深埋煤層采動(dòng)覆巖滲透能力變異與地下水響應(yīng)模擬

趙春虎

摘要：針對西部深埋礦區(qū)煤炭資源開發(fā)對地下水?dāng)_動(dòng)的相關(guān)研究不足的問題，依據(jù)彈塑性相關(guān)理論，利用多物理場數(shù)值模擬軟件（COMSOL），研究了深埋煤層采動(dòng)覆巖滲透能力變異與地下水的響應(yīng)規(guī)律，模擬得出案例礦井在不同采動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)區(qū)覆巖滲透能力變化具有差異性：采動(dòng)覆巖應(yīng)力拉伸區(qū)巖體的滲透率相對增大，在采掘空間的直接頂滲透率增大26%，在地表沉陷盆地邊緣增大3%；覆巖壓縮區(qū)滲透率相對減小，在煤巖柱兩側(cè)滲透率減小43%，在采掘空間正上方約300 m處滲透率減小18%。由于采掘后井下采掘空間直接與大氣聯(lián)通，形成了以導(dǎo)水裂縫帶范圍為中心的水壓降落漏斗，導(dǎo)致垂向水力梯度與流速加劇；而在煤層頂板300 m以上范圍，水壓水頭基本為原始狀態(tài)。研究成果為我國干旱與半干旱礦區(qū)煤水資源合理開發(fā)、科學(xué)管控提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地下水；滲透；采掘擾動(dòng)；數(shù)值模擬；導(dǎo)水裂縫帶

中圖分類號(hào)：TD713文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

16721683（2018）02017106

Abstract：

There is a lack of research on groundwater disturbance caused by deep coal resource exploitation in western China.Based on the elasticplastic theory，this paper studies the variation mechanism of the seepage capacity of the overlying strata and the response of the groundwater by using the fluid solid coupling numerical simulation software COMSOL.The simulation results showed that the change pattern of overburden permeability is different in different mining stress states.The overburden permeability increased in the tensile stress zone： at the top of the excavation space it increased by 26%，and in the surface subsidence basin it increased by 3%.The overburden permeability decreased in the stress compression zone： on both sides of the coal pillar it decreased by 43%，and at about 300m above the mining space it decreased by 18%.A groundwater drawdown funnel was formed with the waterflowing fractured zone as the center.As a result，the vertical hydraulic gradient and flow velocity of groundwater both increased significantly，while the water pressure was basically in the original state at about 300 m above the mining space.The research results can provide theoretical support for reasonable exploitation of coal resources and scientific management of water resources in the arid area of China.

Key words：

groundwater；permeation；mining disturbance；numerical simulation；waterflowing fractured zone

地下水是西部地區(qū)水資源主要組成部分，具有極其重要的資源功能和生態(tài)功能。而隨著我國煤炭資源開發(fā)西進(jìn)戰(zhàn)略的實(shí)施，全國煤炭基地分布與水資源豐富程度已呈逆向分布。西部干旱礦區(qū)在規(guī)模化、現(xiàn)代化的煤炭資源開采不可避免地造成了對地下水影響和破壞，加劇了地區(qū)資源性缺水與生態(tài)環(huán)境破壞[12]。由于能源基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不同，國外對地下水水動(dòng)力擾動(dòng)問題的研究極少，主要以煤礦區(qū)水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、關(guān)閉礦井復(fù)墾等為主要研究方向[36]。國內(nèi)眾多學(xué)者采用不同技術(shù)方法針對西部地區(qū)煤炭開采造成的地下水位下降、地下水水量損失等水動(dòng)力響應(yīng)問題進(jìn)行了研究，但主要集中在煤田的榆、神、府等淺部礦區(qū)[79]，深部礦區(qū)（榆橫、呼吉爾特等礦區(qū)）相關(guān)研究較少（主采煤層大于200 m）[1011]，且大多以宏觀分析為主，其中覆巖破壞的“覆巖分帶”[12]理論與巖層控制的“關(guān)鍵層”理論[1314]是礦井頂板水害防治、保水采煤技術(shù)研發(fā)及地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)的最重要依據(jù)，其基本認(rèn)識(shí)是以近地表的松散層地下水為“保水”對象，當(dāng)采掘擾動(dòng)形成的“導(dǎo)水裂縫帶”未溝通含水層或“隔水關(guān)鍵層”，沒有造成地下水資源大量漏失，即認(rèn)為可以安全回采[1517]，亦或保水成功[1820]，因此，以淺部礦區(qū)為主的“上三帶”與“關(guān)鍵層”理論對于深部礦區(qū)地下水響應(yīng)的機(jī)制分析具有較強(qiáng)的局限性。不僅僅導(dǎo)水裂縫帶對地下水存在直接影響，其采掘擾動(dòng)引起的覆巖含水介質(zhì)滲透能力變化對含水層地下水影響明顯。一方面，當(dāng)采動(dòng)裂縫僅發(fā)育至基巖層內(nèi)部時(shí)（或隔水關(guān)鍵層），由于“導(dǎo)水裂縫帶”內(nèi)的含水層地下水大量漏失，造成松散層地下水與“導(dǎo)水裂縫帶”內(nèi)含水層地下水的越流水位差加大，加劇含水層間的垂向越流。另一方面“導(dǎo)水裂縫帶”以上覆巖變形導(dǎo)致含、隔水層的滲透能力發(fā)生變異，均導(dǎo)致地下水流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。因此，采動(dòng)余留的保護(hù)層上下越流水位差越大，保護(hù)層變異滲透能力越強(qiáng)，采動(dòng)潛水位降深越大[21]。

文章以采動(dòng)應(yīng)力變化-覆巖變形損傷-介質(zhì)滲透能力變化-地下水響應(yīng)為研究的技術(shù)思路，基于巖體彈塑性相關(guān)理論，采用數(shù)值模擬方法研究采掘擾動(dòng)下覆巖滲透能力變異以及地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，旨在正確認(rèn)識(shí)煤礦開采對地下水環(huán)境的擾動(dòng)機(jī)制，為我國干旱礦區(qū)煤水資源合理開發(fā)、科學(xué)管控提供依據(jù)。

1案例礦井概況

案例礦井沙拉吉達(dá)井田位于陜西省和內(nèi)蒙古交界地區(qū)（圖1），屬于神東煤炭基地深部的呼吉爾特礦區(qū)，陜北黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源貧乏。

井田計(jì)劃主采延安組（J12y）31煤層，煤層采厚62 m，工作面采寬為300 m，埋深500 m左右。地表被第四系風(fēng)積沙所覆蓋，地形平緩，第四系風(fēng)積層（Qeol4）與薩拉烏素組潛水含水層（Q3s）均厚達(dá)96 m左右，且與下伏白堊系洛河組和環(huán)河組碎屑巖類裂隙孔隙含水層（K1）之間無穩(wěn)定的隔水層存在，形成了厚層狀的松散層類含水層組，潛水位埋深一般小于3 m，水位標(biāo)高與地形基本一致。安定組（J2a）、直羅組（J2z）砂質(zhì)泥巖地層構(gòu)成了上覆松散類含水層組與侏羅系中下統(tǒng)延安組（J12y）砂巖裂隙含水層間的穩(wěn)定隔水層。井田主體為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造（傾向285°），地層傾角1°～3°，未發(fā)現(xiàn)大的斷裂等，構(gòu)造屬簡單類型。

根據(jù)《煤礦防治水手冊》中推薦的綜放開采條件下導(dǎo)水裂隙帶高度（包括冒落帶）的計(jì)算公式（式1），計(jì)算得出井田31煤層導(dǎo)水裂縫帶高度在6150～8450 m之間。

Hf=[SX（]100M[]0.26M+6.88[SX）]±11.49[JY]（1）

式中：Hf為最大導(dǎo)水裂縫帶高度；M為累計(jì)采厚，取煤層平均厚度62 m。

由于31煤層位于延安組中部，延安組地層本身砂巖裂隙含水層組，開采后將直接揭露與溝通該含水層，因而構(gòu)成了直接充水水源；31煤距洛河組、環(huán)河組碎屑巖類裂隙孔隙含水層間距大于31煤層頂板冒裂帶的發(fā)育高度，導(dǎo)水裂縫帶高度不會(huì)直接波及松散類含水層底界，因而根據(jù)傳統(tǒng)的采動(dòng)覆巖分帶理論，可以定性的認(rèn)為煤層開采對松散含水層無直接影響。

2模型構(gòu)建

2.1數(shù)學(xué)模型

（1）基本平衡方程。

本次以巖體彈塑性力學(xué)和地下水流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)建立研究問題的數(shù)學(xué)模型，其中式2地下水滲流方程描述地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制，式（3）位移場方程以描述采動(dòng)覆巖損傷變形過程。為了便于模型位移方程與滲流方程進(jìn)行耦合，將地下水水位、水頭（單位：m）均換算為壓力（單位：MPa），其數(shù)學(xué)模型可簡化為如下形式：

4結(jié)語

應(yīng)用基于流固耦合數(shù)值模擬手段，以采動(dòng)附加應(yīng)力變化覆巖變形損傷介質(zhì)滲透能力變化地下水響應(yīng)為分析研究的技術(shù)思路，研究了案例礦井煤層開采擾動(dòng)下采動(dòng)覆巖滲透能力演化及地下水響應(yīng)機(jī)制，得到如下基本結(jié)論。

（1）采動(dòng)覆巖應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)明顯，在不同采動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)區(qū)覆巖滲透能力變化具有差異性，壓應(yīng)力區(qū)巖體滲透能力減小，拉應(yīng)力區(qū)滲透率增加。

（2）采掘后井下采掘空間直接與大氣聯(lián)通，即形成井下水壓 “自由表面”，以“自由表面”為中心的降落漏斗明顯，垂向水力梯度、流速加?。辉诿簩禹敯?00 m以上范圍，水壓水頭基本為原始狀態(tài)。

（3）本模型是基于巖體彈塑性力學(xué)相關(guān)理論和有限元數(shù)值方法構(gòu)建，巖體在采動(dòng)前后均為連續(xù)介質(zhì)，模擬冒裂帶內(nèi)滲透率變化存在局限性，下一步應(yīng)結(jié)合斷裂力學(xué)的相關(guān)理論和離散元數(shù)值處理方法對煤層采動(dòng)覆巖滲透能力變異進(jìn)行研究。

以上研究為我國西部干旱礦區(qū)煤炭資源的合理開發(fā)和水資源科學(xué)保護(hù)提供一定的技術(shù)依據(jù)。

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