毛烏素沙漠區(qū)廣域適應(yīng)型保水安全厚度計(jì)算及開(kāi)采影響分區(qū)評(píng)價(jià)

賀曉浪，夏玉成，丁 湘，孫學(xué)陽(yáng)

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

作為我國(guó)重要的煤炭基地，西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，尤其是毛烏素沙漠區(qū)內(nèi)煤炭資源開(kāi)采與水資源保護(hù)間的矛盾問(wèn)題日益突出。自1992年范立民等提出保水采煤的觀點(diǎn)[1]以來(lái)，對(duì)毛烏素沙漠區(qū)內(nèi)支撐區(qū)域生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)和生活的含水層本身以及開(kāi)采活動(dòng)對(duì)其影響的分析逐步有了深入的研究。而確定“上覆巖(土)層多厚才能達(dá)到保水開(kāi)采的目標(biāo)”是保水開(kāi)采地質(zhì)條件研究的核心內(nèi)容[2]，也是保水開(kāi)采研究的先決條件。按照該厚度值計(jì)算的核心思路是否明顯區(qū)別含隔水層特征，可將當(dāng)前評(píng)價(jià)方法總結(jié)為以下兩種類(lèi)型:第1類(lèi)未考慮含、隔水層間的水文地質(zhì)特征差異。由于保水采煤與煤礦水害防治有較大的共通之處:都是防止地下水大量轉(zhuǎn)移至礦井。因而部分有關(guān)保水安全厚度值方面研究直接引用了《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)范》(下稱《規(guī)范》)里關(guān)于“防水安全煤巖柱的設(shè)計(jì)及留設(shè)”中垂高(Hsh)的計(jì)算[3]，從而僅將煤層上覆巖層作為普通的地質(zhì)層來(lái)對(duì)待，未考慮含隔水層間的水文特征差異所造成的厚度值的不同，針對(duì)煤層上覆巖層高度做了無(wú)差別的計(jì)算[4]。王雙明等提出了保水開(kāi)采的分區(qū)方法[5]和“生態(tài)水位保護(hù)”[6-7];黃慶享等針對(duì)榆神府礦區(qū)的隔水層的穩(wěn)定性和裂隙發(fā)育規(guī)律做了進(jìn)一步的深入研究[8-9]，侯忠杰等通過(guò)相似模擬和數(shù)值模擬計(jì)算了砂土基淺埋煤層的保水煤柱高度[10]。第2類(lèi)考慮了含隔水層性質(zhì)差異性，重點(diǎn)圍繞黏土隔水層的隔水性質(zhì)開(kāi)展:李文平[11]、李濤[12]、張東升[13]等分析了采動(dòng)破裂前后及其采后隔水性能變化特征，常金源等提出了土層剩余厚度40 m的有效保水閾值[14-15]。夏玉成等研究了生態(tài)潛水對(duì)煤層開(kāi)采的響應(yīng)及優(yōu)化調(diào)控問(wèn)題[16-17]，繆協(xié)興等將“關(guān)鍵隔水層理論”引入到了保水采煤當(dāng)中[18]，范立民從系統(tǒng)論角度提出了保水采煤的概念和科學(xué)內(nèi)涵，并構(gòu)建了完整的保水采煤研究基本框架[19-20]。

但2類(lèi)方法都存在不足:第1類(lèi)直接援用了《規(guī)范》中“防水安全煤柱”計(jì)算公式來(lái)確定保水開(kāi)采厚度，忽視了要達(dá)到保水開(kāi)采，對(duì)于上覆巖層的隔水性能要求要明顯不同于礦井水害防治，將兩者同等看待不具備科學(xué)性;第2類(lèi)方法雖區(qū)分了保水開(kāi)采與礦井水害防治，但多以關(guān)鍵隔水層厚度為指標(biāo)來(lái)確定有效保水閾值，并不適用于黏土隔水層厚度本就不足甚至缺失的地質(zhì)條件(砂-基型開(kāi)采區(qū)、砂-土-洛-基型和燒變巖型)。由此導(dǎo)致了“上覆巖層多厚才能達(dá)到保水開(kāi)采”的相關(guān)計(jì)算缺乏有效、統(tǒng)一的、可廣泛適用的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐，尤其隔水土層“天窗”(砂-基型)、燒變巖和洛河組含水層以及風(fēng)化基巖的發(fā)育，進(jìn)一步讓問(wèn)題的研究復(fù)雜化，使得保水開(kāi)采的分析、評(píng)價(jià)和應(yīng)用受到較大限制，也顯示出對(duì)于能夠適應(yīng)各類(lèi)地質(zhì)條件的保水安全厚度的計(jì)算模型亟待研究。

筆者針對(duì)以上存在的問(wèn)題，通過(guò)分析毛烏素沙漠區(qū)內(nèi)含隔水層在垂向和平面上的展布特征、水文地質(zhì)性質(zhì)，結(jié)合保水開(kāi)采區(qū)內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)的工程地質(zhì)條件和開(kāi)采方法，探討了保水安全厚度的定義，建立了具有廣域適應(yīng)性的保水安全厚度計(jì)算模型，并以榆神礦區(qū)小保當(dāng)煤礦為例，應(yīng)用建立的統(tǒng)一模型確定了小保當(dāng)井田內(nèi)砂-基型和砂-土-基型開(kāi)采區(qū)內(nèi)的保水安全厚度，評(píng)價(jià)了煤層開(kāi)采對(duì)薩拉烏蘇組含水層的影響，最終希望通過(guò)筆者的研究可以有助于建立適用于整個(gè)毛烏素沙漠區(qū)的保水安全厚度計(jì)算模型及開(kāi)采對(duì)目標(biāo)保護(hù)含水層影響分區(qū)方法，并為毛烏素沙漠區(qū)實(shí)施保水開(kāi)采起到指導(dǎo)作用。

1 保水安全厚度計(jì)算及開(kāi)采影響評(píng)價(jià)方法

1.1 毛烏素沙漠區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1.1 含隔水層垂向組合特征

從垂向來(lái)看，組成榆神礦區(qū)煤層覆巖的含、隔水層自上而下依次為(圖1):① 砂層含水層，由薩拉烏蘇組與全新統(tǒng)風(fēng)積沙組成;② 黏土隔水層，以離石組黃土和保德組紅土(又稱三趾馬紅土)為主[21];③ 基巖層，包含了安定組、直羅組和延安組基巖層;④ 燒變巖，由于煤層自燃使得上覆圍巖受到烘烤、火燒形成的一類(lèi)特殊巖石，也具有富水特征[22-23]?？傮w表現(xiàn)為:煤水共生，水上煤下，基巖厚，砂土薄[24]。

圖1 榆神礦區(qū)典型剖面示意(據(jù)范立民等[24]有修改)Fig.1 Typical profile diagram of Yushen mining area(Fan Liming[24],have modifications)

1.1.2 含隔水層組合平面展布特征

根據(jù)李文平[25]和鄧念東[26]等的研究，榆神礦區(qū)內(nèi)的保水開(kāi)采地質(zhì)條件可以概化為4類(lèi)(圖2):① 沙-土-洛-基型開(kāi)采區(qū)(Ⅰ):砂層、黏土隔水層、洛河組和基巖層皆有分布的區(qū)域，其中洛河組位于黏土隔水層之下，基巖之上;② 沙-土-基型開(kāi)采區(qū)(Ⅱ):砂層、黏土隔水層和基巖層賦存區(qū)域;③ 沙-基型開(kāi)采區(qū)(Ⅲ):僅賦存有砂層含水層和基巖層;④ 無(wú)水開(kāi)采區(qū)(Ⅳ):沒(méi)有目標(biāo)保護(hù)含水層區(qū)域;⑤ 燒變巖型開(kāi)采區(qū)(Ⅴ):燒變巖區(qū)由 2-2,3-1煤層自燃形成，雖垂向高度有異，但其與洛河組含水層在整個(gè)空間系統(tǒng)中的位置相似，都處在煤層、基巖之上，而黏土隔水層之下，因此在后續(xù)計(jì)算中將燒變巖開(kāi)采區(qū)概化到第1種類(lèi)型當(dāng)中，而不再單獨(dú)闡述。

圖2 榆神礦區(qū)保水開(kāi)采工程地質(zhì)條件分區(qū)(據(jù)鄧念東等[26]，有改動(dòng))Fig.2 Zone chart of Yushen mining area’s geological condit-ions of protected water resources during coal mining action

1.2 廣域適應(yīng)型保水安全厚度計(jì)算方法

當(dāng)前對(duì)于保水安全厚度尚未形成統(tǒng)一的定義，為了清晰表達(dá)保水安全厚度所代表的意義，提出保水安全厚度(HP)的具體概念。將保水安全厚度定義為:在采動(dòng)條件下，能使具有供水意義或生態(tài)價(jià)值的含水層(巖組)水量穩(wěn)定，或水位變化在合理范圍[19,27]內(nèi)所需要的開(kāi)采煤層到含水層之間地層的最小厚度。其中開(kāi)采煤層與含水層之間的地層，可以全部是基巖層(洛河組含水層、燒變巖含水層之下)，也可以由基巖層和土層共同組成(薩拉烏蘇組含水層之下)。

要建立具有廣域適應(yīng)型的保水安全厚度計(jì)算模型，則首先要開(kāi)展2方面的研究:① 以保水安全為基本要求，建立能夠包含所有不同的地質(zhì)條件的數(shù)學(xué)分類(lèi)方法;② 以黏土隔水層和基巖層的保水性能為基礎(chǔ)，進(jìn)行兩者間的對(duì)比、換算，以使得基巖層與黏土隔水層能形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的保水整體。對(duì)于第1個(gè)問(wèn)題，筆者綜合常金源和李濤等的研究，以黏土隔水層達(dá)到40 m厚時(shí)可以有效保水的特征為基礎(chǔ)，按照黏土隔水層厚度值Hg=0，0～40，≥40 m來(lái)劃分井田的自然地質(zhì)條件，可將毛烏素沙漠區(qū)內(nèi)的不同工程地質(zhì)條件全部包含在內(nèi)。需要說(shuō)明的是，上式中的黏土隔水層厚度指的是目標(biāo)保護(hù)含水層與煤層之間的有效黏土隔水層厚度，如黏土隔水層位于目標(biāo)保護(hù)含水層之上(如洛河組或者燒變巖發(fā)育區(qū))或?qū)严稁?dǎo)通了黏土隔水層，則按照Hg=0來(lái)考慮。對(duì)于第2個(gè)問(wèn)題，探究含、隔水層本身屬于相對(duì)概念，含水層(或者基巖層)也具備一定的隔水性能，尤其是榆神礦區(qū)內(nèi)基巖層滲透性差，富水性弱[28]，可將基巖層也當(dāng)作相對(duì)隔水層分析。只要導(dǎo)水裂隙帶頂面與目標(biāo)保護(hù)含水層底界間有充足的距離，同樣具備保水開(kāi)采的條件。因而研究基巖層的保水性能成為需要解決的首要問(wèn)題。

常金源等[14-15]以水均衡法對(duì)黏土隔水層的隔水性能做了具體研究，將該基本思想引入基巖層的隔(保)水性能計(jì)算當(dāng)中，并以此進(jìn)行兩者間保水性能的對(duì)比、換算。其中滲透量(W′)按照水均衡公式可表達(dá)為

(1)

其中，ΔWb為漏失補(bǔ)給增量，m3;ΔWP為因滲透減少的天然排泄量，m3;K′為滲透系數(shù)，m/d;M′為隔水層的厚度，m;ΔH為滲透水壓力差，潛水位，m;F為滲透面積，m2;t為滲透時(shí)間，d。變形后可得

(2)

圖3 保水安全厚度計(jì)算原理示意(自然保水區(qū))Fig.3 Schematic diagram of water-retention thickness calcul-ation (natural water-retention areas)

綜合以上內(nèi)容，建立統(tǒng)一基巖與黏土隔水層性質(zhì)，能夠適應(yīng)不同地質(zhì)條件，尤其是黏土隔水土層缺失或燒變巖區(qū)以及洛河組、風(fēng)化基巖帶發(fā)育區(qū)的保水安全厚度(HP)計(jì)算模型確定為

(3)

式中，Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m;Hfe為基巖風(fēng)化帶深度，m。

1.3 煤層開(kāi)采對(duì)潛水含水層影響評(píng)價(jià)

結(jié)合研究區(qū)各地層的水文地質(zhì)參數(shù)，應(yīng)用式(3)計(jì)算研究區(qū)的保水安全厚度，并將保水安全厚度值與煤層與目標(biāo)含水層間的垂高或煤水間距(Hsh)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)對(duì)比結(jié)果和是否導(dǎo)穿基巖、黏土隔水層來(lái)確定分區(qū)類(lèi)型(表1、圖4)。按照失水等級(jí)將研究區(qū)劃分為自然保水區(qū)、一般失水區(qū)和嚴(yán)重失水區(qū)3類(lèi)，其中嚴(yán)重失水區(qū)內(nèi)不采取技術(shù)手段開(kāi)采時(shí)區(qū)內(nèi)潛水含水層將失水嚴(yán)重，保水開(kāi)采面臨較大難度。而自然保水區(qū)地質(zhì)條件優(yōu)越，不存在保水開(kāi)采問(wèn)題，一般失水區(qū)的保水開(kāi)采難度則介于兩者之間。

表1 分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criterion of distributions

圖4 煤層開(kāi)采影響分區(qū)示意(一般失水區(qū)與嚴(yán)重失水區(qū))Fig.4 Schematic diagram of the influence of coal seam mining on zoning (general water loss areas and severe water loss areas)

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 井田水文地質(zhì)概況

小保當(dāng)煤礦位于陜西省榆林市神木縣界內(nèi)，處在毛烏素沙漠區(qū)東南緣，采取“一礦兩井”建設(shè)模式，一號(hào)井設(shè)計(jì)規(guī)模15.0 Mt/a，二號(hào)井13.0 Mt/a。本區(qū)生態(tài)環(huán)境對(duì)地下水的依賴性強(qiáng)，尤其井田內(nèi)薩拉烏蘇組潛水含水層是維系區(qū)域生態(tài)和生產(chǎn)、生活的重要水源，且井田北部還存在有神木臭柏、瑤鎮(zhèn)水源地保護(hù)區(qū)等重要的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)。因此開(kāi)展保水安全厚度研究并評(píng)價(jià)煤層開(kāi)采對(duì)薩拉素組含水層的影響十分必要。而另一方面，研究區(qū)分布有薩拉烏蘇砂層與風(fēng)積沙含水層、保德紅土隔水層(局部缺失)、風(fēng)化基巖含水層、基巖層，工程地質(zhì)條件屬典型的砂-基型和砂-土-基型混合分布區(qū)。煤礦主采2-2煤，賀曉浪等[29]通過(guò)多種手段計(jì)算了煤層采后“兩帶”高度約為采高的26倍，即:Hli=26M;而在紅土缺失的“天窗”區(qū)內(nèi)，基巖受到一定程度的風(fēng)化作用。基巖層與紅土隔水層的滲透系數(shù)均值分別為0.078 9與0.048 1 m/d，即保水比例系數(shù)n=1.6。

將上述參數(shù)代入到式(3)中，得

(4)

將采高以及風(fēng)化基巖厚度值數(shù)據(jù)代入到式(4)來(lái)計(jì)算井田內(nèi)的的保水安全厚度值，并依據(jù)表1中的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)確定煤層開(kāi)采后影響分區(qū)類(lèi)型(表1)。

2.2 煤層開(kāi)采對(duì)潛水含水層影響分區(qū)

將基巖層厚度減去導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，并結(jié)合坐標(biāo)信息編制2-2煤采后頂板剩余基巖厚度等值線(圖5)，由此可知，全井田內(nèi)僅有南部小范圍區(qū)域?qū)严稁黄屏嘶鶐r頂面，最大導(dǎo)穿高度28.8 m。對(duì)比井田保德組隔水層厚度等值線圖(圖6)可知:在導(dǎo)水裂隙突破基巖區(qū)域內(nèi)，紅土隔水層自然厚度達(dá)100～120 m，采后垂向剩余黏土層厚度達(dá)71.2～91.2 m。即:導(dǎo)水裂隙帶未導(dǎo)通黏土隔水層。進(jìn)一步繪制保水安全厚度等值線(圖7)與煤水間距等值線(圖8)，可知:Hp

利用GIS強(qiáng)大的空間處理能力將圖7和圖8按照數(shù)值相減的方法疊加，得到2-2煤層開(kāi)采后，薩拉烏蘇組潛水漏失程度分區(qū)圖，該圖中數(shù)值<0的區(qū)域劃分為一般失水區(qū)，反之則為自然保水區(qū)(圖9)。井田范圍內(nèi)僅在東部、東南部分布有一般失水區(qū)，遠(yuǎn)離井田北部的臭柏和水源地保護(hù)區(qū)，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)的生態(tài)水位和含水層結(jié)構(gòu)影響較小。但一般失水區(qū)內(nèi)保德組紅土頂面處在區(qū)域低洼處(圖10)，導(dǎo)致了一般失水區(qū)還處在井田分水嶺東側(cè)的潛水匯集排泄區(qū)(圖11)和相對(duì)富水區(qū)(圖12)，形成了“三區(qū)”集中的現(xiàn)

圖5 剩余基巖厚度等值線Fig.5 Contour of residual bedrock thickness

圖6 保德組厚度等值線Fig.6 Thickness contour of Baode Formation

圖7 保水安全厚度等值線Fig.7 Contour of water-retention thickness

圖8 煤水間距離等值線Fig.8 Contour of distance between coal and unconfined aquifer

圖11 保德組頂面標(biāo)高等高線Fig.11 Elevation contour of Baode formation top surface

圖12 潛水含水層富水性分區(qū)Fig.12 Water-rich zoning of phreatic

象。開(kāi)采這些區(qū)域時(shí)，礦井涌水量可能出現(xiàn)明顯增大，且動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量充足，從而威脅礦井的正常生產(chǎn)，對(duì)區(qū)域生態(tài)水位及環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。建議煤礦針對(duì)這些區(qū)域開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)利用方案研究，從而實(shí)現(xiàn)保水安全開(kāi)采的目的。

3 結(jié) 論

(1)研究區(qū)基巖層與黏土層均具有隔水性能，而通過(guò)保水比例系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)保水厚度的統(tǒng)一計(jì)算，提出了“保水安全厚度”的概念，并建立了具有廣泛適應(yīng)型的保水安全厚度計(jì)算模型和煤層開(kāi)采對(duì)潛水含水層影響的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)小保當(dāng)井田內(nèi)無(wú)嚴(yán)重失水區(qū)，但一般失水區(qū)和井田富水性強(qiáng)區(qū)、潛水匯集排泄區(qū)“三區(qū)”疊加，分布于井田東部和東南部。煤礦開(kāi)采這些區(qū)域時(shí)，可能會(huì)對(duì)井田生態(tài)水位造成不利影響。也顯示出了計(jì)算模型在本區(qū)具有良好適應(yīng)性。

(3)可將保水安全厚度計(jì)算模型和開(kāi)采影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于整個(gè)榆神府礦區(qū)，確定區(qū)域的保水安全厚度，并進(jìn)行開(kāi)采影響分區(qū)評(píng)價(jià)，形成區(qū)域性的統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為煤礦企業(yè)開(kāi)展保水采煤研究提供技術(shù)支撐。