基于抽水試驗(yàn)的北公村2號(hào)大型斷層阻滲性研究

侯俊華，孟凡貞，王 宏，馮魯順，孟令飛

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273512；2.兗州煤業(yè)股份有限公司 地質(zhì)測(cè)量部，山東 鄒城 273500)

由于在我國(guó)一次石化能源消費(fèi)中石油和天然氣相對(duì)不足，而煤炭資源相對(duì)豐富，在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)煤炭仍然是我國(guó)主要的基礎(chǔ)能源，在我國(guó)所有一次性能源結(jié)構(gòu)中占比50%以上[1]。但隨著開(kāi)采年限的增加，華北型煤田許多礦井相對(duì)易開(kāi)采區(qū)域基本開(kāi)采完畢，剩余資源開(kāi)采或要向淺部進(jìn)行提高上限開(kāi)采[2-3]，或要向深部延伸開(kāi)采[4-5]，或要開(kāi)采構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域[6-8]。深部煤層的地質(zhì)構(gòu)造條件及水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，主要受到太灰和奧灰這兩個(gè)主要巖溶承壓含水層的威脅，而一些大型斷層的存在又為底部承壓水上升提供了導(dǎo)水通道。因此，在開(kāi)采前對(duì)大型斷層導(dǎo)含水性的探查變得尤為重要。許多專家學(xué)者對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究和探討，吳云等[9]通過(guò)原位壓水試驗(yàn)對(duì)永煤城郊煤礦某典型斷層裂隙帶的阻滲性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)壓水測(cè)試，得出構(gòu)造擾動(dòng)部位的抗?jié)B強(qiáng)度；李文平等[10]設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室高壓斷層破碎帶突水試驗(yàn)?zāi)Ｐ停玫搅烁咚畨簵l件下斷層突水的滲流轉(zhuǎn)換機(jī)制；武強(qiáng)等[11]通過(guò)對(duì)斷層帶物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，并結(jié)合數(shù)值模擬，研究得到了斷層滯后型突水機(jī)理；路喜等[12]結(jié)合北辛窯礦南翼大巷突水實(shí)例，通過(guò)綜合分析，表明斷層切割?yuàn)W灰含水層形成導(dǎo)水通道，導(dǎo)致奧灰含水層水涌入大巷。

作為煤炭開(kāi)采斷層阻滲性地質(zhì)勘探的重要手段之一，抽水試驗(yàn)?zāi)軌蛱讲楹畬颖旧砑捌渖舷潞畬又g是否存在水力聯(lián)系，獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)，評(píng)價(jià)含水層的富水性，并為預(yù)計(jì)礦井涌水量與對(duì)地下水綜合利用的評(píng)價(jià)提供資料[13-15]。筆者為了探查東灘煤礦3煤層頂板砂巖含水層(3砂含水層)和深部奧灰含水層(奧灰含水層)之間是否通過(guò)大型斷層產(chǎn)生水力聯(lián)系，設(shè)計(jì)施工了針對(duì)大型斷層的抽水試驗(yàn)，建立該斷層阻滲地質(zhì)模型，對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，以判明該斷層的突水危險(xiǎn)性。

1 研究區(qū)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件概況

1.1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于東灘井田七采區(qū)，東灘井田位于兗州向斜的核部和深部，以寬緩的褶皺為主，伴有一定數(shù)量的斷裂構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度整體上屬中等，但斷層發(fā)育具有明顯的分區(qū)性。七采區(qū)東部邊界為大型嶧山斷層，該斷層落差大于2 000 m，受其影響，研究區(qū)內(nèi)派生斷層十分發(fā)育，屬于復(fù)雜構(gòu)造開(kāi)采區(qū)域。根據(jù)擬規(guī)劃首采工作面所在位置，本次試驗(yàn)工作區(qū)內(nèi)分布有6條落差大于15 m以上的斷層，其中可靠斷層有3條，走向基本一致，且最大落差均大于 100 m。這些斷層在平面圖上基本呈南北展布，但斷層面傾向不同，導(dǎo)致主采煤層賦存條件變得非常復(fù)雜。筆者選取北公村2號(hào)斷層作為研究對(duì)象，探究其導(dǎo)含水性及阻滲性，該斷層位于七采區(qū)西部，屬于正斷層，走向近南北，傾向西，傾角60°～65°，落差0～160 m。補(bǔ)勘鉆孔測(cè)線剖面方向勘探斷層特征統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 補(bǔ)勘鉆孔測(cè)線剖面方向勘探斷層特征統(tǒng)計(jì)

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

七采區(qū)是礦井今后5年規(guī)劃的主要開(kāi)采區(qū)域，為進(jìn)一步探查采區(qū)典型斷層的導(dǎo)含水性，進(jìn)而判斷深部奧灰含水層及主采的3煤層頂板砂巖含水層之間是否存在水力聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，2018年底到2020年5月該采區(qū)進(jìn)行了一次針對(duì)典型大型斷層的水文地質(zhì)補(bǔ)勘工作，共施工5個(gè)鉆孔，抽水試驗(yàn)主要探究3砂含水層和奧灰含水層在典型的北公村2號(hào)斷層附近的水力聯(lián)系，此2個(gè)含水層已有的水文地質(zhì)特征概述如下：

1)3砂含水層

七采區(qū)3砂含水層富水性受構(gòu)造裂隙發(fā)育控制較明顯。井下涌水資料證實(shí)，采掘工作面位于向斜核部和兩翼及斷層處,往往出現(xiàn)涌水，局部甚至發(fā)生較大突水。從2017年9月到2020年9月期間七采區(qū)內(nèi)的2個(gè)3煤層頂板砂巖含水層水位長(zhǎng)觀孔數(shù)據(jù)變化曲線如圖1所示。

圖1 七采區(qū)3煤層頂板砂巖含水層水位變化曲線

由圖1可以看出，3砂含水層水位整體上均呈下降的變化趨勢(shì)，但不同位置初始水位和水位變化均存在較大差異性。補(bǔ)7-2和P1-13兩孔初測(cè)水位標(biāo)高分別為24.62 m和-44.02 m，到2020年9月變?yōu)?.14 m和-38.51 m，補(bǔ)7-2孔下降了15.48 m，P1-13孔水位上升了5.51 m，補(bǔ)7-2總下降幅度較大；從2017年9月到2020年9月期間2個(gè)觀測(cè)孔的水位下降幅度差別也較大，補(bǔ)7-2水位下降了3.26 m，P1-13上升了4.45 m。

2)奧灰含水層

奧灰含水層屬巖溶裂隙承壓含水層，由于奧灰埋深大，且受大型斷層構(gòu)造控制，采區(qū)內(nèi)富水性仍具有較大差異性。根據(jù)區(qū)內(nèi)2010年及以前已施工的下組煤補(bǔ)勘鉆孔資料可知，奧灰含水層富水性具有不均一的特點(diǎn)，橫向、縱向上變化都很大，奧灰厚度大、巖溶裂隙發(fā)育，水量豐富，對(duì)七采區(qū)的開(kāi)采將會(huì)造成較大威脅。

從2017年9月到2020年9月期間七采區(qū)內(nèi)的2個(gè)奧灰含水層水位長(zhǎng)觀孔數(shù)據(jù)變化曲線如 圖2 所示。

圖2 七采區(qū)奧灰含水層水位變化曲線

由圖2可見(jiàn)，補(bǔ)7-5孔和O2-1孔奧灰含水層水位整體上波動(dòng)不大，呈下降—上升—下降—上升的變化趨勢(shì)，但兩孔水位變化趨勢(shì)基本一致。七采區(qū)內(nèi)2個(gè)奧灰鉆孔相距約1.5 km，但目前兩孔水位標(biāo)高基本一致，可初步推斷七采區(qū)奧灰含水層水位相對(duì)比較穩(wěn)定，該采區(qū)2個(gè)水文觀測(cè)孔近3年水位下降幅度變化也不大。

2 抽水試驗(yàn)

2.1 抽水孔布設(shè)

根據(jù)七采區(qū)主要斷層的走向展布特征，為控制北公村1號(hào)和2號(hào)等落差較大斷層導(dǎo)含水性，此次水文地質(zhì)補(bǔ)勘作業(yè)選擇在基本垂直于北公村1號(hào)和 2號(hào)斷層走向方向施工了5個(gè)鉆孔(D7-1～D7-5)，進(jìn)行水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探和抽水試驗(yàn)工作，主要補(bǔ)勘鉆孔布置如圖3所示。這5個(gè)鉆孔，在抽水試驗(yàn)中D7-1、D7-4和D7-5施工到奧灰底100 m左右，控制奧灰含水層；D7-2和D7-3施工到3煤層頂板，見(jiàn)3煤層為止，控制3煤層頂板砂巖含水層。

2.2 抽水順序及時(shí)間安排

由于前期試抽中D7-1、D7-2和D7-3鉆孔的抽水量基本為0，說(shuō)明D7-1孔揭露的奧灰含水層和D7-2與D7-3孔揭露的3砂含水層補(bǔ)給條件均較差，而 D7-4 和D7-5孔具備進(jìn)行奧灰抽水試驗(yàn)條件。因此僅將 D7-4 和D7-5孔作為奧灰抽水孔，其余補(bǔ)勘鉆孔均設(shè)置為水位觀測(cè)孔。抽水順序及時(shí)間安排如下：

1)D7-5孔抽水試驗(yàn)于2020年5月24日 10點(diǎn)正式開(kāi)始，6月13日10點(diǎn)，第一次水位降深結(jié)束，共計(jì)20 d;6月16日10點(diǎn)第二次水位降深結(jié)束;6月 19日 10點(diǎn)第三次水位降深結(jié)束，而后進(jìn)行水位恢復(fù)。

2)D7-4孔抽水試驗(yàn)于2020年6月23日16點(diǎn)正式開(kāi)始，6月26日16點(diǎn)第一次水位降深結(jié)束；6月28日10點(diǎn)第二次水位降深結(jié)束；7月1日10點(diǎn)第三次水位降深結(jié)束，而后進(jìn)行水位恢復(fù)。

3)D7-4孔、D7-5孔聯(lián)合抽水試驗(yàn)于2020年 7月 5日10點(diǎn)正式開(kāi)始，7月15日17點(diǎn)結(jié)束，而后進(jìn)行水位恢復(fù)。

3 抽水試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 抽水孔及觀測(cè)孔水位變化和水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中抽水孔的流量和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析，繪制了水位變化曲線,如圖4所示。根據(jù)三角堰堰口高度記錄的數(shù)據(jù)，查閱參照堰高流量計(jì)算公式，得到了每次水位降深的抽水流量[16]。本次抽水試驗(yàn)中，抽水鉆孔剛好揭穿奧灰承壓含水層的頂板，構(gòu)成井底進(jìn)水的不完整井，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]，考慮奧灰含水層厚度較大，可將其底板對(duì)井流的影響忽略不計(jì)，此時(shí)井底形狀為半球形，則流線為徑向直線，等水頭面是半個(gè)同心球面，在球坐標(biāo)系中為一維流，這種不完整井流可以作為空間匯點(diǎn)來(lái)求解。

圖4 D7-4、D7-5抽水孔水位變化情況

設(shè)與匯點(diǎn)距離為ρ的任意點(diǎn)A的水位降深為s，球形過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為4πρ2，按照Darcy定律，流向匯點(diǎn)的流量Q′為：

(1)

式中K為滲透系數(shù)。

分離變量后，在ρ和影響半徑(R)的區(qū)間內(nèi)積分上式，得：

(2)

通常，R?ρ，1/R很小，可以忽略不計(jì)，故有：

(3)

式(3)為空間匯點(diǎn)的水位降深表達(dá)式，即在空間匯點(diǎn)作用下任意點(diǎn)的水位降深。

設(shè)想在井軸和含水層頂板交界處放一空間匯點(diǎn)來(lái)代替井的作用，則空間匯點(diǎn)流量的一半相當(dāng)于井的流量，即Q′=2Q，半徑為rw的半球形等水頭面可被視為進(jìn)水的井底，即令ρ=rw，s=sw。將這些條件代入上式，即得井底進(jìn)水的承壓水不完整井流量Q計(jì)算公式：

Q=2πKrwsw

(4)

式中：sw為抽水井中水位降深，sw=H0-hw；H0為抽水前的初始水頭；hw為抽水井中的動(dòng)水位。

滲透系數(shù)的計(jì)算公式為：

(5)

根據(jù)以上公式，可計(jì)算本次抽水試驗(yàn)中2個(gè)鉆孔單獨(dú)抽水和聯(lián)合抽水時(shí)每次水位降深所對(duì)應(yīng)的奧灰含水層的滲透系數(shù)，具體計(jì)算參數(shù)及滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 抽水情況及參數(shù)記錄

為分析抽水時(shí)奧灰含水層和3砂含水層之間是否通過(guò)斷層發(fā)生水力聯(lián)系，整理了抽水試驗(yàn)期間地面3個(gè)奧灰和4個(gè)3砂孔共2個(gè)含水層中的觀測(cè)孔數(shù)據(jù)，奧灰的觀測(cè)孔包括D7-1、O2-1和補(bǔ)7-5，3砂的觀測(cè)孔包括D7-2、P1-13、P1-14和補(bǔ)7-2，根據(jù)整理的數(shù)據(jù)繪制了各個(gè)觀測(cè)孔的水位變化曲線，如圖5所示。

(a)奧灰含水層各觀測(cè)孔水位變化情況

從奧灰含水層觀測(cè)孔水位歷時(shí)曲線中可以看出，隨著抽水試驗(yàn)的進(jìn)行，各個(gè)觀測(cè)孔中的水位都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，且整體水位下降幅度基本一致。從圖5(a)中可以看出，7月5日開(kāi)始進(jìn)行聯(lián)合抽水后，觀測(cè)孔的水位下降速率逐漸加快。值得注意的是，在7月12日，研究區(qū)相鄰的古城煤礦采煤工作面發(fā)生突水，可能受出水影響，3個(gè)奧灰監(jiān)測(cè)孔水位在該天后下降速率明顯增大。

反觀3砂含水層的4個(gè)觀測(cè)孔水位，受復(fù)雜構(gòu)造條件影響，且各個(gè)觀測(cè)孔距離較遠(yuǎn)，同一含水層的不同觀測(cè)孔中的水位相差較大，但是整體趨勢(shì)一致，除新施工的D7-2孔外，其余3個(gè)孔均沒(méi)有發(fā)生較為明顯的波動(dòng)。由于在施工期間研究區(qū)及周邊一直處于降雨天氣，對(duì)于D7-2孔的波動(dòng)，結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r，推測(cè)受到大氣降水補(bǔ)給影響，導(dǎo)致水位上升。

由此可見(jiàn)，抽水試驗(yàn)反映出奧灰含水層和3煤頂板砂巖含水層之間沒(méi)有通過(guò)大型斷層發(fā)生水力聯(lián)系。

3.2 斷層阻滲性分析

通過(guò)以上抽水試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，在對(duì)奧灰含水層進(jìn)行抽水時(shí)，隨著抽水時(shí)間的增加，觀測(cè)孔中的奧灰含水層位逐漸降低，而3砂含水層的水位基本未發(fā)生改變，由此可以推測(cè)北公村1號(hào)和2號(hào)斷層的阻滲性較好，奧灰含水層與3砂含水層不存在水力聯(lián)系。

此外，D7-3孔主要設(shè)計(jì)為控制北公村2號(hào)斷層的位置，在抽水試驗(yàn)結(jié)束后，在該孔繼續(xù)向下施工過(guò)程中穿過(guò)了北公村2號(hào)斷層，在埋深670～690 m區(qū)域揭露破碎帶，690～700 m所取的巖心為砂巖地層，具有較高的完整性，而在700～740 m區(qū)域仍為斷層破碎帶。根據(jù)該鉆孔取心情況，可以推測(cè)斷層中存在一層完整砂巖地層可作為隔水層，提高了斷層的阻滲性。

為進(jìn)一步分析斷層阻滲性，課題組曾在2011—2012年在兗州礦區(qū)進(jìn)行過(guò)多次原位壓滲試驗(yàn)，獲得了該研究區(qū)相鄰礦區(qū)內(nèi)的斷層破碎帶及采動(dòng)破壞帶的單位抗?jié)B強(qiáng)度。在本次研究中，可借鑒參考以前壓滲試驗(yàn)獲得的斷層破碎帶和裂隙較發(fā)育帶實(shí)測(cè)結(jié)果，通過(guò)斷層帶特征及地層揭露情況，取斷層帶綜合的抗?jié)B強(qiáng)度0.12 MPa/m，采動(dòng)破壞帶的抗?jié)B強(qiáng)度0.03 MPa/m。根據(jù)地質(zhì)剖面圖建立了北公村2號(hào)斷層阻滲性評(píng)價(jià)模型，如圖6所示。圖6中M為斷層附近未受斷層影響地段煤層與奧灰含水層之間的隔水層厚度，其值為246 m；h1為斷層兩盤(pán)的落差，其值為160 m。

圖6 北公村2號(hào)斷層阻滲性分析地質(zhì)模型

北公村2號(hào)斷層明顯縮短了主采的山西組3煤到奧灰的間距，導(dǎo)致開(kāi)采中受奧灰影響明顯增大。開(kāi)采3煤層后，根據(jù)文獻(xiàn)[19-21]，可推導(dǎo)出斷層帶抗?jié)B強(qiáng)度P計(jì)算公式如下：

P=LPd+h2Pc

(6)

式中：L為斷層破碎帶有效阻滲段斜長(zhǎng)，取72.3 m；Pd為斷層破碎帶阻滲強(qiáng)度，0.12 MPa/m；Pc為采動(dòng)破壞帶阻滲強(qiáng)度，0.03 MPa/m；h2為斷層部位底板采動(dòng)破壞帶厚度，22 m。

經(jīng)公式(6)計(jì)算得到北公村2號(hào)斷層的抗?jié)B強(qiáng)度P為9.34 MPa，大于底部奧灰含水層實(shí)際水壓值8.15 MPa，由此可見(jiàn)，在開(kāi)采3煤層條件下該斷層理論上能夠阻止奧灰含水層沿?cái)鄬右l(fā)突水事故。

根據(jù)文獻(xiàn)[22]附錄五中突水系數(shù)計(jì)算公式，結(jié)合圖6，分別計(jì)算了該條件下完整和有構(gòu)造部位開(kāi)采山西組3煤層突水系數(shù)分別為0.033、0.094 MPa/m。由此可見(jiàn)，構(gòu)造位置突水系數(shù)明顯增大，屬于不安全開(kāi)采范疇。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，大型斷層多，且基本均為高角度走向展布一致的正斷層，北公村 2號(hào)斷層位于區(qū)內(nèi)主采煤工作面，具備導(dǎo)通底部高承壓奧灰含水層的可能性。

2)通過(guò)奧灰含水層抽水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)奧灰含水層的水位隨試驗(yàn)時(shí)間的增加呈明顯的下降趨勢(shì)，而 3煤層頂板砂巖含水層的觀測(cè)孔內(nèi)水位基本未發(fā)生變化，分析認(rèn)為這2個(gè)含水層不具備水力聯(lián)系。

3)建立了北公村2號(hào)斷層阻滲性模型，結(jié)合壓水試驗(yàn)結(jié)果，類(lèi)比分析認(rèn)為采動(dòng)條件下北公村2號(hào)斷層具有較好的阻滲性，在開(kāi)采3煤層條件下能夠阻止奧灰含水層水沿該斷層引發(fā)突水事故。