基于雙Packer 抽水試驗的洛河組水文地質特征垂向變異性研究

李超峰，劉業獻，張金魁，任鄧君，侯 濤，劉增平，徐新啟，馬 驥，王青振，段西亮，邢介波，李 陽

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；3.山東能源集團西北礦業有限公司，陜西 西安 710018；4.陜西正通煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713600；5.甘肅煤田地質局一四六隊，甘肅 平涼 744000)

白堊系洛河組是鄂爾多斯盆地重要地下水供水含水層之一[1-2]，也是我國西部侏羅紀煤田煤層開采主要充水水源與水害威脅來源[3-4]。陜西黃隴煤田永隴礦區郭家河井田位于鄂爾多斯盆地西南緣，工作面采煤受到煤層頂板離層水害威脅較嚴重[5]；井田洛河組含水層在地表溝谷出露接受大氣降水與地表河流補給，是郭家河煤礦頂板離層水的重要充水水源[6-7]。陜西彬長礦區高家堡井田位于鄂爾多斯盆地西南腹地，洛河組含水層巨厚、強富水，距離煤層較近[8]；在工作面采煤擾動影響下洛河組地下水持續大量進入礦井，涌水量達(1.2～1.6)×105m3/d，制約礦井煤炭產量、威脅礦井安全[9-10]。因此，查明巨厚洛河組地質與水文地質條件，特別是其水文地質特征垂向變異性，是制定礦井防治水技術對策的重要依據，也是保障礦井安全生產的必然要求。

鄂爾多斯盆地洛河組含水層經過了多次勘探。1999-2005 年，中國地質調查局聯合多個單位實施了“鄂爾多斯盆地地下水勘查”項目，首次系統勘查了盆地內白堊系含水層補給、徑流和排泄條件以及水文地質參數和水化學特征等[11-12]；期間，雙Packer 系統被引入我國[13-14]。2012 年2 月至2013 年4 月，李超峰等完成“胡家河孟村礦井綜合防治水技術研究”項目，發現巨厚洛河組含水層具有垂向差異性并提出“二分法”概念，通過水文地質補充勘探將其劃分為上段和下段[15]。2014 年5 月至2015 年4 月，李超峰等完成“高家堡礦井首采區白堊系含水層精細探查研究”項目，將洛河組劃分為上段和下段2 個水文地質條件存在顯著差異的含水層段，并通過工作面回采涌水量和地下水位變化等驗證了洛河組分層結果[16-17]。這一時期，學者們注意到洛河組具有垂向差異性并提出了精細勘探概念[8]，工作重點是從礦井防治水角度出發，在洛河組下部找到可作為阻隔、滯緩其上部強富水層段地下水進入礦井的相對隔水層段。此后，雙Packer 系統分層抽水技術被引入煤礦床水文地質勘探領域，開啟了洛河組精細勘探與研究階段。2018-2020 年，李超峰采用雙Packer 系統分層抽水方法完成了“高家堡礦井三、四盤區水文地質補充勘探”項目，對洛河組進行了10 個層段分層抽水試驗，獲得了大量一手數據資料；給出了洛河組垂向分層方法，采用綜合富水性指數法將洛河組垂向上劃分為上段、中上段、中下段和下段4 個含水層段；得到洛河組內部富水性由強至弱依次為中上段、中下段、上段及下段；采用水力聯系系數法定量評價洛河組內部水力聯系，認為洛河組中上段水平同層和下段水平同層水力聯系強，中上段與下段垂向水力聯系極弱至弱[8,18]。2018-2020 年“亭南煤礦四盤區水文地質補充勘探”項目完成，采用雙Packer 系統分層抽水方法，對洛河組進行了9 個層段分層抽水試驗；將洛河組垂向上分為上段、中段和下段3 個層段，認識到洛河組內部垂向水文地質特征存在差異，上段和下段富水性相對較弱，中段富水性相對較好。2019-2020 年“邵寨煤礦礦井水文地質補充勘探及防治水技術研究”項目完成，采用雙Packer 系統對洛河組垂向12 個分層進行了抽水試驗，研究認為洛河組垂向上可分為3 個含水層段，其中中段富水性相對較好，上段和下段富水性相對較差。2019-2021 年“孟村煤礦洛河組含水層精細劃分及水害影響評價研究”項目，從沉積學角度提出洛河組垂向“三段五相”劃分方法，上段為沖積扇扇端和扇中亞相，中段為辮狀河相，下段為沖積扇相與辮狀河相；采用雙Packer 系統對洛河組垂向上進行了10 個分層抽水試驗，研究認為洛河組中段富水性最好，上段富水性弱于中段，下段富水性最差。

目前，巨厚含水層垂向水文地質條件精細勘探領域理論研究滯后現場施工。例如，垂向多個含水層段可構成混合井[19]，其地下水位的聯系及理論上的換算關系尚不明確。目前普遍采用的單位涌水量富水性評價方法是否適用于非完整井，利用非完整井和完整井獲得的單位涌水量數值是否具有理論上的換算關系和可對比性[20-21]，采用何種方法定量評價巨厚含水層垂向分層富水性更為科學等問題未得到解決。另外，洛河組內部未發育可適用于垂向分層的穩定隔水層，采用何種方法分層及分層結果是否可靠，洛河組各層段水平同層和垂向不同層段之間地下水水力聯系密切程度和地下水交換量該如何定量評價與刻畫等，還需深入研究。

筆者采用導水系數進行洛河組含水層富水性評價；基于雙Packer 分層抽水試驗成果，采用綜合富水性指數法對洛河組進行垂向含水層段劃分并對比分析其水文地質條件，揭示洛河組含水層水文地質特征及其垂向變異性，以期為礦井防治水工作奠定基礎。

1 含水層富水性評價方法與標準

1.1 單位涌水量富水性評價方法存在問題

筆者多年應用發現，采用單位涌水量評價含水層富水性具有計算方法簡單、現場應用方便等優勢，且多次寫入煤礦水文地質相關規范[22-24]。然而，采用單位涌水量評價含水層富水性存在理論缺陷。例如，由于抽水量和水位降深受人為因素影響，據此單位涌水量方法獲得的富水性非含水層本質屬性；復合含水層單位涌水量之間不具有理論計算公式，獲得單位涌水量只能通過抽水試驗方法。

1.2 導水系數富水性評價方法與標準

1) 評價方法

本文引入導水系數T[25]評價含水層富水性。

式中：T為導水系數，m2/d；K為滲透系數，m/d；M為含水層厚度，m。

2) 等級劃分標準

本文給出導水系數法富水性等級劃分標準[25](表1)。

表1 導水系數富水性分級標準Table 1 Classification standard of water-rich by coefficient of transmissibility

2 鉆孔同徑分層抽水試驗方法

2.1 雙Packer 系統簡介

采用中國地質調查局水文地質環境地質調查中心研發的158 型地下水分層抽水系統(圖1)、150QJ20-350/37KW 型潛水泵和150QJ5-600/37KW 型潛水泵，實現膠囊封隔后對洛河組任意長度層段進行抽水試驗。

圖1 雙Packer 抽水設備放置過程Fig.1 Equipment setup of the double packers

陜西彬長礦區已完成了多個洛河組含水層精細勘探項目，在項目實施期間技術人員克服了膠囊和水泵故障以及孔壁不穩定等難題，成功將雙Packer 系統應用于砂泥巖地層分層抽水試驗；雙Packer 最大下入深度達861.37 m。

2.2 水文地質參數計算方法

采用《地下水動力學原理》[25]中的“井壁進水的承壓水非完整井”解析解計算公式計算雙Packer 抽水試驗水文地質參數。

1) 過濾器與隔水層相接

假定條件：抽水孔為非完整井(圖2)，遠離補給或隔水邊界；過濾器緊連隔水頂板或底板。

圖2 過濾器與隔水頂板相接的承壓非完整井Fig.2 Partially penetrating well in a confined aquifer with filter connected to the roof

計算公式為：

推導得到：

式中：Q為抽水量，m3/d；Sw為水位降深，m；l為過濾器長度，m；rw為鉆孔半徑，m。

2) 過濾器與隔水層不相接

假定條件：抽水孔為非完整井(圖3)，遠離補給或隔水邊界；過濾器不與隔水頂板或底板相接。

圖3 過濾器不與隔水頂板相接的承壓非完整井Fig.3 Partially penetrating well in a confined aquifer with filter unconnected to the roof

計算公式為：

式中：c為過濾器與隔水頂板之間的距離，m。

3 應用實例

“高家堡礦井三、四盤區水文地質補充勘探”項目于2018 年12 月17 日開始，至2020 年1 月10 日結束，歷時389 d。施工完成4 個地面鉆孔(圖4)，進尺3 787.02 m；完成單孔抽水試驗6 層次，完成雙Packer分層抽水試驗20 層次(表2)。

圖4 水文補勘鉆孔分布Fig.4 Location of boreholes for hydrological supplementary exploration

表2 抽水試驗工程量統計Table 2 Completion of pumping tests

3.1 雙Packer 抽水試驗及結果分析

1) 洛河組試驗

在DJ1、DJ2/DJ3 鉆孔中，采用雙Packer 系統對洛河組垂向10 個固定厚度的含水層段進行抽水試驗，并計算了水文地質參數。抽水試驗及水文地質參數計算結果見表3。

表3 DJ1、DJ2/DJ3 鉆孔雙Packer 分層抽水試驗成果Table 3 Results of pumping tests using the double packer in DJ1,DJ2/DJ3 boreholes

由于洛河組含水層為巨厚含水層，采用雙Packer系統按垂向固定厚度依次對其進行分層抽水試驗，難免會出現抽水目標層段位于某一巨厚含水層內部或者跨越2 個或2 個以上含水層的情況，即與抽水目標層段緊鄰的上部或下部含水層通過越流可能對其抽水試驗及水文地質參數計算等存在影響。自然條件下，一般假定均質各向同性多孔介質含水層其垂向滲透系數遠小于水平方向滲透系數。在鉆孔內2 個膠囊均密封良好、孔內不發生地下水越過膠囊進行垂向水量交換時，與抽水目標層段緊鄰的上部或下部含水層地下水僅可通過垂向滲流對其施加影響。由于地下水垂向滲流量遠小于其水平徑流量，正常情況下相鄰層段地下水對抽水目標層段的影響微弱。通過DJ1、DJ2/DJ3 鉆孔垂向10 層抽水試驗的水量、滲透系數、導水系數等均存在顯著差異，也可反映出相鄰層段地下水對抽水目標層段的影響相對較弱。

2) 結果分析

(1) 抽水量

洛河組垂向抽水量具有明顯差異(圖5)；其中第2-第4 層段和第6、第7 層段較大，其次為第1、第5、第8 層段，第9、第10 層段最小。

圖5 洛河組垂向抽水量Fig.5 Sketch of pumping volume of aquifer in Luohe Formation

(2) 地下水位

洛河組垂向地下水位具有差異(圖6)。其中第1層段地下水位明顯與下部層段水位不同，第2-第8層段地下水位大體一致，第9-第10 層段地下水位一致。

圖6 洛河組垂向地下水位Fig.6 Sketch of groundwater level of aquifer in Luohe Formation

(3) 滲透系數

洛河組垂向各層滲透系數具有明顯差異(圖7)。滲透系數第2-第4 層段較大，其次為第6-第8 層段，再其次為第1 和第5 層段，第9、第10 層段最小。

圖7 洛河組垂向各層滲透系數Fig.7 Sketch of permeability coefficient of aquifer in Luohe Formation

(4) 導水系數

洛河組垂向導水系數具有明顯差異(圖8)。導水系數第2-第4 層段較大，其次為第6-第8 層段，再其次為第1 和第5 層段，第9、第10 層段最小。

圖8 洛河組垂向導水系數Fig.8 Sketch of transmissibility coefficient of aquifer in Luohe Formation

3.2 洛河組垂向含水層段劃分

李超峰等[8]提出可采用綜合富水性指數法研究巨厚承壓含水層富水性垂向變異特征。首先，對單個地層巖性、厚度、孔隙率3 個指標分別賦值和賦權重，計算單個含水層段的富水性指數；其次，計算其綜合富水性指數；最后，利用垂向各含水層段綜合富水性指數的垂向變化規律，可進行巨厚含水層垂向精細分層研究。

采用綜合富水性指數法[8]，將DJ1、DJ2 鉆孔洛河組垂向上劃分為上段、中上段、中下段和下段4 個水文地質條件具有明顯差異的含水層段(表4、圖9 和圖10)。

圖9 DJ1 鉆孔洛河組綜合富水性指數法垂向分層結果Fig.9 Comprehensive water-rich index of Luohe Formation in borehole DJ1

圖10 DJ2 鉆孔洛河組綜合富水性指數法垂向分層結果Fig.10 Comprehensive water-rich index of Luohe Formation in borehole DJ2

表4 洛河組綜合富水性指數法垂向分層結果Table 4 Vertical aquifers of Luohe Formation stratified by comprehensive water-rich index 單位：m

3.3 洛河組垂向分層水文地質特征

1) 地層厚度

洛河組中上段和中下段厚度占總厚度之比分別為34%、37%，上段和下段厚度占比分別為8%和21%；中上段和中下段厚度之和占比達到71%(圖11)。

圖11 洛河組垂向分層厚度與總厚度百分比餅圖Fig.11 Sketch of the ratio of each layer thickness to the total thickness of Luohe Formation

2) 巖性

洛河組上段和下段泥巖類地層(47%～53%)和砂巖類地層(47%～53%)累計厚度大致各占一半；中上段和中下段砂巖類地層累計厚度占比較大(85%～91%)，泥巖類地層累計厚度占比較小(9%～15%)(圖12)。

圖12 洛河組垂向分層巖性累計厚度占比Fig.12 Sketch of the ratio of each lithology thickness to the total thickness of each layer of Luohe Formation

3) 滲透系數

利用雙Packer 分層抽水試驗數據，計算DJ1、DJ2鉆孔洛河組垂向各含水層段滲透系數(表5 和圖13)。

圖13 洛河組垂向分層滲透系數Fig.13 Sketch of permeability coefficient of each aquifer in Luohe Formation

表5 洛河組垂向分層滲透系數計算結果Table 5 Calculation results of permeability coefficient of each aquifer in Luohe Formation

洛河組垂向各含水層段滲透系數差異顯著，由表5和圖13 可知，滲透系數數值由大到小依次為洛河組中上段、中下段、上段和下段。

4) 富水性

利用雙Packer 分層抽水試驗數據，計算DJ1、DJ2鉆孔洛河組垂向各含水層段導水系數(表6 和圖14)。

圖14 洛河組垂向分層導水系數Fig.14 Sketch of coefficient of transmissibility of each aquifer in Luohe Formation

表6 洛河組垂向分層導水系數計算結果Table 6 Calculation results of coefficient of transmissibility of each aquifer in Luohe Formation

洛河組垂向各含水層段導水系數差異顯著，由表6和圖14 可知，富水性由強到弱依次為洛河組中上段、中下段、上段和下段。

計算洛河組全段導水系數為98.72～128.32 m2/d，富水性強至很強(表7)。

表7 洛河組全段導水系數Table 7 Results of coefficient of transmissibility of Luohe Formation

4 結論

a.采用導水系數評價含水層富水性，并給出了導水系數富水性7 級分級標準。導水系數T≤1 m2/d、1 m2/d400 m2/d 依次表示富水性極弱、弱、中等、強、很強、特強、極強。

b.采用綜合富水性指數法將洛河組垂向上劃分為上段、中上段、中下段和下段4 個含水層段。對比分析了洛河組垂向分層水文地質特征。其中上段和下段厚度較小，中上段和中下段厚度較大；上段和下段為砂泥巖互層狀地層，中上段和中下段以砂巖類地層為主，泥巖類地層幾乎不發育；富水性上段弱，中上段強至很強，中下段中等，下段極弱。

c.與單位涌水量評價方法相比，導水系數富水性評價方法同樣具有計算簡單和便于現場應用的優點，同時理論上更科學、嚴謹，分級更精細。