開采性抽水試驗在煤礦火燒區地下水補給量計算中的應用

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主要的含水層，也是影響煤炭資源安全開采的主要含水層。為保證安全生產，并合理利用火燒層中的地下水，精確的計算地下水的補給量是十分重要的。開采性抽水試驗資料可以確定地下水補給來源、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面積小，火燒區廣泛分布，火燒程度及深度不均一，開采性抽水試驗是計算地下水補給量最直接、精度較高的勘察手段。

【關鍵詞】開采性抽水試驗；煤礦；火燒層；地下水補給量

引言

木壘縣阿吾孜蘇煤礦礦區位于木壘縣城北部，與木壘縣城直線距離82km，礦井設計生產能力0.9Mt/a，煤礦開采以地下井巷開采為主。煤系地層中的火山層是礦區主要的含水層，也是影響煤炭資源安全開采的主要含水層。為保證安全生產，避免開采過程中發生“突水”事件，并合理利用該層中的地下水，精確的計算地下水的補給量是十分重要的。由于礦區面積較小、水文地質條件相對復雜，顧采用開采性抽水試驗以較快并較精確的計算地下水補給量。

1、水文地質條件

1.1 基本情況

試驗區內的地層有古生界石炭系上統孔雀屏組上段、二疊系下統下芨芨槽群下亞群、中生界侏羅系下統三工河組、中侏羅統西山窯組、新生界第三系中-上新統獨山子組和第四系全新統。侏羅系中統西山窯組廣泛分布于試驗區，是試驗區主要含煤地層，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區中部，基本連續，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 水文地質條件

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

第四系松散巖類透水不含水層廣泛分布于試驗區，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，從而構成透水不含水層，僅局部低洼處為含水層。

新進系碎屑巖類裂隙孔隙承壓含水巖組在試驗區內零星分布，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，富水性相對較弱。

侏羅系碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水巖組又分為無火燒侏羅系碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水巖組和燒變巖類裂隙孔隙含水層。無火燒含水巖組呈條帶狀分布于礦區周邊，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、炭質頁巖相對隔水，富水性弱。燒變巖裂隙孔隙含水層原屬侏羅系碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組，廣泛分布于試驗區中部，因煤層自燃，導致其裂隙和孔隙特別發育，一般呈蜂窩狀，透水性強，是地下水儲存的良好空間，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東北部，巖性為凝灰巖、砂巖。地下水賦存于各種巖漿巖及中深變質巖系的裂隙中，水量貧乏。二疊系含水巖組分布于礦區東南部，主要巖性為礫巖、砂巖、泥巖。該巖組裂隙不發育，水量貧乏。

2、開采性抽水試驗過程

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

抽水階段共持續28天。抽水開始后，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，地下水補給條件相對較差，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，但降落漏斗形態不穩定。隨著時間的推移，地下水水位持續下降，但下降速率逐漸降低。抽水至20天后，地下水水位依然持續下降，下降速率趨于穩定，同時形成穩定的降落漏斗。抽水過程中各觀測孔水位以穩定的速率下降。至抽水20天后，抽水孔與觀測孔水位基本呈同步等幅下降。

水位恢復階段共持續31天。停泵后，水位急劇上升，第一天水位恢復幅度最大，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，但仍然持續上升。觀測5天后水位上升速率趨于穩定。恢復水位觀測至31天后，水位仍無法恢復至原始水位，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，各觀測孔水位開始同步上升，但31天后，觀測孔水位亦無法恢復至初始水位。

3、地下水補給量計算

3.1 開采試驗法

在長期抽水過程中，主井及觀測井的水位一直持續緩慢下降，停止抽水后，水位雖有恢復，但始終達不到初始水位，說明抽水量大于補給量，消耗了含水層中的儲存量。選擇抽水后期，主井與觀測井出現同步等幅下降時的抽水試驗資料，此時，若沒有其他消耗，抽水量由兩部分組成，即開采條件下的補給量和含水層消耗的儲存量，任一抽水段內產生水位降深的水均衡關系式為：

水位恢復時計算補給量的公式為：

將抽水試驗抽水后期及水位恢復后期數據帶入上述公式（1）及（2）中，利用消元法即可求出地下水補給量。經計算，試驗區內地下水補給量為2399.64m3/d。

3.2 斷面法

為進一步檢驗開采試驗法的計算結果，采用常用補給量計算方法斷面法對其進行驗證，斷面法計算公式如下：

上述公式計算時，滲透系數K取計算斷面上各單孔抽水試驗數據計算得到的滲透系數平均值；水力坡度I由等水位線成果量取；含水層平均厚度B取計算斷面上各鉆孔含水層厚度平均值；計算斷面與地下水流方向的夾角由等水位線成果量取。經計算，試驗區內地下水補給量為2828.30m3/d。

由上述結果可知，通過開采試驗法和斷面法計算得到的地下水補給量相差較小，相對誤差為17.86%，

認為計算結果可靠。但相對開采試驗法而言，斷面法精度較低，故試驗區內地下水補給量取開采試驗法計算得到的2399.64m3/d。

4、結論

（1）開采性抽水試驗對于查明水文地質條件復雜的火山區地下水補給來源、補給量等問題是最直接有效且精度相對較高的勘察手段。

（2）分析開采性抽水試驗數據可知，本次開采性抽水試驗為非穩定流狀態，抽水階段水位持續下降，恢復階段水位持續上升但無法恢復至初始水位。利用開采性抽水試驗數據求得的地下水補給量為2399.64m3/d，與采用斷面法計算結果相近，結果可靠。

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