李德彬，

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

侏羅系煤田開采下組煤受底板寶塔山砂巖承壓含水層水影響。706水文孔顯示該含水層靜水位壓力約為2.48MPa，煤層底板突水系數(shù)(T=0.207MPa/m)大于0.1MPa/m。底板采動(dòng)裂隙，鉆進(jìn)至含水層的15個(gè)鉆孔(其中9個(gè)鉆孔被采動(dòng)破壞無法重新封堵)，以及未揭露的隱伏構(gòu)造等充水通道均可能導(dǎo)致工作面回采過程中溝通底板砂巖含水層，形成水害。煤礦底板水害是煤礦建設(shè)與安全生產(chǎn)中的主要災(zāi)害之一，為了預(yù)防這一災(zāi)害，確保工作面安全生產(chǎn)，有必要對(duì)煤層底板高壓含水層進(jìn)行超前疏放水[1]。超前疏放水的目的有：一是，疏排含水層中的水，使富水含水層變?yōu)樨毸畬由踔帘皇韪桑欢?，降低含水層水位，?shí)現(xiàn)不帶壓開采或在安全水頭壓力下開采[2]。疏放水效果主要受充水含水層水文地質(zhì)特征影響[10]，底板含水層為富水性中等的砂巖裂隙含水層且疏放效果未知，為了確保疏放水能實(shí)現(xiàn)上述目的，需要開展含水層疏放的可行性研究。放水試驗(yàn)不僅能研究含水層疏放的可行性，對(duì)認(rèn)識(shí)礦區(qū)水文地質(zhì)條件也有十分重要的意義[3]。我國很多礦區(qū)都進(jìn)行過大型放水試驗(yàn)，研究了含水層超前疏放水的可行性[4-9]，周振方[10]利用單指數(shù)動(dòng)力衰減模型擬合了含水層疏放鉆孔涌水量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，探討了影響疏放水效果的主要因素。因此通過放水試驗(yàn)對(duì)侏羅系煤田(靈新煤礦)寶塔山砂巖含水層的可疏放性進(jìn)行研究。

1 放水試驗(yàn)方案

本次放水試驗(yàn)共布置4個(gè)下斜鉆孔，以及2個(gè)機(jī)動(dòng)下斜鉆孔。將G1、G2鉆孔布置在+985m水平，F(xiàn)S1、FS2、JF、JG鉆孔布置在+855m水平；+855m水平的四個(gè)鉆孔主要分布在水倉周邊區(qū)域便于排水。鉆孔進(jìn)入寶塔山砂巖含水層底板以下75m，各鉆孔可作為放水鉆孔，亦可作為觀測鉆孔，706水文孔作為觀測孔。井下放水試驗(yàn)鉆孔布置如圖1所示，以FS2鉆孔為中心，等距環(huán)形分布，50m半徑圈內(nèi)布置JF、JG孔，150m半徑圈內(nèi)布置FS1孔(706水文孔包含在內(nèi))，450m半徑圈布置G1、G2，G1、G2和JF、JG鉆孔在平面內(nèi)距離較近。

圖1 井下放水試驗(yàn)鉆孔布置平面圖

放水試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，單孔放水(FS2放水孔)試驗(yàn)和三孔疊加放水(FS2、JG、JF放水孔)試驗(yàn)。單孔放水試驗(yàn)(FS2鉆孔)于2017年6月29日9：00開始，7月4日17：00停止放水，7月11日9：00水位恢復(fù)時(shí)期結(jié)束。累計(jì)放水時(shí)長128h，水位恢復(fù)時(shí)長160h。三孔疊加放水試驗(yàn)(FS2、JG、JF鉆孔)首先進(jìn)行FS2單孔放水，接著進(jìn)行三孔疊加放水，多孔放水試驗(yàn)于2017年7月11日9：00開始FS2單孔放水，7月16日17：00開始三孔疊加放水，7月22日9：00停止放水，7月30日15：00水位恢復(fù)時(shí)期結(jié)束。累計(jì)放水時(shí)間264h，水位恢復(fù)時(shí)長198h，其中FS2單孔放水時(shí)長128h，三孔疊加放水時(shí)長136h。

2 放水試驗(yàn)結(jié)果

2.1 放水前狀態(tài)

2017年6月29日9：00放水試驗(yàn)前，礦井各采區(qū)涌水量基本處于穩(wěn)定涌出狀態(tài)，礦井總涌水量454m3/h，一采區(qū)涌水量157.5m3/h，三、四、五、六采區(qū)總涌水量288m3/h。六采區(qū)基本為頂板滴淋水或涌水點(diǎn)，無明顯底板涌水點(diǎn)，所以六采區(qū)底板寶塔山砂巖含水層處于原始流場狀態(tài)。

2.2 放水量動(dòng)態(tài)

單孔放水(FS2放水孔)試驗(yàn)和三孔疊加放水(FS2、JG、JF放水孔)試驗(yàn)階段的累計(jì)放水時(shí)間392h，累計(jì)放水量17575.36m3。放水孔流量的動(dòng)態(tài)變化曲線如圖2所示，放水孔流量總體呈現(xiàn)24h內(nèi)下降迅速，隨后呈現(xiàn)下降緩慢，有波動(dòng)，直至穩(wěn)定；三孔疊加放水試驗(yàn)期間各放水孔流量出現(xiàn)較明顯襲奪現(xiàn)象。

圖2 放水孔流量變化曲線

2.3 放水階段水位與水壓動(dòng)態(tài)

2.3.1 單孔放水階段

FS2孔放水過程中，各孔水位變化如圖3所示，各孔水位在放水時(shí)期明顯下降，在水位恢復(fù)時(shí)期明顯回升。放水和恢復(fù)時(shí)期各孔的水位和水壓值見表1，觀測孔水位降深小于FS2放水孔。JF與JG鉆孔相距非常近(約6.5m)，兩孔水位變化趨勢基本一致。G2與G1鉆孔相距較近(20m)，水位變化趨勢近似。G1和G2鉆孔水位變化相比距離放水孔較近的JG、JF鉆孔，具有明顯滯后性，降深也較小。通過FS2、JG、JF、FS1、G1和G2鉆孔穩(wěn)定水壓計(jì)算的底板突水系數(shù)分別為0.098MPa/m，0.12MPa/m，0.127MPa/m，0.183MPa/m，0.063MPa/m和0.067MPa/m。

2.3.2 三孔疊加放水階段

各放水孔在進(jìn)行放水時(shí)，不具備水位觀測條件；放水孔未進(jìn)行放水時(shí)，可觀測水位變化趨勢。各孔水位變化曲線如圖4所示，各孔水位在放水時(shí)期持續(xù)下降，在水位恢復(fù)時(shí)期明顯上升。放水和恢復(fù)時(shí)期各孔的水位和水壓值見表2，觀測孔水位降深小于放水孔。FS2、JG和JF，F(xiàn)S2、JG、JF、FS1、G1

和G2鉆孔穩(wěn)定水壓計(jì)算的底板突水系數(shù)分別為0.056MPa/m，0.035MPa/m，0.052MPa/m，0.159MPa/m，0.043MPa/m，0.047MPa/m。

圖3 單孔放水試驗(yàn)各孔水位歷時(shí)變化曲線

圖4 多孔放水試驗(yàn)各孔水位歷時(shí)變化曲線

鉆孔與FS2距離/m初始水位/m初始水壓/MPa穩(wěn)定水位/m穩(wěn)定水壓/MPa底板突水系數(shù)/(MPa·m-1)累計(jì)降深/m恢復(fù)水位/m恢復(fù)水壓/MPa累計(jì)回升/m下降與回升水位差值/mFS201081.6342.27971.6341.170.0981101075.6342.211046JG431069.3782.15998.3781.440.12711064.3782.10665JF381077.3782.231006.3781.520.127711072.3782.18665FS11351093.0992.381074.0992.190.183191088.0992.33145G14001080.4580.941062.4580.760.063181074.4580.88126G24201082.3930.961066.3930.80.067161075.3930.89977061481096.2無1056.7無無39.481087.7無318.48

表2 多孔放水試驗(yàn)各孔水位變化

3 底板水可疏放性

3.1 放水階段含水層流場變化

單孔放水階段，寶塔山砂巖含水層流場變化如圖5所示。由圖5可知，放水試驗(yàn)前寶塔山砂巖含水層地下水流向由南向北；單孔放水試驗(yàn)開始后，隨著放水時(shí)間持續(xù)延長，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，以FS2放水孔為中心的降落漏斗形態(tài)已經(jīng)形成，影響范圍內(nèi)的地下水流向FS2放水孔；關(guān)閉放水孔閥門進(jìn)入放水試驗(yàn)恢復(fù)階段，地下水流向基本與初始流場一致由南向北，但含水層水位整體下降了5m左右。

圖5 寶塔山砂巖含水層流場變化圖(單孔放水)

多孔放水階段單孔放水試驗(yàn)前(初始)、FS2單孔放水穩(wěn)定、FS2+JG+JF疊加放水穩(wěn)定及水位恢復(fù)后的流場變化如圖6所示。由圖6可以看出，由單孔放水到三孔疊加放水，放水試驗(yàn)所形成的降落漏斗不斷擴(kuò)大，影響半徑增大，寶塔山組砂巖含水層水位降深隨之增大；關(guān)閉放水孔閥門進(jìn)入放水試驗(yàn)恢復(fù)階段，地下水流向基本與初始流場一致由南向北，但含水層水位整體下降了9m左右。

圖6 寶塔山組砂巖含水層流場變化圖(三孔疊加放水)

3.2 影響半徑R

1)采用裘布依假設(shè)模型[11]，利用兩個(gè)觀測孔數(shù)據(jù)計(jì)算影響半徑R，計(jì)算公式如下：

式中，r1為放水孔至1#觀測孔之間的距離，m；s1為觀測孔內(nèi)水位降深，m；r2為放水孔至2#觀測孔之間的距離，m；s2為觀測孔內(nèi)水位降深，m。

R的計(jì)算結(jié)果見表3。在FS2單孔放水情況下，穩(wěn)定時(shí)刻地下水漏斗的延伸半徑范圍為844～909m；而在疊加放水期間，穩(wěn)定時(shí)刻地下水漏斗的延伸半徑范圍為1108～1289m。

表3 雙觀測孔計(jì)算影響半徑R

2)利用浸潤曲線外推法[12]，繪制穩(wěn)定水位與到放水孔距離曲線，如圖7所示，以光滑的曲線按自然趨勢連接，并外推與自然水位線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)至放水孔的距離，即為影響半徑R。單孔放水階段穩(wěn)定時(shí)刻和多孔放水階段疊加放水穩(wěn)定時(shí)刻的影響半徑R分別約為830m和1020m。

圖7 穩(wěn)定水位與到放水孔距離曲線

3)采用s-lgr直線交匯法[11]，將同一時(shí)間水位穩(wěn)定時(shí)刻各鉆孔的水位降深s，與其各自到放水孔的距離r，按照s-lgr格式作出散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，降深與到放水孔距離對(duì)數(shù)線性關(guān)系如圖8所示。降深s與lgr之間呈顯著的線性相關(guān)性(R2>0.8)，將各直線外推，與r軸交于一點(diǎn)，此點(diǎn)的r值即為影響半徑R。前后兩個(gè)階段的影響半徑R分別為710m和1122m。

圖8 降深與到放水孔距離對(duì)數(shù)線性關(guān)系

從以上三種方法計(jì)算影響半徑R的結(jié)果來看，對(duì)于單孔放水：雙觀測孔裘布依法結(jié)果最大，浸潤曲線法次之，直線匯交法最小，且前兩種方法所得結(jié)果較為接近，直線匯交法所得結(jié)果與前兩者相差約120～200m；對(duì)于多孔放水階段疊加放水：雙觀測孔裘布依法和s-lgr直線交匯法結(jié)果最接近，浸潤曲線外推法所得結(jié)果與之相差約100m。以上差異主要是由于前后三種計(jì)算方法在本質(zhì)上的差異所造成的，前兩種方法依據(jù)的是裘布衣假設(shè)模型，這種條件本身與實(shí)際模型之間就存在較大的不一致性，比如天然水位本身就不符合假設(shè)條件；而s-lgr法是基于降深與距離之間的近似線性關(guān)系來獲得的，依靠一定的統(tǒng)計(jì)意義?？偠灾捎诤畬拥姆蔷|(zhì)特征，導(dǎo)致上述方法均具有不確定性的特點(diǎn)，影響半徑R的計(jì)算要從含水層自身特點(diǎn)出發(fā)，具體條件具體分析。

3.3 底板水可疏放性

放水試驗(yàn)初期鉆孔涌水量較大(約60m3/h)，經(jīng)一周左右時(shí)間水量逐漸明顯降低并趨于穩(wěn)定(單孔20～30m3/h)，說明礦井充水含水層以靜儲(chǔ)量為主，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量有限。經(jīng)過放水試驗(yàn)，各孔水位明顯降低，距離放水孔越近，降深越大。地下水位形成明顯的降落漏斗形態(tài)(圖5和圖6)，且影響半徑較大(大于700m)。從單孔到多孔放水試驗(yàn)，降落漏斗形態(tài)不斷擴(kuò)大，水位降深增大，各鉆孔水壓力降低。單孔放水階段關(guān)閉閥門后，F(xiàn)S2、G1和G2鉆孔水壓計(jì)算的底板突水系數(shù)小于正常標(biāo)準(zhǔn)值0.1MPa/m；多孔放水階段關(guān)閉閥門后，F(xiàn)S2、JG、JF、G1和G2鉆孔水壓計(jì)算的底板突水系數(shù)小于0.1MPa/m。水位恢復(fù)結(jié)束時(shí)，地下水流向基本與初始流場一致由南向北，單孔放水恢復(fù)階段含水層水位整體下降了5m左右，多孔放水恢復(fù)階段含水層水位整體下降了9m左右。上述都說明了底板水可疏放性明顯。通過底板寶塔山砂巖含水層預(yù)疏放，有效減小了工作面采后涌水量峰值，不斷疏放水可使工作面底板水壓力降低至煤層底板以下，避免了集中涌水的發(fā)生，該技術(shù)方法經(jīng)濟(jì)有效可行，可達(dá)到減輕或消除礦井底板水害的目的。

4 結(jié) 語

鉆孔涌水量隨著放水試驗(yàn)的進(jìn)行逐漸降低并趨于穩(wěn)定。放水試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)，地下水水位形成降落漏斗形態(tài)，且影響半徑較大(大于700m)；由單孔放水到三孔疊加放水，降落漏斗形態(tài)擴(kuò)大，影響半徑增大。放水試驗(yàn)導(dǎo)致煤層底板水壓力明顯下降。單孔放水試驗(yàn)底板突水系數(shù)小于正常標(biāo)準(zhǔn)的鉆孔為FS2、G1和G2；多孔放水試驗(yàn)底板突水系數(shù)小于正常標(biāo)準(zhǔn)的鉆孔為FS2、JG、JF、G1和G2。突水系數(shù)法為初步引用于鄂爾多斯盆地煤田，適用性有待于進(jìn)一步研究。單孔和多孔放水恢復(fù)階段，地下水流向基本與初始流場一致由南向北，含水層水位相比初始流場分別整體下降了5m左右和9m左右。底板砂巖含水層可疏放性明顯，采用預(yù)先疏放水措施可以有效降低煤層底板承受壓力，避免底板突水水害的發(fā)生。