1. 引言
我国淮南煤田资源较为丰富，但开采难度不易，矿山岩溶水害一直是煤炭安全开采的主要祸首 [1] [2] 。虽然浅部煤炭资源逐渐枯竭，但深部煤炭资源储量丰富、煤质较好，因此，煤矿逐步向深部水平延伸开采，不得不面临灰岩水害的威胁 [3] [4] [5] 。而深部巨厚岩溶含水层中的岩溶水具有水压高、水量大、突水快等特点，一旦通过导水通道涌入工作面，就会造成难以估计的经济损失和恶劣的社会影响 [6] [7] 。近年来，矿井突涌水时有发生，我国目前因受水害威胁的煤炭储量超过250亿吨 [8] 。而近十年来，我国大型岩溶水害事故超过50起，直接损失32亿元，造成了严重的经济损失与人员伤亡 [9] [10] 。所以开展新生界水文地质补充勘探以及科学评价井田区新生界水文地质条件就显得极为重要 [11] 。放水试验是大流量多观测孔的放水试验，对于查明矿区或井田水文地质条件有着非常重要的意义，是煤矿水文地质勘查的重要手段 [12] [13] 。放水试验是我国具有地域特色的工程实践。由于地质条件等因素，国外对于深部岩溶含水层的水文地质研究较少，而我国在该领域的研究处于国际领先地位。分析矿区水文地质条件，对解放上百亿吨受水害威胁的煤炭储量和保障矿井安全、降低开采成本、避免地质风险、实现矿井的高产高效以及促进矿井的可持续发展有着十分重要的意义 [14] [15] 。本文结合实际情况，就顾北煤矿水文地质条件进行了初步研究。
该井田开采过程中充水水源为新生界底部松散砂层孔隙水、煤层顶底板砂岩裂隙水、1组煤层下部的(石炭系太原组、奥陶系、和寒武系)灰岩水，以及采空水。现阶段开采1煤层距离底板下部的太原组灰岩含水层顶界为11.17~29.48 m，平均18.32 m，太灰水是直接充水水源。潘谢矿区奥灰和寒灰含水层具有统一的地下水流场，可通过断层带、岩溶构造带，在开采诱发条件下，与太灰含水层组发生水力联系。
2. 研究区概况
顾北煤矿位于淮南煤田中部水文地质单元——潘谢–口孜东矿区的中部，属于谢桥–张集–顾桥水文地质单元。井田南北走向长7.5 km，东西倾斜宽4.5 km，为一走向南北，向东倾斜的单斜构造，地层倾斜平缓，倾角5˚~15˚，并有发育不均的次级宽缓褶曲和断层。根据次级褶曲和断层的发育特征，可以划分为3个采区：北翼简单单斜区、中南部“X”共轭剪切区、南部单斜构造区。地层由上至下为：
1) 新生界地层：厚度为390.35~509.10 m，直接覆盖在二叠纪及灰岩地层上，总体趋势东南薄，西北厚。
2) 二叠系地层：厚度大于954 m。其中山西组、上、下石盒子组含煤地层厚734 m。
3) 石炭系太原组地层：厚度99.99 m~129.11 m，平均113.99 m，含薄层灰岩10~13层。主要由灰岩、页岩、砂岩和薄煤层组成。
4) 奥陶系地层：厚度为48.70~92.50 m，平均67.34 m，为灰–深灰色厚层状白云质灰岩及少量砾状灰岩。
中央1煤采区位于中南部“X”共轭剪切区，北至Fs930、Fs924、Fs910及F92断层组，南至F104断层组，西至1煤层隐伏露头，东至1煤层−648 m煤层底板等高线。采区标高−457 m~−648 m，走向长1010 m，倾向长2150 m，面积2.12 km2。可采储量1126.3万吨。采区空间布置如图1所示。
(a) 采区及工作面布置平面图
(b) 中央采区水文地质剖面图
Figure 1. Hydrogeological map of the study area
图1. 研究区水文地质图
3. 含水层特征
本采区含水层自上而下有：新生界松散层含水层、二叠系煤层顶板砂岩裂隙含水层及煤系底部灰岩岩溶裂隙承压含水层。其中对采掘工程影响较大的为底部太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层。
3.1. 新生界松散层含水层
本采区范围内松散层层厚442.7~484.35 m，主要由砂层、砂质粘土和砂砾组成。自上而下可分为上部含隔水层(组)，中部含隔水层(组)，下部含隔水层(组)和底部“红层”等四个部分。其中中部、下部隔水层分布稳定，岩性以粘土及砂质粘土为主，隔水性好；下部含水层仅发育透镜状砂层，单位涌水量q = 0.00096~1.095 L/(s∙m)，弱到中等富水性；底部“红层”呈片状分布，单位涌水量q = 0.00133 L/(s∙m)，弱富水性。
3.2. 二叠系煤层顶底板砂岩裂隙含水层
根据本矿区及附近矿井生产实际，二叠系煤层顶板砂岩总体上含水量小、富水性弱，以静储量为主。但由于1煤层顶板砂岩厚度分布各异，砂岩裂隙发育不均一，富水性受砂岩厚度、裂隙发育程度及边界条件所控制，局部岩层裂隙发育地段及断层影响带附近可能相对富水。
3.3. 太原组灰岩岩溶裂隙含水层组
太原组灰岩含水层(组)属承压水，根据岩性岩相和富水性综合分析，将太原组灰岩分成三个含水组：C3Ⅰ、C3Ⅱ、C3Ⅲ灰岩含水组。
1) 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，水位标高+7.93~+20.87 m，单位涌水量q = 0.00021~0.00107 L/(s∙m)，渗透系数K = 0.000563~0.00454 m/d，为弱富水性。
2) C3Ⅱ组灰岩含水层：C3Ⅱ灰岩含水组厚度38.65 m，平均38.65 m水位标高 + 7.42 m，单位涌水量q = 0.00114 L/(s∙m)，渗透系数K = 0.0078 m/d，为弱富水性。
3) C3Ⅲ组灰岩含水层：C3Ⅲ灰岩含水组厚度18.50 m，平均18.50 m，水位标高 + 7.17 m，单位涌水量q = 0.00188 L/(s∙m)，渗透系数K = 0.0109 m/d，为弱富水性。
3.4. 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组
据本区内揭露的奥灰钻孔资料，奥灰厚度52.62 m~87.70 m，平均厚度75.70 m，根据区内补勘钻孔抽水试验资料，单位涌水量q = 0.00248~0.763 L/(s∙m)、渗透系数0.0029~1.583 m/d，富水性弱–中等。
4. 放水试验
相较于以往实验工作注重于含水层充水因素、充水条件、涌水量分析，本实验则依据中央采区首采面现有井下灰岩钻场和钻孔实际布置和对水量、水位(压)变化情况，并按背景值观测、水位恢复试验和放水试验等三个大的阶段，采用以下方法：
① 试验背景分析、放水试验与恢复水位试验相结合
② 采用加密与非加密观测方法
③ 地下水动态与水文地质条件分析相结合
使实验过程更加精细完善，实验结果更为合理可靠。
4.1. 试验钻孔选择及布置
1) 放水孔选择原则
通过前期对采区各放水孔的水量分析，在选择放水孔时，不仅要考虑采区边界断层带、采区内部Fs883及风化带露头区等因素影响；同时要结合各出水孔之间水力联系和出水量的大小。因此，放水孔选择原则为：
① 所选点位置具有代表性，如断层带或露头风化带；
② 目前井下的水量不小于2 m3/h；
③ 放水过程，具有较好的瞬时响应性，即水压或水位随所选孔水量疏放具有较好的响应性。
具体为：第一阶段放水孔选择中部钻场的Z1-5、ZY1-5、ZY1-7孔，所选点位置近风化带露头区，在放水过程，具有较好的响应性；下部钻场的Z1-1、Z1-2、Z1-10孔，均位于首采面C33下层位，均穿过Fs883断层带，存在水力联系。第二阶段放水孔选择剩余钻孔，只留下Z1-9-2与Z1-4作为测压孔(表1)。
2) 水压观测孔选择
背景值观测阶段水压测试：为了解各放水孔的压力情况，该阶段对不同孔进行关孔测压。恢复阶段水压测试：关闭井下两个钻场出水孔，采用高精度压力表进行观测。放水阶段水压测试：按照放水阶段程序，分二个阶段选择测压孔进行测压(表1)。
3) 地面水文观测孔选择
本次试验的地面灰岩水文观测孔共计14个。其中，C3I组灰岩含水层有6个，C3II组灰岩含水层有2个，C3III组灰岩含水层有2个，奥陶系灰岩含水层有2个，寒武系灰岩含水层有2个(表1)。
Table 1. Design table of discharge hole and water level (pressure) hole in test stage
表1. 试验阶段放水孔和水位(压)孔设计表
4.2. 灰岩地下水动态变化
4.2.1. 涌水量变化
在14121工作面灰岩探放水孔施工前，中央1煤采区灰岩平均涌水量为0~5 m3/h。2021年7月之后，通过钻孔施工放水，灰岩涌水量呈现快速增加的态势，截止至2022年5月18日，中央1煤采区灰岩涌水量达104.23 m3/h，采区灰岩疏放水量历时变化如图2。
Figure 2. Water inflow duration curve of central 1 coal mining area
图2. 中央1煤采区涌水量历时曲线图
截至2022年5月18日，14121工作面井下出水钻孔仅为12个，除T1-1孔终孔层位及出水点均在C31灰岩外，其余终孔层位为C33下及C39灰岩的钻孔出水点均在C33下灰岩中。2022年5月18日钻孔的出水动态情况见表2：
Table 2. Downhole limestone drilling water, water pressure, water temperature data statistics
表2. 井下灰岩钻孔水量、水压、水温数据统计
4.2.2. 水位变化
地面有14个灰岩水位观测孔，含6个C3I组灰岩水位观测孔、2个C3II组灰岩水位观测孔、2个C3III组灰岩水位观测孔、2个奥陶系灰岩水位观测孔、2个寒武系灰岩水位观测孔。在中央1煤采区露头附近有5个灰岩观测孔，含2个C3I组灰岩水位观测孔(六C3I孔、XLZJ2孔)、1个C3II组灰岩水位观测孔(七C3II孔)、1个C3III组灰岩水位观测孔(七C3III孔)、1个奥陶系灰岩水位观测孔(七O1+2孔)。自2021年7月27日井下疏放水孔开始出水，至2022年5月18日，受中央1煤采区A组煤底板C3I组灰岩疏放水影响，各灰岩水位受到不同程度影响，详述如下：
1) C3I组灰岩水位
中央1煤采区XLZJ2孔水位下降幅度最大为373.58 m，六C3I孔由于设备故障于2021年12月5日之后已无法正常观测，当时该孔钻孔水位已下降了24.16 m。南一、北一采区C3I组灰岩水位试验前后基本无明显波动。2021年7月27日至2022年5月18日，各采区内C3I组灰岩水位观测孔记录C3I组灰岩水位变化情况见图3。
Figure 3. Dynamic duration curve of water level-water inflow in C3I limestone
图3. C3I组灰岩水位–涌水量动态历时曲线
2) C3II组灰岩水位
中央1煤采区七C3II孔在2021年11月22日至2021年12月11日期间由于传感器无法伸入液面以下位置导致无法正常观测，后恢复正常，于2022年1月21日再次出现相同问题，当时该孔钻孔水位−194.661 m，水位已下降186.83 m，后水位无法显示。南一采区C3II组灰岩水位试验前后基本无明显波动。2021年7月27日至2022年5月18日，各采区内C3II组灰岩水位观测孔记录C3II组灰岩水位变化情况见图4。
Figure 4. Dynamic duration curve of water level-water inflow in C3II limestone
图4. C3II组灰岩水位–涌水量动态历时曲线
3) C3III组灰岩水位
中央1煤采区七C3III孔由于设备故障于2022年3月5日之后已无法正常观测，当时该孔钻孔水位已下降156.37 m。南一采区C3III组灰岩水位试验前后基本无明显波动。2021年7月27日至2022年5月18日，各采区内C3III组灰岩水位观测孔记录C3III组灰岩水位变化情况见图5。
Figure 5. Dynamic duration curve of water level-water inflow in C3III limestone
图5. C3III组灰岩水位–涌水量动态历时曲线
4) 奥陶系、寒武系灰岩水位
中央1煤采区七O1+2孔由于设备故障于2022年3月29日后已无法正常观测，当时该孔钻孔水位已下降了2.85 m，但水位降幅未受中央1煤采区放水影响、为奥灰水位区域性下降所致。南一采区(XLZJ1孔、九O1+2-I孔)奥灰水位、北一采区(五∈孔)寒灰水位试验前后均无明显波动。2021年7月27日至2022年5月18日，各采区内奥灰、寒灰水位观测孔记录奥灰、寒灰水位变化情况见图6。
Figure 6. Dynamic duration curve of Ordovician limestone and cold ash water level-water inflow
图6. 奥灰与寒灰水位–涌水量动态历时曲线
4.3. 试验过程
1) 背景值观测阶段
以2020年7月27日以来井下的放水孔、测压孔，以及地面水位观测孔变化情况作为背景，主要要求：
① 井下放水孔目前处于放水状态，每日观测水量、水温一次，3~5天采集指定钻孔水样一次；
② 地面含水层水位观测孔监测水位，每日4次；
③ 每个钻场设置1个C3III灰岩测水压。
2) 水位恢复阶段
关闭本次放水试验所用的12个灰岩放水孔，如图7所示。结束标准：观测孔水压值变化小于10%。
Figure 7. The layout diagram of underground observation holes in the recovery stage
图7. 恢复阶段井下各观测孔布置示意图
3) 放水试验第一阶段
第一小阶段：当恢复阶段结束后，先打开底部钻场的Z1-5、ZY1-5、ZY1-7孔，其余钻孔仍保持关闭状态，即中部钻场Z1-9-2孔和下部钻场Z1-1、Z1-2、Z1-10、T1-1、Z1-4、ZY1-2、ZY1-3、ZY1-4孔作为测压孔(图8)。
Figure 8. The layout diagram of each observation hole in the first small stage of water discharge
图8. 放水第一小阶段井下各观测孔布置示意图
第二小阶段：在上述基础上，打开Z1-1、Z1-2、Z1-10孔(图9)。
Figure 9. The layout diagram of each observation hole in the second small stage of water discharge
图9. 放水第二小阶段井下各观测孔布置示意图
4) 放水试验第二阶段
在第一阶段放水的基础上，将井下出水量大于2 m3/h所有钻孔打开，仅保留Z1-4与Z1-9-2作为观测孔(图10)。
Figure 10. The layout diagram of each observation hole in the second stage of water discharge
图10. 放水第二阶段井下各观测孔布置示意图
5. 含水层间水力联系
5.1. 含水层间垂向水力联系
1) C3I组灰岩含水层与新生界松散层之间水力联系
由于新生界松散层下部为以厚层状粘土层，阻隔了上部含水层水对基岩含水层的补给，试验以来，新生界松散层水文观测孔水位始终保持正常时段小幅下降的稳定趋势，无突变。故无水力联系。
2) C3I与C3II组灰岩含水层间水力联系
随着中央1煤采区C3I组灰岩探放水工程涌水量的变化，中央1煤采区露头区C3I组及C3II组灰岩含水层水位均与C3I组灰岩放水量有较好响应(图11)，说明中央1煤采区C3I组与C3II组灰岩含水层在露头区存在较好的水力联系。
Figure 11. Water level-water duration curve of long observation hole in C3I and C3II limestone aquifers
图11. C3I与C3II组灰岩含水层长观孔水位–水量历时曲线
3) C3I与C3III组灰岩含水层间水力联系
据中央1煤采区露头区C3I组(XLZJ2孔)及C3III组灰岩含水层水位信息可知，随着中央1煤采区C3I组灰岩探放水工程涌水量的变化，中央1煤采区露头区C3I组及C3III组灰岩含水层水位均与C3I组灰岩放水量有较好响应(图12)，说明中央1煤采区内C3I组与C3III组灰岩含水层在露头区存在较好水力联系。
Figure 12. Water level-water duration curve of long observation hole in C3I and C3III limestone aquifers
图12. C3I与C3III组灰岩含水层长观孔水位–水量历时曲线
4) C3I组与奥陶系和寒武系灰岩含水层间水力联系
据中央1煤采区露头区C3I组(XLZJ2孔)及奥陶系(七O1+2孔)灰岩含水层水位信息可知，随着中央1煤采区C3I组灰岩探放水工程涌水量的变化，中央1煤采区露头区C3I组灰岩含水层水位与C3I组灰岩放水量有较好响应，但中央1煤采区露头区奥陶系灰岩含水层水位未受C3I组灰岩放水影响(图13)，说明中央1煤采区内C3I组与奥陶系灰岩含水层在露头区无水力联系。
Figure 13. Water level-water volume duration curve of long observation hole in C3I group and Ordovician and Cambrian limestone aquifer
图13. C3I组与奥陶系和寒武系灰岩含水层长观孔水位–水量历时曲线
5.2. 各采区间水力联系
据2021年7月27日至2022年5月18日水位变化情况可知，南一、北一采区内各灰岩含水层水位基本未受中央1煤采区C3I组灰岩放水影响，因而南一、北一采区与中央1煤采区间不存在明显水力联系，为三个相对独立的水文地质单元。
6. 结论
利用中央1煤采区12个C3Ⅰ组灰岩放水孔，开展C3Ⅰ组灰岩多阶段放水试验，获得了水量的地下水动态数据，并对水文地质条件进行了系统分析，得出以下结论：
1) 研究区为单斜地层，浅部岩溶含水层涌水量大，而深部岩溶含水层涌水量小，即研究区具有富水性随深度增加而减小的特点，而底部太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层对采掘工程影响较大。
2) 与常规方法(岩溶水化学特征等)不同，本文采用放水实验探明了中央1煤采区C3I组灰岩含水层与新生界松散层之间无水力联系，接受C3II和C3III组浅部露头区补给，无奥灰水补给。
3) 南一、北一采区与中央1煤采区间不存在明显水力联系，为三个相对独立的水文地质单元。
基金项目
大学生创新项目(202210361005)。