深埋單斜條件下碳酸巖含水層水文地質(zhì)特征研究

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(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))責(zé)任有限公司，安徽 淮南 232001)

我國(guó)華北型煤田在深部開采過(guò)程中，最突出的巖溶水害問(wèn)題，隨著開采深度增加，深埋條件下巖溶水文地質(zhì)特征研究是近年來(lái)研究熱點(diǎn)[1][2]，其對(duì)深部煤礦安全開采、地下水資源保護(hù)與利用及地?zé)徂D(zhuǎn)化與利用等有著重大現(xiàn)實(shí)意義[3-8]。深埋條件下單斜含水層是地下水循環(huán)的一個(gè)重要因素，許多學(xué)者開展了這方面研究：易連興[9]等以單斜地層的巖溶含水層為相對(duì)獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行分析研究其內(nèi)部水力聯(lián)系；方向清[10]等對(duì)北方巖溶地下水系統(tǒng)進(jìn)行模式劃分時(shí)提出單斜構(gòu)造為一種特殊的控水構(gòu)造。但目前對(duì)深埋條件下的單斜碳酸巖含水層卻研究甚少。

為研究深埋條件下礦山單斜地下水賦存規(guī)律，采取井下放水試驗(yàn)作為水文地質(zhì)勘探最重要的補(bǔ)充手段[11]，試驗(yàn)不僅獲得目的含水層水文地質(zhì)參數(shù)，對(duì)于查明礦區(qū)文地質(zhì)條件也是最直接最有效手段[12-15]。本文以顧北煤礦為對(duì)象，開展放水試驗(yàn)，通過(guò)分析灰?guī)r含水層水量、水(位)壓、水質(zhì)等資料，獲得了區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)特征，從而為該礦灰?guī)r水害治理提供了依據(jù)。

1 概況

顧北煤礦位于淮南煤田的中部，陳橋背斜東翼與潘集背斜西部的銜接帶。地層由老至新為：太古界的變質(zhì)巖，寒武系和奧陶系及石炭系的碳酸鹽巖，以及二疊系的煤系地層，上述地層被厚度為390～509 m的新生界松散所覆蓋；構(gòu)造形態(tài)為走向南北，向東傾斜單斜構(gòu)造，地層傾斜平緩，傾角5°～15°，并發(fā)育有不均的次級(jí)寬緩褶曲和斷層(圖1)。

顧北井田含水層(組)主要為新生界松散孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層及石炭系、奧陶系巖溶含水層組(圖1b)，其中石炭系太原組含水層厚度為99.99～129.11 m，含薄層灰?guī)r10～13層，根據(jù)巖性巖相，將其分為C3Ⅰ灰?guī)r含水組(1～3下灰，厚度23.60～42.10 m)、C3Ⅱ灰?guī)r含水組(4～9灰，厚20.10～39.50 m)、C3Ⅲ灰?guī)r含水組(10～12灰，厚16.00～27.85 m)。C3Ⅰ組灰?guī)r含水層單位涌水量q=0.000 21～0.261 L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.000 563～2.237 m/d，為弱～中等富水性。水質(zhì)類型為Cl-(Na+K)型和Cl·SO4-(Na+K)型。C3Ⅱ組灰?guī)r含水層單位涌水量q=0.000 64～0.001 89L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.001 9～0.007 8 m/d，為弱富水性。水質(zhì)類型為Cl-(Na+K)型和Cl·SO4-(Na+K)型。C3Ⅲ組灰?guī)r含水層單位涌水量q=0.000 376～0.006 77L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.002 01～0.037 9 m/d，為弱富水性。水質(zhì)類型為Cl-(Na+K)型、Cl·SO4-(Na+K)型和SO4-(Na+K)型。

奧陶系巖溶裂隙含水層，厚為48.70～92.50 m，為灰～深灰色厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖，頂部風(fēng)化，為綠色鋁土團(tuán)塊充填，裂隙多呈閉合狀，局部裂隙面可見泥、鈣質(zhì)薄膜或方解石脈，單位涌水量為0.000 701～0.763 L/(s·m)，為弱～中等富水性，水質(zhì)類型為Cl-(Na+K)型、Cl·SO4-(Na+K)型和SO4·HCO3-(Na+K)型。

根據(jù)C3Ⅰ組灰?guī)r含水層的富水性，由F104斷層及F86斷層將研究區(qū)劃分為三個(gè)水文地質(zhì)斷塊(I-F86至F104斷層區(qū)段、II-F86斷層以北、III-F104斷層以南)，I區(qū)與III區(qū)為弱富水區(qū)，II區(qū)為中等富水區(qū)，試驗(yàn)場(chǎng)位于III區(qū)內(nèi)(圖1a)。

2 放水試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)位置選擇

南一1煤采區(qū)內(nèi)部沿煤層走向布置“2巖1煤”共3條系統(tǒng)巷道，沿1～2灰層位布置南一1煤采區(qū)底板放水巷(下稱“放水巷”)，兼作1煤層回風(fēng)巷、底抽巷；在1煤層中布置回風(fēng)巷；沿煤層頂板布置軌道巷，工作面兩巷與煤層回風(fēng)巷直接連接，頂板軌道巷通過(guò)石門與工作面兩巷連接。沿煤層傾向布置工作面，工作面兩側(cè)布置機(jī)巷與風(fēng)巷。13121工作面兩側(cè)布置13121上膠帶機(jī)順槽底抽巷(下稱：“底抽巷”)與13121上回風(fēng)順槽，并與放水巷、南一1煤采區(qū)矸石膠帶機(jī)巷(下稱：“矸石膠帶機(jī)巷”)相連(圖1)。

依據(jù)井下巷道放水孔出水情況調(diào)查，本次以底抽巷為主要試驗(yàn)巷道，放水巷與矸石膠帶機(jī)巷為研究輔助巷道。

2.2 試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)

本次試驗(yàn)共221個(gè)，其中井下灰?guī)r鉆孔196個(gè)，地面水文觀測(cè)孔25個(gè)(圖2)。將底抽巷第十二茬鉆場(chǎng)中水量較大JD12-6#、JD12-8#、JD12-10#和T4孔作為主要放水孔(圖2)兼作測(cè)壓孔，其余192個(gè)鉆孔均為測(cè)壓孔，如表1。

表1 井下試驗(yàn)孔信息統(tǒng)計(jì)表

圖1 基巖水文地質(zhì)圖

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前，底抽巷沿NWW向已布置12茬鉆場(chǎng)，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)達(dá)14 d。試驗(yàn)過(guò)程具體如下：

(1)背景值觀測(cè)

在放水試驗(yàn)正式開始前即2018年3月19日下午，對(duì)井下所有灰?guī)r鉆孔的水量(水壓)進(jìn)行一次統(tǒng)一觀測(cè)，作為背景值，并采集水量大于等于1 m3/h的鉆孔中水樣共18個(gè)。

(2)水位恢復(fù)試驗(yàn)

關(guān)閉矸石膠帶機(jī)巷、放水巷和底抽巷全部放水鉆孔和測(cè)壓鉆孔。自2018年3月20日8時(shí)開始至3月27日8時(shí)結(jié)束，工期共7 d。

(3)放水試驗(yàn)

2018年3月27日8點(diǎn)，打開底抽巷第十二茬的JD12-6#、JD12-8#、JD12-10#和T4等4個(gè)鉆孔進(jìn)行放水，其它井下所有鉆孔仍保持原狀(關(guān)閉狀態(tài))，至2018年4月2日結(jié)束，工期共6 d，并采集水樣3個(gè)。

所有井下放水孔、測(cè)壓孔和地面水位觀測(cè)孔，均采用加密和非加密觀測(cè)相結(jié)合。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

整理分析井下水量、水壓及水位等數(shù)據(jù)共7 136個(gè)、地面水位觀測(cè)孔水位數(shù)據(jù)4 405個(gè)，測(cè)試水樣21個(gè)，水壓、水量數(shù)據(jù)2 731個(gè)。此外，還收集到勘探階段的54個(gè)水樣數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果討論

3.1 地下水動(dòng)態(tài)特征

從2015年7月開始開展井下C3I組灰?guī)r探放水工程，至2018年1月以前井下灰?guī)r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#鉆孔施工后，灰?guī)r涌水量增加至27～31 m3/h，至試驗(yàn)前基本穩(wěn)定在30 m3/h，其他鉆孔水量均較小(圖2)。

圖2 底抽巷鉆孔涌水量變化直方圖

通過(guò)井下關(guān)孔以實(shí)現(xiàn)含水層水位恢復(fù)，發(fā)現(xiàn)新生界含水層中的水位基本沒(méi)有發(fā)生變化。說(shuō)明研究區(qū)新生界含水層與下部灰?guī)r含水層水力聯(lián)系差。即灰?guī)r含水層為處在深埋地下的封閉環(huán)境，上部巨厚的新生界松散層為其提供了較好的封閉蓋層。即不存在大氣降水和地表水補(bǔ)給含水層。

C3Ⅰ組灰?guī)r含水層：通過(guò)關(guān)孔進(jìn)行水位恢復(fù)，由于尺度效應(yīng)，距離試驗(yàn)場(chǎng)較近的九線勘探線上的觀測(cè)孔水位有較好響應(yīng)，其他觀測(cè)孔水位未有明顯響應(yīng)。

從關(guān)孔開始(2018年3月20日8時(shí))至關(guān)孔結(jié)束前(2018年3月27日8時(shí))，九C3Ⅰ觀測(cè)孔水位反應(yīng)速度最快，回升幅度最大，總升幅達(dá)到1.13 m(圖3a)。

C3Ⅱ組灰?guī)r含水層：在觀測(cè)該組含水層的3個(gè)孔中，九C3Ⅱ孔水位響應(yīng)較好。至關(guān)孔結(jié)束，其總升幅為0.49 m，其他2個(gè)孔中水位較為穩(wěn)定(圖3b)。

C3Ⅲ組、O1+2、∈灰?guī)r含水層：C3Ⅲ組、O1+2、∈灰?guī)r含水層水位變化整體上分為以下兩種類型。

Ⅰ型：主要由七C3Ⅲ與九O1+2-Ⅰ孔組成，兩者的水位變化幾乎完全重合(圖4a)。雖然其在試驗(yàn)階段水位保持上升，但為保持前期的變化趨勢(shì)，即其水位變化與試驗(yàn)無(wú)明顯關(guān)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∈孔中的觀測(cè)水位組成(圖4b)。此6孔中的水位變化趨勢(shì)基本一致，其與Ⅰ型一樣，雖在試驗(yàn)階段為上升趨勢(shì)，但與試驗(yàn)沒(méi)有明顯關(guān)系。

(a) 九C3Ⅰ孔 (b) 九C3Ⅱ孔

(a) Ⅰ型 (b) Ⅱ型

經(jīng)試驗(yàn)關(guān)孔7天后，井下鉆孔水壓升幅如圖5。

圖5 壓強(qiáng)總升幅直方圖

分析水樣數(shù)據(jù)可知，隨著深度的增加，Na++K+、HCO3-隨深度增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；Cl-一直呈現(xiàn)較高含量，含量變化不明顯；Ca2+、Mg2+與SO42-含量較低，且均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)(圖6)。TDS隨著深度增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中3-4#孔水樣異?？赡苡捎谄鋪?lái)自不同的含水層系統(tǒng)導(dǎo)致(圖7)。

此外，利用SPSS軟件對(duì)勘探階段、背景值階段和放水階段這三個(gè)階段的75個(gè)樣品進(jìn)行水源判別，有76.7%的水樣為C3I組灰?guī)r水，其余為太原組灰?guī)r水。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)所測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)分析，隨著深度的增加，水溫基本呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。根據(jù)前期勘探資料，該范圍內(nèi)地溫梯度為3.08℃/百米，通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)販靥荻葹?.44℃/百米時(shí)，擬合溫度與實(shí)測(cè)溫度擬合較好。放水巷的J4-3#、J5-3#及J7-2#孔與之相差較大，可能由于來(lái)自不同的含水層系統(tǒng)，整體上符合地溫增溫率(圖7)。

圖6 各離子濃度隨深度變化

圖7 水溫和TDS隨深度變化

3.2 討論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)上述水量變化可知，隨著底抽巷逐漸由深部向淺部掘進(jìn)，井下灰?guī)r水量逐漸增大；當(dāng)掘進(jìn)停滯不前時(shí)(2017年2月至2017年6月)，井下灰?guī)r水量在緩慢減少，說(shuō)明灰?guī)r含水層水為靜儲(chǔ)量水，處于負(fù)均衡狀態(tài)。

對(duì)各含水層的水位分析可知：

(1)C3I組灰?guī)r含水層與上部松散層水力聯(lián)系差，無(wú)上部補(bǔ)給。隨著井下疏放水的不斷進(jìn)行，地下水位整體呈下降趨勢(shì)，再次說(shuō)明地下水主要為靜儲(chǔ)量水；

(2)第十二茬鉆孔水與九C3Ⅰ、九C3Ⅱ孔之間的水力聯(lián)系較為密切，可能通過(guò)溶隙溝通；

(3)第十二茬鉆孔水主要來(lái)自露頭區(qū)灰?guī)r水，以C3I組灰?guī)r水為主，摻有少量C3Ⅱ組灰?guī)r水；

(4)C3Ⅲ組、O1+2與∈灰?guī)r含水層之間水力聯(lián)系較好，與上部的C3Ⅱ組和C3I組灰?guī)r含水層水力聯(lián)系較差；

(5)試驗(yàn)場(chǎng)附近的部分?jǐn)鄬哟嬖趯?dǎo)水性，且周圍巖溶裂隙及小斷層極為發(fā)育。

通過(guò)井下測(cè)壓數(shù)據(jù)分析有：關(guān)孔恢復(fù)7天后，僅底抽巷第七茬以上鉆孔水壓上升，底抽巷第七茬以下及矸石膠帶機(jī)巷和放水巷鉆孔水壓基本不變，驗(yàn)證了試驗(yàn)區(qū)淺部灰?guī)r富水性相對(duì)較強(qiáng)，而深部灰?guī)r富水性較弱，且兩者之間的水力聯(lián)系弱。

從水樣數(shù)據(jù)分析再次說(shuō)明了井下疏放水主要來(lái)源于C3Ⅰ組灰?guī)r水，混有少量C3Ⅱ組灰?guī)r水。

地下水溫度隨深度增加整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，局部可能因?yàn)閿鄬訉?dǎo)水而導(dǎo)致水溫異常。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)井下疏放水主要來(lái)源于C3Ⅰ組灰?guī)r水，次要為C3Ⅱ組灰?guī)r水；

(2)試驗(yàn)區(qū)淺部灰?guī)r富水性相對(duì)較強(qiáng)，而深部灰?guī)r富水性較弱，且兩者之間的水力聯(lián)系弱；

(3)通過(guò)水樣水質(zhì)數(shù)據(jù)分析，得到由淺部至深部水質(zhì)類型為Cl·SO4-(Na+K)型到Cl-(Na+K)型，TDS逐漸增大，并同井下水壓數(shù)據(jù)驗(yàn)證了上述結(jié)論；

(4)地下水溫度滿足地溫增溫率，驗(yàn)證了水溫是反映含水介質(zhì)的良好媒介。