朱莊礦Ⅲ63 采區放水試驗成果分析

李孝朋

（山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250100）

井下放水試驗通過放水以及對放水孔與觀測孔的流量、水位等記錄整理研究，對獲得水文地質參數并評價采區水文地質條件有較好的效果[1]。

朱莊礦III63 采區位于安徽省淮北市，屬華北型石炭二疊紀含煤巖系采區，現開采6 煤，受底板太原組石灰巖巖溶裂隙含水層（簡稱太灰）突水的威脅。采區初次水文地質勘查程度較低，難以查明采區準確的水文地質條件，為了評價太灰水對該區煤炭開采的影響，進行了井下放水試驗工作。利用現有放水孔與觀測孔對水位、流量及壓力等指標進行了觀測與記錄，獲得大量的基礎數據并整理分析研究，為該區煤炭的安全開采提供了必要的水文地質保證[2]。

1 地質與水文地質條件

III63 采區位于朱莊井田東南部，該地段褶曲、斷層均較發育，地質應力較為集中，地層走向變化大，呈0～360°，傾角為6°～34°。6 煤層開采的直接充水含水層為6 煤頂底板砂巖裂隙含水層，富水性受裂隙發育程度控制，總體富水性較弱；間接充水含水層為太灰含水層。太灰為以薄層灰巖為主的含水組，灰巖共12 層，累計厚度約69 m，該含水組以溶洞為主，溶蝕裂隙次之，灰巖溶洞發育，是富水性較強的含水組，并且與奧灰含水組為互補關系，雖然與6 煤含水組無直接水力聯系，但在回采中當底板巖石結構破壞后，太灰水在較大的靜水壓力作用下，有可能沿煤層底板破碎帶或裂隙帶突出，采區安全生產受到威脅。太灰含水層富水性較強，是6 煤層開采時礦井安全生產的重大隱患[3]。總體來看，該區地質與水文地質條件復雜。

2 放水試驗鉆孔布置與試驗過程

2.1 鉆孔布置

結合III63 采區水文地質情況、排水能力以及進行放水試驗的目的，主要放水孔安排在軌道巷。考慮到若放水孔位置距離過遠，不足以引起充分的整體孔位降深而無法為后續的數據分析提供基礎，因此放水孔布置應相對集中。根據三維地震勘探工作所查明的褶曲構造和斷層分布，合理地布置了放水孔具體位置，為充分揭露含水層提供了保證。

觀測孔的布置應滿足控制到邊界整個流場的條件，在分析各含水層之間可能的水力聯系后進行布置，一般應在井上和井下均布置觀測孔。井上觀測孔應充分利用已施工的孔位，再依據不足補充設計施工，井下觀測孔根據井下具體工程情況布置。放水試驗中放水孔有Ⅲ63 放1、Ⅲ63 放3、Ⅲ63 放4、Ⅲ63 放5、Ⅲ63 探10，太灰觀測孔有90-觀1、朱井90-觀4、363 探3、朱井97-觀2、放Ⅵ-1、Ⅲ63 觀2 和Ⅲ63 放2，奧灰孔有90-觀3，共計13 個。除了90-觀1 和90-觀3 是地面孔外，其余孔均為井下孔，放水孔及觀測孔具體布設見圖1。

圖1 太灰含水層放水試驗放水孔觀測孔布設圖

2.2 試驗過程

本次放水試驗采用穩定流和非穩定流相結合的方式，放水階段進行了1 個落程的試驗，持續時間20 日。

3 放水試驗數據整理與分析

3.1 觀測孔水位降深變化分析

（1）各觀測孔水位及其變動情況見表1。可以看出，各觀測孔均形成了一定的降深，距離放水孔群最近的III63 觀2 孔形成了320 m 的降深，90 觀1、97 觀2 和III63 放2 距離放水孔群較遠，降深相對較小。各有效觀測孔都形成了一定的降深，說明III63 采區放水孔控制范圍內存在降不下去的水位異常區的可能性較小，開采中可以采用疏降水保證安全。

（2）放VI-I 孔和III63 觀2 孔在打開放水孔之后，在短時間內迅速產生了約35 m 和300 m 的降深，說明太灰水靜儲量較小，徑流條件較好；隨后水位有一定的波動，但波動范圍都在可控的誤差范圍之內，說明有一定的補給來源。受S2 向斜的影響，III63 放2 的水位降深較小。

（3）距離放水孔群較遠但距離90 觀1 較近的奧灰觀測孔90 觀3 也形成了3 m 的降深，說明奧灰含水層與太灰含水層之間存在著水力聯系，奧灰水對太灰水可能存在著一定的補給關系。

（4）定流量放水，隨著放水時間的延長，水位總體上不斷下降，但在中期出現一定的波動，說明該區放水試驗影響范圍內動儲量與靜儲量并存。在中后期90 觀1 孔降深與時間的倍比較于初期和中期更大，水位降得更快，可能的原因是，定流量放水隨著時間的增大總流量相應的增大，疏通了原有的巖溶裂隙通道，或者打通了太灰含水層中原有的某些隔水通道，增強了水流的暢通性。

表1 放水過程中太灰和奧灰水位及其變動情況

3.2 水文地質參數求解

考慮到放水孔相對于觀測孔的位置較為集中，因此取放水孔中心位置為總大井，放水試驗的目的層為太原組灰巖承壓含水層，結合該含水層水位地質特征及放水試驗類型，符合承壓水完整井定流量非穩定流特征，因此選用Theis 和Jacob 公式依據放水觀測數據進行含水層參數的計算。Aquifertest軟件在處理放（抽）水試驗數據、分析水文地質條件、求參等方面較為準確實用。為了更精準地求取參數，同時使用該軟件與人工手動求參互為對比校正。流量取放水孔總流量213 m3/h，含水層厚度取前三層灰巖平均厚度12.81 m，選取中后期放水數據進行處理。

3.2.1 配線法求參

在EXCEL 雙對數坐標系中，分別繪制W（u）-1/u 標準曲線與實測S-t（水位降深-時間）曲線，移動坐標系使兩條曲線大致重合，取一配合點，讀取其W（u）、1/u、S 和t 值，代入Theis 公式T=0.08Q×W（u）/s 與K=T/M 中計算其參數（表2）。

表2 K 值計算結果（單位：m/d）

3.2.2 Jacob 直線圖解法求參

考慮到觀測孔與放水孔距離r 較小，且放水時間t 較大，滿足u ≤0.01，為了充分利用抽水后期的數據，避免配線法的隨意性，可利用Jacob 公式進行求參。根據觀測孔資料做出s-lgt 曲線，利用EXCEL 的曲線擬合功能做出散點圖的擬合公式，讀取斜率i，代入Jacob 公式T=0.183Q/i 與K=T/M進行計算（表2）。

3.2.3 Aquifertest 軟件求參

配線法：打開Aquifertest 軟件后，依次進行units、Test-create well、Test-create pumping test、Create Datalist、Theis Analysis 各個步驟，每個步驟輸入相應的數據或參數，運用專業能力結合放水試驗過程以及水文地質特征對曲線進行調整擬合，以達到最佳擬合效果。

Jacob 直線圖解法：在配線法的基礎上，依次選擇Create Datalist、Cooper-Jacob Time-Drawdown，求出參數。

3.2.4 結果分析

由表2 可以看出，相同觀測孔利用不同方法求得的滲透系數大致接近，在可控范圍內，但不同觀測孔之間求得的滲透系數結果相差較大，說明了太灰含水層滲透性及富水性的不均一性。

3.3 水質變化特征分析

通過對太灰水質資料分析，太灰水質類型為HCO3-Ca～HCO3-Ca·Mg 型，pH 值都大于7 呈堿性，顯示了典型的灰巖水特征。Mg2+的增加，指示著放水過程中水流可能流經了白云巖或白云質灰巖存在的巖層，也有因放水導致淺部太灰與深部太灰水相互混合運動的原因。本區太灰水礦化度較低，平均577.43 mg/L，說明太灰水運動流經途徑相對較短，速度相對較快，太灰水循環交替條件較好。

4 結論

（1）本次放水試驗按照非穩定流技術要求進行，通過布設太灰觀測孔與奧灰觀測孔，采用自動檢測系統與人工檢測系統結合的方式實時觀測，數據準確，為下一步分析工作提供依據。

（2）該采區太灰含水層滲透系數介于0.99～21.65 m/d 之間，滲透性及富水性不均一，靜儲量較小，易于疏降，但考慮到與奧灰含水層有一定的水力聯系，有一定的動儲量來源，若疏降水量過大，疏降時間長，排水費用昂貴。建議下一步工作評價疏放水的可能性。

（3）通過放水試驗以及后續的分析工作，基本查明了采區的太灰含水層的水文地質條件，為該區礦井水害防治工作提供了可靠的依據。