侏羅系煤層頂板涌水量動態(tài)變化及其形成機制分析

許成成，許光泉，張海濤

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

鄂爾多斯盆地淺部為中生代煤層，其開采過程中主要受頂板砂巖裂隙水害威脅，存在富水性的非均勻性、采動過程形成的“離層水”問題。如何準確預(yù)測工作面回采過程中涌水量的變化，弄清其形成充水的條件和控制因素，一直是該地區(qū)煤礦安全開采的關(guān)注焦點。預(yù)測工作面涌水量、設(shè)計各級排水能力、采取疏排水措施、杜絕重大水害事故的發(fā)生也是礦山水害防治的主題[1-4]。其中，“大井法”是最常用的礦坑涌水量預(yù)測方法，但對于非均質(zhì)、各向異性的復(fù)雜含水層難以解決實際問題[5-7]，通過對比“大井法”與數(shù)值法預(yù)測礦坑涌水量，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果顯然更接近實際[8-10]。目前，我國西部礦區(qū)在侏羅系煤層開采過程中的頂板砂巖上，多數(shù)礦區(qū)尚未建立地下水觀測系統(tǒng)，在回采過程中，水文地質(zhì)試驗資料難以獲取，相關(guān)研究由于條件分析不足而存在一定的局限性[11-13]。

針對鄂爾多斯盆地北部礦區(qū)的泊江海子煤礦，為確保工作面安全回采，前期在113101、113102工作面的巷道兩側(cè)開展煤頂板侏羅系中統(tǒng)砂巖含水層疏放試驗研究，并采用“大井法”進行預(yù)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)測與實際生產(chǎn)揭露在涌水量上存在大于70%的誤差，造成礦井排水設(shè)施的巨大浪費，其主要問題是對含水層滲透性在空間上的非均勻性沒有考慮到計算中，致使回采過程中的涌水量不能反映客觀實際。為此，本次在分析前期水文補充勘探成果及井下疏放水試驗資料的基礎(chǔ)上，分析了煤層頂板含水層介質(zhì)及滲透性在空間上的差異性，建立其三維數(shù)值模擬模型[14-17]，利用2016年以來的井下放水試驗數(shù)據(jù)[18-20]，進行識別和驗證，對研究區(qū)——泊江海子煤礦進行了初步參數(shù)分區(qū)并預(yù)測其113106工作面的涌水量變化，最后分析涌水量空間變化規(guī)律的客觀原因，為科學(xué)、合理布置工作面涌水量的排水設(shè)施、確保安全回采奠定基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)概況

泊江海子煤礦位于鄂爾多斯盆地北部礦區(qū)，其采用深井開采，開采深度大于500 m。該煤礦水文地質(zhì)條件相對較為復(fù)雜，礦區(qū)自上而下主要含水層包括第四系(Q)松散層潛水含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)孔隙裂隙潛水-承壓水含水層、侏羅系中統(tǒng)(J2)承壓水含水層、侏羅系中、下統(tǒng)延安組(J1-2y)承壓水含水層、三疊系上統(tǒng)延長組(T3y)承壓水含水層。

目前開采煤層受夾雜兩隔水層之間的侏羅系中統(tǒng)含水層的影響，為主要充水含水層，該含水層單位涌水量為0.0015～0.1171 L/s，富水性弱-中等，滲透系數(shù)為0.00077～0.0654 m/d，滲透性在空間上分布不均勻。

現(xiàn)階段所采的一盤區(qū)，包括7個工作面，其中113101、113102工作面已結(jié)束，工作面的充水水源主要為侏羅系中統(tǒng)和中下統(tǒng)延安組孔隙-裂隙水。受已采的兩個工作面影響，其上白堊系含水層通過采動裂隙，與下部侏羅系中統(tǒng)水含水層發(fā)生了較弱水力聯(lián)系。自然條件下，中統(tǒng)地下水水平徑流緩慢，且與上部白堊系及下統(tǒng)延安組基本不存在水力聯(lián)系,僅在構(gòu)造發(fā)育的位置發(fā)育一定的水力聯(lián)系。通過一盤區(qū)開采揭露發(fā)現(xiàn)，113101、113102工作面為富水性較弱、滲透性較差塊段，向113106工作面方向，其富水性、滲透性逐漸增加，表現(xiàn)為滲透性較好、富水弱-中等。

侏羅系中統(tǒng)在整個井田內(nèi)南部厚度較大，北部厚度變薄，與下伏延安組呈平行不整合接觸，采動后，形成了以回采面為中心的地下水降落漏斗。研究區(qū)位置與水文地質(zhì)圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置與水文地質(zhì)圖

3 煤層頂板地下水的數(shù)值模擬

3.1 水文地質(zhì)條件的概化

泊江海子礦位于一個小徑流盆地區(qū)域的中部，第四系松散層和白堊系風(fēng)化帶接受大氣降水入滲補給，通過采動裂隙間侏羅系中統(tǒng)含水層接受上覆白堊系含水層的間接補給，然后通過井下疏放水和井下開采進行排泄，最終形成了在無限含水層系統(tǒng)中存在一個“抽水”影響的降落漏斗。

泊江海子礦113106工作面上覆的侏羅系中統(tǒng)含水層在一盤區(qū)范圍平均厚度為137.5 m，具有非均質(zhì)性，受113101、113102工作面采動以及井下疏放水的影響，由四周向盤區(qū)匯聚。

本次模擬范圍東西長3.557 km，南北寬3.363 km。依區(qū)內(nèi)含水層結(jié)構(gòu)特性，模擬含水層的上部發(fā)育厚度為11.2 m隔水層，但由于采動影響，發(fā)生一定的水量補給，為弱補給邊界；其下部礫石層為隔水層，而含水層漏斗周邊為側(cè)向補給邊界。

可以將模擬區(qū)概化為上部與白堊系存在一定水力聯(lián)系(弱補給邊界)、下部為隔水、四周為側(cè)向補給的三維承壓非穩(wěn)定流地下水流模型。

3.2 數(shù)學(xué)模型

通過上述水文地質(zhì)條件的分析，將影響泊江海子礦113106工作面開采的含水層地下水運動的數(shù)學(xué)模型，描述成非均質(zhì)各向異性的三維承壓含水層，其數(shù)學(xué)表達式為:

式中：kxx、kyy、kzz為x，y，z軸上的滲透系數(shù)，m/d；H、H0為地下水水位，m；W為白堊系含水層弱滲透補給量，m3/h；P為井下的疏放水量，m3/h；Ss為含水層的彈性釋水率，m-1；t為時間，d ；Γ1為一類邊界；Ω為模擬區(qū)。

3.3 模型的識別與驗證

依據(jù)侏羅系中統(tǒng)(J2)承壓含水層厚度及其內(nèi)部滲透性變化，將研究區(qū)在平面上剖分為100行，100列，共計10 000個單元格。

利用前期礦井上下的水文地質(zhì)勘探成果，對含水層參數(shù)進行賦初始值。

(1)模擬初始條件。采用2018年3月30日12:00時模擬含水層的各觀測孔水位為初始值。

(2)模擬時段選定。選取2018年3月30日12:00時-2018年4月20日12:00時為模型識別期，分為21個地下水應(yīng)力期，每應(yīng)力期時間步長設(shè)為1，遞增因子為1.2；選取2018年4月20日12:00時-5月10日12:00時為為模型的驗證期，該階段為井下疏放試驗期，疏放水量和井下水壓及地面水位數(shù)據(jù)較為翔實。

經(jīng)反復(fù)調(diào)整不同區(qū)塊的含水層參數(shù)，對模擬含水層的觀測孔水位計算值與觀測值進行擬合，使其二者誤差小于10%，并滿足水量均衡條件，不同時段部分觀測孔水文3#、水廠6、水文1#、水廠J11水位計算值與模擬值的擬合結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 模型識別期部分觀測孔水位擬合曲線

圖3 模型驗證期部分觀測孔水位擬合曲線

(3)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)。經(jīng)對模型識別與驗證后，侏羅系中統(tǒng)(J2)承壓含水層滲透系數(shù)和彈性釋水率對地下水流場的形態(tài)具有較大影響。各水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)如圖5所示，具體參數(shù)值見表1。

分區(qū)結(jié)果顯示，隨著113106工作面推進，從分區(qū)6至9至10至2，滲透系數(shù)從0.026 m/d逐漸增加至0.038 m/d，在模擬區(qū)中部，即113101、113102工作面附近，滲透系數(shù)相對較小，分區(qū)8處滲透系數(shù)僅有0.021m/d，分區(qū)3處得到最小值0.017 m/d，在113106工作面西側(cè)，分區(qū)1、7的滲透系數(shù)相對較大，達到了0.030 m/d。

圖4 計算值與觀測值相關(guān)性分析

圖5 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

表1 各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)

3.4 工作面推進過程不同階段涌水量預(yù)計

從切眼開始，將113106面設(shè)計為8個推進回采塊段，每個塊段回采周期為1個月，并以影響回采范圍內(nèi)中統(tǒng)含水層水位降至其底板，即實現(xiàn)局部疏干進行分段預(yù)測，其涌水量空間變化如圖6所示。

圖6 113106工作面推進過程涌水量變化

由圖6可看出，在113106工作面開采推進過程中，導(dǎo)水裂縫帶波及侏羅系中統(tǒng)含水層，塊段1至塊段8工作面回采期間涌水量不斷增大，由初期的86.23 m3/h，至第8塊段時，累計涌水疏放量為408.05 m3/h。隨著工作面的推進，其降深影響范圍增大，含水層水位開始疏干，其動態(tài)變化趨勢如圖7所示。

圖7 113106工作面回采過程地下水位疏干變化趨勢(單位：m)

4 涌水量空間變化規(guī)律

涌水量空間的變化主要與含水層富水性大小以及各含水層之間的水力聯(lián)系、滲透性等因素相關(guān)，從利用塊段預(yù)測涌水量的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，113106工作面推進過程中，其涌水量異常增大，含水層富水性、各層之間的水力聯(lián)系、滲透性在不同塊段的差異較大，其形成機制分析如下。

4.1 地質(zhì)構(gòu)造控制

113106工作面位于蘇家村向斜核部，勘探期間揭露兩條落差較大的正斷層，其走向東西。褶皺不僅導(dǎo)致頂板砂巖含水層中小斷層和裂隙較發(fā)育(井下巷道掘進過程已得到了進一步的驗證，如圖8所示)，也是導(dǎo)致3-1煤層底板起伏變化比113101工作面低近50 m。因此，在向斜核部，砂巖裂隙相對發(fā)育，為充水良好通道，且在含水層地勢低洼處形成了集中匯水區(qū)，這也是井下巷道疏放水過程中該處水量較大的緣由，同時也驗證了該面由切眼向收作線推進過程中，模擬計算涌水量動態(tài)變化的依據(jù)。

4.2 沉積環(huán)境的變化

利用113106工作面疏放水孔對上覆侏羅系中統(tǒng)直羅組下部含水層的揭露發(fā)現(xiàn)，由切眼向收作線方向，其巖性變化規(guī)律為：從灰白色粗、中粒砂巖為輔，深灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，逐漸向粗、中粒砂巖為主、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為輔的結(jié)構(gòu)變化，表明中統(tǒng)含水層為辮狀河沉積，其中，粗、中粒砂巖為河道沉積，而粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為天然堤和河流澗彎沉積，侏羅系中統(tǒng)含水層地下水主要儲存于辮狀河道的中細砂巖和中粗砂巖的裂隙-孔隙中，為主要富水區(qū)域，而河流澗彎泥巖為隔水層，同時辮狀河沉積相富水性強于淺湖、濱湖沉積相，中等富水性是辮狀河河道主要富水性[21]，如圖8剖面圖所示。通過對井田內(nèi)侏羅系中統(tǒng)直羅組的巖性比例統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，粗砂巖分布比例較大，大范圍的粗砂分布使得地下水的存儲空間進一步加大，進而影響了工作面放水試驗涌水量大小。

圖8 控制涌水量的構(gòu)造與沉積因素

5 結(jié) 論

通過對研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析，結(jié)合數(shù)值模擬得出以下結(jié)果：

(1)通過對礦區(qū)的數(shù)值模擬，對泊江海子礦做了基礎(chǔ)水文參數(shù)分區(qū)，結(jié)果表明隨著113106工作面推進，滲透系數(shù)不斷加大，而已經(jīng)開采的113101、113102工作面處滲透系數(shù)相對較小，此參數(shù)分區(qū)為下一步礦區(qū)安全開采提供一定借鑒。

(2)褶皺的起伏導(dǎo)致向收作線方向頂板砂巖裂隙數(shù)逐漸增多，并形成古地貌低洼，再加上頂板含水層巖性由泥質(zhì)粉砂向中粗砂的沉積相變，共同疊加控制了砂巖水在空間上賦存與富水性程度。