顾北煤矿岩溶地下水动态特征及放水试验设计

Dynamic Characteristics of Karst Groundwater in Gubei Coal Mine and Design of Drainage Test

摘要: 随着煤层向深部开采，煤层底板岩溶水害成为威胁矿井安全生产的主要因素。本文以顾北煤矿中央A组煤采区C₃I组煤层底板灰岩水为对象，通过井下放水试验，结合矿井水文地质条件，分析各含水层地下水动态变化特征，结果表明：A组煤层底板岩溶水为高矿化度Cl-Na型水；岩溶水温低于地温，推测无深部灰岩水补给；寒武系和奥陶系灰岩含水层通过露头区风化带与太灰含水层产生一定水力联系；中央采区与周围采区之间水力联系较弱，为一相对独立水文地质单元。在以上基础上，设计了中央采区放水试验，为A组煤层安全开采提供依据。

Abstract: With the deep mining of coal seams, karst water damage on the coal seam floor has become the main factor threatening the safety production of mines. This article takes the limestone water in the coal seam floor of Group C₃I in the central A coal mining area of Gubei Coal Mine as the object. Through underground water discharge tests and combined with hydrogeological conditions of the mine, the dynamic changes of groundwater in each aquifer are analyzed. The results show that the karst water in the coal seam floor of Group A is of high mineralization Cl-Na type; The karst water temperature is lower than the ground temperature, indicating that there is no deep limestone water supply; The Cambrian and Ordovician limestone aquifers have a certain hydraulic connection with the Taiyuan limestone aquifer through the weathering zone of the outcrop area; The hydraulic connection between the central mining area and the surrounding mining area is weak, and it is a relatively independent hydrogeological unit. On the basis of the above, a central mining area drainage test was designed to provide a basis for the safe mining of Group A coal seams.

1. 引言

淮南煤田位于华北板块东南部，是我国华北煤田的重要组成部分，近年来，随着浅部煤炭资源的枯竭，向深部大规模开采已成为淮南矿区的必然选择[1] [2]。顾北煤矿位于淮南煤田中部潘谢矿区，目前主要开采二叠系下部A组煤层，因受多期构造地质作用影响，深部岩溶水文地质条件极为复杂，各含水层间水力联系紧密，使得矿井水害防治工作面临险峻形势[3]-[7]。为解决煤田岩溶水害问题，通过开展放水试验、采前疏水降压、地面区域探查治理等措施[8]-[16]，不仅获得含水层水位、水温、水质等地下水动态变化信息，也为分析各含水层间水力联系提供重要依据[17]。

放水试验是矿井在生产过程中，对煤层下部含水层采用疏放水，进一步查明含水层间水力联系的一项工程实践[2]。它不仅可以获取水文地质参数，还可以查明一定区域内含水层间水力联系，确定含水层的边界性质，为矿井岩溶水害防治提供科学依据，因此得到广泛应用[18]-[20]。

本文在以往工作的基础上，以顾北矿A组煤层底部岩溶含水层为对象，通过分析地下水动态变化特征，获得一些规律性认识，并结合实际设计放水试验，进一步探究中央1煤采区C3I组灰岩含水层与其他含水层间水力联系，进而为分析地下水补径排特征、矿井深部岩溶水害防治提供依据。

2. 研究区概况

顾北煤矿地处淮南煤田中东部，位于潘集背斜西侧和陈桥背斜东部的衔接地带，整体构造形态为走向近SN，且向E倾斜的单斜地层，地层倾角5˚~15˚，中间为一宽缓褶皱。整个井田分为三块，南部区块主要为向东倾斜的单斜构造区；中央区块为NW、NNW和NE向断层组组成“X”共轭剪切区，以及构造相对简单的北部单斜区[21]-[26] (如图1、图2所示)。区内地层由新至老依次为第四系、新近系、古近系、三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系和寒武系。主要含煤地层为二叠系山西组。

顾北煤矿与潘谢矿区顾桥、张集、丁集等井田水文地质条件基本相同，含水层自上而下分为：新生界松散层含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层及煤系底部岩溶裂隙承压含水层。煤系地层砂岩含水组之间多以泥质岩类隔水层间隔，煤层顶板砂岩含水层富水性弱，以静储量为主。只有在受断层影响的相对富水区段，采掘过程中可能出现顶板淋水或较大涌水现象。

矿井目前开采A组煤层，其充水水源主要为煤层顶板砂岩水，以及来自底板的岩溶水。A组煤层煤底板与C₃¹灰岩含水层顶板平均间距17.1 m，当存在导水构造时，将会出现灰岩水威胁问题。

Figure 1. Hydrogeological map of bedrock in Gubei Coal Mine

图1. 顾北煤矿基岩水文地质图

Figure 2. Hydrogeological profile of Gubei Coal Mine

图2. 顾北煤矿水文地质剖面图

3. 岩溶水文地质条件

A组煤层开采过程中，主要受到底板下部岩溶含水层影响，其含隔水层结构阐述如下[27]-[30]。

3.1. 含(隔)水层结构

1) 太原组含水层

依据井田水文地质勘探成果，将太原组灰岩承压含水层分为三个含水组：C₃I灰岩含水组(1~3下灰)、C₃II灰岩含水组(4~9灰)和C₃III灰岩含水组(10~12灰)。

C₃I组灰岩含水层：C₃I灰岩含水组厚度31.14~41.09 m，平均36.73 m，单位涌水量q为0.00021~0.00107 L/(s.m)，渗透系数K为0.000563~0.00454 m/d，为弱富水性。

C₃II组灰岩含水层：C₃II灰岩含水组厚度38.65 m，平均38.65 m，单位涌水量q为0.00114 L/(s.m)，渗透系数K为0.0078 m/d，为弱富水性。

C₃III组灰岩含水层：C₃III灰岩含水组厚度18.50 m，平均18.50 m，单位涌水量q为0.00188 L/(s.m)，渗透系数K为0.0109 m/d，为弱富水性。

2) 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组

据奥灰钻孔揭露，奥灰厚度52.62 m~87.70 m，平均厚度75.70 m，单位涌水量q为0.00248~0.763 L/(s.m)、渗透系数0.0029~1.583 m/d，弱到中等富水性。

3) 1煤底板隔水层组

1煤底板隔水层由不同岩性组成，主要为泥岩类，还有夹杂砂岩与砂质泥岩等，在正常地段隔水层平均厚度为18.32 m，井田北翼总体上是东北部较厚，向南及西南方向变薄，井田南翼总体上东部较厚，西部较薄；受断层、陷落柱等构造影响形成构造薄弱区，其平均厚度为4.29 m。

4) 太原组层组间隔水层

① C₃I~C₃II组灰岩隔水层：区域厚度相对较大，主要岩性为铝土岩、铝质泥岩、砂质泥岩、局部见砂岩。

② C₃II~C₃III组灰岩隔水层：平均厚度为19.82 m，岩性主要为厚层状中细砂岩、粉细砂岩互层，次为砂质泥岩，隔水性能良好，为C₃I + C₃II组灰岩与C₃III组灰岩间的区域性隔水层。

③ 太原组–奥陶系灰岩隔水层：隔水层平均厚度为2.57 m，岩性主要为为铝土岩、铝质泥岩，正常地质条件下隔水性能良好。但有陷落柱等构造沟通情况下，下部奥灰水与太灰间存在着直接的水力联系。

3.2. 地下水补径排条件

顾北矿位于淮南复向斜中区，受南北两翼逆冲断层和区域性斜切断层影响，形成封闭型水文地质单元，地下水以储存量为主，且灰岩埋深较大，无地表水补给。煤系砂岩裂隙水是矿井直接充水水源，但富水性较差，以储存量为主；灰岩岩溶裂隙水位于1煤层底板，自然状态下无水流补给矿坑，但在断层破碎带、岩溶陷落柱等特定条件下，存在奥灰水补给太原组灰岩含水层或太原组灰岩水补给煤系地层，且各灰岩含水层正常情况下水力联系较微弱。

正常水文地质条件下顾北矿灰岩地下水径流滞缓，只有在断层破碎带、岩溶陷落柱以及未封、封闭不良钻孔沟通各含水层，径流发生突变。

4. 地下水动态变化特征

4.1. 地下水位动态变化特征

通过整理分析矿区自2015年以来灰岩水位变化情况，以及2021年7月28日中央1煤采区井下Z1-4孔开始出水后，对不同含水层地下水的影响，不同含水层水位动态变化具体如下：

1) C₃I组灰岩地下水位变化特征

受煤层开采影响，中央1煤采区XLZJ₂孔水位下降幅度最大为405.444 m，目前水位标高低于−414.93 m；九C₃I孔水位下降幅度次之，为64.973 m，目前水位标高−71.92 m；其余C₃I组灰岩钻孔水位下降幅度较小，如表1。井田内C₃I组灰岩水位与井下灰岩涌水量变化见图3(a)。

2) C₃II组灰岩地下水位变化特征

受煤层开采影响，九C₃II孔水位下降幅度较大，为13.626 m，目前水位标高−60.66 m；五~六C₃II-2孔水位下降幅度较小，如表2。井田内C₃II组灰岩水位与井下灰岩涌水量变化见图3(b)。

Table 1. A list of changes in groundwater level of limestone in C₃I group

表1. C₃I组灰岩地下水位变化情况一览表

观测孔	层位	初见水位		2021年7月28日		2024年2月28日
		水位标高/m	时间	水位标高/m	累计降深/m	水位标高/m	累计降深/m
五~六C3I	C3I	20.888	2012.4	7.141	−13.75	−0.29	−21.18
六C3I	C3I	4.597	2011.12	−10.511	−15.11	−34.501	−39.098
XLZJ2	C3I	0.18	2010.6	−9.486	−9.67	−414.93	−415.11
九Kz1	C3I	−2.14	2011.1	−27.268	−25.13	−50.12	−47.98
九C3I	C3I	10.171	2012.7	−6.947	−17.12	−71.92	−82.09
十南C3I	C3I	13.62	2012.3	−8.572	−22.19	−8.82	−22.44

Table 2. A list of changes in groundwater level of limestone in C₃II group

表2. C₃II组灰岩地下水位变化情况一览表

观测孔	层位	初见水位		2021年7月28日		2024年2月28日
		水位标高/m	时间	水位标高/m	累计降深/m	水位标高/m	累计降深/m
五~六C3II-2	C3II	21.28	2024.2	/	/	−11.25	−32.53
七C3II	C3II	12.51	2012.6	−8.821	−21.33	−194.661	−207.171
九C3II	C3II	0.212	2012.5	−46.924	−47.14	−60.55	−60.77

3) C₃III组灰岩地下水位变化特征

受煤层开采影响，C₃III组灰岩钻孔水位下降幅度均较小，如表3。井田内C₃III组灰岩水位与井下灰岩涌水量变化见图3(c)。

Table 3. A list of changes in groundwater level of limestone in C₃III group

表3. C₃III组灰岩地下水位变化情况一览表

观测孔	层位	初见水位		2021年7月28日		2024年2月28日
		水位标高/m	时间	水位标高/m	累计降深/m	水位标高/m	累计降深/m
五~六C3III-3	C3III	−21.47	2024.2	/	/	−22.57	−1.1
七C3III	C3III	−0.09	2012.6	−15.493	−15.4	−138.41	−138.32
九C3III	C3III	−1.681	2012.4	−16.109	−14.43	−23.27	−21.59

4) 奥陶系灰岩地下水位变化特征

受煤层开采影响，井田内奥灰4个水位观孔(五~六O₁₊₂-I、七O₁₊₂、九O₁₊₂-I和十~十南O₁₊₂-2孔)水位变化均较小，其中九O₁₊₂-I孔最大降幅为11.082 m，其次七O₁₊₂孔降幅为6.773 m，如表4。井田内奥灰水位与井下灰岩涌水量变化见图3(d)。

Table 4. Ordovician limestone groundwater level changes in the list

表4. 奥陶系灰岩地下水位变化情况一览表

观测孔	层位	初见水位		2021年7月28日		2024年2月28日
		水位标高/m	时间	水位标高/m	累计降深/m	水位标高/m	累计降深/m
五~六O1+2-2	O1+2	−25.43	2024.2	/	/	−22.96	2.47
十~十南O1+2-2	O1+2	−18.63	2024.2	/	/	−24.21	−5.58
七O1+2	O1+2	−1.074	2012.1	−15.487	−14.41	−22.26	−21.18
九O1+2-I	O1+2	0.151	2012.4	−7.218	−7.37	−18.3	−18.45

5) 寒武系灰岩地下水位变化特征

受煤层开采影响，中央1煤采区附近的XLZJ₁孔水位下降幅度最大为42.571 m。目前水位为−143.11 m；受地面区域治理注浆影响，北一采区的五∈孔水位不降反升，该段期间上升幅度为3.503 m，目前水位标高−23.64 m，如表5。井田内寒灰水位与井下灰岩涌水量变化见图3(e)。

Table 5. A list of groundwater level changes in Cambrian limestone

表5. 寒武系灰岩地下水位变化情况一览表

观测孔	层位	初见水位		2021年7月28日		2024年2月28日
		水位标高/m	时间	水位标高/m	累计降深/m	水位标高/m	累计降深/m
XLZJ1	寒灰	−0.518	2009.1	−100.539	−100.02	−143.11	−142.6
五∈	寒灰	−0.453	2013.1	−27.143	−26.69	−23.64	−23.19

(a) C₃I组灰岩水位–涌水量历时曲线图

(b) C₃II组灰岩水位–涌水量历时曲线图

(c) C₃III组灰岩水位–涌水量历时曲线图

(d) 奥陶系灰岩水位–涌水量历时曲线图

(e) 寒武系灰岩水位–涌水量历时曲线图

Figure 3. Duration curve of water level of each aquifer and mine water inflow

图3. 各含水层水位与矿井涌水量历时曲线图

因此，C₃I组、C₃II组、C₃III组、奥灰以及寒灰地下水位在井下疏放期间，均有不同程度的变化。通过对含水层水位与采区涌水量化关系分析，结合中央1煤采区探放水工程，井下灰岩钻孔水主要来自于隐伏露头区太原组灰岩含水层。

4.2. 地下水质动态变化特征

通过分析2021年7月1日~2024年2月23日井下灰岩水质化验结果，可知：

1) 14121工作面灰岩水

14121工作面灰岩水是pH值为7.90~12.0的中性~强碱性水；矿化度1132~2992 mg/L，为微咸水；中央1煤采区14121工作面灰岩水中阳离子以Na⁺+K⁺为主，Ca²⁺、Mg²⁺含量较低，阴离子中HCO₃⁻和SO₄²⁻含量相近，Cl⁻含量较高，水化学类型主要为Cl·SO₄―Na+K和Cl-Na+K型(见下图4、表6)。

2) 14221工作面灰岩水

14221工作面太原组灰岩水是pH值为7.59~8.88的中性~弱碱性水；矿化度2215~2874 mg/L，为微咸水；中央1煤采区14221工作面灰岩水中阳离子以Na⁺+K⁺为主，Ca²⁺、Mg²⁺含量较低，阴离子中HCO₃⁻与SO₄²⁻含量相近，Cl⁻含量较高，水化学类型主要为Cl-Na+K型(见下图5、表6)。

3) 14321工作面灰岩水

14321工作面灰岩水是pH为8.30~8.88的弱碱性水；矿化度2224~2850 mg/L，为微咸水；中央1煤采区14321工作面灰岩水中阳离子以Na⁺+K⁺为主，Ca²⁺、Mg²⁺含量较低，阴离子中HCO₃⁻和Cl⁻含量相近，CO₃²⁻含量较低，水化学类型主要为Cl·HCO₃―Na+K型(见下图6、表6)。

(a)

(b)

Figure 4. Limestone water piper diagram of 14121 working face in central 1 coal mining area

图4. 中央1煤采区14121工作面灰岩水piper图

(a)

(b)

Figure 5. Limestone water piper diagram of 14221 working face in central 1 coal mining area

图5. 中央1煤采区14221工作面灰岩水piper图

(a)

(b)

Figure 6. Limestone water piper diagram of 14321 working face in central 1 coal mining area

图6. 中央1煤采区14321工作面灰岩水piper图

Table 6. List of limestone water quality in mining area

表6. 矿区灰岩水质情况一览表

工作面	离子含量/mg/L
	Ca^2+	Mg^2+	Na^++K^+	CO3^2^−	HCO3^−	Cl^−	SO4^2^−
14121	0.49~207.17	0.49~28.37	467.90~943.14	0~129.17	193.89~487.85	135.26~1039.88	125.74~832.67
14221	1.2~2.24	1.44~39.39	32.80~41.76	0~1.00	4.00~6.10	27.00~30.10	3.44~11.20
14321	0.40~0.72	0.24~0.72	37.20~48.12	0~2.40	7.20~23.40	11.40~26.60	2.48~3.84

中央1煤采区14121、14221和14321工作面地下灰岩水中以阳离子Na⁺+K⁺含量为主，Ca²⁺、Mg²⁺含量次之，阴离子中Cl⁻含量为主，HCO₃⁻、SO₄²⁻和CO₃²⁻含量次之，且灰岩水化学类型主要为Cl-Na+K型。

4.3. 地下水温动态变化特征

根据顾北矿相关资料显示，区内恒温带深度为30 m，温度为16.8℃，中央1煤采区地温梯度为3.41~3.60℃/hm，平均为3.47℃/hm (如图7所示)。工作面地下水温随着深度增加而增加，选取钻孔出水量 ≥ 3.0 m³/h钻孔作为统计样本，测得钻孔出水温度为31~34℃，平均33℃，并推算出中央1煤采区出水钻孔出水点的地温背景值为35.26~38.60℃，详情见表7。

综上可知，地温值均高于原出水点实测的水温值，故而推测中央1煤采区疏放钻孔水主要为浅部露头区灰岩水，来自深部灰岩水的可能性较小。

Figure 7. Ground temperature gradient diagram

图7. 地温梯度示意图

Table 7. Statistics of borehole water temperature observation data of underground limestone

表7. 井下灰岩钻孔水温观测数据统计一览表

钻孔	工作面	出水层位	终孔水量、水温及相关参数统计与分析					温差(℃)
			出水量(m^3/h)	水温(℃)	出水点埋深(m)	地温梯度G (℃/hm)	推测地温(℃)
Z3-5	14321	C3^3^下	13.2	33	576.11	3.42	35.48	−2.48
Z3-6		C3^3^下	7.2	33	592.11	3.41	35.97	−2.97
Z3-8		C3^3^下	7.2	33	637.11	3.59	38.6	−5.6
Z2-5		C3^3^下	10.3	32	569.81	3.42	35.26	−3.26
ZY3-7		C3^9	3.6	32	617.11	3.41	36.82	−4.82
ZY3-7-1		C3^4	4	34	642.11	3.41	37.67	−3.67
ZY3-6		C3^9	5.3	33	601.61	3.42	36.35	−3.35
ZY3-6-1		C3^3^下	4.4	31	585.11	3.42	35.78	−4.78
Z1-6	14221	C3^3^下	9.25	34	567.11	3.47	35.44	−1.44
Z1-7		C3^3^下	5.5	34	578.11	3.53	36.15	−2.15
Z2-2		C3^3^下	25	34	545.11	3.6	35.34	−1.34
ZY1-8		C3^9	9	34	595.11	3.52	36.69	−2.69
ZY2-7		C3^3^下	6.5	33	600.11	3.48	36.64	−3.64
ZY2-6		C3^4	3.6	33	602.11	3.43	36.42	−3.42
ZY2-6-1		C3^9	3.3	32	600.11	3.47	36.58	−4.58

5. 中央采区放水试验设计

为进一步查明中央采区水文地质条件，结合上述各灰岩含水层地下水动态特征分析，进行放水试验设计。

5.1. 设计任务

为采区各工作面安全开采评价提供依据，放水试验主要任务为：1) 通过群孔放水试验获取各阶段含水层水量、水位、水质和水温等地下水动态数据，并结合中央1煤采区瓦斯区划巷放水巷的排水孔和测压孔监测数据变化特征，探查分析采区C₃I组和C₃⁹灰岩地下水径流条件以及各含水层间水力联系；2) 判断采区内Fs1000等断层的导水性。为后续疏水降压和安全开采做准备。

5.2. 设计原则

根据放水试验设计任务，结合含水层水文地质条件，放水试验应遵循以下原则：1) 放水试验前要预计放水期间的最大涌水量，保证排水系统排水量大于预计涌水量；2) 放水试验前严格检验放水孔与测压孔的施工质量；3) 放水过程中，若涌水量、水位难以稳定时，放水时间延续时间一般不少于10~15天，且选取观测时间间隔应考虑到非稳定流计算的需要，保证放水中心水位与涌水量同步观测；4) 所有观测孔需穿过C₃I组含水层；5) 放水结束后，停用或报废的钻孔应及时封堵并提出封孔报告。

5.3. 设计过程

5.3.1. 放水孔选择

本次试验以C₃I组灰岩含水层为疏放对象，为保证放水试验顺利进行，放水孔当前水量应不小于2 m³/h，综合分析选择Z2-5、Z3-8两个孔作为本次放水孔，其余孔作为测压孔。此外，中央1煤采区瓦斯区划巷兼放水巷的排水孔和该巷道内保留的测压孔也分别作为本次放水试验的放水孔和测压孔。

5.3.2. 地面观测孔选择

矿区内所有可用地面水位观测孔均作为本次试验期间的观测孔，共26个(含辅助观测孔4个)。其中，有7个C₃I组灰岩含水层观测孔，3个C₃II组观测孔，3个C₃III组观测孔，4个O₁₊₂灰岩观测孔，1个∈组灰岩观测孔，以及8个第四系含/隔水层观测孔，具体情况见下表8。

Table 8. Information statistics of ground water level observation holes in each aquifer during the test stage

表8. 试验阶段各含水层地面水位观测孔信息统计

序号	地面水位观测孔孔号	观测层位	序号		地面水位观测孔孔号	观测层位
1	九Kz1	C3I	14		XLZJ1	寒灰
2	十北Kz1	C3I	15		三~四KZ1	红层
3	九C3I	C3I	15		八~九Kz4	红层
4	五~六C3I	C3I	17		八~九Kz1	上含下段
5	十南C3I	C3I	18		四N^11-1	下含
6	五~六C3II	C3II	19		八~九Kz2	中含上段
7	九C3II	C3II	20		五~六Kz4	中含下段
8	五~六C3III	C3III	21		八~九Kz3	中含下段
9	九C3III	C3III	22		十Kz3	中含下段
10	十~十南O1+2	O1+2	23	辅助观测孔	七C3II	C3II
11	七O1+2	O1+2	24		七C3III	C3III
12	九O1+2-I	O1+2	25		六C3I	C3I
13	五~六O1+2-I	O1+2	26		XLZJ2	C3I

5.3.3. 试验流程

依据井下中央采区灰岩水量和水压变化情况，本次试验共分为三个阶段，具体为：

1) 背景值观测阶段

主要观测试验前各放水孔的流量、水压和水质、以及地面水位长观孔水位信息，以便与试验阶段的数据对比分析，如表9。

Table 9. Background value observation stage

表9. 背景值观测阶段

试验阶段	试验观测孔分类
	水量观测孔	测压孔	水位观测孔	取样、测温孔
背景值观测阶段	Z2-5、Z3-8、ZY2-7、ZY2-6 (含支孔ZY2-6-1)；中央1煤采区瓦斯区划巷兼放水巷集中排水点流量观测；14121工作面外部钻场集中排水点流量观测	所有安装了压力表、具备测压功能的井下放水孔	表8 本次试验拟采用的26个地面长观孔()。	Z2-5、Z3-8、ZY2-7、ZY2-6(含支孔ZY2-6-1)；中央1煤采区瓦斯区划巷兼放水巷集中排水点；14121工作面外部钻场集中排水点
小计	5个放水孔 + 2处集中排水点	7个目前已知的固定测压孔 + 后期其他加装了压力表的放水孔	26个	5个放水孔 + 2处集中排水点

2) 水位恢复阶段

在该阶段，关闭与本次试验有关的井下试验孔，使得含水层水位恢复至水位动态拐点，观测内容与钻孔安排，如表10。

Table 10. Water level recovery stage

表10. 水位恢复阶段

试验阶段	试验观测孔分类
	水量观测孔	测压孔	水位观测孔	取样、 测温孔
水位恢复阶段	中央1煤采区瓦斯区划巷兼放水巷集中排水点流量观测；14121工作面外部钻场集中排水点流量观测	所有安装了压力表、具备测压功能的井下放水孔	表8 本次试验拟采用的26个地面长观孔()的全部	中央1煤采区瓦斯区划巷兼放水巷集中排水点；14121工作面外部钻场集中排水点
小计	2处集中排水点	7个目前已知的固定测压孔 + 后期其他加装了压力表的放水孔	26个	2处集中排水点

3) 放水试验阶段

为查明太原组灰岩地下水流场以及不同含水层(组)之间的水力联系，该阶段划分为两个阶段，即先打开Z3-8孔，待其水量稳定后再打开Z2-5，同时保持Z3-8孔打开，其他孔仍关闭测压，如表11。

Table 11. Water discharge test stage

表11. 放水试验阶段

试验阶段	试验观测孔分类
	放水孔、水量观测孔	测压孔	水位观测孔	取样、测温孔
放水阶段	依次开展Z3-8、Z2-5这2个孔的放水观测操作，期间继续保持中央1煤采区瓦斯区划巷兼放水巷集中排水点流量观测、14121工作面外部钻场集中排水点流量观测	所有安装了压力表、具备测压功能的井下放水孔。	表8 本次试验拟采用的26个地面长观孔()的全部。	Z3-8、Z2-5孔；中央1煤采区瓦斯区划巷兼放水巷集中排水点；14121工作面外部钻场集中排水点
小计	2个放水孔 + 2处集中排水点	7个目前已知的固定测压孔 + 后期其他加装了压力表的放水孔	26个	2个放水孔 + 2处集中排水点

5.3.4. 影响放水试验效果因素分析

通过对研究区水文地质条件分析，影响放水试验效果的因素为：含隔水层结构、灰岩含水层渗透性和富水性以及井下钻孔施工层位，具体为：

1) 含、隔水层结构

1煤层底板除煤系砂岩、泥岩为隔水层外，主要为太原组三层灰岩含水层，奥陶系灰岩含水层与太原组间发育有泥岩、泥质砂岩等隔水地层，一般不会对1煤层开采构成直接充水影响，但受断层等构造影响下部奥陶系灰岩水与太灰水产生一定水力联系。由于含隔水层结构不同，不同区域放水点地下水动态特征具有差异性。

2) 含水层富水性、渗透性

根据井田水文地质勘探成果，本次试验的太原组灰岩含水层为弱富水性，渗透系数为0.000563~0.0109 m/d，单位涌水量为0.00021~0.261 L/(s.m)，通过放水试验，Z3-8和Z2-5孔水量较大，其余钻孔水量较小，在空间分布上具有明显差异性。

3) 井下钻孔施工

井下施工钻孔终孔层位主要位于C₃^3下和C₃⁹，出水孔和终孔层位在空间位置上不同，钻孔出水量也具有较大差异，如表12。在放水试验中，长钻孔穿过C₃^3下和C₃⁹组涌水量较大，位于其他层位短钻孔出水量较小，并随时间变化较为明显。

Table 12. Borehole water quantity statistics of both C₃^3下and C₃⁹

表12. C₃^3下和C₃⁹均出水的钻孔水量统计表

序号	孔号	终孔层位	C3^3^下出水量(m^3/h)	C3^9出水量(m^3/h)
1	ZY3-6	C3^9	2.9	2.9+2.4
2	ZY3-6-1	C3^9	4.5	4.4
3	ZY3-7	C3^9	1.4	1.4+2.4
4	ZY3-7-1	C3^9	3.4	3.4+0.6
5	ZY2-7	C3^9	7.2	6.5
6	ZY2-6	C3^9	3.6	3.6
7	ZY2-6-1	C3^9	3.3	3.3

5.3.5. 观测方法

根据井下灰岩钻孔实际放水、测压和地面水位变化情况，本次试验采取水位恢复试验和放水试验相结合、放水试验与水质检验相结合、加密与非加密观测相结合的方法。即在井下灰岩长钻孔的放水量和水压在水位恢复和放水试验阶段的前8小时内，开始前按1分钟、5分钟、10分钟、20分钟、40分钟、60分钟，其后每一个小时观测一次；水位恢复及放水试验阶段前8小时后，井下灰岩长钻孔的放水量、水温以及水压每日观测一次，地面水位观测孔和井下水压在线监测孔，每两小时观测一次，井下灰岩常规短钻孔的水压每日观测一次。试验结束后，及时处理数据。

6. 结论

通过对比顾北煤矿各灰岩含水层地下水动态变化特征，结合前期井下放水试验成果，系统分析了水文地质条件，主要结论为：

1) 中央1煤采区底板灰岩含水层富水性弱~中等且随埋深增加而减小，太原组岩溶裂隙水为主要充水水源；

2) 14121、14221和14321工作面地下水TDS均大于2100 mg/L，主要为高矿化度Cl-Na型水，与上层含水层联系较少，但受露头区岩溶水侧向补给。太原组灰岩水与寒武系、奥陶系岩溶水则在露头区发生水力联系；

3) 中央1煤采区水文观测孔水位变化与南一、北一采区涌水量不相关，进一步证明三者为相对独立的水文地质单元，但灰岩含水层在露头区有较好的水力联系。

4) 依据以往水文地质分析结果，设计放水试验，为进一步查明中央采区水文地质条件，确保工作面安全回采提供依据。