煤炭開采對相鄰區(qū)域生態(tài)潛水流場擾動特征

代革聯(lián)，薛小淵，牛 超，許 珂，蔣澤泉，肖樂樂，劉美樂

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.國土資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710054; 3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

煤炭作為我國的主要能源和重要的化工原料，在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有極其重要的戰(zhàn)略地位。2017年，全國煤炭產(chǎn)量達(dá)到35.2億t，神東、陜北、黃隴、新疆等14個大型煤炭基地產(chǎn)量占全國的比重達(dá)到94.3%，在今后相當(dāng)長一個時期內(nèi)，這種地位不會改變[1-2]。陜北煤田作為我國大型的整裝煤田，現(xiàn)代化開采程度高，由于煤炭與地下水資源共處于同一地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，在垂向空間構(gòu)成了有機(jī)聯(lián)系的地表生態(tài)環(huán)境—地下水資源—煤炭資源系統(tǒng)。在這樣一個水資源貧乏，生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)大規(guī)模開發(fā)煤炭資源，既造成地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，又對開采區(qū)的水文地質(zhì)條件產(chǎn)生巨大影響，從而誘發(fā)地下水流場改變，造成地下水位急劇下降、泉水干涸、河流基流量大幅度衰減和流域生態(tài)環(huán)境惡化等一系列環(huán)境問題[3-4]，針對以上問題王雙明院士、范立民教授等在1992年就提出了保水采煤的思路和方法[5]，此后，通過不斷完善保水采煤理論與實踐，范立民提出了保水采煤的概念和科學(xué)內(nèi)涵，并構(gòu)建了保水采煤研究基本框架[6-8]。

隨著我國煤炭生產(chǎn)重點的逐步西移和“一帶一路”戰(zhàn)略的提出與實施，針對西部干旱半干旱地區(qū)保水采煤研究這一熱點和全國煤炭開采遇到的普遍問題，我國學(xué)者做了大量卓有成效的工作。錢鳴高院士提出了煤礦綠色開采的理念，建立了以保水開采、充填減沉開采、煤與瓦斯共采、矸石減排等技術(shù)為主的綠色開采技術(shù)體系，為我國煤炭資源的安全、綠色開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)[9-10]，武強院士等提出了“煤-水”雙資源型礦井開采概念，并提出了相應(yīng)的開采技術(shù)和方法[11]，王雙明院士等劃分了保水開采地質(zhì)條件和保水開采分區(qū)，建立了基于生態(tài)水位保護(hù)的保水開采技術(shù)體系[12-13]。目前，保水采煤研究的主要內(nèi)容包括:煤礦區(qū)地質(zhì)條件的探查、隔水層穩(wěn)定性評價、導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測與探查、地下水資源與生態(tài)環(huán)境的耦合影響等。李文平等對西北保水采煤關(guān)鍵隔水層N2紅土工程地質(zhì)特性進(jìn)行了相關(guān)研究[14]，馬雄德等研究了我國西部生態(tài)脆弱礦區(qū)植被與地下水關(guān)系及其對煤層開采的約束[15]，黃慶享揭示了淺埋煤層隔水巖組的“上行裂隙”和“下行裂隙”發(fā)育規(guī)律，建立了保水采煤的巖層控制理論[16-17]，李文平等[18]、王佟等[19]、鄧念東等[20]對榆神府礦區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行了不同程度的研究，為榆神府礦區(qū)保水開采提供了基礎(chǔ)資料，許家林等就覆巖主關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙帶高度的影響進(jìn)行了深入研究，提出通過覆巖關(guān)鍵層位置來預(yù)計導(dǎo)水裂隙帶高度的新方法[21-22]。仵撥云等對薩拉烏蘇組含水層進(jìn)行了研究，認(rèn)為受高強度采煤影響，應(yīng)采取保水采煤技術(shù)，確保開采后生態(tài)水位在15 m以內(nèi)[23]，馬立強研究了淺埋煤層保水開采技術(shù)工藝[24]，孫亞軍等根據(jù)神東礦區(qū)不同的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，提出了5種保水開采模式及其關(guān)鍵技術(shù)[25]，王蘇健等研究了黃土高效注漿關(guān)鍵技術(shù)[26]，趙春虎等對西部干旱礦區(qū)采煤引起潛水損失量進(jìn)行了定量評價[27]，馬立強等提出“采充并行”式充填保水采煤方法[28]。

筆者在2015年以陜北侏羅紀(jì)煤田在開采過程中引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及對薩拉烏蘇組生態(tài)潛水流場的影響分析，揭示了生態(tài)潛水含水層受開采擾動后地下水流場的變動規(guī)律[29]。由于陜北侏羅紀(jì)煤田主采煤層上方廣泛分布有薩拉烏蘇組含水層，其水質(zhì)優(yōu)良，是目前陜北沙漠灘地前緣地區(qū)居民生活與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要水源，也是維系沙漠灘地區(qū)植被生長的生態(tài)水源，將其稱為生態(tài)潛水。前人對西部干旱半干旱礦區(qū)開采地質(zhì)條件、地質(zhì)環(huán)境影響和保水采煤等問題，開展了大量研究工作，并取得了豐富的理論與實踐成果。隨著“十三五”期間陜北能源化工基地的重點開發(fā)，開采強度急劇增加，加之井田地質(zhì)條件相對區(qū)域仍存在較大的差異性，特別是在不同巖性結(jié)構(gòu)組合下的保水采煤關(guān)鍵影響因素將發(fā)生較大的變化;同時，研究區(qū)某井田周邊存在自然保護(hù)區(qū)和水資源保護(hù)地，煤炭資源開采對水資源和地質(zhì)環(huán)境的影響成為極為“敏感性”的問題。因此，通過研究煤炭資源開采對相鄰區(qū)域生態(tài)潛水流場的擾動研究是對保水采煤理論的進(jìn)一步豐富與深化。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)某井田地貌類型主要為第四系風(fēng)積半固定沙丘和固定沙丘，地表普遍沉積有第四系風(fēng)積沙及薩拉烏蘇組沙層，新近系上新統(tǒng)保德組紅土在井田內(nèi)有零散出露。主要可采煤層有2-2,3-1,4-2和5-2煤層。地層由老至新依次有:三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)，第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)和第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)。

第四系薩拉烏蘇組在井田內(nèi)地勢相對低洼處分布較厚，多被風(fēng)積沙掩蓋，并與其構(gòu)成同一含水層，極易接受大氣降水補給。匯水面積大，補給條件好，下伏一般又有隔水的離石組黃土和保德組紅土分布，故地下水賦存條件較好。根據(jù)井田水文地質(zhì)條件分析，薩拉烏蘇組含水層厚度呈對稱式分布在井田內(nèi)分水嶺的兩側(cè)(圖1)。

薩拉烏蘇組生態(tài)潛水水位埋深小于3 m，水位年變幅1.0～1.5 m，根據(jù)井田內(nèi)勘探資料及長觀孔資料，分水嶺以東，生態(tài)潛水總體向東南方向徑流，分水嶺以西，生態(tài)潛水總體向西北方向徑流(圖2)，根據(jù)井田內(nèi)抽水試驗資料，薩拉烏蘇組含水層單位涌水量0.116～1.2 L/(s·m)，富水性中等到強。

圖1 生態(tài)潛水含水層厚度等值線Fig.1 Quaternary contour map of thickness of loose aquifer

圖2 井田內(nèi)“生態(tài)潛水”原始水位分布Fig.2 Distribution of the original water level of Eco-phreatic in the mine field

井田北部邊角處存在一面積為14.32 km2自然保護(hù)區(qū)，其壓覆煤炭資源31 146萬t;井田東部6 km處存在一處水源保護(hù)區(qū)。針對煤炭的高強度開采對相鄰區(qū)域薩拉烏蘇組生態(tài)潛水流場產(chǎn)生的擾動影響及其程度，煤炭開采與生態(tài)環(huán)境是否和諧共處是本文研究的重點。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

研究區(qū)某井田內(nèi)主要的含水層包括上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水(生態(tài)潛水)含水層、風(fēng)化基巖裂隙承壓水含水層、侏羅系中統(tǒng)安定組和直羅組基巖裂隙承壓水含水層以及侏羅系中統(tǒng)延安組裂隙承壓含水層。本次研究的主要對象薩拉烏蘇組孔隙潛水(生態(tài)潛水)含水層，是以湖相堆積為主，沉積物以粉細(xì)砂、中粗砂夾亞黏土為主，地層整體結(jié)構(gòu)疏松、空隙大，其滲透性較好，賦水條件優(yōu)越。

根據(jù)煤層上覆的松散含水層、隔水層、基巖空間分布及其組合形態(tài)等特征分類，按王雙明等劃分的5種煤層工程地質(zhì)巖組組合類型[13]，研究區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)以砂土基型和砂基型兩類為主，覆巖巖性及其組合關(guān)系決定了受采動影響的裂隙發(fā)育特征，區(qū)內(nèi)含(隔)水層及其空間結(jié)構(gòu)組合特征如圖3所示。

圖3 含(隔)水層與煤層空間組合示意Fig.3 Combination diagram of water layer and coal seam space

3 覆巖采動裂隙發(fā)育規(guī)律

研究區(qū)煤層上覆基巖多為砂巖、粉砂巖和泥巖互層。粉砂巖和泥巖呈層狀結(jié)構(gòu)，水平層理發(fā)育，煤層頂板和底板亦發(fā)育有小型交錯層理、節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面。泥巖所含黏土礦物親水性強，黏塑性泥巖、砂質(zhì)泥巖在采后雖容易產(chǎn)生垮落，但垮落帶發(fā)育高度較小，導(dǎo)水性也較差;按照巖石物理力學(xué)特征，包括極軟巖類、軟巖、中硬巖石、硬巖4類。研究區(qū)主要以中硬巖、軟巖為主要巖性組合，其中，研究區(qū)內(nèi)最為典型的組合為:硬-軟-硬、硬-硬-軟組合。

對于保水采煤而言，覆巖采動裂隙的發(fā)育高度是判斷保水采煤方法的決定性影響因素。

實現(xiàn)保水采煤的核心是要準(zhǔn)確預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度[30]，對采動覆巖的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究方法，主要包括理論分析、經(jīng)驗公式法、物理模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測。

根據(jù)研究區(qū)某井田綜合地質(zhì)條件建立模型，模擬地質(zhì)體長×寬:700 m×500 m。整個模型由10層煤巖層組成，從煤層到地表松散覆蓋層共有9層巖層，其中薩拉烏蘇組為主要含水層，隔水性能最好的是保德組亞黏土層，此層是整個保水開采的關(guān)鍵隔水層。根據(jù)區(qū)內(nèi)覆巖結(jié)構(gòu)、煤層厚度、煤層埋深、工作面長度及關(guān)鍵層與煤層距離等構(gòu)建了7種模型，基于數(shù)值模擬、物理模擬和相鄰礦井現(xiàn)場實測，獲得了研究區(qū)煤層在不同開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的具體值(表1)。

表1 導(dǎo)水裂隙帶研究結(jié)果Table 1 List of results of development height of water fractured zone

以數(shù)值模擬中模型2和相似材料模擬中模型6為例進(jìn)行詳細(xì)分析，數(shù)值模擬中模型2利用RFPA軟件根據(jù)表1中的參數(shù)建立相應(yīng)模型，進(jìn)行覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測。模擬煤層開采后從彈性模量圖中可以判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的趨勢，模型二開挖前后巖層破壞特征如圖4所示。采掘到50 m時，頂板出現(xiàn)離層垮落，上覆巖層中開始形成導(dǎo)水裂隙，裂隙高度為30 m;采掘至100 m時，頂板垮落帶高度逐步增加，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到60 m;至200 m，裂隙繼續(xù)向上發(fā)育，高度達(dá)到150 m;當(dāng)工作面推進(jìn)至300 m，裂隙基本不發(fā)育，高度基本穩(wěn)定在200 m左右，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)為箱形。模型6采動破壞前后的結(jié)果如圖4所示，開挖初期，頂板出現(xiàn)細(xì)微離層，采掘至60 m時，離層現(xiàn)象發(fā)育明顯，直接頂垮落，出現(xiàn)初次來壓;至200 m以后垮落帶高度穩(wěn)定在35 m左右，裂隙繼續(xù)向上擴(kuò)展;采掘至320 m，裂隙帶發(fā)育高度穩(wěn)定在210 m左右，兩側(cè)垮落高度、裂隙帶發(fā)育基本一致。根據(jù)數(shù)值模擬、相似材料模擬和實測的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度[31]，在硬-硬-軟覆巖結(jié)構(gòu)條件下的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)呈現(xiàn)出拱形或拱-箱型。

圖4 模型2，6各開挖前后的模型破壞Fig.4 Model 2,6 failure diagram before and after each excavation

導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度受影響的因素較多，單一條件不同引起的高度發(fā)育值存在較大的差異，從整個陜北能源基地保水采煤、頂板水害防治全局出發(fā)，以數(shù)值模擬獲得的最大裂采比為研究區(qū)導(dǎo)水裂隙帶最終發(fā)育高度，即研究區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為采厚的28.1倍。

4 煤炭開采對水資源-生態(tài)環(huán)境的影響

煤層開采所引發(fā)水資源量、水源地保護(hù)和生態(tài)環(huán)境問題是含水系統(tǒng)對外部激勵不同程度的響應(yīng)，是一個相互作用、相互制約的時空有機(jī)整體。采用地下水三維可視化數(shù)值模擬軟件Visual Modflow 對研究區(qū)的含水系統(tǒng)進(jìn)行模擬預(yù)測，以揭示煤炭資源開發(fā)對相鄰區(qū)域生態(tài)潛水流場的擾動。

4.1 水文地質(zhì)概念模型

平面上，將模型建模范圍外擴(kuò)到水源地的位置(圖5);垂向上，依據(jù)實際地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，將模型概劃為3層，第1層為地表到薩拉烏蘇組(Q3s)底板的地層，主要為生態(tài)潛水含水層;第2層為保德組(N2b)和安定組(J2a)地層，為隔水層;第3層為2-2煤頂板地層，主要含水層為2-2煤頂板含水層(圖6)。模型涉及面積約1 240 km2，其中井田面積約220 km2，平面上將模型剖分為100×100的網(wǎng)格，每個單元格的面積約為0.252 km2。模型范圍以內(nèi)設(shè)置為活動單元格，模型范圍以外為不活動單元格。在計算過程中對局部重點區(qū)域進(jìn)行加密處理。

圖5 數(shù)值模型平面圖Fig.5 Plan of numerical model

圖6 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Three-dimensional geological structure model

模型的頂板設(shè)置為補給和蒸散條件，底板為2-2煤層，設(shè)置為隔水邊界。由于模型邊界無自然水文地質(zhì)邊界，均為人為劃定邊界，各含水層的邊界條件地下水流場給定為一般水頭邊界和隔水邊界。

通過對所建立的模型進(jìn)行識別、驗證，確保校正后的模型能夠再現(xiàn)所研究的實際地質(zhì)體。其中，模型的識別采用抽水試驗數(shù)據(jù)，采用識別后的模型對已知水位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

4.2 煤層開采對生態(tài)潛水含水層流場的擾動

依據(jù)煤層厚度和裂采比計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，以導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度頂界面為界將煤層頂板含水層劃分為2層，上層為未被導(dǎo)水裂隙帶破壞的含水層，水文地質(zhì)參數(shù)采用識別驗證后的參數(shù);下層為被導(dǎo)水裂隙帶破壞的含水層。當(dāng)裂采比為28.1倍煤厚時，依據(jù)通過計算2-2煤層開采所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度，將模型中2-2煤頂板含水層被導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通區(qū)域的垂向滲透系數(shù)設(shè)置為天然狀態(tài)下的10倍，水平方向上的滲透系數(shù)不變。

通過模擬井田2-2煤層開采，對研究區(qū)相應(yīng)開采地段進(jìn)行水位疏降，由疏降后生態(tài)潛水含水層地下水流場圖可知(圖7)，在保德組隔水層缺失地段生態(tài)潛水含水層局部范圍內(nèi)被疏干，大部分范圍內(nèi)出現(xiàn)了水位降落漏斗，降深為1～10 m，最大降深集中在天窗附近，其他區(qū)域地下水流場變化不大，降深范圍小于2 m(圖8)。

圖7 疏降后生態(tài)潛水含水層流場Fig.7 Flow field of quaternary aquifer after mining

圖8 疏降后生態(tài)潛水水位降深Fig.8 Depth chart of the quaternary groundwater level after minning

4.3 煤層開采對水源地的影響

從流域上分析，井田中部的分水嶺不僅是生態(tài)潛水含水層的分水嶺，在一定程度上也控制了2-2煤頂板含水層的流場;研究區(qū)南部開采地段東部位于甲河流域，西部位于乙河流域;研究區(qū)北部開采地段整體位于乙河流域。因此，北部的開采地段不會跨流域?qū)λ吹卦斐捎绊?，僅南部開采地段會對水源地存在一定的影響。

2-2煤層開采在保德組隔水層缺失的“天窗”附近對生態(tài)潛水含水層造成一定程度的影響，預(yù)測生態(tài)潛水水位最大降幅達(dá)到10 m，且“天窗”位于地表分水嶺以東，甲河流域的補給區(qū)，因此，下伏含水層通過“天窗”的補給量會減少。

建議在“天窗”區(qū)域開采時必須采取相應(yīng)的保水采煤技術(shù)，采用特殊的開采技術(shù)與工藝，確保水源地的安全。

4.4 煤層開采對自然保護(hù)區(qū)的影響

該自然保護(hù)區(qū)是陜西省重點植物保護(hù)區(qū)，近年來，區(qū)內(nèi)植物的發(fā)育速度較快，分布面積不斷擴(kuò)大，自然環(huán)境得到了很好的改善。

通過模擬分析可知，煤炭資源開采后在井田北部邊角處生態(tài)潛水水位局部下降約2 m。王雙明、范立民、馬雄德等[12,15,32]研究了沙柳、沙蒿、小葉楊、汗柳等4種典型物種對沙漠地下水埋深的敏感性，觀測了沙柳對地下水的依賴性，發(fā)現(xiàn)水位埋深大于215 cm后，地下水不再給沙柳發(fā)育提供水源。而柏樹等樹木雖適應(yīng)性強、耐干旱，但目前關(guān)于樹木生長對地下水的依賴性，以及與生態(tài)潛水水位埋深關(guān)系的研究較少，應(yīng)作為下一步的研究重點。

5 結(jié) 論

(1)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的控制因素較多，不同地質(zhì)條件、開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度差異較大，從整個陜北能源基地保水采煤以及頂板水害防治全局出發(fā)，提出研究區(qū)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為采厚的28.1倍。

(2)研究區(qū)北部開采地段不會跨流域?qū)χ苓吷鷳B(tài)保護(hù)區(qū)造成影響，僅在東南部保德組隔水層缺失的“天窗”附近對生態(tài)保護(hù)區(qū)造成影響;模擬結(jié)果表明，在高強度開采條件下，生態(tài)潛水漏失區(qū)地下水位將下降10 m左右。

(3)生態(tài)水位漏失區(qū)保水采煤技術(shù)、生態(tài)潛水監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建、生態(tài)潛水局部下降區(qū)生態(tài)影響及閾值確定等是區(qū)內(nèi)未來研究重點。