準(zhǔn)東大井礦區(qū)巨厚煤層開采覆巖含水層滲透特性研究

曾 強，李根生，楊 潔，趙龍輝，高 坡

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；3.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

新疆準(zhǔn)東礦區(qū)煤炭資源豐富，礦區(qū)東西走向長約200 km，面積約15 334 km2，單一可采煤層厚達(dá)90 m。由于煤層賦存厚，礦區(qū)煤炭資源開采強度大，礦區(qū)地下水與鄰近綠洲水系聯(lián)系密切，該區(qū)域煤炭資源開采對礦區(qū)及鄰近綠洲生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1-4]。其中，煤炭開采活動如何影響區(qū)域地下水及地表水資源分布，進(jìn)而影響礦區(qū)及區(qū)域地表植被生長與分布是其生態(tài)環(huán)境影響研究的核心問題之一。基于該問題研究，采場覆巖含水層滲透性隨開采活動變化規(guī)律是需首要研究的問題。覆巖含水層滲透性與覆巖應(yīng)力、覆巖裂隙等密切相關(guān)，具有耦合效應(yīng)。針對覆巖應(yīng)力-滲流耦合過程，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量相關(guān)研究：彭蘇萍等[5]基于室內(nèi)試驗開展了砂巖孔隙滲流特性研究；許家林等[6]采用現(xiàn)場測試和模擬實驗方法，研究了松散承壓含水層下采煤頂板導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征；楊天鴻等[7]研究了巖體破裂與滲透率的關(guān)系；孟召平等[8]研究了采空區(qū)巖體應(yīng)力-應(yīng)變與滲透性分布規(guī)律；李利平等[9]研究了突水災(zāi)變過程中應(yīng)力場、位移場和滲流場的耦合演化規(guī)律；王金安等[10]研究了不同開采尺度下巖體斷裂模式與滲流規(guī)律；潘力[11]研究了邊坡裂隙巖體的水力特性及滲流-應(yīng)力耦合關(guān)系；DAVID等[12]研究了砂巖滲透率和孔隙率的關(guān)系；PAN等[13]室內(nèi)測得圍壓和孔隙壓力對滲透率具有顯著影響。

本文針對新疆準(zhǔn)東礦區(qū)巨厚煤層開采，采用相似材料模擬與數(shù)值模擬方法，嘗試研究礦區(qū)覆巖含水層滲透率隨開采過程的變化規(guī)律，以期為該區(qū)域煤炭開采覆巖地下水運移響應(yīng)機(jī)制研究提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

準(zhǔn)東礦區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東部、克拉麥里山南麓，氣候干旱少雨，生態(tài)環(huán)境脆弱。大井礦區(qū)位于其北部。礦井主采煤層平均厚度56 m，地層傾角1～3°。煤層頂板多為細(xì)砂巖、泥巖、粗砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等，底板多為炭質(zhì)泥巖、含碳泥巖及細(xì)砂巖，覆巖力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)資料，礦區(qū)含水層2層，分別為白堊系下統(tǒng)吐谷魯群裂隙孔隙弱含水層和石樹溝群裂隙孔隙弱含水層，見表2和圖1。本文研究對象為含水層Ⅱ，即石樹溝群裂隙孔隙弱含水層。

表1 覆巖層力學(xué)性質(zhì)Table 1 Mechanic properties of overlying rocks

表2 含水層劃分Table 2 Divisions of overlying aquifers

圖1 水文地質(zhì)平面、立面圖Fig.1 Hydrogeology chart

2 采場覆巖滲透率特征

采場覆巖主要由孔隙與裂隙介構(gòu)成，其與應(yīng)力的關(guān)系如下所述。

1) 孔隙介質(zhì)：孔隙滲透率受覆巖含水層孔隙率及有效應(yīng)力控制，巖體孔隙率見式(1)。

φσ=Vσ/Vt

(1)

式中：φσ為巖體在應(yīng)力為σ時的孔隙率；Vσ為巖體在應(yīng)力σ時的孔隙體積；Vt為巖體總體積。

由飽和狀態(tài)Terzaghi有效應(yīng)力原理計算[14]，見式(2)。

σ′=σ-ρgH

(2)

式中：σ′為巖體有效應(yīng)力；σ為巖體總應(yīng)力；ρ為流體密度；g為重力加速度；H為水頭高度。

由低有效應(yīng)力(0～15 MPa)低滲透沉積砂巖環(huán)境[15]，有效應(yīng)力與巖體孔隙率關(guān)系[16-17]見式(3)。

φσ′=φ0exp(-cσ′)

(3)

式中：φσ′為有效應(yīng)力為σ′時的孔隙率；φ0為初始孔隙率；c為物質(zhì)常數(shù)。

對孔隙系統(tǒng)滲透率而言，煤巖滲透率隨孔隙率變化規(guī)律呈三次指數(shù)關(guān)系，其巖體孔隙滲透率計算公式見式(4)。

kp=k0(φσ/φ0)3

(4)

式中：kp為巖體孔隙滲透率；k0為巖體孔隙初始滲透率；φ0為巖體初始孔隙率。

2) 裂隙介質(zhì)：裂隙滲透率受覆巖含水層隙寬及有效應(yīng)力控制。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系σ=Eε,Terzaghi有效應(yīng)力原理[18]，σ′=σ-γH,計算公式見式(5)和式(6)。

bσE=σ-γH

(5)

bσ=(σ-ρgH)/E

(6)

式中：σ為巖體有效應(yīng)力；bσ為巖體在應(yīng)力σ時隙寬；E為巖體彈性模型。

對于巖體單一裂隙，其滲透率可用平行板模型表示[19-20]，計算公式見式(7)。

Kf=βρgbσ/12μC

(7)

式中：Kf為單一裂隙滲透率；β為裂隙內(nèi)聯(lián)通面積與總面積之比；μ為流體運動黏滯系數(shù)；C為裂隙內(nèi)粗糙度修正系數(shù)。

3 試驗?zāi)M研究

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)鉆孔柱狀圖、水文地質(zhì)及關(guān)鍵層識別理論[21]，巖體物理力學(xué)參數(shù)，計算相似材料模擬配比(表3)，構(gòu)建物理模型見圖2(a)，數(shù)值模型見圖2(b)。模擬大采高分層開采，采高7 m，沿煤層走向自左向右開挖，走向推進(jìn)長度600 m，首分層開挖步距10 m，后續(xù)分層開挖步距20 m。分別選取覆巖含水層典型區(qū)域切眼側(cè)點1#、采空區(qū)中部測點2#和停采線側(cè)點3#為監(jiān)測點，監(jiān)測各點隨煤層開采位移及應(yīng)力動態(tài)值。

表3 相似材料模擬配比Table 3 Mixing ratios of similar materials

續(xù)表3

圖2 物理模型與數(shù)值模型Fig.2 Physical model and numerical model

圖3 覆巖含水層參考點位移變化特征Fig.3 Changes of displacement of reference points with overlying aquifers

3.2 模擬結(jié)果分析

1) 覆巖含水層位移變化特征。開采首分層時，相似材料模擬與數(shù)值模擬參考測點1#、測點2#、測點3#位移動態(tài)變化特征見圖3，覆巖運動特征見圖4。

由圖3可知，覆巖含水層各測點位移隨開挖長度的增加而增加。其中，測點2#位移量接近開挖高度。測點1#物理模擬開挖至70～250 m及數(shù)值模擬開挖至100～300 m時，位移快速增加，其后位移變化穩(wěn)定；測點2#物理模擬開挖至70～420 m及數(shù)值模擬開挖至250～500 m時，位移快速增加，其后位移穩(wěn)定；測點3#物理模擬開挖至430～600 m及數(shù)值模擬開挖至450～600 m時，位移快速增加。物理相似模擬及數(shù)值模擬各測點變化趨勢基本一致。由圖4可知，物理相似模擬與數(shù)值模擬覆巖運動特征基本一致。

2) 覆巖含水層滲透率變化特征。根據(jù)水文地質(zhì)資料、各測點應(yīng)力值、應(yīng)力-滲透率方程， 確定參數(shù)見表4。通過數(shù)值模擬獲得首分層開采覆巖含水層各監(jiān)測點隨工作面推進(jìn)其有效應(yīng)力與孔隙率、隙寬及滲透率動態(tài)變化特征，見圖5和圖6。

圖4 物理模擬與數(shù)值模擬覆巖運動特征Fig.4 Comparison of movements of overlying rocks with physical and numerical simulation

表4 滲透率計算所需參數(shù)值Table 4 Parameters for calculation of permeability

圖5 首分層開采有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率動態(tài)變化特征Fig.5 Changes of effective stress,porosity andpermeability with mining of the first sub-layer

由圖5可知，各測點孔隙率、滲透率與有效應(yīng)力變化呈負(fù)相關(guān)。測點1#有效應(yīng)力總體呈波動遞減趨勢，孔隙率及滲透率呈波動遞增趨勢。開挖至0～90 m，有效應(yīng)力迅速降低，此時孔隙率及滲透率迅速增加；開挖至90～270 m，有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率波動較大；開挖至270～310 m，有效應(yīng)力迅速下降，此時孔隙率及滲透率迅速增加；開挖至360～600 m，有效應(yīng)力呈緩慢增加，孔隙率及滲透率緩慢降低。測點2#開挖至0～200 m，有效應(yīng)力呈增加趨勢，此時孔隙率及滲透率降低；開挖至200～430 m，有效應(yīng)力呈急劇降低趨勢，此時孔隙率及滲透率急劇增加；開挖至430～600 m，有效應(yīng)力迅速增加，孔隙率及滲透率迅速降低。測點3#有效應(yīng)力總體呈增加趨勢，孔隙率及滲透率呈降低趨勢；開挖至0～200 m，有效應(yīng)力基本不變，其孔隙率及滲透率亦保持不變；開挖至200～380 m，有效應(yīng)力呈快速增加，孔隙率及滲透率快速減??；開挖至500～600 m有效應(yīng)力呈急劇增加后降低趨勢，孔隙率及滲透率呈急劇先降低后增加趨勢。各測點滲透率可得：測點1#>測點3#；開挖350～600 m，測點2#>測點1#>測點3#。

圖6 首分層開采有效應(yīng)力、隙寬及滲透率動態(tài)變化特征Fig.6 Changes of effective stress,fracture width andpermeability with mining of the first sub-layer

由圖6可知，各測點隙寬、滲透率與有效應(yīng)力變化呈正相關(guān)。測點1#開挖至0～90 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率迅速減小；開挖至90～230 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率增加；開挖至230～360 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率迅速減?。婚_挖至360～600 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率呈緩慢減小。測點2#開挖至0～200 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率呈減小趨勢；開挖至200～430 m、430～600 m，有效應(yīng)力先急劇減小后快速增加；開挖至360～550 m，隙寬及滲透率趨近0。測點3#開挖至0～200 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率保持不變；開挖至200～380 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率快速增加；開挖至380～470 m，有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率緩慢減??；開挖至470～570 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率呈急劇增加趨勢；開挖至500～600 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率呈急劇先增加后減小趨勢，570 m時達(dá)到最大值。由各測點滲透率可得：測點3#>測點1#；開挖至0～300 m：測點2#>測點3#>測點1#；開挖至360～600 m：測點3#>測點1#>測點2#。

模擬開采二分層時，覆巖含水層各監(jiān)測點隨工作面推進(jìn),其有效應(yīng)力與孔隙率、隙寬及滲透率動態(tài)變化特征，見圖7和圖8。

圖7 二分層開采有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率動態(tài)演化特征Fig.7 Changes of effective stress,porosity and permeabilitywith mining of the second sub-layer

圖8 二分層開采有效應(yīng)力、隙寬及滲透率動態(tài)演化特征Fig.8 Changes of effective stress,fracture width andpermeability with mining of the second sub-layer

由圖7可知，測點1#開挖至430～600 m，孔隙率及滲透率達(dá)最大值后趨于穩(wěn)定，此時有效應(yīng)力達(dá)最小值后趨于穩(wěn)定；測點2#有效應(yīng)力大、孔隙率及滲透率波動頻次較開采首分層時明顯，開挖至100～220 m，有效應(yīng)力迅速增加至最大值，此時孔隙率及滲透率迅速減小至最小值；開挖至420 m，有效應(yīng)力達(dá)最小值，孔隙率及滲透率達(dá)最大值；開挖至520～600 m，有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率趨于穩(wěn)定。測點3#開挖0～480 m，有效應(yīng)力先緩慢降低后迅速減小至最小值，此時孔隙率及滲透率先緩慢增加后迅速增加至最大值，開挖480～600 m有效應(yīng)力先迅速增加后緩慢增加，此時孔隙率及滲透率先迅速增加后緩慢減??；當(dāng)工作面趨于測點時有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率變化幅度較大，其中測點2#滲透率變化幅度較大。

由圖8可知，測點1#開挖至120～180 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率迅速增加至最大值；開挖至430～600 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率達(dá)最小值后趨于穩(wěn)定。測點2#開挖至100～220 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率迅速增加至最大值；開挖至280～400 m有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率波動較大；開挖至520～600 m，有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率趨于穩(wěn)定。測點3#開挖至480～600 m，有效應(yīng)力、隙寬及滲透率先迅速增加后緩慢增加。各測點滲透率大小大致為：測點3#>測點2#>測點1#，當(dāng)工作面趨于測點時有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率變化幅度較大，其中測點2#滲透率變化幅度較大。

繼續(xù)模擬后續(xù)分層開采，獲得測點1#、測點2#、測點3#對應(yīng)有效應(yīng)力、孔隙率、孔隙滲透率、隙寬、裂隙滲透率動態(tài)變化，見圖9和圖10。

圖9 不同分層開采有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率動態(tài)變化特征Fig.9 Changes of effective stress,porosity and permeabilitywith mining of different sub-layers

圖10 不同分層開采有效應(yīng)力、隙寬及滲透率動態(tài)變化特征Fig.10 Changes of effective stress,fracture width andpermeability with mining of different sub-layers

由圖9可知，測點1#隨開挖層數(shù)增加，有效應(yīng)力呈降低趨勢，孔隙率及滲透率呈增加趨勢。測點2#隨開挖層數(shù)增加，有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率波動較大，有效應(yīng)力呈先增后減趨勢；采完4分層，有效應(yīng)力達(dá)最大，此時孔隙率及滲透率達(dá)最??；采完2分層有效應(yīng)力達(dá)最小，孔隙率及滲透率達(dá)最大。測點3#隨開挖層數(shù)增加，有效應(yīng)力不斷減??；開挖5分層時有效應(yīng)力快速降低至穩(wěn)定，此時孔隙率及滲透率迅速增加至最大穩(wěn)定值。開挖1～5分層滲透率大小大致為：測點1#>測點3#>測點2#；開挖6～8分層滲透率大?。簻y點3#>測點1#>測點2#。

由圖10可知，測點1#隨開挖層數(shù)增加，有效應(yīng)力呈降低趨勢，隙寬及滲透率快速減?。粶y點2#隨開挖層數(shù)增加，有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率波動較大，有效應(yīng)力呈先增后減趨勢；測點3#隨開挖層數(shù)增加，有效應(yīng)力不斷減??；5分層開挖時，有效應(yīng)力快速降低至穩(wěn)定。開挖6～8分層滲透率大?。簻y點2#>測點1#=測點3#。

4 結(jié) 論

1) 開采首分層賦巖位移數(shù)值模擬結(jié)果與相似材料模擬結(jié)果趨勢基本一致；覆巖孔隙介質(zhì)滲透率與有效應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)；覆巖裂隙介質(zhì)滲透率與有效應(yīng)力呈正相關(guān)；開挖1～5分層滲透率大小為：測點1#>測點3#>測點2#；開挖6～8分層滲透率大小為：測點3#>測點1#>測點2#。

2) 覆巖裂隙集中分布于采空區(qū)兩側(cè)；切眼側(cè)覆巖含水層應(yīng)力小于停采線側(cè)；切眼側(cè)覆巖含水層應(yīng)力總體呈減小趨勢；采空區(qū)中部覆巖含水層應(yīng)力先增加后降低；停采線側(cè)覆巖含水層應(yīng)力總體呈增加趨勢。

3) 覆巖含水層滲透特性與覆巖孔隙-裂隙雙重介質(zhì)動態(tài)變化特征有關(guān)，與采動覆巖應(yīng)力變化具有耦合效應(yīng)。