深埋煤層開采頂板基巖含水層滲流規(guī)律及保水技術(shù)

郭小銘,董書寧

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013; 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077; 3.陜西省煤礦水害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

黃隴侏羅系煤田位于鄂爾多斯盆地南緣，包含黃陵、焦坪、旬耀、彬長、永隴等大型礦區(qū)，煤層賦存條件較好，是我國重點(diǎn)建設(shè)的14個(gè)億噸級大型煤炭基地之一。然而，黃隴煤田年均降水量約600 mm[1]，蒸發(fā)量可達(dá)1 560 mm，干旱系數(shù)2.6，屬于典型的干旱～半干旱地區(qū)。區(qū)內(nèi)主要供水水源為地表水和地下白堊系洛河組砂巖含水層水，且地下水作為區(qū)域重要的儲備水源具有十分重要的戰(zhàn)略意義。因此，煤炭資源開發(fā)過程中對洛河組含水層的水資源保護(hù)尤為重要，需做好保水開采工作，重點(diǎn)保護(hù)具有供水意義的洛河組砂巖含水層。

保水采煤是指在煤層開采過程中維持具有供水意義和生態(tài)價(jià)值含水層(巖組)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或水位變化在合理范圍內(nèi)，其核心為尋求煤炭開采量與水資源承載力之間最優(yōu)解的煤炭開采技術(shù)[2]。概念的提出起源于1992年范立民、韓樹青等針對鄂爾多斯盆地北部煤炭資源開發(fā)對水資源保護(hù)研究，并于1995年提出“保水采煤”一詞。錢鳴高建立的綠色開采技術(shù)體系中將保水采煤作為重要內(nèi)容。針對保水采煤的基礎(chǔ)理論研究主要包含:范立民等開展了大量的保水采煤基礎(chǔ)研究工作，研究了西部生態(tài)脆弱礦區(qū)地下水對高強(qiáng)度采煤的響應(yīng)[3]，并系統(tǒng)論述了我國西部保水開采技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[4]，提出了保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵;王雙明，范立民等從煤層賦存與水文地質(zhì)條件出發(fā)，對陜北煤炭開采方式進(jìn)行分區(qū)，建立了基于生態(tài)水位保護(hù)的保水開采技術(shù)體系[5];武強(qiáng)等為解決煤炭資源安全綠色開發(fā)與水資源供給、生態(tài)環(huán)保之間的矛盾問題，提出了“煤-水”雙資源型礦井開采的技術(shù)和方法[6];顧大釗提出了“導(dǎo)儲用”為核心的煤礦地下水庫地下水保護(hù)利用理念，并開展了大量基礎(chǔ)研究與工程實(shí)踐[7]，為礦井水資源利用提供了新的思路。國內(nèi)外大量學(xué)者針對保水開采技術(shù)與方法開展了大量研究:趙春虎、虎維岳等研究了采煤引起潛水損失量的定量評價(jià)方法[8]，黃慶享對淺埋煤層保水開采巖層控制進(jìn)行了研究，提出了保水開采分類方法[9];孫亞軍等提出了神東礦區(qū)的保水采煤的基本原則，并形成保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)[10];馬立強(qiáng)等提出了“采充并行”式充填保水采煤方法[11];劉洋等研究了陜北保水開采的條帶采煤的采留比參數(shù)[12];侯忠杰等以榆樹灣煤礦首采面為研究對象，分析了沙土基型覆蓋層保水開采合理采高[13]。

綜合國內(nèi)外研究成果，我國針對榆神府地區(qū)已經(jīng)形成了較為成熟的條帶開采、限高開采、充填開采等保水開采技術(shù)，基本查明了淺埋薄基巖煤層開采覆巖破壞規(guī)律，建立了分區(qū)保水對策，為蒙陜生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源保水開采奠定了基礎(chǔ)。但是，目前研究成果多集中于榆神府礦區(qū)的淺埋煤層，屬于生態(tài)極脆弱區(qū)，保水對象以第四系松散含水層和地表水為主。對于黃隴煤田深埋煤層綜放開采條件下保水開采技術(shù)研究成果較少。同時(shí)，現(xiàn)有保水開采技術(shù)多以控制導(dǎo)高為出發(fā)點(diǎn)，對含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究較少，鮮有研究出利用含水層滲流規(guī)律進(jìn)行保水開采的技術(shù)方案。隨著黃隴煤炭基地的開發(fā)，煤層開采對白堊系洛河組含水層擾動(dòng)逐漸增強(qiáng)，區(qū)域煤炭資源的保水開采問題愈發(fā)凸顯。

筆者針對黃隴煤田洛河組含水層保水開采與煤炭資源高效生產(chǎn)的矛盾問題，選取彬長礦區(qū)典型礦井作為研究對象，采用理論分析、室內(nèi)測試、數(shù)值模擬、水文地質(zhì)試驗(yàn)等綜合手段，研究洛河組含水層垂向非均質(zhì)性及差異性滲流特征，探索利用基巖含水層不同層位差異性滲流特點(diǎn)作為深埋煤層保水開采的基礎(chǔ)，利用該滲流規(guī)律制定區(qū)域內(nèi)洛河組含水層的保水開采方案。研究成果可為黃隴煤炭基地煤炭資源高效保水開采提供基本的水文地質(zhì)理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與水文地質(zhì)條件

1.1 研究區(qū)概況

彬長礦區(qū)是黃隴煤田水文地質(zhì)條件最為復(fù)雜的礦區(qū)，位于黃隴煤田西部，行政區(qū)劃位于陜西省咸陽市(圖1)，含煤面積1 178.5 km2，資源量86.9×108t。礦區(qū)屬溝間黃土侵蝕地貌，主要由黃土塬、黃土梁及河谷平川組成。黃土塬面較為平坦完整，周圍有河溝切割，最大海拔高差達(dá)到400 m以上。

圖1 彬長礦區(qū)Fig.1 Binchang mining area

1.2 地質(zhì)條件

彬長礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地渭北斷隆區(qū)彬縣～黃陵坳褶帶[14]，區(qū)內(nèi)多發(fā)育寬緩不連續(xù)的EW～NE向褶皺，無大型斷裂構(gòu)造。礦區(qū)地層屬于華北地層區(qū)，鄂爾多斯分區(qū)，焦坪～華亭小區(qū)，由老至新發(fā)育有:三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、環(huán)河—華池組(K1h+h)，新近系上新統(tǒng)保德組(N2)，第四系(Q)[15]。

1.3 水文地質(zhì)條件

彬長礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地涇河—馬蓮河二級地下水系統(tǒng)下游排泄區(qū)，以基巖層狀孔隙裂隙承壓水為主，第四系孔隙潛水次之。主要含水層有:第四系潛水含水層組(Q)、白堊系洛河組中粗粒碎屑巖含水巖組(K1l)、侏羅系安定、直羅組砂巖裂隙含水巖組(J2a+J2z)、延安組含煤地層砂巖裂隙承壓含水巖組。主要隔水層發(fā)育包含:新近系上新統(tǒng)黏土隔水層、白堊系環(huán)河～華池組泥巖隔水巖組、白堊系宜君組礫巖相對隔水層、侏羅系相對隔水巖組、侏羅系富縣組相對隔水巖組、三疊系胡家村組隔水巖組。含隔水層結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)如圖2所示。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Hydrogeology structure model of the study area

2 研究區(qū)保水開采思路分析

2.1 保水目標(biāo)含水層確定

通過對礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析可知，研究區(qū)洛河組含水層富水性弱～強(qiáng)，水化學(xué)類型多為SO4·HCO3-Na型水，礦化度700～3 000 mg/L，是區(qū)域現(xiàn)階段供水水源和長期戰(zhàn)略儲備水源。侏羅系各含水層富水性極弱，礦化度多大于10 000 mg/L，屬于咸水，供水意義極差。第四系潛水含水層下部有較為完整的新近系和環(huán)河-華池組隔水地層，煤層深埋區(qū)煤炭開采對第四系含水層的直接影響較小，地表生態(tài)環(huán)境影響不明顯。因此，黃隴侏羅系煤田開發(fā)過程中需重點(diǎn)做好洛河組含水層的保水開采工作，重點(diǎn)保護(hù)白堊系洛河組含水層的供水意義。

2.2 深埋煤層開采保水思路

國內(nèi)現(xiàn)階段保水開采技術(shù)研究對象多位于淺埋生態(tài)脆弱區(qū)，保水的核心思想為控制頂板隔水層穩(wěn)定性[16]，但是該方法在一定程度上降低了礦井生產(chǎn)效率。對于深埋煤層開采，由于煤層埋藏深，其主要目標(biāo)為保護(hù)基巖含水層的供水意義，對地表生態(tài)影響有限。因此，通過研究煤層頂板洛河組基巖含水層滲流規(guī)律，在確保具備供水意義的洛河組含水層上段水位降深有限的前提下，可適當(dāng)提高開采強(qiáng)度，允許裂隙帶適當(dāng)波及含水層下段，實(shí)現(xiàn)保水與高效開采的統(tǒng)一。因此，作為黃隴煤田煤層綜放開采保水基礎(chǔ)，需深入研究導(dǎo)水裂隙帶影響洛河組含水層下段時(shí)的滲流規(guī)律，評價(jià)含水層上段水位變化，為制定可行的保水方案提供基礎(chǔ)。

3 洛河組含水層滲流規(guī)律

通過洛河組地層孔隙度測試、水化學(xué)測試成果，定性分析得出洛河組含水層具備垂向非均質(zhì)特征。采用井下水文條件探查和地面洛河組含水層分層抽水試驗(yàn)，定量分析洛河組含水層不同層位水文地質(zhì)參數(shù)的差異性。位于礦區(qū)中部的亭南煤礦施工探查鉆孔4個(gè)，分別進(jìn)行水文條件探查、孔隙率測試和水化學(xué)測試分析。

3.1 孔隙率與水化學(xué)測試

在1號、4號孔分別采取洛河組地層不同深度的中粒砂巖開展孔隙率測試。測試根據(jù)《GB/T 23561.4煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》執(zhí)行，以洛河組地層頂界面為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算取樣埋深，分析取樣深度和孔隙率關(guān)系，成果如圖3所示。

圖3 取樣深度與孔隙率關(guān)系Fig.3 Relationship of sampling depth and porosity

相關(guān)關(guān)系表明洛河組中砂巖地層孔隙率與埋深有一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，孔隙率隨埋深增大而減小，變化規(guī)律表現(xiàn)為負(fù)指數(shù)特征。采用Origin軟件對測試成果進(jìn)行非線性擬合分析，分別得出2個(gè)鉆孔的孔隙率擬合公式:

1號鉆孔:n=54.4Z-0.25

(1)

4號鉆孔:n=360.3Z-0.72

(2)

式中，n為巖石孔隙率;Z為洛河組巖樣基巖埋深。

非線性擬合成果表明洛河組地層中同一巖性孔隙率隨埋深呈明顯的負(fù)指數(shù)減小規(guī)律。根據(jù)DUPUIS針對滲透率與孔隙率關(guān)系統(tǒng)計(jì)規(guī)律成果[17]，本次研究孔隙率多小于20%，滲透率與孔隙率近視為接近線性關(guān)系:

k=An

(3)

式中，k為滲透率;A為線性關(guān)系系數(shù);n為巖石孔隙率。由于地層滲透系數(shù)K和滲透率k之間存在關(guān)系

(4)

式中，ρ為液體的密度;g為重力加速度;μ為動(dòng)力黏度。

分析可知，在假設(shè)各項(xiàng)同性含水層中，滲透系數(shù)K與孔隙率n呈線性關(guān)系，即地層滲透性隨孔隙率的減小呈線性關(guān)系減小。結(jié)合地層埋深和孔隙率關(guān)系可知，地層滲透系數(shù)K隨埋深的增加而呈負(fù)指數(shù)減小關(guān)系。

3號孔和4號孔分別采取洛河組含水層不同層位水樣，開展水質(zhì)全分析測試，分析主要離子及水化學(xué)特征隨深度變化規(guī)律。測試成果如圖4所示。

圖4 水質(zhì)各離子垂向變化規(guī)律Fig.4 Variation rule of water qualityion

3.2 洛河組水文地質(zhì)條件探查

在井下施工仰孔對頂板洛河組含水層水文地質(zhì)條件進(jìn)行探查。布設(shè)井下鉆孔3個(gè)，分別編號JX-1,JX-2,JX-3,施工過程中記錄不同深度涌水量變化規(guī)律，評價(jià)含水層富水性差異性特征。探查鉆孔參數(shù)見表1。

表1 水文地質(zhì)條件探查鉆孔參數(shù)Table 1 Drilling parameters of Hydrogeological conditions exploration

以各鉆孔初始出水位置及水量為基準(zhǔn)，計(jì)算得出不同深度與基準(zhǔn)位置的垂深差為ΔH，水量差為ΔQ，分析ΔQ/ΔH變化規(guī)律，從而評價(jià)含水層下段富水性非均質(zhì)特征。探查過程中水量變化見表2。

探查成果表明，從底部揭露洛河組含水層底板后，隨著鉆進(jìn)深度增加初期涌水量增速逐漸增大，進(jìn)一步驗(yàn)證了洛河組含水層由底部向上，滲透性逐漸加強(qiáng)，富水性逐漸增加。JX-2鉆孔在垂深60.1 m之后水量增速有所減小，甚至在119.1～167.0 m水量未增加，推測其可能由于巖性的非均質(zhì)性存在一定的隔水層段。但是由于其它鉆孔并未出現(xiàn)水量停止增長現(xiàn)象，JX-2鉆孔位置為局部透鏡體狀的非連續(xù)相對隔水層(圖5)。

為定量化研究洛河組含水層不同層位水文地質(zhì)參數(shù)，采用地面TC1鉆孔對洛河組含水層上部2/3

表2 不同深度水量變化Table 2 Rate of flow changes at different depths

圖5 水文鉆孔涌水量變化Fig.5 Rate of flow changes of different boreholes

和底部1/3厚度分別開展單孔抽水試驗(yàn)。采用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)并計(jì)算水文參數(shù)，結(jié)合《煤礦防治水細(xì)則》中對單位涌水量值的換算方法將其單位涌水量變換為標(biāo)準(zhǔn)單位涌水量，試驗(yàn)成果見表3。

表3 洛河組含水層不同層段抽水試驗(yàn)成果Table 3 Pumping test results of different layers of Luohe Formation aquifer

抽水試驗(yàn)成果表明，洛河組含水層上、下段水文地質(zhì)條件存在較大差異，上部229 m段富水性約為下部的7倍，同時(shí)含水層下段滲透系數(shù)略小于上段。

3.3 洛河組含水層滲流規(guī)律

通過對洛河組含水層巖性測試、水化學(xué)特征及定量化水文探查成果表明，彬長礦區(qū)洛河組含水層具有明顯的非均質(zhì)特征，其下部地層滲透性和富水性明顯小于上部層位。采用地下水三維數(shù)值模擬方法對該特征含水層滲流規(guī)律進(jìn)行研究，分析在導(dǎo)水裂縫帶影響到洛河組地層下部后含水層內(nèi)部滲流規(guī)律。

模擬采用有限元差分的Visual MODFLOW軟件。洛河組含水層厚度為300 m，共分為6層并按照負(fù)指數(shù)規(guī)律進(jìn)行參數(shù)賦值，每層均布設(shè)水位觀測點(diǎn)。初始水位略高于含水層頂板(310 m)，邊界條件設(shè)置為通用水頭邊界(GHB)，并將固定水頭位置選擇為較遠(yuǎn)距離，保障降落漏斗影響范圍均有側(cè)向水流補(bǔ)給[18]。在模型中部布設(shè)抽水井，抽水層位為層位5和層位6。距離抽水井100 m布設(shè)觀測孔進(jìn)行各層位水位觀測。水文地質(zhì)概念模型描述如圖6所示。

圖6 水文地質(zhì)概念模型及參數(shù)賦值Fig.6 Hydrogeological conceptual model and parameter assignment

運(yùn)行數(shù)值模型，導(dǎo)出各層位監(jiān)測點(diǎn)水頭降深變化情況和垂向等水頭線，成果如圖7所示。

圖7 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果Fig.7 Numerical model calculation results

數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果可知，由于洛河組含水層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，在含水層下部100 m進(jìn)行疏水時(shí)，上部地層水位降深均在3 m以下，疏水對含水層的水位影響主要體現(xiàn)在疏水層位及相鄰層位。因此，在工作面回采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育影響到洛河組含水層下段時(shí)，下段充水條件下含水層上段水位降深相對有限，不會(huì)造成洛河組含水層全段水位均大幅下降。

3.4 工作面開采實(shí)踐

為驗(yàn)證本次研究得出的洛河組含水層下段受影響時(shí)滲流規(guī)律，在彬長礦區(qū)胡家河煤礦401101工作面回采過程中，在工作面范圍內(nèi)布設(shè)水文長觀孔，觀測洛河組含水層不同層位水位變化。

胡家河煤礦覆巖結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)條件與礦區(qū)較為一致，煤層到洛河組含水層距離約170 m，煤層采厚10～13.6 m。根據(jù)煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測及綜合研究，裂采比為22.3倍，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度225.4 m，影響洛河組含水層下部約55 m[19]。工作面范圍內(nèi)水文孔布設(shè)位置及監(jiān)測層位如圖8所示。

圖8 工作面水文孔監(jiān)測層位示意Fig.8 Wells Monitored horizons in mining face

工作面回采過程中采用水位自動(dòng)遙測儀對鉆孔水位動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，水位變化情況如圖9所示。由圖9可知，在導(dǎo)水裂隙帶影響到洛河組含水層下段約50 m左右時(shí)，洛河組下段水位下降明顯，由+831.6 m逐漸降到+621.7 m(由于監(jiān)測系統(tǒng)故障部分?jǐn)?shù)據(jù)未采集)，降深209.9 m;洛河組上段水位降深較小，由+847.1 m降到+815.5 m，降深31.6 m。

圖9 洛河組含水層不同層位水位動(dòng)態(tài)Fig.9 Dynamics of different horizon water levels in the aquifer of Luohe Formation

通過胡家河煤礦首采工作面開采實(shí)際揭露成果表明，洛河組含水層水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與理論分析及數(shù)值模擬計(jì)算成果相符。由此表明，彬長礦區(qū)洛河組含水層滲透性變化規(guī)律與本次研究成果一致，煤層回采導(dǎo)水裂隙帶影響到含水層下部時(shí)上部水位下降較小，具備自身保水的水文地質(zhì)基礎(chǔ)。

4 黃隴煤田保水開采方案

由于彬長礦區(qū)保水開采目標(biāo)為巨厚洛河組基巖含水層，該含水層滲透性明顯低于薩拉烏蘇組含水層，加之基巖地層非均質(zhì)性強(qiáng)，滲流規(guī)律與第四系松散含水層有明顯差異。研究表明，洛河組含水層非均質(zhì)強(qiáng)，在

裂隙帶適當(dāng)波及含水層后，洛河組含水層水位不會(huì)出現(xiàn)整體疏降，具備自身保水的水文地質(zhì)條件。

因此，針對區(qū)域內(nèi)洛河組含水層的保水開采，可探索利用含水層非均質(zhì)性和不同深度的滲透差異性特征，在保障含水層水位不會(huì)整體性顯著下降的前提下，可允許導(dǎo)水裂隙帶適當(dāng)波及含水層下段。同時(shí)，充分利用隔水層厚度較大的特點(diǎn)，借鑒榆神府礦區(qū)隔水層重建的研究成果，科學(xué)評價(jià)本區(qū)侏羅系隔水層重建的可行性，適當(dāng)控制開采強(qiáng)度而保障泥巖地層破壞程度弱，在回采完畢后裂隙可逐漸閉合而重建形成隔水層[20]。

據(jù)此，黃隴煤田深埋煤層綜放開采條件下保水開采的技術(shù)思路需以控制洛河組含水層上段水位降深為核心，通過對洛河組含水層滲流規(guī)律、侏羅系隔水層隔水能力重建進(jìn)行分析，允許回采時(shí)含水層下段水位下降、上段水位少量波動(dòng)，并在采后利用重建隔水層實(shí)現(xiàn)含水層水位回升。該方法通過控制開采強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)控水目的，不以控制導(dǎo)高發(fā)育高度為出發(fā)點(diǎn)。對于無法實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)區(qū)域，可采用陜北地區(qū)提出的導(dǎo)水裂隙帶高度控制方法。形成的深埋煤層綜放開采基巖含水層保水開采技術(shù)路線如圖10所示。

圖10 基巖含水層保水開采技術(shù)路線Fig.10 Water-preserved coal mining technology route for bedrock aquifer

5 結(jié) 論

(1)對洛河組地層含水介質(zhì)特征及滲流規(guī)律研究表明，黃隴煤田巨厚洛河組基巖含水層整體滲透性弱且非均質(zhì)性強(qiáng)，垂向水文地質(zhì)條件差異明顯，在采煤形成的裂隙帶僅波及含水層下段時(shí)不會(huì)造成含水層水位整體疏降，具備自身保水的水文地質(zhì)基礎(chǔ)條件。

(2)彬長礦區(qū)開采揭露成果驗(yàn)證了裂隙帶波及洛河組下部時(shí)其上段水位不會(huì)出現(xiàn)明顯疏降，為區(qū)域內(nèi)利用洛河組含水層滲流規(guī)律實(shí)現(xiàn)保水開采奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。

(3)利用洛河組含水層垂向非均質(zhì)性特征和滲流規(guī)律，提出允許導(dǎo)水裂隙帶適當(dāng)波及含水層下段，以控制含水層上段水位為核心的控水開采技術(shù)，為解決深埋煤層高效生產(chǎn)和保水開采的矛盾提供新的思路。