開采性抽水試驗(yàn)在煤礦火燒區(qū)地下水補(bǔ)給量計(jì)算中的應(yīng)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(qū)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(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。開采性抽水試驗(yàn)資料可以確定地下水補(bǔ)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(qū)面積小，火燒區(qū)廣泛分布，火燒程度及深度不均一，開采性抽水試驗(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，煤礦開采以地下井巷開采為主。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采的主要含水層。為保證安全生產(chǎn)，避免開采過程中發(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(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(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、開采性抽水試驗(yàn)過程

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?；謴?fù)水位觀測(cè)至31天后，水位仍無法恢復(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)孔水位開始同步上升，但31天后，觀測(cè)孔水位亦無法恢復(fù)至初始水位。

3、地下水補(bǔ)給量計(jì)算

3.1 開采試驗(yàn)法

在長(zhǎng)期抽水過程中，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)，若沒有其他消耗，抽水量由兩部分組成，即開采條件下的補(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?。缓畬悠骄穸菳取計(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，通過開采試驗(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)給量取開采試驗(yàn)法計(jì)算得到的2399.64m3/d。

4、結(jié)論

（1）開采性抽水試驗(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)給來源、補(bǔ)給量等問題是最直接有效且精度相對(duì)較高的勘察手段。

（2）分析開采性抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本次開采性抽水試驗(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)上升但無法恢復(fù)至初始水位。利用開采性抽水試驗(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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