干旱礦區(qū)采動頂板導水裂隙的演化規(guī)律及保水采煤意義

徐智敏,孫亞軍，高 尚，張成行，畢 煜，陳忠勝，吳江峰

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116; 2.徐州礦務集團公司，江蘇 徐州 221006)

隨著我國東部礦區(qū)可采煤炭資源的逐漸枯竭,煤炭資源開發(fā)的重心已經(jīng)轉移至西部。近年來,我國西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量所占全國總產(chǎn)量的比重也逐年上升，約占全國總產(chǎn)量的60%[1]。另據(jù)統(tǒng)計，我國目前西部地區(qū)已探明的煤炭資源達10 628億t，約占全國已探明儲量的81%[2]?？傮w上,我國西部礦區(qū)屬干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，使得該區(qū)煤炭資源的高強度開發(fā)面臨嚴峻考驗。長期實踐表明，與東部礦區(qū)水害嚴重、以防治水為主不同,西部礦區(qū)總體上干旱缺水，應以保水采煤為主、保護生態(tài)環(huán)境為重點[2]。

針對上述西部礦區(qū)富煤、缺水的現(xiàn)狀，范立民等在20世紀90年代初提出了“保水采煤”的觀點，即通過控制開采范圍及選擇合適的采煤方法來達到保護水資源的目的[3-7]。近年來,針對我國西部干旱半干旱礦區(qū)的保水采煤問題，我國廣大學者開展了大量的針對性研究，并取得了豐碩成果。國內(nèi)研究學者基于保水采煤目標，在神東礦區(qū)、榆神府礦區(qū)做了大量的基礎工作，奠定了保水采煤的理論基礎[3-9]。理論與實踐表明，保水采煤需要在一定的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下開展，其基礎研究涉及礦井水文地質(zhì)及水害防治等領域，包括煤層與含(隔)水層空間關系、煤層覆巖結構類型[2,10-11]?？梢?，特定的含隔水結構是保水采煤的前提，決定了保水采煤的成功與否。目前，國內(nèi)學者關于保水采煤的基礎研究及實踐主要集中于陜北淺埋煤層，隨著近年來我國煤炭開采重心的西移，以新疆哈密煤炭基地為代表的生態(tài)脆弱地區(qū)煤炭資源的綠色開采亦成為亟待解決的研究課題[2]。

在保水采煤方案的決策中，煤層開采后導水裂隙的發(fā)育是否會波及到上覆含水層是保水采煤研究的關鍵性問題，這與通常開展的頂板水害防治工作的核心問題相同。目前，針對我國西部干旱半干旱礦區(qū)的侏羅-白堊系弱膠結軟巖地層導水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律研究極為不足，實測成果也極為有限，不同地區(qū)、不同方法實測結果差異極大，尚未形成普遍的規(guī)律性認識。通常情況下，研究導水裂縫帶發(fā)育高度的方法主要包括經(jīng)驗公式計算、現(xiàn)場實測、物理模擬、數(shù)值模擬等[12-16]。劉天泉院士等[15]總結了大量的煤礦實測資料，得到“兩帶”發(fā)育高度經(jīng)驗公式。高延法等在統(tǒng)計東部礦區(qū)大量綜采條件下導高發(fā)育規(guī)律的基礎上，總結了綜采放頂煤條件下的導高發(fā)育規(guī)律。隨著近年來西部煤炭資源開采強度和規(guī)模的擴大，揭露資料顯示由于西部地區(qū)成煤時代及自然地理環(huán)境的控制，該區(qū)含煤地層具有形成時代晚、成巖程度差等顯著特征，與東部石炭—二疊系含煤地層相比有著非常顯著的差異，使得其采動形成導水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律與東部不盡相同[17-22]。目前，相關學者對西部導水裂縫帶的研究主要集中在陜北、內(nèi)蒙等地，對于新疆地區(qū)的研究極少[2,21-22]。由于西部地區(qū)含煤巖層弱膠結特性，導高發(fā)育規(guī)律必將更為復雜。由于煤層采動影響，導水裂隙發(fā)育過程中波及到的水體或含水層滲流到導水通道，在此過程中，伴隨著新裂隙的不斷產(chǎn)生，原有采動裂隙又發(fā)生一系列的演化[23-24]，地下水流在裂隙的運移過程中勢必引起周圍巖體尤其是軟弱巖的遇水膨脹，同時受到采動礦壓等因素的影響，使得裂隙的演化過程極為復雜。

因此，筆者以新疆哈密煤田大南湖五號井為例，采用相似材料模擬、數(shù)值模擬等手段，并結合鄰礦導高現(xiàn)場實測資料，對該研究區(qū)含煤地層采動過程中的導水裂縫帶的發(fā)育、演化過程進行深入分析，對其發(fā)育高度進行定量評價;同時，對采動后頂板特殊水文地質(zhì)結構條件下由于圍巖滲流場演化而產(chǎn)生的水文地質(zhì)效應進行分析;以此為基礎，對該區(qū)極度干旱缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱條件下的保水采煤意義進行綜合評價。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

在目前新疆規(guī)劃建設的四大煤炭基地中，位于吐哈盆地的哈密煤炭基地是新疆能源開發(fā)的重點。位于哈密煤炭基地的大南湖礦區(qū)目前已探明煤炭資源儲量達744億t，其中在建礦井13座，千萬噸級的礦井就達6座。大南湖礦區(qū)位于新疆哈密市西南南湖鄉(xiāng)境內(nèi)，地處大南湖坳陷區(qū)(圖1)，屬干涸的山間盆地。區(qū)內(nèi)氣候極度干燥，無地表徑流及水體，地貌類型以低山丘陵及風蝕地貌為主。區(qū)內(nèi)平均年降雨量為50 mm，年蒸發(fā)量超過3 300 mm，極度干旱缺水，區(qū)域內(nèi)深層地下水主要依靠天山融雪水遠程深滲透補給。

大南湖五號井目前僅開采1801工作面，其主采煤煤層位于侏羅系西山窯組，上覆巖層主要為砂質(zhì)泥巖，粉砂巖和含礫粗砂巖，如圖2所示。根據(jù)前期研究成果[2,17]，該地層由于還具有整體膠結程度較差、高孔隙度、強度低等特征，這使得其采動導水裂隙的發(fā)育規(guī)律極為復雜，有別于東部石炭—二疊系含煤地層的特征。

圖2 18煤頂板水文地質(zhì)結構示意Fig.2 Sectional structure of No.18 coal seam

研究區(qū)主采煤層18煤平均采厚3 m，其直接充水含水層Ⅲ-1下段含水層富水性總體較弱，滲透系數(shù)為0.88 m/d;16煤附近隔水段的厚度平均為27.94 m;Ⅲ-1上段含水層富水性較強，滲透系數(shù)為4.33 m/d。16煤隔水層的存在為阻隔18煤采動形成的導水裂縫帶的進一步向上發(fā)育、甚至波及到Ⅲ-1上段強富水段含水層提供可能。

同時，在大南湖礦區(qū)各礦勘探及建設期間，揭露部分區(qū)域深層地下含水層水量豐富，如大南湖五號井礦井涌水量最大達3 000 m3/h以上，大南湖十號井煤系充水含水層單位涌水量甚至達到17 L/(s·m)，滲透系數(shù)超過10 m/d。另經(jīng)水質(zhì)分析，研究區(qū)地下水礦化度普遍達15 000 mg/L以上，可利用程度較差。一方面，大南湖礦區(qū)地下含水層水量豐富;另一方面，大南湖礦區(qū)生態(tài)環(huán)境極其脆弱，地表嚴重干旱缺水，礦區(qū)內(nèi)各煤礦坑口電廠、其他工業(yè)及生活用水又需要長距離運輸至此，成本高達8～9元/t。在各種矛盾的集中下，針對該生態(tài)脆弱區(qū)周圍約100 km范圍內(nèi)唯一可能和潛在的水資源，結合目前較為成熟的高礦化度水處理技術及其技術經(jīng)濟可行性，在礦區(qū)開展保水采煤可行性以及受保地下水的開發(fā)利用等方面的研究勢在必行。

2 相似材料模擬

本次模擬以大南湖五號井1801首采工作面為背景，采用實驗室相似材料模擬工作面推進過程中上覆巖層垮落、破斷和裂隙發(fā)育過程，揭示西部侏羅系含煤地層采動過程中的導水裂縫帶的發(fā)育、演化規(guī)律，為分析采動裂隙的發(fā)育及演化過程對頂板主要含水層的影響，并結合其產(chǎn)生的一系列水文地質(zhì)效應，為評價其保水采煤的意義提供依據(jù)。

2.1 相似材料模型構建

試驗采用中國礦業(yè)大學地質(zhì)力學模型(3 m×0.3 m×2 m)支架，確定試驗的幾何相似比(模型:原型)為1∶100，設計模型鋪設(長×寬×高)為3 m×0.3 m×1.05 m，頂板施加外力載荷進行補償(圖3);根據(jù)相似原理，強度相似比為3/500。根據(jù)巖石力學參數(shù)及強度相似比計算模型強度，根據(jù)配比表選用河沙作為骨料，石膏、石灰和膨潤土作為膠結物(表1)。

2.2 模擬開采結果分析

從模型左側75 cm處開切眼，依次向右推進。記錄采空區(qū)覆巖破壞階段不同運動特征。根據(jù)圖4及開采過程觀測結果分析，可以將1801工作面導水裂縫帶發(fā)育及演化過程分為4個階段:

圖3 相似模擬實驗全景Fig.3 Similar simulation experiment panorama

(1)初次垮落前(0～25 m)。隨著工作面向前推進，采空區(qū)頂板揭露面積不斷增加，直接頂沒有垮落，但是巖層出現(xiàn)彎曲，層間出現(xiàn)裂隙等現(xiàn)象，直至推進25 m時初次垮落。

(2)垮落帶發(fā)育階段(25～70 m)。隨著工作面持續(xù)推進，煤層直接頂隨著工作面推進也隨之垮落，但垮落高度的增加較為緩慢，垮落帶發(fā)育到10 m時停止向上延伸，而采動裂隙迅速破壞厚層粉砂巖，高度發(fā)育到Ⅲ-1下段含水層底界。

(3)導水裂縫帶快速發(fā)育階段(70～110 m):在這一階段垮落帶停止向上發(fā)育，導水裂縫帶發(fā)育高度由15 m迅速發(fā)展到46 m，貫通整個Ⅲ-1下段含水層，但是在導裂帶迅速發(fā)展的同時，裂隙帶的部分裂隙受到上部巖層彎曲擠壓與垮落帶破碎巖層支撐，出現(xiàn)裂隙閉合的現(xiàn)象。

表1 工程地質(zhì)層組及物理模型參數(shù)Table 1 Engineering geological rock group and physical model parameters

圖4 工作面推進不同距離時覆巖采動破壞分布Fig.4 Distribution of water flowing fractured zone at different distance of advanced distance in panel

(4)導水裂縫帶穩(wěn)定階段(110～150 m):隨著工作面開采推進，導水裂縫帶高度基本穩(wěn)定在46 m，并進入16煤隔水段底部約1 m，貫穿了整個Ⅲ-1下段含水層。而整個導水裂縫帶的發(fā)育形態(tài)趨于穩(wěn)定，由于研究區(qū)侏羅系含煤地層物理力學強度低、膠結程度差，煤層采出后，上覆巖層難以在采空區(qū)前后方形成大范圍支撐，基本隨采隨冒，且上覆巖層在下伏巖層冒落后，破壞范圍和程度進一步減小，總體呈現(xiàn)為破壞范圍逐步向上縮小的“梯臺型”形態(tài)特征，這與東部成巖程度較好、強度較高的石炭二疊系含煤地層中“馬鞍型”形態(tài)特征有所不同。

通過對大南湖五號井1801工作面的相似材料模擬分析，發(fā)現(xiàn)導裂帶在破壞到Ⅲ-1下段含水層時迅速向上發(fā)育，同時由于在導裂帶發(fā)育上部存在一層厚度大、且以塑性變形為主的16煤隔水層，有效阻隔了導裂帶的延伸，使得最終導水裂縫帶的發(fā)育高度穩(wěn)定在16煤隔水層底端，導裂帶發(fā)育整體形態(tài)為“梯臺型”。最終導水裂縫帶發(fā)育高度穩(wěn)定在46 m左右，冒采比與裂采比分別為3.33和15.33。

3 數(shù)值模擬

相似材料試驗由于限于現(xiàn)有監(jiān)測、工作量等的限制，往往很難大范圍模擬工作面開采環(huán)境。而數(shù)值模擬可以全比例的模擬大范圍工作面的開采情況，常用的數(shù)值計算方法有有限元、邊界元和離散元等。目前，F(xiàn)LAC3D作為一種三維顯示有限差分程序，在煤層覆巖模擬中被廣泛運用。為了進一步研究大南湖五號井18煤工作面采動導水裂隙發(fā)育規(guī)律，采用FLAC3D建模的方法，模擬工作面開挖后導高發(fā)育與演化過程。

3.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)大南湖五號井工程地質(zhì)資料，結合模型要求，采用FLAC3D建立模型，在建立模型過程中，考慮到模型計算時邊界效應以及斜長方向上工作面間留設煤柱的尺寸，建立600 m×300 m的巖體模型，并讓擬開挖的工作面位于煤層中部。共建立了18層地層，模型頂部施加載荷，模擬地表沖積層(圖5)。

圖5 FLAC3D模型三維圖Fig.5 3D diagram of FLAC3D model

模型側面限制水平移動，總共有196 800個單元，208 413個節(jié)點，模型總共運行計算了94 822步。下表是模型建立考慮的幾個地層參數(shù)(表2)。

3.2 模型開挖結果分析

FLAC3D數(shù)值模擬的實際過程采用分步開挖實現(xiàn)，待模型達到上述平衡后，根據(jù)設計的模型開采步距進行開挖計算，以塑性破壞區(qū)作為判斷導水裂隙發(fā)育范圍的依據(jù)(圖6)。

隨著煤層開采，采空區(qū)不斷推進，煤層覆巖的塑性變形區(qū)緩慢向上發(fā)育。在開采前期(圖6(a),(b))，塑性破壞向上發(fā)育過程中由于開切眼及采動破壞的影響，采空區(qū)兩端覆巖破壞高度略高于中部;隨著工作面向右推進，工作面左側距離采動漸遠，而右端持續(xù)受到采動等因素影響，塑性破壞發(fā)育要比左側更加明顯(圖6(b),(c));在開采后期(圖6(c),(d))，隨著塑性破壞高度增加，采動影響因素逐漸減弱，基本停止向上發(fā)育，最終破壞高度穩(wěn)定在47 m。

表2 數(shù)值模型巖層力學參數(shù)Table 2 Rock mechanics parameters of numerical simulation

圖6 FLAC3D數(shù)值模擬塑性破壞Fig.6 Plastic failure diagram of FLAC3D numerical simulation

圖7 FLAC3D數(shù)值模擬塑性破壞最終形態(tài)Fig.7 FLAC3D numerical simulation of the final form of plastic failure

圖7為FLAC3D數(shù)值模擬塑性破壞最終破壞形態(tài)，自下而上塑性破壞由拉伸破壞逐漸轉變?yōu)榧羟衅茐?，采動破壞范圍自下向上逐漸減小，同樣呈現(xiàn)出“梯臺型”的空間形態(tài)。

根據(jù)數(shù)值模擬結果分析，在模擬采厚3 m情況下，導裂帶發(fā)育高度為47 m，破壞范圍達到16煤隔水層底界的位置，由于16隔水層阻隔，其抑制了塑性變形的發(fā)育高度與形態(tài)，最終形成了“梯臺型”的破壞特征，裂采比約為15.67。

總體上，數(shù)值模擬的采動導水裂隙發(fā)育與演化過程與相似材料模擬相結果十分接近，兩者間互為驗證。

4 現(xiàn)場實測資料分析

由于大南湖五號井首采工作面導高實測工作正在進行，因此，本文搜集了新疆地區(qū)相似開采與覆巖條件的礦井導水裂縫帶高度實測結果進行對比分析。通過調(diào)研，目前新疆地區(qū)針對侏羅系含煤地層條件下導高實測的僅有位于伊犁的沙吉海礦[21]和位于大南湖礦區(qū)的國神一礦[22]。其中，國神一礦與評價區(qū)在地理位置上相鄰，在地層及煤層開采條件上相似。本次調(diào)研統(tǒng)計結果見表3。

表3 實測結果的對比分析Table 3 Contrast with real test results

由表3可知，鄰礦及相似地層條件下采動裂隙實測結果裂采比分別在13.09～15.59倍，與本文模擬研究結果較為接近，證明本次模擬研究的導水裂隙帶發(fā)育高度較為可靠。同時，通過現(xiàn)行規(guī)程經(jīng)驗公式計算的結果僅為5～8倍，結合西部礦區(qū)侏羅系含煤地層的弱膠結特征，最終證實了東部石炭—二疊系礦區(qū)已有的經(jīng)驗公式不適用于西部。整體上，西部侏羅系含煤地層采動導水裂隙發(fā)育高度明顯大于經(jīng)驗公式計算值。

綜上，在研究區(qū)3 m采厚條件下，導高發(fā)育一般在47 m左右，結合主采煤層頂板含隔水層結構，Ⅲ-1下段含水層距離18煤平均僅22 m，因此，采動導水裂隙必將波及該含水層。但由于該含水層整體富水性較弱，且具有較好的可疏降性，因此，可在18煤工作面回采前對該段含水層進行預疏干處理，對工作面的安全回采影響不大。同時，模擬研究及實測對比分析結果還表明:由于16煤隔水段厚度大，一般在13.26～43.81 m，且破壞主要以塑性變形為主，進而有效阻隔了導水裂縫的進一步向上發(fā)育，抑制了導水裂縫帶的發(fā)育高度和范圍，有效防止了采動裂隙波及到Ⅲ-1上段強富水含水層。

根據(jù)課題組前期關于水文地質(zhì)結構的劃分標準[8]，研究區(qū)主采煤層頂板具有典型的“多含水結構下的高位隔水層”結構特征。在大南湖礦區(qū)極度干旱缺水，而Ⅲ-1上段含水層富水性強、靜儲量巨大，具有重要的水資源屬性，且煤層采動后不會被導水裂縫帶所波及，因此，具有重要的保水意義。

5 水文地質(zhì)效應

前已述及，研究區(qū)采厚3 m及特殊開采條件下，工作面采動形成的導水裂隙必將波及Ⅲ-1下段含水層。為了研究該區(qū)特定水文地質(zhì)結構條件下，采動裂隙形成、演化過程對頂板主要III-1上下段含水層的影響，以探討對頂板主要強富水的III-1上段含水層的保水意義，重點對研究區(qū)采動裂隙形成、演化過程產(chǎn)生的一系列水文地質(zhì)效應進行全面分析，探討采動裂隙范圍主要巖層的滲透性變化規(guī)律和影響范圍，并對滲透系數(shù)的演化過程進行分析和定量估算。

5.1 滲透性變化規(guī)律

根據(jù)相似材料模擬實驗結果，工作面開采期間由于采動裂隙破壞頂板局部含隔水層結構，由于巖層膠結程度差，且孔隙度較高，在采動導致圍巖經(jīng)歷失穩(wěn)到再穩(wěn)定的過程中，導致采動影響范圍內(nèi)的巖體結構發(fā)生一系列的變化。這期間，不僅產(chǎn)生新的裂隙，而且原有的裂隙同樣會擴展或閉合變化，并造成影響范圍內(nèi)巖層的孔隙率進一步發(fā)生變化，必然會對其滲透性產(chǎn)生影響。根據(jù)相似材料模擬研究發(fā)現(xiàn)，其整個發(fā)育、演化過程具有“穩(wěn)定—失穩(wěn)—穩(wěn)定”的周期性變化特點(圖8)。

圖8 覆巖周期性破壞規(guī)律Fig.8 Periodic failure law of overlying rock

由圖8可知，在一個采動周期內(nèi)，首先頂板巖層直接頂巖層隨開采而垮落，使得之上的基本頂被揭露，形成“懸臂梁”支撐(圖8(a))。隨著采動影響，“懸臂梁”斷裂，失穩(wěn)滑落，基本頂切落，上方巖層彎曲下沉，在邊緣形成新的離層裂隙，裂隙上開下閉，極易引起工作面突水等危害(圖8(b))。隨著工作面向前開采，失穩(wěn)巖層逐步形成新平衡，在這一過程中，采動破壞影響逐漸向上發(fā)展，使得上部離層裂隙空間增大，形成貫通導水裂隙，導水裂隙進一步升高(圖8(c))。最終，當巖層基本恢復穩(wěn)定后，擠壓之前貫通裂隙，導水裂隙閉合(圖8(d))。

圖9 覆巖采動滲透性變化機理Fig.9 Mechanism of permeability change of overburden mining

根據(jù)上述機理分析，隨著工作面推進，覆巖呈現(xiàn)3區(qū)交替向前推進，其中A區(qū)巖性完整，C區(qū)裂隙閉合，而B區(qū)巖性最為破碎，構成導水通道，受采動導水裂隙波及的含水層將以“滲漏”方式涌入工作面。因此，可以將B區(qū)概化為“大井”，該“大井”受采動周期影響，隨著工作面推進持續(xù)向前移動。

5.2 滲透系數(shù)的演化及估算

根據(jù)大南湖五號井1801工作面試采期間的實際涌水量與Ⅲ-1下段含水層水文長觀資料，利用地下水動力學中的“大井法”原理進行迭代反算，可以大致估算煤層頂板Ⅲ-1下段含水層采動后滲透系數(shù)的演化過程(圖10)。

圖10 Ⅲ-1下段含水層滲透系數(shù)變化Fig.10 Change of permeability coefficient of Ⅲ-1 aquifer

通過圖10分析并結合研究區(qū)主采煤層頂板采動過程導水裂隙的演化過程，分析認為，含水層的滲透性演化呈現(xiàn)出“3段”式特征(圖10中3段不同的滲透系數(shù)變化曲線):

(1)開采初期:在這一階段，工作面僅推進了78 m，推進距離較小，此時采動裂隙沒有發(fā)展到Ⅲ-1下段含水層，含水層弱膠結巖層受到涌水影響，內(nèi)部孔隙裂隙中的充填物不斷隨水流溶出，導致導水裂隙逐漸增大，滲透系數(shù)也逐漸由2.8 m/d增大到3.2 m/d。

(2)開采中期:工作面由78 m推進到421 m，含水層滲透系數(shù)在2.8～4.1 m/d變化。此時隨著工作面開采距離不斷增大，采動裂隙逐漸破壞到Ⅲ-1下段含水層，根據(jù)第5.1節(jié)覆巖采動機理，由于采動形成的“大井”直接導通含水層，“大井”內(nèi)巖層劇烈破壞，因此，滲透性系數(shù)由3.2 m/d突然增大到4.1 m/d，同時，受到覆巖周期性破壞的影響，概化的“大井”也隨著工作面推進周期性出現(xiàn)，巖層滲透性變化規(guī)律也與覆巖由“穩(wěn)定—失穩(wěn)—恢復穩(wěn)定”類似，即呈現(xiàn)波動變化的特征。

(3)開采末期:工作面僅由421 m推進到434 m，覆巖受到采動影響基本停止，根據(jù)覆巖變化機理，此時覆巖裂隙停止發(fā)育，由于弱膠結特性，導水裂隙受到上覆巖層擠壓及自重逐漸閉合，同時裂隙閉合穩(wěn)定與原巖的穩(wěn)定狀態(tài)相比，其滲透性仍明顯大于完整巖層，并在短期內(nèi)不會明顯變化，因此含水層滲透性減小到2.8 m/d并保持穩(wěn)定。

綜上，采動導水裂隙導通上覆含水層，形成導水通道，破壞了巖層結構、增加了含水層滲透性，同時受采動裂隙周期性變化，呈現(xiàn)“穩(wěn)定增加-波動變化-恢復穩(wěn)定”的特點。在此過程中，導高影響范圍內(nèi)III-1下段含水層的滲透系數(shù)也呈類似周期性變化，并較初始狀態(tài)的0.88 m/d有明顯的增大，一般為3～5倍，這必將對該含水層賦存的地下水造成極大的消耗和影響，不利于該層段含水層的保護。而對于影響范圍之外的III-1上段含水層強富水含水層，由于不受采動影響，結合研究區(qū)主采煤層頂板具有的“多含水結構下的高位隔水層”結構特征，研究區(qū)具備了保水的基本前提條件。

但需要說明的是，上述關于采動影響范圍內(nèi)III-1下段含水層滲透系數(shù)演化的分析僅是對工作面回采過程中實測涌水量-水位觀測數(shù)據(jù)進行的初步估算，且采用的“大井法”本身條件概化過于簡單，與現(xiàn)場復雜的地質(zhì)條件、開采條件等也存在較大的差異，尤其是當工作面在長期涌水條件下其水量大小受區(qū)域更大范圍邊界及水文地質(zhì)參數(shù)的影響更為明顯。因此，關于采動導水裂隙對含水層滲透性影響的定量評價還有待進一步深入研究，尤其是通過現(xiàn)場導水裂縫帶的抽水試驗加以證實，以獲取更可靠的參數(shù)依據(jù)。

6 保水采煤意義

針對研究區(qū)地表極度干旱、生態(tài)極為脆弱的特點，論證其開展保水采煤的可行性需從該區(qū)含隔水層結構、隔水層穩(wěn)定性、采動覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律等方面進行全面分析和評價。其中，特定的含隔水層結構是前提，覆巖導水裂縫的發(fā)育高度和范圍是確定受保護含水層的基礎，導水裂縫帶發(fā)育與演化決定了隔水層的穩(wěn)定性，而判別隔水層的穩(wěn)定性是保水采煤的基礎[8]，亦是頂板水害防治成功與否的關鍵。在此基礎上，進一步評價受保含水層的靜儲量及開發(fā)潛力，進而總體上評估在該區(qū)實施保水采煤的可行性。

6.1 保護層及其穩(wěn)定性

根據(jù)研究區(qū)18煤頂板含隔水層結構，研究區(qū)頂板保護層為16煤上下隔水段，其平均厚度為27.94 m。該層段主要為砂泥巖互層的相對隔水段，巖性以粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，鈣泥質(zhì)膠結，較致密，一般情況下，隔水性能良好。據(jù)鉆孔統(tǒng)計數(shù)據(jù)，首采區(qū)保護層厚度一般在13.26～43.81 m，等值線如圖11所示;18煤距該保護層一般在51～70.58 m，等值線如圖12所示。

圖11 首采區(qū)保護層厚度等值線Fig.11 Contour map of the thickness of protection seam in the first mining area

圖12 首采區(qū)18煤至保護層等厚線Fig.12 Contour map of the thickness between 18 coal seamand protection seam

由圖12可知，在研究區(qū)采厚3 m 條件下，導水裂縫帶發(fā)育高度在47 m左右，小于18煤與保護層的最小間距51 m，且該保護層的平均厚度達27.94 m。因此，煤層采動條件下導水裂縫帶發(fā)育不會波及到該保護層，該保護層的隔水性能將不受采動導水裂隙的影響。

可見，該保護層在煤層采動后，不僅可以作為隔水關鍵層保障礦井的安全，還可作為該礦實現(xiàn)保水采煤的重要保護層，保護該區(qū)珍貴的III-1上段豐富的地下水資源。

6.2 受保地下水資源量估算

根據(jù)上述分析，井田內(nèi)III-1上段含水層在煤層采動后不會被導水裂縫帶所波及，該含水層的地下水資源不會潰入井下形成水害，同時亦不會進入井巷被污染，或外排浪費。根據(jù)前期成果，研究區(qū)III-1上段含水層的孔隙度高達18.2%，且整個含水層處于承壓-飽水狀態(tài)，因此，可采用體積法對井田范圍內(nèi)III-1上段含水層的靜儲量進行初步估算。

已知大南湖五號井井田范圍內(nèi)III-1上段含水層厚度約為22 m，井田面積約為109.6 km2，結合上述該含水層的孔隙度便可估算該層段含水層的靜儲量，約4.39億m3，表明井田范圍內(nèi)III-1上段含水層地下水資源儲量極為豐富。

雖然該地下水礦化度高達15 000 mg/L以上，但針對該地區(qū)極度干旱、缺水的生態(tài)環(huán)境，以及該地下水作為該生態(tài)脆弱區(qū)周圍約100 km內(nèi)唯一可能水資源的現(xiàn)狀，并結合目前較為成熟的高礦化度水處理技術及其技術經(jīng)濟可行性，如此豐富的地下水仍具有水資源屬性及巨大的開發(fā)利用潛力。

綜上，在研究區(qū)進行保水采煤具有可行性，在研究區(qū)主采煤層頂板特殊含隔水層結構條件下，采動形成的導水裂隙形成及演化過程中不會對區(qū)域上具有豐富地下水儲量的含水層造成影響，寶貴的地下水資源可有效得到保護，同時也保護了研究區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境，對地下水資源進行開發(fā)利用也具有較高的經(jīng)濟和社會效益。

7 結 論

(1)以位于西部干旱地區(qū)的新疆哈密煤田的大南湖礦區(qū)為例，針對礦區(qū)侏羅系含煤地層物理力學強度低、膠結程度差、遇水崩解等特征，采用相似材料模擬、數(shù)值模擬等手段，研究了18煤頂板采動導水裂隙發(fā)育、演化規(guī)律，并通過與鄰礦實測數(shù)據(jù)對比，獲取了研究區(qū)特殊地層條件下的導水裂縫帶發(fā)育的裂采比一般在13.09～15.67倍，整體形態(tài)具有“梯臺型”特征。

(2)通過研究頂板采動導水裂隙產(chǎn)生的水文地質(zhì)效應顯示:采動影響范圍內(nèi)裂隙發(fā)育、演化以及滲透系數(shù)的演化均呈現(xiàn)“穩(wěn)定增加-波動變化-恢復穩(wěn)定”變化特征，導高影響范圍內(nèi)含水層的滲透系數(shù)明顯的增大，一般為3～5倍，這必將對該含水層賦存的地下水造成極大的消耗和影響，不利于該層段含水層的保護。而對于影響范圍之外的含水層不受采動影響。研究表明:研究區(qū)主采煤層頂板具有的“多含水結構下的高位隔水層”結構特征，具備了保水的基本水文地質(zhì)前提條件。

(3)針對研究區(qū)極度干旱缺水、生態(tài)脆弱的特征，結合主采煤層頂板導高發(fā)育高度、裂隙發(fā)育及演化規(guī)律以及主采煤層頂板的“高位隔水層”結構特征，對保護層的穩(wěn)定性、III-1上段含水層的靜儲量、開發(fā)潛力以及在研究區(qū)進行保水采煤的可行性等進行了綜合評價，提出了干旱礦區(qū)水資源保護性開采的技術思路，為指導作為新疆四大煤炭基地之一的吐哈煤田煤炭資源的綠色開采提供借鑒。