深埋单斜条件下碳酸岩含水层水文地质特征研究

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(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.淮南矿业(集团)责任有限公司，安徽 淮南 232001)

我国华北型煤田在深部开采过程中，最突出的岩溶水害问题，随着开采深度增加，深埋条件下岩溶水文地质特征研究是近年来研究热点[1][2]，其对深部煤矿安全开采、地下水资源保护与利用及地热转化与利用等有着重大现实意义[3-8]。深埋条件下单斜含水层是地下水循环的一个重要因素，许多学者开展了这方面研究：易连兴[9]等以单斜地层的岩溶含水层为相对独立系统进行分析研究其内部水力联系；方向清[10]等对北方岩溶地下水系统进行模式划分时提出单斜构造为一种特殊的控水构造。但目前对深埋条件下的单斜碳酸岩含水层却研究甚少。

为研究深埋条件下矿山单斜地下水赋存规律，采取井下放水试验作为水文地质勘探最重要的补充手段[11]，试验不仅获得目的含水层水文地质参数，对于查明矿区文地质条件也是最直接最有效手段[12-15]。本文以顾北煤矿为对象，开展放水试验，通过分析灰岩含水层水量、水(位)压、水质等资料，获得了区内水文地质特征，从而为该矿灰岩水害治理提供了依据。

1 概况

顾北煤矿位于淮南煤田的中部，陈桥背斜东翼与潘集背斜西部的衔接带。地层由老至新为：太古界的变质岩，寒武系和奥陶系及石炭系的碳酸盐岩，以及二叠系的煤系地层，上述地层被厚度为390～509 m的新生界松散所覆盖；构造形态为走向南北，向东倾斜单斜构造，地层倾斜平缓，倾角5°～15°，并发育有不均的次级宽缓褶曲和断层(图1)。

顾北井田含水层(组)主要为新生界松散孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层及石炭系、奥陶系岩溶含水层组(图1b)，其中石炭系太原组含水层厚度为99.99～129.11 m，含薄层灰岩10～13层，根据岩性岩相，将其分为C3Ⅰ灰岩含水组(1～3下灰，厚度23.60～42.10 m)、C3Ⅱ灰岩含水组(4～9灰，厚20.10～39.50 m)、C3Ⅲ灰岩含水组(10～12灰，厚16.00～27.85 m)。C3Ⅰ组灰岩含水层单位涌水量q=0.000 21～0.261 L/(s·m)，渗透系数K=0.000 563～2.237 m/d，为弱～中等富水性。水质类型为Cl-(Na+K)型和Cl·SO4-(Na+K)型。C3Ⅱ组灰岩含水层单位涌水量q=0.000 64～0.001 89L/(s·m)，渗透系数K=0.001 9～0.007 8 m/d，为弱富水性。水质类型为Cl-(Na+K)型和Cl·SO4-(Na+K)型。C3Ⅲ组灰岩含水层单位涌水量q=0.000 376～0.006 77L/(s·m)，渗透系数K=0.002 01～0.037 9 m/d，为弱富水性。水质类型为Cl-(Na+K)型、Cl·SO4-(Na+K)型和SO4-(Na+K)型。

奥陶系岩溶裂隙含水层，厚为48.70～92.50 m，为灰～深灰色厚层状白云质灰岩及白云岩，顶部风化，为绿色铝土团块充填，裂隙多呈闭合状，局部裂隙面可见泥、钙质薄膜或方解石脉，单位涌水量为0.000 701～0.763 L/(s·m)，为弱～中等富水性，水质类型为Cl-(Na+K)型、Cl·SO4-(Na+K)型和SO4·HCO3-(Na+K)型。

根据C3Ⅰ组灰岩含水层的富水性，由F104断层及F86断层将研究区划分为三个水文地质断块(I-F86至F104断层区段、II-F86断层以北、III-F104断层以南)，I区与III区为弱富水区，II区为中等富水区，试验场位于III区内(图1a)。

2 放水试验

2.1 试验位置选择

南一1煤采区内部沿煤层走向布置“2岩1煤”共3条系统巷道，沿1～2灰层位布置南一1煤采区底板放水巷(下称“放水巷”)，兼作1煤层回风巷、底抽巷；在1煤层中布置回风巷；沿煤层顶板布置轨道巷，工作面两巷与煤层回风巷直接连接，顶板轨道巷通过石门与工作面两巷连接。沿煤层倾向布置工作面，工作面两侧布置机巷与风巷。13121工作面两侧布置13121上胶带机顺槽底抽巷(下称：“底抽巷”)与13121上回风顺槽，并与放水巷、南一1煤采区矸石胶带机巷(下称：“矸石胶带机巷”)相连(图1)。

依据井下巷道放水孔出水情况调查，本次以底抽巷为主要试验巷道，放水巷与矸石胶带机巷为研究辅助巷道。

2.2 试验观测系统

本次试验共221个，其中井下灰岩钻孔196个，地面水文观测孔25个(图2)。将底抽巷第十二茬钻场中水量较大JD12-6#、JD12-8#、JD12-10#和T4孔作为主要放水孔(图2)兼作测压孔，其余192个钻孔均为测压孔，如表1。

表1 井下试验孔信息统计表

图1 基岩水文地质图

2.3 试验过程

试验前，底抽巷沿NWW向已布置12茬钻场，试验时长达14 d。试验过程具体如下：

(1)背景值观测

在放水试验正式开始前即2018年3月19日下午，对井下所有灰岩钻孔的水量(水压)进行一次统一观测，作为背景值，并采集水量大于等于1 m3/h的钻孔中水样共18个。

(2)水位恢复试验

关闭矸石胶带机巷、放水巷和底抽巷全部放水钻孔和测压钻孔。自2018年3月20日8时开始至3月27日8时结束，工期共7 d。

(3)放水试验

2018年3月27日8点，打开底抽巷第十二茬的JD12-6#、JD12-8#、JD12-10#和T4等4个钻孔进行放水，其它井下所有钻孔仍保持原状(关闭状态)，至2018年4月2日结束，工期共6 d，并采集水样3个。

所有井下放水孔、测压孔和地面水位观测孔，均采用加密和非加密观测相结合。

2.4 试验数据

整理分析井下水量、水压及水位等数据共7 136个、地面水位观测孔水位数据4 405个，测试水样21个，水压、水量数据2 731个。此外，还收集到勘探阶段的54个水样数据。

3 结果讨论

3.1 地下水动态特征

从2015年7月开始开展井下C3I组灰岩探放水工程，至2018年1月以前井下灰岩水量5～20 m3/h。而自底抽巷第十二茬的JD12-5#、JD12-6#、JD12-6#和JD12-8#钻孔施工后，灰岩涌水量增加至27～31 m3/h，至试验前基本稳定在30 m3/h，其他钻孔水量均较小(图2)。

图2 底抽巷钻孔涌水量变化直方图

通过井下关孔以实现含水层水位恢复，发现新生界含水层中的水位基本没有发生变化。说明研究区新生界含水层与下部灰岩含水层水力联系差。即灰岩含水层为处在深埋地下的封闭环境，上部巨厚的新生界松散层为其提供了较好的封闭盖层。即不存在大气降水和地表水补给含水层。

C3Ⅰ组灰岩含水层：通过关孔进行水位恢复，由于尺度效应，距离试验场较近的九线勘探线上的观测孔水位有较好响应，其他观测孔水位未有明显响应。

从关孔开始(2018年3月20日8时)至关孔结束前(2018年3月27日8时)，九C3Ⅰ观测孔水位反应速度最快，回升幅度最大，总升幅达到1.13 m(图3a)。

C3Ⅱ组灰岩含水层：在观测该组含水层的3个孔中，九C3Ⅱ孔水位响应较好。至关孔结束，其总升幅为0.49 m，其他2个孔中水位较为稳定(图3b)。

C3Ⅲ组、O1+2、∈灰岩含水层：C3Ⅲ组、O1+2、∈灰岩含水层水位变化整体上分为以下两种类型。

Ⅰ型：主要由七C3Ⅲ与九O1+2-Ⅰ孔组成，两者的水位变化几乎完全重合(图4a)。虽然其在试验阶段水位保持上升，但为保持前期的变化趋势，即其水位变化与试验无明显关系。

Ⅱ型：主要由五～六C3Ⅲ、五～六O1+2-Ⅰ、七O1+2、十～十南O1+2、XLZJ1及五∈孔中的观测水位组成(图4b)。此6孔中的水位变化趋势基本一致，其与Ⅰ型一样，虽在试验阶段为上升趋势，但与试验没有明显关系。

(a) 九C3Ⅰ孔 (b) 九C3Ⅱ孔

(a) Ⅰ型 (b) Ⅱ型

经试验关孔7天后，井下钻孔水压升幅如图5。

图5 压强总升幅直方图

分析水样数据可知，随着深度的增加，Na++K+、HCO3-随深度增加呈现增大趋势；Cl-一直呈现较高含量，含量变化不明显；Ca2+、Mg2+与SO42-含量较低，且均呈现降低趋势(图6)。TDS随着深度增加呈现增长趋势，其中3-4#孔水样异常可能由于其来自不同的含水层系统导致(图7)。

此外，利用SPSS软件对勘探阶段、背景值阶段和放水阶段这三个阶段的75个样品进行水源判别，有76.7%的水样为C3I组灰岩水，其余为太原组灰岩水。

通过对试验所测水温数据分析，随着深度的增加，水温基本呈现递增趋势。根据前期勘探资料，该范围内地温梯度为3.08℃/百米，通过拟合发现，当地温梯度为3.44℃/百米时，拟合温度与实测温度拟合较好。放水巷的J4-3#、J5-3#及J7-2#孔与之相差较大，可能由于来自不同的含水层系统，整体上符合地温增温率(图7)。

图6 各离子浓度随深度变化

图7 水温和TDS随深度变化

3.2 讨论与认识

通过上述水量变化可知，随着底抽巷逐渐由深部向浅部掘进，井下灰岩水量逐渐增大；当掘进停滞不前时(2017年2月至2017年6月)，井下灰岩水量在缓慢减少，说明灰岩含水层水为静储量水，处于负均衡状态。

对各含水层的水位分析可知：

(1)C3I组灰岩含水层与上部松散层水力联系差，无上部补给。随着井下疏放水的不断进行，地下水位整体呈下降趋势，再次说明地下水主要为静储量水；

(2)第十二茬钻孔水与九C3Ⅰ、九C3Ⅱ孔之间的水力联系较为密切，可能通过溶隙沟通；

(3)第十二茬钻孔水主要来自露头区灰岩水，以C3I组灰岩水为主，掺有少量C3Ⅱ组灰岩水；

(4)C3Ⅲ组、O1+2与∈灰岩含水层之间水力联系较好，与上部的C3Ⅱ组和C3I组灰岩含水层水力联系较差；

(5)试验场附近的部分断层存在导水性，且周围岩溶裂隙及小断层极为发育。

通过井下测压数据分析有：关孔恢复7天后，仅底抽巷第七茬以上钻孔水压上升，底抽巷第七茬以下及矸石胶带机巷和放水巷钻孔水压基本不变，验证了试验区浅部灰岩富水性相对较强，而深部灰岩富水性较弱，且两者之间的水力联系弱。

从水样数据分析再次说明了井下疏放水主要来源于C3Ⅰ组灰岩水，混有少量C3Ⅱ组灰岩水。

地下水温度随深度增加整体呈现上升趋势，局部可能因为断层导水而导致水温异常。

4 结语

(1)井下疏放水主要来源于C3Ⅰ组灰岩水，次要为C3Ⅱ组灰岩水；

(2)试验区浅部灰岩富水性相对较强，而深部灰岩富水性较弱，且两者之间的水力联系弱；

(3)通过水样水质数据分析，得到由浅部至深部水质类型为Cl·SO4-(Na+K)型到Cl-(Na+K)型，TDS逐渐增大，并同井下水压数据验证了上述结论；

(4)地下水温度满足地温增温率，验证了水温是反映含水介质的良好媒介。