓水的主要補(bǔ)給來源為區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，其次為上部潛水的垂直入滲補(bǔ)給，在西北部基巖出露處也接受大氣降水的入滲補(bǔ)給。承壓水一般沿地層走向徑流。承壓水以側(cè)向徑流排泄為主，以及受掘進(jìn)影響，以垂向和側(cè)向滲流流入巷道。

2 群孔放水試驗(yàn)

在前期工作面疏放資料分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》(國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局，2009)，結(jié)合現(xiàn)有井下巷道特點(diǎn)，來設(shè)計(jì)合理疏放與觀測(cè)鉆孔參數(shù)。采用1～3個(gè)孔放水、多孔觀測(cè)的群孔放水試驗(yàn)方法，整個(gè)過程分為放水階段與恢復(fù)階段，其中放水階段為不斷增加放水量；試驗(yàn)過程中，井上、下水位(水壓)同時(shí)觀測(cè)，并嚴(yán)格按照放水試驗(yàn)要規(guī)范進(jìn)行操作，且考慮到試驗(yàn)前背景值對(duì)此的影響。

2.1 放水試驗(yàn)工程布置

依侏羅系中統(tǒng)砂巖含水層產(chǎn)狀為水平，低滲透性、非均質(zhì)性的特點(diǎn)，放水鉆孔采用仰角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與圖1所示。結(jié)合地面7個(gè)觀測(cè)孔，如表2(侏羅系中統(tǒng)水文長(zhǎng)觀測(cè)孔有4個(gè)，分別為水文1#孔、水J8、水J6、水文3#孔；白堊系水文長(zhǎng)觀測(cè)孔有3個(gè)，分別為水文2#孔、水K5孔、水K7孔，)，共計(jì)15個(gè)試驗(yàn)孔。

表1 放水試驗(yàn)孔參數(shù)

表2 白堊系、侏羅系含水層觀測(cè)孔 m

2.2 試驗(yàn)過程

放水試驗(yàn)于2015年9月25日0時(shí)開始，利用S1#孔進(jìn)行第一階段放水試驗(yàn)，地面觀測(cè)孔同步觀測(cè)含水層水位，于10月4日17時(shí)結(jié)束第一階段放水，歷時(shí)233 h，水量趨于穩(wěn)定，水位穩(wěn)定下降；10月4日18時(shí)，打開S8#孔，開始放水試驗(yàn)第二階段，同時(shí)觀測(cè)S1#及S8#孔放水量，井下S4、S5、S6、S7#孔及地面觀測(cè)孔同步觀測(cè)水壓及水位，于10月10日17時(shí)結(jié)束第二階段放水試驗(yàn)，歷時(shí)144 h，放水量開始增大，水位下降未有明顯變化；10月10日18時(shí)，打開S5#孔，開始放水試驗(yàn)第三階段，同時(shí)觀測(cè)S1#、S8#及S5#孔放水量，井下S4、S6、S7#孔及地面觀測(cè)孔同步觀測(cè)，于10月19日9時(shí)結(jié)束時(shí)，放水量明顯變大，水壓水位變化較穩(wěn)定；10月19日10時(shí)進(jìn)入水位恢復(fù)階段，關(guān)閉S5#孔，同步觀測(cè)S1#、S8#孔放水量，井下S4、S5、S6、S7#孔水壓及地面觀測(cè)孔水位，水量明顯減小，且S5#孔水位恢復(fù)明顯，其他觀測(cè)孔水位略微下降，不顯著。

2.3 地下水動(dòng)態(tài)特征分析

侏羅系中統(tǒng)含水層水文觀測(cè)孔為水文1#、水文3#、水J6及水J8等，其水位隨疏放水量的變化如圖3～圖9。白堊系含水層水文觀測(cè)孔為水文2#、水K7，如圖10、圖11所示。

圖3 J8#孔水位歷時(shí)動(dòng)態(tài)曲線 圖4 S5#孔圖水位歷時(shí)動(dòng)態(tài)曲線

依以上放水試驗(yàn)各觀測(cè)孔水位與流量之間數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在放水試驗(yàn)孔附近，侏羅系中統(tǒng)含水層水位下降明顯，降幅較大，而遠(yuǎn)離試驗(yàn)區(qū)范圍的孔，水位下降幅度相對(duì)較小，反映同一含水層之間其內(nèi)部聯(lián)系程度為不均勻性；而白堊系志丹群含水層水位對(duì)放水試驗(yàn)響應(yīng)不明顯，且在試驗(yàn)期間，水位具有一定緩慢上升的趨勢(shì)，表明在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)侏羅系中統(tǒng)含水層與白堊系志丹群含水層水力聯(lián)系較差。結(jié)合前期地質(zhì)資料分析，井田內(nèi)大部分被第四系松散沉積物，而白堊系志丹群基巖僅在礦區(qū)周圍零星分布，白堊系志丹群主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，不受井下放水試驗(yàn)影響，也說明侏羅系中統(tǒng)與志丹群之間存在很好的隔水層。

圖5 S4#孔水位歷時(shí)動(dòng)態(tài)曲線 圖6 S6#孔水位歷時(shí)動(dòng)態(tài)曲線

圖7 水J6#孔水位歷時(shí)動(dòng)態(tài)曲線 圖8 水文1#孔水位歷時(shí)動(dòng)態(tài)曲線

圖9 水文3#孔水位歷時(shí)動(dòng)態(tài)曲線 圖10 水文2#孔水位歷時(shí)動(dòng)態(tài)曲線

圖11 K7#孔水位歷時(shí)動(dòng)態(tài)曲線

3 影響試驗(yàn)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化因素分析

地下水動(dòng)態(tài)變化受含水層的滲透性與富水性影響，其中侏羅系中統(tǒng)含水層滲透系數(shù)為0.000 43～0.000 89 m/d，單位涌水量為0.113 0～000 791 s·m。因此，其滲透性及富水性在不同地段差異較大，究其原因主要受構(gòu)造地質(zhì)作用與沉積時(shí)期的沉積環(huán)境所形成的巖性相關(guān)。

3.1 構(gòu)造地質(zhì)作用影響

泊江海子礦為白堊系、侏羅系地層為一套陸相沉積物，由于成巖時(shí)間晚，巖石成熟度低，膠結(jié)性差(巖石顆粒間多為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)充填)，受燕山運(yùn)動(dòng)和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，表現(xiàn)為抬升作用和水平擠壓作用，再加上各種風(fēng)化作用，最終形成了以孔隙儲(chǔ)水、裂隙導(dǎo)水的雙重介質(zhì)特性。放水試驗(yàn)范圍為蘇家村向斜軸部，含水層起伏相對(duì)較大，如圖12，微褶皺范圍內(nèi)的裂隙發(fā)育，特別為垂向裂隙發(fā)育，為地下水儲(chǔ)存提供良好的空間和導(dǎo)水通道?，F(xiàn)有巷道揭露了蘇家村向斜，發(fā)現(xiàn)周圍發(fā)育較多的小斷層，且斷層帶附近煤巖層較為破碎，如在113106工作面巷道中揭露了兩條正斷層，F(xiàn)1601的走向35°～45°，傾角70°，落差2.4 m；F1602的走向340°～350°，傾角75°，落差1.8 m。它們均是良好導(dǎo)水通道，也是本次放水試驗(yàn)放水孔水量之大主要原因之一。

利用煤層底板基巖面等高線分布結(jié)果，目前放水孔揭露對(duì)應(yīng)含水層埋深最大，煤層底板標(biāo)高較首采工作面113101低25～30 m，為該區(qū)域最主要水流匯集區(qū)，且砂巖含水層為相對(duì)富水區(qū)段。

圖12 泊江海子礦試驗(yàn)區(qū)范圍構(gòu)造條件分析

3.2 沉積環(huán)境

3-1煤層及其頂板的泥巖為泥炭沼澤沉積，其上部的4.8～40.22 m的礫巖層，為山前洪積扇沉積物，然后在此基礎(chǔ)上發(fā)育了辮狀河，即侏羅系中統(tǒng)含水層的巖性以灰白色粗、中粒砂巖為主，局部為灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，經(jīng)研究分析為陸相辮狀河沉積，表現(xiàn)為下部粗、上部細(xì)的“二元”河流相沉積特點(diǎn)，現(xiàn)宏觀上呈現(xiàn)“砂包泥”，為砂質(zhì)-富泥辮狀河沉積，其富水性大于淺湖、濱湖相沉積，為弱至中等富水。

當(dāng)放水孔施工過程中穿過該礫石層后進(jìn)入中粗砂巖后才均出現(xiàn)水量變現(xiàn)為逐漸增大特點(diǎn)。后經(jīng)統(tǒng)計(jì)整個(gè)井田巖性發(fā)現(xiàn)，粗砂巖分布廣泛具有一定的局限性，所占比例僅為38%。因此，厚層狀中粗砂巖廣泛分布于試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)，這也是放水孔水量大的另一個(gè)主要原因。

4 結(jié)語

通過放水試驗(yàn)綜合分析認(rèn)為：鄂爾多斯北部地區(qū)的侏羅系中統(tǒng)含水層其滲透系數(shù)在空間上差異性較大，上述影響因素驗(yàn)證了井下不同地段疏放水量大小懸殊的原因；113101、113102工作面及以東區(qū)為弱富水性，而113106試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)主要以中等富水為主，其原因主要受先期的沉積環(huán)境與后期褶皺和抬升共同作用結(jié)果，其中局部裂隙發(fā)育是其影響的主導(dǎo)因素。

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1004-1184(2017)05-0043-03

2017-06-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572147)

李守好(1963-)，男，安徽阜陽人，高級(jí)工程師，主要從事礦區(qū)水文地質(zhì)工程方面工作。