趙各莊礦閉坑地下水安全警戒水位控制研究

才向軍，韓瑞剛，孟 璐，楊俊文

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；2.唐山開灤林西礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063104)

受國家調(diào)整宏觀經(jīng)濟(jì)政策和環(huán)境等因素影響，伴隨著煤炭需求量的持續(xù)降低及煤層深部開采難度逐漸增加，對于一些資源逐漸枯竭的老礦區(qū)來說，將直接面臨礦井關(guān)閉的局面[1-3]。以煤礦為例，我國煤礦數(shù)量在近20年時(shí)間里共關(guān)閉煤礦超過9萬個(gè)，截至2016年底已減少至不足8000個(gè)，預(yù)計(jì)2020年，我國關(guān)閉廢棄礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到12000處，到2030年數(shù)量將到達(dá)15000處[4，5]。

礦山關(guān)閉后由于停電和停止排水、通風(fēng)等功能運(yùn)行，井下水位逐漸抬升，最終在井下采空區(qū)及廢棄巷道中形成龐大的積水體，對鄰近生產(chǎn)礦井造成嚴(yán)重威脅。對于閉坑礦井水害問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的相關(guān)研究工作，從目前研究來看[6-12]，對于閉坑礦井水害研究主要考慮小煤礦或整合礦井關(guān)閉并完全停止排水后，地下水位不斷回升直至與區(qū)域地下水位平衡過程中地下水位回升規(guī)律、礦井積水量預(yù)計(jì)等方面，對于如何控制閉坑礦井回升水位，保障存在導(dǎo)通關(guān)系的相鄰礦井安全生產(chǎn)相關(guān)研究較少。楊高峰等[13]針對晉城礦區(qū)鳳凰山礦周邊閉坑礦井水害問題提出了威脅水位的概念，指出將閉坑礦井中水位控制在特定標(biāo)高以下，確保鳳凰山礦安全生產(chǎn)。本文在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，以趙各莊礦為研究對象，提出安全水位和警戒水位的概念，保障趙各莊礦相鄰礦井的安全生產(chǎn)，并對閉坑礦井控制警戒水位所需要的排水量進(jìn)行了分析，研究成果對實(shí)現(xiàn)安全閉坑有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 安全水位與警戒水位確定

對于存在相鄰礦井正在生產(chǎn)的閉坑礦井來說，由于停止排水，采空區(qū)開始充水，隨著次生水位的上升，水壓逐漸增大，存在礦界煤柱突破潰水的危險(xiǎn)。同時(shí)由于相鄰礦井開采層位相同，形成的采空區(qū)或?qū)严稁嗷ミB通，閉坑礦井次生水可通過裂隙帶涌入相鄰礦井，造成相鄰礦井涌水量增大，也存在一定的威脅。當(dāng)趙各莊礦閉坑后，導(dǎo)致原有排水條件發(fā)生改變，礦區(qū)原有的地下水平衡狀態(tài)會(huì)再次發(fā)生改變，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。礦井內(nèi)水位升至一定高度后，大量積水可能通過原有溝通的巷道、已被壓實(shí)的采空區(qū)浸潤后軟化、局部殘存煤柱軟化等途徑泄入或者潰入林西礦。

為保障趙各莊礦閉坑后林西礦能夠正常安全生產(chǎn)，在趙各莊礦閉坑基礎(chǔ)上提出了安全水位和警戒水位的概念，即通過資料核實(shí)把閉坑礦井與相鄰生產(chǎn)礦井最低溝通點(diǎn)處標(biāo)高稱作安全水位，閉坑礦井內(nèi)水位標(biāo)高要始終低于安全水位；警戒水位位于安全水位標(biāo)高以下，起到提前預(yù)警的作用，警戒水位的確定需要從礦井開采情況、邊界煤柱留設(shè)、閉坑礦井水位回升高度以及規(guī)律等方面綜合考慮。

2 趙各莊礦研究區(qū)概況

2.1 趙各莊礦含水層情況

趙各莊礦含水層主要由寒武系含水層、奧陶系碳酸鹽巖含水層和含煤巖系砂巖含水層等組成。其中，含煤巖系砂巖含水層是礦井的直接充水含水層[14]，當(dāng)趙各莊礦停產(chǎn)后，水位恢復(fù)主要受含煤巖系砂巖含水層中的裂隙含水層和采空區(qū)的老空水影響，5煤頂板含水層被隔水性能較好的黏土層覆蓋，考慮到受資料限制，將5煤至12煤之間的砂巖裂隙承壓含水層概化為一層含水層，作為本次研究的對象。

2.2 趙各莊礦與相鄰礦井溝通情況

趙各莊井田位于河北省唐山市東北方向古冶區(qū)，開平向斜東北端[15]，東臨原唐家莊礦，南與林西礦相接，西以巍山一高山西側(cè)發(fā)育的屯壓性斷層為界，北部邊界為長山溝斷層。趙各莊與鄰礦位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 趙各莊與鄰礦位置關(guān)系

由于歷史原因，趙各莊礦與鄰礦在各煤層均有采掘溝通，在回采過程中，互有越界開采，導(dǎo)致煤柱破壞甚至導(dǎo)通，尤其在林西礦的九東采區(qū)邊界煤柱較薄，且多處有導(dǎo)通點(diǎn)。通過對三礦各煤層開采破壞情況進(jìn)行核實(shí)分析，趙各莊礦鄰礦溝通點(diǎn)最低標(biāo)高約為-570m，因趙各莊礦七東5石門上山眼與林西礦九東3石門西運(yùn)巷掘透導(dǎo)致兩礦溝通。

3 趙各莊礦水位回升過程

3.1 水位回升模型概化

3.1.1 水文地質(zhì)概念模型

為了研究趙各莊礦閉坑后對林西礦的影響，在建立模型過程中要充分考慮到兩個(gè)礦的實(shí)際情況，并以兩礦為重點(diǎn)研究對象。林西礦、趙各莊礦和周邊區(qū)域流場與水力特征：趙各莊礦屬于“基本封閉型”水文地質(zhì)單元，經(jīng)過資料分析，趙各莊礦的西部、北部和南部邊界均為隔水性質(zhì)邊界，西南端會(huì)有微弱的補(bǔ)給，東部邊界為排泄區(qū)。本次模擬范圍的具體確定為：將北部邊界定為趙各莊礦北邊界，為隔水邊界，西部邊界(林西礦)為西邊界(隔水邊界)，其余部分以從礦界外擴(kuò)605～7360m，為一般流量邊界，模擬區(qū)的范圍如圖2所示。

圖2 模擬區(qū)邊界類型

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件分析，依據(jù)研究區(qū)抽水試驗(yàn)確定含煤巖系砂巖含水層滲透系數(shù)K=0.0547m/d，單位涌水量q=0.008385～0.092L/(s·m)，屬于弱富水性含水層。

區(qū)域地下水的補(bǔ)給來源有兩個(gè)方面：一是在露頭區(qū)直接接受大氣降水的補(bǔ)給，由于降水集中，地面排水暢通，一般補(bǔ)給條件較差；二是在第四系沖積層覆蓋區(qū)域，接受第四系含水層的滲入補(bǔ)給。徑流主要是層間徑流。排泄主要是礦井開采疏干、工業(yè)或居民用水。本次研究主要考慮含水層內(nèi)的側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄方式為礦井采用水泵人工抽水方式排泄。

井田內(nèi)大型斷層較少，僅東部所見F1斷層落差較大，但實(shí)見F1斷層不導(dǎo)水也不含水，因此不考慮斷層對礦區(qū)流暢的影響。

3.1.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)滲流的連續(xù)性方程和達(dá)西定律，結(jié)合研究區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型相對應(yīng)的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型如下：

H(x，y，z，t)∣t=0=H0(x，y，z)

H(x，y，z，t)∣(x，y，z)∈B1=H1(x，y，z，t)

此次研究區(qū)研究屬于求解區(qū)域非穩(wěn)定滲流的問題，其中，邊界條件和初始位置條件是已知的定解條件，將邊界條件概化為用流量來表示的邊界條件，將趙各莊閉坑后的含水層初始水位-1200m設(shè)置為含水層初始條件。

3.1.3 安全水位確定

趙各莊礦閉井后會(huì)形成儲(chǔ)水空間，井內(nèi)水位不斷上升，根據(jù)趙各莊礦與鄰礦開采情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，兩礦最低溝通點(diǎn)標(biāo)高為-570m，將-570m確定為此次建立模型水位回升的安全水位，以此來預(yù)測模型水位回升到安全水位的時(shí)間。

3.2 趙各莊礦水位回升模型建立及驗(yàn)證

根據(jù)掌握資料，對林西礦和趙各莊礦的水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，建立Modflow模型，如圖3所示，并對模型的邊界條件、初始條件以及水文參數(shù)進(jìn)行擬合、調(diào)整，建立符合此次研究區(qū)的礦井地下水系統(tǒng)可視化三維滲流數(shù)值模型，研究地下水流場的實(shí)際變化規(guī)律。

圖3 趙各莊礦Modflow模型網(wǎng)格劃分

廢棄礦井中生產(chǎn)時(shí)期排空的含水空間被井下涌水點(diǎn)的涌水不斷充填淹沒，地下水首先進(jìn)入井巷系統(tǒng)，再由井巷系統(tǒng)滲入圍巖，形成廢棄礦井地下水的充水淹沒過程。本文利用Visual Modflow數(shù)值模擬軟件對趙各莊閉坑后對地下水流動(dòng)系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理分析，根據(jù)礦井資料，初步將模型中注水井的注水量設(shè)置為礦井最大涌水量33m3/min。針對趙各莊礦井建模過程中受資料限制、長期水位觀測孔資料較少的情況，基于閉坑礦井充水原理，擬采用數(shù)值模型中的注水井本身作為觀測井，利用積水空間法計(jì)算趙各莊礦采空區(qū)充水時(shí)間作為驗(yàn)證資料，以此對建立模型的水文參數(shù)進(jìn)行修正。

趙各莊礦閉坑初期礦井水位回升速度與模型中注水井中水位回升速度應(yīng)基本保持一致，此時(shí)主要為采空區(qū)充水，礦井采空區(qū)充水計(jì)算時(shí)間與模型計(jì)算結(jié)果如圖4所示，通過圖4可以看出，該模型擬合狀況較好，基本符合地下水位的變化趨勢，證明識別后的水文地質(zhì)參數(shù)基本符合研究區(qū)實(shí)際情況。

圖4 趙各莊礦井排水系統(tǒng)處水位回升時(shí)間

3.3 水位回升的動(dòng)態(tài)規(guī)律分析

為實(shí)時(shí)監(jiān)測趙各莊礦閉坑后水位回升情況，在模型中兩礦邊界處增加水文觀測孔來分析邊界處水位回升規(guī)律，將礦井閉坑的時(shí)間設(shè)置為初始的時(shí)間，計(jì)算時(shí)間步長設(shè)置為7300d，將模型中趙各莊礦以注水井的形式模擬含水層中水流匯聚，水位回升的情形。研究區(qū)閉坑后地下水流場預(yù)測如圖5所示。

圖5 研究區(qū)閉坑后地下水流場預(yù)測(m)

對比趙各莊礦井閉坑后1a、1.5a、2a及3a的流場圖發(fā)現(xiàn)，地下水水位成錐狀上升，地下水位徑流方向?yàn)閺牡V井東北方向流向西南方向，隨著模擬時(shí)間的推移，模擬初期水位回升較快，第一年時(shí)，-570m等水位線以趙各莊礦主巷道為中心向外擴(kuò)延，隨著礦井內(nèi)水位不斷回升，砂巖含水層一直接受補(bǔ)給，導(dǎo)致含水層內(nèi)水力梯度不斷減小，與補(bǔ)給源處之間的水位差也不斷減小，水位回升的速度明顯變慢，到第三年時(shí)，林趙兩礦邊界處的水位達(dá)到了安全水位，此時(shí)若趙各莊礦內(nèi)的水位繼續(xù)回升，大量積水將通過溝通點(diǎn)泄入林西礦，影響林西礦的安全生產(chǎn)。

觀測孔水位標(biāo)高曲線如圖6所示，由圖6可知，趙各莊礦關(guān)閉礦井第一年內(nèi)水位回升速度較快，第一年后水位回升速率會(huì)逐漸變慢，受到趙各莊礦與鄰礦開采的影響，需要將水位控制在安全水位以下，即趙各莊礦井內(nèi)水位不能達(dá)到區(qū)域平衡狀態(tài)，所以第三年時(shí)水位回升的速率仍然比較大，且趙各莊礦井內(nèi)水位較高，已經(jīng)接近安全水位，因此建議最晚在第一年半末進(jìn)行強(qiáng)排，保證礦井水位始終處于安全水位以下。

圖6 觀測孔水位標(biāo)高曲線

4 警戒水位控制研究

4.1 警戒水位的確定

通過對趙各莊礦與相鄰礦井開采破壞情況核實(shí)，趙各莊礦與林西礦最低溝通點(diǎn)標(biāo)高約為-570m，但由于時(shí)間跨度大，各種數(shù)據(jù)不全，加之淺部地方小煤礦眾多，其溝通情況特別是最低溝通點(diǎn)標(biāo)高確定應(yīng)留有余地。從安全角度考慮，結(jié)合趙各莊礦閉坑后水位回升數(shù)值模擬結(jié)果分析，將-575m設(shè)置為警戒水位，控制趙各莊礦內(nèi)水位不再升高。

4.2 排水量確定

當(dāng)趙各莊礦與林西礦邊界處水位達(dá)到-575m時(shí)，若趙各莊不進(jìn)行排水控制，老空水會(huì)通過兩礦邊界處的溝通點(diǎn)泄入林西礦造成危害，利用大井法以及數(shù)值方法對礦井閉坑后涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測，并通過模塊Zone Budget 對涌水量預(yù)測分析，當(dāng)趙各莊礦內(nèi)水位突破安全水位時(shí)，林西礦增加的涌水量為12.5m3/min，此時(shí)需要增加林西礦的排水能力，控制趙各莊礦水位處于警戒水位以下。

4.3 排水-警戒水位控制研究

通過對趙各莊礦水位回升數(shù)值模擬結(jié)果可知，趙各莊礦關(guān)井三年時(shí)，礦井邊界水位已經(jīng)超過了-570m，對林西礦構(gòu)成了極大的威脅。因此，為防止出現(xiàn)這種危險(xiǎn)，根據(jù)水位回升規(guī)律，需至少在趙各莊礦停礦一年半時(shí)進(jìn)行抽水排放，從安全角度考慮，控制礦井內(nèi)水位低于安全警戒水位-575m，保障林西礦的安全生產(chǎn)。

根據(jù)對趙各莊礦井閉坑后涌水量的預(yù)測，確定從林西礦進(jìn)行排水控制趙各莊礦井內(nèi)水位不再上升，排水量為12.5m3/min，并對林西礦排水過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，觀察趙各莊礦內(nèi)水位回升情況。林西礦抽水半年和抽水一年半(停礦3年)水位情況分別如圖7、圖8所示。

圖7 林西礦抽水半年(停礦2年)水位情況(m)

圖8 林西礦抽水一年半(停礦3年)水位情況(m)

通過圖7和圖8可以看出，此時(shí)警戒水位線-575m一直處于林西礦區(qū)外，說明此時(shí)排水量基本控制住了趙各莊礦含水層對林西礦含水層的補(bǔ)給量。即趙各莊礦閉井后若不進(jìn)行排水，當(dāng)趙各莊水位達(dá)到-575m時(shí)，林西礦會(huì)增加的涌水量為12.5m3/min。

5 結(jié) 論

1)對于與相鄰礦井有溝通閉坑礦井，不能僅僅考慮閉坑礦井水位回升時(shí)間，應(yīng)該全面調(diào)查溝通情況，確定好安全水位與警戒水位。

2)趙各莊礦關(guān)閉礦井后水位回升較快，兩年時(shí)礦井水位逼近兩礦邊界，第一年半至第二年水位回升速度減慢，但是水位較高，因此最晚應(yīng)該在第一年半末進(jìn)行強(qiáng)排，保證礦井水位始終處于警戒水位以下。

3)考慮從鄰礦林西礦排水控制趙各莊礦井內(nèi)水位在警戒水位標(biāo)高之下時(shí)，此時(shí)林西礦增加的排水量為12.5m3/min。