宝塔山砂岩水文特征研究（宝塔山水风景图片）

宝塔山砂岩含水层岩样物理性质分析

宝塔山砂岩位于延安组底部，与延长组顶界面不整合接触。区内宝塔山砂岩含水层主要为二十一煤底板下部的中粗粒砂岩，颜色一般呈现灰白或肉红，矿物组成以石英为主，泥岩胶结，但固结程度较差，部分层位可见虫洞，局部含少许黄铁矿结核。

宝塔山砂岩含水层岩样微观结构及矿物成分

利用扫描电子显微镜系统对宝塔山砂岩试样BT1、BT2分别进行扫描电镜试验，由于砂岩放大倍数太大时看到的是具体的某一个颗粒的表面，因此砂岩的放大倍数选择的是400倍~6000倍，从而能够从宏观和细观两个方面对比测试试样的组成结构。

结果显示，宝塔山砂岩试样具块状结构，试样中小孔隙较为发育，孔隙分布没有明显规律，现状多样且不规则。除少许部分为钙质胶结外，试样主体上为泥质胶结。

实验观察到宝塔山砂岩是由具有可比大小的砂晶粒的随机堆砌而成，其石英晶粒的粒径通常只有几百微米。

而这个类型的晶体颗粒应是在形成或者沉积过程中的产生的，当与其它矿物质一起沉积和成岩相互作用之后，在高压作用下形成了具有多孔隙相互连通的复合网络构造。

利用X射线衍射试验（XRD）对在宝塔山砂岩含水层所取岩样加工出来的试样BT1、BT2进行岩样矿物成分测试。

通过对试验所得图谱的分析，分别得出了试样BT1与试验BT2的矿物成份组成及各种矿物的含量分配。

可以看出，此次所测试样的化学成分以硅、铝为主，其中二氧化硅含量最高，并含有较多的二氧化铝、碳酸钙，除此之外，试样化学成分还含有部分三氧化二铁、氧化钙等。

砂岩试样的矿物成分主要是石英和粘土矿物（石英的均量约占80.5%、粘土矿物均量约为占11.4%），其次含有少许的方解石、菱铁矿、云母以及有机质。

宝塔山砂岩含水层岩石胶结性分析

此次崩解试验试样取自钻孔B-59，开展两组平行试验，每组选用两个试样。第一组平均质量较大（约100g），第二组平均质量较小（约10g左右），以质量来反应试验尺寸变化。

试验结果表明，质量较大的第一组试样耐崩解指数均值为80.87%，具一定的崩解性，崩解量占总重比重小；质量较小的第二组试样耐崩解指数均值为80.76%，具一定崩解性，崩解量占总重比重小。

两组试样最终崩解量均小于原始质量20%，试样耐崩解指数范围80.76%~80.87%，有一定崩解性，但耐崩解指数高，崩解性较弱，且崩解性受试样尺寸（质量）因素控制较弱。

在打开闸阀后，裸孔段及钻孔内水流为紊流状态，对裸孔段含水层的扰动较大，加之含水层在高压、大流量放水条件下部分胶结物松散，导致水中含沙量较大。

随着放水时间延长，钻孔内水流流量稳定，含水层中松散胶结物逐渐减小，水中含沙量逐渐降低，水质逐渐清澈。

该现象表明放水试验中后期，宝塔山砂岩含水层崩解性较小，前期含沙可能是井筒周围岩体受到强水压的扰动而部分崩解所致。

综合分析宝塔山砂岩崩解性及放水试验过程中含沙量变化可知，宝塔山砂岩含水层具备微弱崩解性，在静水条件下崩解性小，受到高水压的扰动会破坏岩石中的泥质胶结物，使得放水试验初期，含水层中含沙量较高。

宝塔山砂岩赋存特征

宝塔山砂岩厚度18.55m（B-14）~82.65m（B-44），均厚为52.97m。宝塔山砂岩含水层厚度在井田范围三个分区内分布不均匀，一分区内122183、122185工作面北端范围内最厚（约75米）。

二分区内东侧区域较厚，厚度自东向西递减；三分区内宝塔山砂岩厚度从西北向东南方向递减。宝塔山砂岩埋深在矿井范围内呈西北至东南递减的变化趋势，在井田东南区域埋深最大。

根据钻孔统计及钻孔分布规律，在研究区井田范围内，井田西北部存在较厚的砂泥岩互层，井田东南区域的中砂岩和粗砂岩较为发育。

利用FEFLOW软件沿1-1剖面线与2-2剖面线绘制剖面图。由图可以看出宝塔山砂岩含水层在空间上，西北部要高于东南部；在东西走向上砂岩厚度变化幅度小；在南北方向上，中部宝塔山砂岩厚度明显较厚，相比之下，南北两端砂岩厚度相对较薄。

宝塔山砂岩与18煤间距为22.47m（B1孔）~83.8m（2802孔），平均51.63m。查看18煤与宝塔山砂岩含水层间距，井田中部及东北区域18煤与宝塔山砂岩含水层间距较大，局部大于60米。

观察宝塔山砂岩含水层2020年4月-5月的平均水位，水位介于1121.34~1225.48m之间，井田范围内，宝塔山砂岩含水层水位由北向南逐渐降低，最低点位于井田西南部。

地下水流在井田北部和中部的流向为由北向南，井田东南部局部区域宝塔山砂岩含水层地下水流向为由东南方向向西北方向。

研究宝塔山砂岩含水层长观孔水位变化图，研究区范围内，宝塔山砂岩含水层水位标高介于1180m至1235m之间，均值为1190m。

直排孔受注浆影响水位较低，B-37在井田北部，其水位较高（+1221~+1230m）。其他钻孔水位变动趋势基本一致，受2019年放水试验影响，水位均有所下降，放水结束后均缓慢上升。

宝塔山砂岩含水层富水性分析

通过整理新上海一号煤矿以往针对宝塔山砂岩含水层开展的水文地质工作，搜集到包括2007年新上海一号井田煤炭勘探、2017年水文地质补充勘探、2019年水文地质补充勘探和2019年井下放水试验的钻孔数据。

根据钻孔涌水量和水位降深数据进行拟合，Q-S曲线斜率计算公式如下所示：

S=kQ（3-1）

式中：Q——补勘钻孔放水量，L/s；S——补勘钻孔水位降深，m；

根据《煤矿防治水细则》（2018）附录一中式3-2，对钻孔单位涌水量进行统一降深统一孔径处理。

Q91=Q孔{lgR孔-lgr孔}/{lgR91-lgr91 }（3-2）

宝塔山砂岩含水层富水性的分布将直接影响后续18煤开采工作面的开采次序及防治水措施的针对性。

《煤矿防治水细则》（2018）附录一按照钻孔单位涌水量q值大小，将含水层富水性分为以下4级。

（1）弱富水性：q≤0.1L/（s·m）；（2）中等富水性：0.1L/（s·m）＜q≤1.0L/（s·m）；（3）强富水性：1.0L/（s·m）＜q≤5.0L/（s·m）；（4）极强富水性：q＞5.0L/（s·m）。

整体上，研究区内宝塔山砂岩的富水性呈现弱富水至中等富水。

研究区内宝塔山砂岩的富水性有明显的差异性，西部富水性弱于东部，一分区富水性最强，二分区、三分区富水性较弱。

一分区内宝塔山砂岩的富水性整体上为中等，中东部部分区域呈强富水，且该区域对122185工作面及122183工作面北翼影响较大。

宝塔山砂岩水化学特征

选取2019年水文地质补勘及宝塔山砂岩放水试验期间取得的水质全分析样39组，采用三线图法、离子相关性、多元统计、主成分分析等方法对宝塔山砂岩含水层进行类型划分及测试数据分析。

宝塔山砂岩含水层主要阳离子有Na＋、K＋、Mg2＋、Ca2＋，其中以Na＋占绝对优势，其含量为442.462080.85mg/L。

其中阳离子含量Na+＞Ca2+＞Mg2+，Na+均量为671.58mg/L、Ca2+均量为82.24mg/L、Mg2+均量为50.10mg/L。

阴离子主要有SO42-、Cl-以及HCO3-，其中SO42-＞Cl-＞HCO3-，以SO42-和Cl-为主，其中SO42-浓度为443.80mg/L3290.10mg/L，平均757.10mg/L；Cl-浓度为361.60mg/L1730.00mg/L，平均655.08mg/L。

宝塔山砂岩含水层常规离子变异系数大于0.5的，阳离子有Ca2+，Mg2+，阴离子有SO42－，Cl－。

宝塔山砂岩含水层Piper图显示：宝塔山砂岩含水层的水化学类别以Cl·SO4-Na型为主，个别试样表现为SO4·Cl-Na型。

新上海一号井各含水层Piper图显示：宝塔山砂岩含水层与白垩系砾岩含水层的离子含量分布具相似性，水化学类型相同。

各含水层水位对宝塔山砂岩放水试验的响应

新上海一号井煤矿与2019年8月至12月进行放水试验，试验主要分为两个阶段，第一阶段内（8月23日至10月8日）进行F2放水孔单独放水，第二阶段（10月8日至11月30日）进行F1至F4四孔叠加对宝塔山砂岩进行放水。

矿区范围内，B9、B27水文孔为白垩系含水层的水文长观孔，根据搜集的区域内两阶段试验过程中B9孔、B27孔的水位变化数据。可以清楚地看到，B9孔的水位变化过程与放水试验的进展阶段联系紧密。

在F2孔单独放水阶段，B9孔的水位首先随着放水阶段的进行而降低，水位变幅约15米左右；F2孔停止放水后，B9孔的水位亦产生积极响应，水位抬升。

第二阶段B9孔的水位依然是随着其他放水孔的叠加放水而下降，最大降幅达30米，之后又随着放水试验的结束进入水位恢复状态，水位恢复的速率要低于放水阶段水位降低的速率。综合分析可知，B9孔周围的宝塔山砂岩和白垩系含水层之间发生着紧密的水力联系。

可以清楚地看到，在F2孔单独放水阶段，B9孔的水位首先随着放水阶段的进行而降低，水位变幅约1.25米左右；F2孔停止放水后，B27孔的水位亦产生积极响应，水位抬升。

第二阶段B27孔的水位依然是随着其他放水孔的叠加放水而下降，最大降幅约为1米，之后又随着放水试验的结束进入水位恢复状态，水位恢复的速率要低于放水阶段水位降低的速率。

第二阶段放水初期，B27孔水位响应滞后，在试验进展的前20天水位仍然处于恢复状态，且水位变化幅度较小，据此推测B27孔周围的宝塔山砂岩与白垩纪含水层之间发生水力联系，但由于B27孔距离放水孔较远，产生水力响应的时间较长。

小结

1）宝塔山砂岩位于延安组底部，与延长组顶界面不整合接触。区内宝塔山砂岩含水层主要为二十一煤底板下部的中粗粒砂岩，颜色一般呈现灰白或肉红，矿物组成以石英为主，泥岩胶结，但固结程度较差，部分层位可见虫洞，局部含少许黄铁矿结核。

2）宝塔山砂岩含水层崩解性较弱，在静水条件下崩解性小，受到高水压的扰动会破坏岩石中的泥质胶结物，使得放水试验初期，含水层中含沙量较高。

3）研究区内宝塔山砂岩的富水性呈现弱富水至中等富水。区内宝塔山砂岩的富水性有明显的差异性，西部富水性弱于东部，一分区富水性最强，二分区、三分区富水性较弱。

4）宝塔山砂岩含水层的水化学类别以Cl·SO4-Na型为主，个别试样表现为SO4·Cl-Na型。

宝塔山砂岩含水层地下水矿化度自西北至东南方向呈逐增变化，区域内西部的比东部的水流交替作用更积极，西部具有更好的径流条件。

5）宝塔山砂岩含水层与研究区内区的白垩系、三叠系以及八煤顶板含水层之间发生着程度不一的水力联系。