郭屯煤礦底部含水層水文地質(zhì)條件及滲透系數(shù)分析

郭屯煤礦底部含水層水文地質(zhì)條件及滲透系數(shù)分析

中國東部煤炭資源豐富，但儲量低。為了盡可能回收煤炭資源，建議增加開采，即增加開采閾值。1研究背景1.1煤-巖-權(quán)體系內(nèi)地層體系郭屯煤礦位于巨野煤田中北部為第四系覆蓋的全隱伏式井田，上覆530～580m新生界松散層。由上至下為第四系、新近系、古近系、二疊紀(jì)石盒子組、二疊系山西組、石炭-二疊系太原組和奧陶系等地層，區(qū)域內(nèi)含煤地層主要賦存于二疊系山西組和石炭-二疊系太原組。礦區(qū)東起田橋斷層，西界為煤系地層隱伏露頭，總體為向東傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角5°～10°，平均6°左右。全區(qū)發(fā)育寬緩褶曲，翼部傾角5°～10°，主要褶曲16條，受東董斷層、八里河斷層、田橋斷層等斷層影響，全區(qū)地層西南緩、北東陡。區(qū)內(nèi)斷層分布不均勻，統(tǒng)計及了343條，均為北北東向正斷層，其中落差大于100m有3條；50～100m有10條、30～50m有8條；10～30m有76條；小于10m有246條。1.2風(fēng)氧化帶下砂巖含水層該礦地下水系統(tǒng)可分為5個含水層，分別為：1）新生界松散砂礫孔隙含水層。新生界松散砂礫孔隙含水層自上而下又可劃分為3個含水層（組）和2個隔水層（組）：“一含”為第四系含水層，“二含”為新近系上段含水層，“三含”為新近系下段含水層。2）二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層。二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層又可以分為風(fēng)氧化帶裂隙含水層與風(fēng)氧化帶下砂巖裂隙含水層：風(fēng)氧化帶裂隙含水層單位涌水量為0.1134～0.4949L/（s·m），滲透系數(shù)0.27087～1.3557m/d，富水性中等；風(fēng)氧化帶下砂巖裂隙含水層單位涌水量0.8943L/（s·m），滲透系數(shù)為0.1702～1.0054m/d，富水性中等。3）二疊系山西組3煤頂板砂巖含水層。二疊系山西組3煤頂板砂巖含水層單位涌水量為0.0034～0.0037L/（s·m），滲透系數(shù)為0.0065～0.0146m/d，以靜儲量為主，補(bǔ)給條件差，容易疏干。4）石炭系太原組巖溶裂隙含水層。石炭系太原組巖溶裂隙含水層為多個薄層灰?guī)r段組成，富水性不均勻、受構(gòu)造控制影響大，滲透性差異較大，如十灰單位涌水量為0.4225L/（s·m），滲透系數(shù)為2.9444m/d，屬富水性中等的巖溶裂隙含水層。5）奧陶系巖溶含水層。奧陶系巖溶含水層富水性和滲透性具有非均質(zhì)性，依據(jù)勘探成果，其富水性弱至中等。1.3間接充水水源郭屯煤礦主采3煤，主要充水因素為：1）上部新生界底部含水層與二疊系石盒子組含水層之間，因淺部煤層開采，發(fā)育導(dǎo)水?dāng)嗔褞?，然后通過基巖風(fēng)化帶溝通底部含水層，間接發(fā)生水力聯(lián)系，使之發(fā)生垂向入滲滲流，為間接充水水源。2）由于井田發(fā)育NNE向正斷層，煤層頂?shù)装迳皫r裂隙非常發(fā)育，賦存砂巖裂隙水，當(dāng)采掘過程中，應(yīng)力釋放破壞巖體，煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水進(jìn)行自流疏放。3)3煤層采后，地煤層底板進(jìn)行破壞，太原組灰?guī)r水是其充水的水源之一。奧陶系巖溶含水由于距離煤層較遠(yuǎn)，一般情況下無水力聯(lián)系，由于斷層落差造成煤層與奧灰含水層之間對接，可能發(fā)生通過發(fā)生奧灰水補(bǔ)給，形成直接的充水水源。礦區(qū)充水通道：垂向斷層和伴生的斷裂帶；此外，煤層下部可存能在隱伏巖溶構(gòu)造通道等，如陷落柱等，郭屯煤礦充水因素示意圖如圖1。2地下水層的水文特征2.1層的底厚度分布特征2.1.1雙向斷層控制下的下覆構(gòu)造模型通過繪制新生界松散層等值線，其厚度為460～670m。從東到西、從南到北沉積厚度逐漸增大，主要受北北東向斷層對基巖面的控制，導(dǎo)致東西兩側(cè)松散層沉積厚度存在顯著差異，郭屯煤礦礦區(qū)松散層厚度等值圖如圖2。底部含水層是新近系下部含水層，常常與下覆于基巖面直接接觸。經(jīng)鉆孔統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)底部含水層從東北到西南沉積厚度較大，向兩側(cè)含水層厚度逐漸減小，厚度變化范圍為35～120m，郭屯煤礦礦區(qū)松散層底部含水層厚度等值圖如圖3。2.1.2地層巖性分布特征工業(yè)廣場位于礦區(qū)中部偏東一側(cè)，受地質(zhì)構(gòu)造影響，井筒周邊松散層底部含水層存在一定的地質(zhì)差異。為進(jìn)一步查清工業(yè)廣場的松散層底部含水層厚度及水文地質(zhì)特征，共設(shè)計了7個檢驗孔（主井2個，副井2個，風(fēng)井3個）。工業(yè)廣場內(nèi)松散層厚度范圍為574～587m，以水平距離為50.16m的主井和風(fēng)井為界，西側(cè)與東側(cè)兩邊松散層厚度相差10m。西側(cè)（風(fēng)井及其周邊檢驗孔）松散層厚度達(dá)575～578m，東側(cè)（主、副井及其周邊檢驗孔）厚度達(dá)580～587m。對主井和風(fēng)井的基巖面上下同層段地層巖性進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：基巖面578.1m以上，主井和風(fēng)井地層巖性相同，而在578.1～585.1m層段，主井和風(fēng)井地層巖性存在差異，主井該層段巖性缺失，受斷層影響巖層破碎嚴(yán)重。但在585.1m以下，兩井地層巖性再次保持一致。因此，可以推斷兩井之間存在落差為10m左右的斷層。由圖2(b）可以看出，井筒周邊呈現(xiàn)出從東向西松散層厚度逐漸變小的趨勢，再結(jié)合礦區(qū)發(fā)育的北北東向正斷層，推斷主井和風(fēng)井之間存在落差為10m左右北北東向正斷層。因此，會出現(xiàn)東側(cè)為上盤，松散層沉積厚度變大，而西側(cè)為下盤，松散層沉積厚度變小的現(xiàn)象。由此，工業(yè)廣場底部含水層厚度為18～40m。受基巖面地形影響，底部含水層厚度從東南到西北逐漸減小。底部含水層也受主井與風(fēng)井之間的斷層影響，主井周圍底部含水層厚度大于位于東南的副井周邊，而風(fēng)井周圍則小于西北側(cè)地層。2.2壓力試驗2.2.1試驗層段透水率及滲透系數(shù)計算通過一定壓力向注水端壓入清水，在一段時間內(nèi)獲得注水段吸水量，間接分析注水段的透水性能。在試驗場地，先對7個檢驗孔用清水進(jìn)行洗孔，使栓塞位置位于底部含水層底板處，形成封閉的壓水隔離段。觀測各孔初始水位后正式壓水試驗，每隔30min觀測1次，記錄流量和壓力記錄各檢驗孔壓入水量和壓力數(shù)據(jù)，依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》公式計算相應(yīng)層段透水率。試驗層段透水率公式為：式中：Q為一定壓力下的壓入流量，L/min;L為試驗層段厚度，m;p為施加的壓力，MPa;q為試驗層段透水率，LU(1LU=1L/（m·MPa·min））。再根據(jù)承壓井穩(wěn)定流公式，計算滲透系數(shù)K:式中：K為滲透系數(shù)，m/d;Q為壓入流量，m對式（1）、式（2）進(jìn)行修正后，得到滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式為：式中：p′為壓力水頭，m；α為壓水井系數(shù)，當(dāng)含水層厚度≥L/3時，α為1.32，當(dāng)含水層厚度≤L/3時，α為0.66。2.2.2檢驗孔滲透系數(shù)由式（2）、式（3）計算各檢驗孔底部含水層的滲透率和滲透系數(shù)，試驗段水文地質(zhì)參數(shù)表見表1。計算結(jié)果表明：各檢驗孔水文地質(zhì)參數(shù)有較大差異，其中位于工業(yè)廣場東側(cè)的主檢孔滲透系數(shù)為最小，其余檢驗孔滲透系數(shù)相對接近。結(jié)合鉆孔取心發(fā)現(xiàn)，主檢孔附近黏土夾層透鏡體較厚，隔水性能好。其它檢驗孔附近黏土層厚度較為接近，因此，其滲透性能差異性較小。2.3slug測試2.3.1含水層參數(shù)設(shè)計在確定初始水位的基礎(chǔ)上，先設(shè)置好DIVER水位傳感器的觀測時間間隔后，并啟動。將與測繩捆綁好的DIVER傳感器置于水下一定位置處，該實驗的DIVER傳感器探頭參數(shù)設(shè)定的水位變化范圍要求小于25m，故向檢驗孔中緩緩下入一定長度的鉆桿，直至完全沉入水面，引起的水位變化應(yīng)小于25m，待檢驗孔水位恢復(fù)至初始水位時，再緩緩提起鉆桿直至地面，待檢驗孔中水位再次恢復(fù)至初始水位，即試驗結(jié)束運(yùn)用Aquifertest軟件中Hvorslev模型對含水層參數(shù)進(jìn)行計算：式中：H2.3.2風(fēng)檢2孔滲透系數(shù)利用Aquifertest軟件計算：風(fēng)檢1孔滲透系數(shù)0.508m/d，風(fēng)檢2孔滲透系數(shù)為0.00229m/d，主檢孔滲透系數(shù)為0.00264m/d，副檢孔滲透系數(shù)為0.0357m/d。2.4地下動態(tài)變化曲線為了進(jìn)一步了解井筒周邊松散層底部含水層地下水的水位動態(tài)特征，利用郭屯煤礦立井四周的檢查孔，對周邊底部含水層水位進(jìn)行觀測，即風(fēng)檢1孔、風(fēng)檢2孔、主檢孔、副檢孔等4個孔。檢驗孔松散層底部含水層地下動態(tài)變化曲線如圖4。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在鉆孔施工完畢后產(chǎn)生略微的水位上升外，各檢驗孔底部含水層水位均處于持續(xù)下降狀態(tài)。風(fēng)檢2孔和主檢孔初始水位相對一致，其它檢驗孔水位差異性較大。從東至西水位具有逐漸增大趨勢，底部含水層降深下降速率逐漸減小，僅風(fēng)檢1孔出現(xiàn)局部水位上升的情況。由此可以推斷，目前工業(yè)廣場的底部含水層地下水自東向西流動趨勢，且表現(xiàn)出水位持續(xù)下降趨勢。3分析土壤含水量損失的因素3.1在完全冷凍的情況下，底部含水層會導(dǎo)致井壁坍塌主、副和風(fēng)立井穿過松散層和風(fēng)化基巖段采用凍結(jié)法施工3.2風(fēng)化帶成為底部含水層保水線路礦井構(gòu)造分析表明：工業(yè)廣場位于構(gòu)造發(fā)育帶，煤系地層上覆風(fēng)化帶主要為石英砂巖，因此，垂向裂隙較為發(fā)育。通過鉆探揭露和超聲波探測發(fā)現(xiàn)基巖面下風(fēng)化帶段發(fā)育垂向張性裂隙11條，從而為底部含水層垂向入滲提供了天然良好通道。因而底部含水層水為基巖含水層補(bǔ)給水源。2009年馬頭門巷道施工時，曾發(fā)生垮落，因未及時有效處理，長時間連續(xù)出水約1300萬m3.3周邊回采工作面斷裂帶高度對比郭屯煤礦建井初期與現(xiàn)開采階段，礦井涌水量增加近10倍，已達(dá)到500～600m對工業(yè)廣場范圍附近回采工作面斷裂帶高度采用式（6）計算：式中：H郭屯煤礦導(dǎo)水?dāng)嗔褞в绊懛秶鷪D如圖5。以A工作面為例，所開采煤層厚為3.9m，煤層近水平，其斷裂帶高度為42.96m。統(tǒng)計分析煤層頂板距離基巖面厚度為150～200m，可能存在導(dǎo)水?dāng)嗔褞c風(fēng)化斷裂帶發(fā)生溝通，導(dǎo)致與底部含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系。4底部含水層關(guān)于充水水源的認(rèn)識1）目前3煤開