0 引言

煤炭是关系西北地区尤其是宁夏宁东能源基地经济命脉和能源安全的重要基础产业，而煤炭的清洁化利用也需要煤炭资源持续供应来提供原材料保障[1]，截至“十三五”末，宁夏煤炭消费量超过13 871万t，生产量仅为8 152万t，煤炭缺口达5 719万t，自给率仅为59%。

“十三五”期间，宁夏四大煤田中的宁东煤田无论从生产矿井数量还是煤炭产量均遥遥领先其他3个煤田(贺兰山煤田、香山煤田、宁南煤田)，煤田资源的规模化开发利用使宁东煤田成为国家14个亿吨级煤炭生产基地之一[2]，宁东煤田煤炭资源的安全高效绿色开发已成为宁夏经济社会健康发展的“压舱石”和“稳定器”。

宁东煤田主要开采侏罗系煤炭资源，总体受顶板、火灾、瓦斯、粉尘的影响较小，前期开采上组煤主要受到顶板水害的威胁，国内学者针对顶板水害的探查[3]、分析[4]、评价[5-6]、防控[7-8]的研究较多，其研究成果的应用有效遏制了顶板水害的发生。但随着宁东煤田主采煤层逐渐向深部转移，底板砂岩水害时有发生。灵新煤矿风井施工过程中揭露封闭不良钻孔，底板涌水量达120 m3/h；梅花井煤矿18号煤层首采工作面机巷掘进过程中发生底板集中涌水，涌水量为60 m3/h；金凤煤矿011816工作面机巷掘进过程中也发生了底板集中涌水，涌水量峰值达120 m3/h；新上海一号井一分区带式输送机暗斜井掘进至20号煤层底板以下发生底板突水，峰值水量达3 600 m3/h，造成淹井[9]。

综上所述，煤层底板砂岩水害已经成为影响和威胁宁东煤田下组煤采掘活动的主要因素之一，以往国内外针对底板水害的相关研究主要集中在华北型煤田奥灰水害防治，如利用突水系数、脆弱性指数[10]、五图双系数[11]、带压开采[12-13]等方法评价底板水害的威胁程度，采用区域治理[14]、井下注浆加固底板或者改造含水层[15]、疏水降压等技术防控底板水害，取得了较好的效果。

目前，西部侏罗系煤田底板砂岩水害的相关研究较少，特别是针对底板砂岩含水层的水文地质特征尚未查清，包括其厚度、岩性、渗透性、富水性、可疏性等。国家能源集团宁夏煤业有限责任公司石槽村煤矿(以下简称“石槽村煤矿”)位于宁东煤田中部，即将进行下组煤(16号煤层、17号煤层、18号煤层)的开采，为了避免底板砂岩水害的发生，采用井下分布式放水试验来探查煤层底板宝塔山砂岩的水文地质特征，为下组煤防治水工作提供依据。

1 研究区煤层底板砂岩含水层概况

1.1 矿井概况

石槽村煤矿隶属国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，井田南北长约4.5 km，东西宽约7.0 km，面积31.06 km2。矿井主采侏罗系延安组2-1、2-2、6、10、12、18号煤层，设计产能6.0 Mt/a，服务年限71 a。18号煤层首采工作面位于31采区，主要面临煤层底板宝塔山砂岩含水层的威胁。

1.2 矿井地质与水文地质条件

石槽村煤矿井田内地层由老至新分别为三叠系上田组、侏罗系中统延安组、直罗组和安定组、新近系和第四系，其中延安组是井田的主要含煤地层。井田内分布有一系列NNW向的压性构造，同时还有NNW和NEE向的两组断裂构造。

井田内的主要含水层包括第四系孔隙潜水含水层和基岩孔隙裂隙承压含水层，后者又可分为侏罗系直罗组含水层、2～6号煤层间延安组含水层、6～18号煤层间延安组含水层、18号煤层底板延安组含水层(即宝塔山砂岩含水层)。隔水层主要为安定组和各煤层及其顶底板泥岩和粉砂岩。

1.3 宝塔山砂岩含水层概况

石槽村煤矿宝塔山砂岩位于延安组18号煤层下部，地质勘探阶段施工的钻孔的终孔位置基本位于18号煤层底板以下20 m左右，均未完全揭露宝塔山砂岩含水层，也未开展过专项水文地质工作。12采区水文补充勘探时针对宝塔山砂岩含水层施工了补5钻孔，揭露含水层11.25 m，根据抽水试验成果，钻孔单位涌水量0.001 6 L/(s·m)，渗透系数K为0.014 4 m/d，含水层富水性弱。

根据对周边矿井煤层底板砂岩水害条件的分析，利用地面抽水试验探查的水文地质条件与井下实际情况出入较大。为了进一步掌握宝塔山砂岩含水层的水文地质特征，采用分布式放水试验获取石槽村井田31采区18号煤层底板宝塔山砂岩含水层水文地质参数，同时探查其水文地质条件。

2 煤层底板宝塔山砂岩含水层分布式放水试验研究

2.1 分布式放水试验

为了最大范围地对31采区煤层底板宝塔山砂岩含水层水文地质条件进行探查，2022年1月开始在其上部的21采区辅运上山和22采区辅运上山分别开展放水试验(简称“一阶段放水试验”和“二阶段放水试验”)，一阶段放水试验布置5个钻孔，二阶段放水试验布置7个钻孔，钻孔仰角均为-60°，基本垂直于含水层，钻孔终孔钻至宝塔山含水层底板以下5 m，钻孔方位角与巷道方向一致。宝塔山砂岩含水层放水试验平面布置如图1所示。

各放水试验钻孔水量、水压和水温见表1，可以看出宝塔山含水层富水性不均一、水头压力高、水温高。

一阶段和二阶段放水试验包括单孔放水和多孔放水试验，单孔放水分为3次降深，多孔放水分为1次叠加和2次叠加，2个阶段放水后均进行了水位恢复，在二阶段多孔放水后又进行了所有钻孔参与的联合放水，放水试验过程见表2。

2个阶段单孔放水试验均通过控制放水钻孔流量来实现3次降深放水，当放水钻孔放水时，其余未放水钻孔均对水压进行观测，进而换算成观测钻孔水位。

各阶段放水试验均采用初始水量最大的钻孔作为单孔放水试验的放水钻孔，将一阶段和二阶段放水试验区域中心的钻孔作为多孔放水试验的初始放水钻孔，然后将周边钻孔按照距离由近及远依次作为多孔1次叠加和2次叠加放水钻孔。

2.2 一阶段放水试验

通过观测，一阶段放水试验G1-1钻孔单孔放水量平均值分别为63.67、41.92、20.83 m3/h，相应的降深分别为164、149、81 m，并且在放水时水量和水位都较为稳定。多孔放水试验初始、1次叠加、2次叠加放水量平均值分别为59.79、106.57、166.54 m3/h。一阶段放水试验放水钻孔水量与观测钻孔水位历时变化如图2所示。

2.3 二阶段放水试验

通过观测，二阶段放水试验G2-5钻孔单孔放水量平均值分别为3.37、5.97、7.85 m3/h，相应的降深分别为79、145、190 m，并且在放水时水量和水位都较为稳定。多孔放水试验初始、1次叠加、2次叠加放水量平均值分别为16.87、49.88、98.80 m3/h，联合放水所有钻孔水量为224.96 m3/h。二阶段放水试验各钻孔的放水量和水位观测值如图3所示。

2.4 水文地质参数计算

2.4.1 渗透系数

由图2和图3可以看出，一阶段和二阶段放水试验时，放水钻孔水量和观测钻孔水位相对较为稳定，可视为稳定流放水试验，故采用承压含水层裘布依公式计算渗透系数。在计算渗透系数时充分利用所有钻孔的观测资料，分别利用放水孔和1个观测孔资料、2个观测孔资料进行计算，计算公式分别采用式(1)和式(2)：

(1)

式中：K——渗透系数，m/d；

Q——放水孔水量，m3/d；

M——含水层厚度，m；

sw——放水孔水位降深，m；

s1——观测孔水位降深，m；

r1——距离较近观测孔与放水孔距离，m；

rw——放水孔半径，m。

(2)

式中：S1——距离较近观测孔水位降深，m；

S2——距离较远观测孔水位降深，m；

r2——距离较远观测孔与放水孔距离，m。

利用式(1)和式(2)计算得出的宝塔山砂岩含水层渗透系数见表3。

从表3可以看出宝塔山砂岩含水层的渗透性能在一阶段放水试验区域大于二阶段放水试验区域，一阶段放水试验计算的渗透系数约为二阶段放水试验的10倍，说明宝塔山砂岩的含水层渗透性存在较大的不均一性。

2.4.2 钻孔单位涌水量

钻孔单位涌水量计算公式见式(3)：

(3)

式中：q——单位涌水量，L/(s·m)；

Q1——放水钻孔放水量，L/s；

S——放水钻孔水位降深，m。

一阶段和二阶段单孔放水试验过程中，对G1-1和G2-5钻孔的放水量和水位进行了3次降深的观测，利用式(3)计算钻孔单位涌水量平均值分别为0.079、0.012 L/(s·m)，说明宝塔山砂岩含水层富水性也存在较大的不均一性。2个阶段放水试验放水钻孔水量和降深关系如图4所示。

2.4.3 影响半径

影响半径采用一阶段G1-11钻孔和二阶段G2-15钻孔单孔放水试验数据，分别利用解析法和图解法进行获取，解析法采用式(4)计算：

(4)

式中：R——影响半径，m。

一阶段和二阶段放水试验观测孔水位降深及其与放水孔距离关系如图5和图6所示。由图5和图6可以看出，单孔放水试验期间，钻孔水位降深与放水孔的距离呈现出相关性较强的对数关系，其在2个阶段放水试验的R2平均值分别为0.999 1和0.999 4。图解法即利用放水孔和观测孔的水位以及彼此的间距相关性曲线获取影响半径。当图5和图6中趋势线公式中的y为0时，x值即为影响半径。

利用解析法和图解法获取的单孔放水试验影响半径见表4，由于解析法计算公式是在一定假设条件下推导出来的，而图解法能够更加客观地反映出单孔放水时的影响范围，故采用图解法获取的影响半径更加符合实际条件。由表4中也可以看出，无论是大流量还是小流量放水，利用放水孔和1个观测孔数据计算的影响半径与图解法更加接近，也就是说利用图解法计算影响半径时采用放水孔和1个观测孔数据计算影响半径能够更加符合实际情况。

一阶段放水试验开展时，利用二阶段放水试验钻孔对宝塔山砂岩含水层的水位进行观测，其所有钻孔水位均未发生明显变化，一阶段和二阶段放水试验钻孔最近距离为860 m，说明利用2个阶段不同流量的单孔放水获取的影响半径合理可靠。

2.5 宝塔山砂岩含水层水文地质特征

(1)厚度及岩性。以往地质和水文地质钻孔均未完全揭露宝塔山砂岩含水层，通过井下钻孔探查，宝塔山砂岩含水层的厚度约为60 m，岩性主要为灰白色粗砂岩，局部夹薄层泥岩和砂质泥岩。

(2)渗透性和富水性。一阶段放水试验区域中心距离二阶段放水试验区域中心约1 300 m，前者钻孔揭露宝塔山砂岩含水层的渗透系数和单位涌水量均大于后者，说明含水层的渗透性和富水性不均一，推测应该是由于一阶段放水试验区域位于张家庙向斜，受向斜轴部地层裂隙发育的影响，其渗透性和富水性较强。

(3)影响半径。一阶段和二阶段放水试验区域钻孔单孔放水影响半径分别约为700 m和750 m，两者较为接近，结合G1-1和G2-5钻孔单孔放水量分别为20.80～51.91、3.37～7.85 m3/h，说明单个钻孔在对宝塔山砂岩含水层进行不同流量放水时，其影响半径差异不大。

(4)下组煤带压程度。一阶段和二阶段放水试验钻孔揭露宝塔山砂岩含水层平均水位为+1 042 m，31采区16号煤层、17号煤层、18号煤层底板标高分别为+705、+701、+690 m，其带压分别为3.37、3.41、3.52 MPa，31采区下组煤普遍带压较高，采掘工作面将面临底板砂岩水害威胁。

(5)水温。根据放水试验钻孔涌水水温观测数据，宝塔山砂岩含水层地下水水温约为41℃，并且在放水试验开展期间水温没有明显降低，宝塔山砂岩含水层由于埋藏较深，受地温梯度的影响，含水层及其地下水温度较高，未来下组煤采掘活动还将受到热害的影响。

(6)可疏性。由图2和图3可以看出，2个阶段放水试验后水位均未回复至原始水位，并且二阶段放水试验可以用很小的流量产生较大的水位降深，初步说明宝塔山砂岩含水层具有较好的可疏性，未来可以采取疏水降压的措施来防控底板砂岩水害。

3 结论

(1)石槽村煤矿井田内宝塔山砂岩含水层厚度约为60 m，远大于地质勘探报告中的17.69 m的平均厚度，主要是由于地质勘探钻孔终孔位于18号煤层底板20 m左右，未完全揭露含水层。

(2)根据放水试验成果，宝塔山砂岩含水层渗透系数和单位涌水量远大于12采区水文地质补充勘探成果，通过放水试验获取的水文地质参数更接近实际情况，并且含水层渗透性和富水性表现不均。

(3)下组煤采掘活动将面临底板高承压砂岩含水层水害的威胁，同时还受一定程度热害的影响，由于宝塔山砂岩含水层具有较好的可疏性，可以通过疏水降压技术避免底板砂岩水害的发生。

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Research on distributed dewatering test based on the hydrogeological characteristics of sandstone aquifer in coal seam floor

WEI Qiming1,ZHAO Baofeng2,3,MA Jinyong1,ZHANG Zeyuan2,3,MA Zhixian1

(1.Shicaocun Coal Mine of China Energy Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750011,China;2.CCTEG Xi'an Research Institute,Xi'an,Shaanxi 710054,China;3.Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Preventing and Controlling,Xi'an,Shaanxi 710077,China)

Abstract In order to find out the hydrogeological characteristics of Baotashan sandstone aquifer in coal seam floor in Ningdong coalfield,distributed dewatering tests were carried out in two different areas of Shicaocun coal mine.The dewatering tests of the two stages include single-borehole and multi-borehole dewatering tests,and the average calculated permeability coefficient was 0.219～0.301 m/d and 0.024～0.029 m/d,the average water inflow per unit was 0.079 L/(s·m) and 0.012 L/(s·m),and the influence radius was about 700 m and 750 m,respectively.It is found that the thickness of Baotashan sandstone aquifer was about 60 m through the dewaetering test,and the lithology was coarse sandstone with thin sandy mudstone and mudstone.The permeability and water richness of the aquifer were weak and non-uniform,but because the Baotashan sandstone aquifer was located under the lower group coal seam,the water pressure of lower coal group in the study area was above 3 MPa.The groundwater temperature of the aquifer was about 41 ℃,and the coal mining activities of the lower group coal workface faced a certain thermal damage.Baotashan sandstone aquifer had good drainage property,the method of water drainage and pressure reduction was the best measure to prevent and control water hazard of sandstone aquifer under the coal seam.The hydrogeological characteristics of the sandstone aquifer in Baotashan were further identified through water discharge tests,which supplemented the hydrogeological conditions that could not be identified through pumping tests,and the exploration results could serve as a basis for the prevention and control of water hazard in coal seam floor sandstone.

Keywords Ningdong coalfield; Baotashan sandstone; dewatering test; dewaetering and pressure reduction; hydrogeological conditions; water hazard in coal seam floor

中图分类号 TD745

文献标志码 A

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引用格式：魏启明，赵宝峰，马进勇，等.煤层底板砂岩含水层水文地质特征的分布式放水试验探查研究[J].中国煤炭，2024，50(5)∶32-39.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.05.005

WEI Qiming，ZHAO Baofeng，MA Jinyong，et al.Research on distributed dewatering test based on the hydrogeological characteristics of sandstone aquifer in coal seam floor[J].China Coal，2024，50(5)∶32-39.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.05.005

基金项目：国家自然科学基金(41807221)；陕西省自然科学基础研究计划(2023-JC-ZD-27)

作者简介：魏启明(1981-)，男，宁夏盐池人，工程师，主要从事矿井地测防治水工作。E-mail：weiqiming@nxmy.com

(责任编辑 张艳华)