煤層上覆含水層受采煤影響的區(qū)帶劃分

雷崇利，常 青，李炳宏

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710054)

0 引言

采煤對(duì)煤層上覆含水層產(chǎn)生了不同程度的影響，嚴(yán)重影響區(qū)含水層水位下降，甚至疏干，造成水井水位下降、泉水流量減少或干涸。

我國(guó)井工煤礦開(kāi)采絕大部分采用長(zhǎng)壁式采煤方法全部垮落法管理頂板，當(dāng)開(kāi)采緩傾斜中厚煤層時(shí)，這種影響表現(xiàn)的尤為明顯。

評(píng)估采煤對(duì)煤層上覆含水層地下水環(huán)境的影響，必須確定含水層所受不同影響程度及其分布范圍、水位降深。

本文主要討論采用長(zhǎng)壁式采煤方法、頂板全部垮落對(duì)含水層的影響，并從平面、垂直兩個(gè)角度對(duì)不同影響區(qū)、帶進(jìn)行了劃分，提出了確定不同區(qū)帶的分布范圍、水位降深的方法。

1 不同影響區(qū)帶劃分

含煤地層水文地質(zhì)條件可簡(jiǎn)化為圖1，由潛水含水層S1，承壓水含水層S2、S3，隔水層，煤層組成。含水層S1水位高度為h1，含水層S2、S3水頭高度分別為 h2、h3。

1.1 垂直分帶

煤層開(kāi)采后，上覆巖層發(fā)生移動(dòng)、變形和破壞，從采空區(qū)向周圍，影響范圍逐漸增大，程度逐漸減弱，在垂直方向，這種影響區(qū)域分為三個(gè)帶:導(dǎo)水裂縫帶、彎曲下沉帶、地裂縫帶(圖2)。

在采用長(zhǎng)壁式采煤方法全部垮落法管理頂板開(kāi)采緩傾斜中厚煤層的條件下，當(dāng)采深達(dá)到一定深度時(shí)，覆巖移動(dòng)才會(huì)出現(xiàn)以上三個(gè)帶。

(1)導(dǎo)水裂縫帶:通常又分為兩個(gè)亞帶，巖塊充滿的區(qū)域?yàn)榭迓鋪啂В芽p發(fā)育的區(qū)域?yàn)閿嗔褋啂В?］，分別如圖2 的①、②兩處。

圖1 含煤地層水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Hydrogeological profile map of cola-bearing stratum

圖2 三帶三區(qū)分布剖面圖Fig.2 Profile map of borderline on three zone and three area

煤層采空后上覆巖層失去平衡，頂板巖層開(kāi)始垮落，并逐漸向上發(fā)展，直至整個(gè)空間被大小不等的巖塊充滿，這為垮落亞帶，該亞帶內(nèi)巖塊之間空隙多，連通性強(qiáng)，如果含水層位于該亞帶內(nèi)，則垮落瞬間地下水會(huì)突入巷道，短時(shí)間被疏干，地下水由承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓，受水頭梯度作用，周圍含水層高水壓地下水將向垮落亞帶徑流，這些區(qū)域內(nèi)地下水位也將下降，形成圈狀降落漏斗。之上為斷裂亞帶，該帶巖層破壞程度減弱，仍保持連續(xù)性，但產(chǎn)生了兩種裂縫，一種為垂直或斜交巖層的張裂縫，另一種是離層裂縫，這些裂縫與采空區(qū)相通，導(dǎo)水性強(qiáng)，如果含水層位于該帶內(nèi)，則地下水很快向下漏失到采空區(qū)而被疏干，周圍含水層高水壓地下水將向斷裂亞帶徑流，周圍區(qū)域內(nèi)地下水位也將下降，形成圈狀降落漏斗(圖2)。

如采用充填法管理頂板，則不存在垮落亞帶。

(2)彎曲下沉帶:導(dǎo)水裂縫帶隨采空區(qū)擴(kuò)大和頂板垮落而持續(xù)向上發(fā)展，當(dāng)延伸到一定范圍時(shí)，裂縫帶達(dá)到最大高度而停止發(fā)展。裂縫帶頂部到地表以下的一定深度內(nèi)的這部分巖層為彎曲下沉帶。該帶巖層整體變形和移動(dòng)，一般不具備導(dǎo)水能力。該帶內(nèi)含水層為承壓水，移動(dòng)活躍期，移動(dòng)區(qū)內(nèi)含水層的測(cè)壓水面下降，如圖2的③處位置，最大水壓降深為該處的下沉值，受水頭梯度作用，周圍高水壓地下水將向移動(dòng)區(qū)徑流，這改變了地下水原有的徑流方向和流速，但不會(huì)漏失到采空區(qū)。移動(dòng)衰退期，移動(dòng)區(qū)地下水將發(fā)生如下變化:

①當(dāng)含水層富水性強(qiáng)，補(bǔ)給條件好時(shí)，區(qū)外高水壓地下水會(huì)及時(shí)補(bǔ)給，使移動(dòng)區(qū)地下水頭較短時(shí)間恢復(fù)到移動(dòng)前的初始位置。

②當(dāng)含水層富水性弱，補(bǔ)給條件差時(shí)，區(qū)外高水壓地下水緩慢補(bǔ)給移動(dòng)區(qū)，在兩者之間將形成一個(gè)水頭梯度，由于外圍補(bǔ)給水源差，移動(dòng)區(qū)水頭恢復(fù)緩慢，移動(dòng)區(qū)外的高水頭也逐漸下降，可引起一定區(qū)域水頭整體下降，水壓降深小于該處下沉值。

(3)地裂縫帶:地表塌陷盆地內(nèi)，發(fā)育兩組張裂縫，一組位于工作面內(nèi)，平行切眼，另一組環(huán)繞工作面外。地裂縫上寬下窄，逐漸閉合，如圖2的④處。該帶或?yàn)橥杆缓貙?，如黃土，或?yàn)闈撍畬?，塌陷活躍期，塌陷區(qū)內(nèi)地下水隨含水層一起下沉，最大水位降深為該處地表下沉值。塌陷增加了潛水的儲(chǔ)水空間，這些空間是塌陷區(qū)原含水層上部包氣帶內(nèi)的松散地層，位于原潛水面以上，塌陷后，這些地層下降到區(qū)域潛水面以下，便有條件充水了。因此，塌陷衰退期，塌陷區(qū)地下水將發(fā)生如下變化:

①當(dāng)含水層富水性強(qiáng)，補(bǔ)給條件好時(shí)，塌陷區(qū)外的高水位地下水會(huì)及時(shí)補(bǔ)給，使塌陷區(qū)地下水位較快恢復(fù)到塌陷前的初始位置。

②當(dāng)含水層富水性弱，補(bǔ)給條件差時(shí)，塌陷區(qū)外的高水位地下水緩慢補(bǔ)給塌陷區(qū)，在兩者之間將形成一個(gè)水力坡度，由于外圍補(bǔ)給水源差，塌陷區(qū)水位恢復(fù)緩慢，塌陷區(qū)外的高水位也逐漸下降，可引起一定區(qū)域水位整體下降，水位降深小于地面下沉值。

在淺部厚煤層開(kāi)采區(qū)，導(dǎo)水裂縫帶可直達(dá)地表，和地裂縫帶連通，不存在彎曲下沉帶(圖3)。塌陷活躍期，地裂縫帶內(nèi)的潛水將很快漏失到采空區(qū)，含水層被疏干。塌陷區(qū)周圍含水層水位高，受水力梯度作用，這些地下水將向塌陷區(qū)徑流，引起塌陷區(qū)周圍地下水位下降，形成圈狀降落漏斗。

圖3 二帶三區(qū)分布剖面圖Fig.3 Profile map of borderline on two zone and three area

1.2 平面分區(qū)

裂縫帶的形成造成含水層結(jié)構(gòu)和地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件發(fā)生變化，在導(dǎo)水裂縫帶和地裂縫帶，地下水由水平徑流、排泄為主轉(zhuǎn)化為以垂向滲漏或徑流為主，水位(水頭)持續(xù)下降以致地下水被疏干，該區(qū)域?yàn)閷?dǎo)水裂縫區(qū);隨著水位(水頭)不斷下降，周圍含水層中的水位(水頭)開(kāi)始下降，形成漏斗狀的水位(水頭)下降區(qū)，即降落漏斗區(qū)，該區(qū)地下水水力坡度將隨距離向外增大逐漸變緩，水位(水頭)降深逐步減少并逐漸進(jìn)入無(wú)影響區(qū)。含水層平面三區(qū)分布見(jiàn)圖4。

2 裂縫區(qū)范圍與水位降深

2.1 裂縫帶高度(深度)

(1)導(dǎo)水裂縫帶高度

若煤礦有實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫高度數(shù)據(jù)，則采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);若沒(méi)有，可采用鄰近煤礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行類比確定。

圖4 含水層三區(qū)分布平面圖Fig.4 Three area plan of aquifer

當(dāng)沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或類比條件時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度也可按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》［2］中的推薦公式預(yù)測(cè)，如煤層覆巖為中硬地層，計(jì)算公式為:

式中:

Hli——導(dǎo)水裂縫帶高度(m);

M——采厚(m)。

(2)地裂縫帶深度

應(yīng)通過(guò)實(shí)測(cè)確定，也可按經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)［3］:

式中:

d——地裂縫的平均寬度(m);

A——系數(shù)，黃土取8，風(fēng)化基巖取15。

2.2 裂縫區(qū)分布范圍

(1)導(dǎo)水裂縫區(qū)范圍

由兩部分組成，即采空區(qū)部分和巖層移動(dòng)部分(圖5)，采空區(qū)部分為采空區(qū)的長(zhǎng)度，巖層移動(dòng)部分為采空區(qū)周圍受到影響而產(chǎn)生移動(dòng)的那部分巖層，總長(zhǎng)度計(jì)算公式如下:

式中:

L——導(dǎo)水裂縫區(qū)長(zhǎng)度(m);

l——采空區(qū)長(zhǎng)度(m);

H1——含水層底面至煤層底板間距(m);

δj——基巖移動(dòng)角(°)。

從煤層底板向上，導(dǎo)水裂縫區(qū)越來(lái)越大，終止于彎曲下沉帶。

(2)地裂縫區(qū)范圍

按照煤層底板深度，不同地層的移動(dòng)角確定(圖5)，計(jì)算公式為:

圖5 三帶三區(qū)分布范圍計(jì)算剖面圖Fig.5 Profile map of calculateing borderline on three zone and three area

式中:

L——導(dǎo)水裂縫區(qū)長(zhǎng)度(m);

l——采空區(qū)長(zhǎng)度(m);

H2——煤層上覆基巖厚度(m);

δj——基巖移動(dòng)角(°);

H3——松散層厚度(m);

δs——松散層移動(dòng)角(°)。

2.3 水位(水頭)降深

根據(jù)地質(zhì)勘探成果，確定潛水含水層的水位高度，承壓水含水層的水頭高度，潛水含水層以自由水面為準(zhǔn)，承壓水含水層以承壓水面為準(zhǔn)。

導(dǎo)水裂縫區(qū)含水層呈疏干狀態(tài)，水頭降深為各含水層的水頭高度。

地裂縫區(qū)含水層水位降深應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，最大水位降深為含水層的水位高度。

3 降落漏斗區(qū)范圍與水位降深

3.1 分布范圍

降落漏斗區(qū)環(huán)繞在導(dǎo)水裂縫區(qū)的周圍(圖5)，其范圍用影響半徑(R)表示。

影響半徑最好通過(guò)鉆孔實(shí)測(cè)確定，若無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，也可根據(jù)以下公式［4］預(yù)測(cè):

式中:

S——水位(水頭)降深(m);

H——潛水含水層厚度(m);

K——滲透系數(shù)(m/d)。

3.2 水位(水頭)降深

與裂縫區(qū)邊界處水位(水頭)降深為含水層的水位(水頭)高度，降落漏斗區(qū)外邊界處水位(水頭)不下降，中間地區(qū)水位(水頭)降深介于這兩者之間。

4 結(jié)論

(1)垂直方向，含水層受影響區(qū)域分為導(dǎo)水裂縫帶、彎曲下沉帶、地裂縫帶。平面方向，受影響區(qū)域分為導(dǎo)水裂縫區(qū)、降落漏斗區(qū)、無(wú)影響區(qū)。不同帶、區(qū)含水層影響程度不同。

(2)各帶、各區(qū)的影響范圍和水位(水頭)降深可通過(guò)實(shí)測(cè)獲得或理論計(jì)算預(yù)測(cè)。

［1］虎維岳.礦山水害防治理論與方法［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.HU Weiyue.Theory and method of controlling coal mine water hazard［M］.Beijing:Coal Industry Press，2005.

［2］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程［Z］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.State Bureau of Coal Industry.Regulations of coal pillar design and coal mining under building、water、railways and major shaft and roadways［Z］.Beijing:Coal Industry Press，2000.

［3］趙勤正，張和生.基于特征的井工開(kāi)采土地破壞程度特征因子選取［J］.能源環(huán)境保護(hù)，2003，17(6).ZHAO Qinzheng，ZHANG Hesheng.Feature factors of land destroy degree are chosen in mining on base of features in semi-dry mountain areas［J］.Energy Environmental Protection，2003，17(6).

［4］環(huán)境保護(hù)部.《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》［Z］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.Ministry of Environmental Protection.Technical guidelines for environmental impact assessment groundwater environment［Z］.Beijing:Chinese Standard Press，2011.