陜北榆神礦區(qū)煤層開采頂板涌水規(guī)律分析

趙春虎，靳德武，李智學(xué)，申小龍，王 皓，王世東，許 峰，王強民

(1.中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710177; 3.陜西投資集團有限公司,陜西 西安 710061; 4.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司,陜西 西安 710021)

榆神礦區(qū)地處西部干旱與半干旱地區(qū)，毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，是我國陜北煤炭基地的重要組成部分，近地表第四系薩拉烏蘇組松散孔隙含水層是區(qū)內(nèi)惟一具有供水意義和重要生態(tài)價值的含水層[1]，為礦區(qū)保水采煤的目標保護層[2]。煤層開采形成的采動裂隙發(fā)育至基巖含水層內(nèi)部甚至近地表的松散層含水層，導(dǎo)致含水層地下水沿采動導(dǎo)水裂隙間接或直接涌入采掘空間，一般形成大而穩(wěn)定的頂板涌水問題[3]，也加劇了礦區(qū)水資源短缺局面以及生態(tài)環(huán)境的負效應(yīng)[4-5]。因此，煤層開采過程中頂板水害防控與地下水資源協(xié)同保護是煤炭可持續(xù)開發(fā)面臨的一項主要問題。

針對礦區(qū)“煤水”協(xié)調(diào)問題，董書寧等[6-7]系統(tǒng)提出了西部礦區(qū)典型頂板水害防控技術(shù)，彭蘇萍等[8]系統(tǒng)總結(jié)了煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。李智學(xué)、申小龍等[9-10]系統(tǒng)分析了榆神礦區(qū)最上可采煤層賦存特征、上覆主要含(隔)水層空間分布規(guī)律及組合類型，李文平等[11]根據(jù)主采煤層上覆基巖、松散含水層及隔水層的空間分布特征，將榆神府礦區(qū)“保水采煤”工程地質(zhì)條件分為砂土基型、砂基型、土基型、基巖型、燒變巖型5類，王雙明等[1]根據(jù)“三圖預(yù)測法”將榆神礦區(qū)劃分為貧水、保水限定、可控保水和自然保水4個保水采煤類型分區(qū)。王啟慶等[12]根據(jù)煤層開采對松散層潛水的影響程度，將礦區(qū)劃分為不涌水、輕微涌水、一般涌水、嚴重涌水4個分區(qū)，鄧念東等[13]把白堊系洛河組含水層也作為保水對象，將礦區(qū)劃分為沙-土-洛-基型、沙-土-基型、沙-基型、無水開采區(qū)與燒變巖型5個保水開采分區(qū)，筆者[14]采用地下水?dāng)?shù)值模擬方法研究了神東礦區(qū)淺埋煤層開采松散含水層涌水量，相關(guān)研究成果豐富了礦區(qū)保水采煤技術(shù)實踐。

目前保水采煤理論與技術(shù)主要以“覆巖分帶理論”為研究基礎(chǔ)，以分析不同采煤條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與覆巖含水層的空間關(guān)系為研究重點[15-16]，其基本認識為導(dǎo)水裂隙未溝通保水目標層或隔水土層，未造成地下水資源大量漏失，即認為可以實現(xiàn)保水開采。陜北榆神礦區(qū)分4個規(guī)劃期，各期主采煤層賦存特征差異較大，針對煤層開采引起含水層涌水規(guī)律的相關(guān)研究大多集中在開采程度高、開采煤層埋深相對較淺的一、二期規(guī)劃區(qū)以及北部的神府礦區(qū)，其研究成果在榆神中深部的三、四期規(guī)劃區(qū)應(yīng)用方面存在一定局限性。筆者通過系統(tǒng)整理分析榆神礦區(qū)主采煤層地質(zhì)、水文地質(zhì)特征以及導(dǎo)水裂隙帶的相關(guān)研究成果，總結(jié)榆神礦區(qū)主采煤層開采含水層3種涌水模式，并采用地下水系統(tǒng)數(shù)值分析手段，構(gòu)建了礦區(qū)典型煤礦工作面尺度上3種模式的涌水分析模型，定量分析了采煤導(dǎo)致的含水層地下水的涌水規(guī)律。

1 主采煤層水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

1.1 主采煤層賦存特征

榆神礦區(qū)位于毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，地貌單元上劃分為風(fēng)沙地貌、黃土地貌及河谷地貌3種類型，地勢呈西北高東南低，地層總體表現(xiàn)為向北西緩傾的單斜，地質(zhì)構(gòu)造相對簡單。

礦區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)，覆巖由下至上依次為侏羅系直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系洛河組(K1l)，新近系保德組(N2b)，第四系離石組(Q2l)、第四系薩拉烏蘇組(Q3s)，以及風(fēng)積層(Q4eol)與沖積層(Q4al)。如圖1，2所示，由于地層剝蝕，侏羅系延安組含煤地層保存不完整，礦區(qū)從東南向西北可采煤層5-2，4-2，3-1，2-2，1-2呈階梯狀分布，覆巖層組合及厚度差異較大，其中東部的榆神二期主采煤層由西北向東南依次為5-2，4-2，3-1;中東部的榆神一期主采煤層為2-2，中部榆神三期主采煤層除小壕兔一、二號井田為1-2外，其他區(qū)域均為2-2;西部榆神四期主采煤層為1-2，2-2，總體上各主采煤層埋深由東至西逐步增大。

圖2 礦區(qū)典型地質(zhì)鉆孔柱狀Fig.2 Hydrogeologic histogram of typical boreholes in mining area

1.2 主采煤層覆巖含、隔水層

根據(jù)榆神礦區(qū)主采煤層覆巖的地層巖性，以及地層剝蝕、風(fēng)化、燒變等作用，劃分主采煤層覆巖含、隔水層見表1。

表1 榆神礦區(qū)主采煤層覆巖含隔水層特征Table 1 Characteristic table of overlying aquifer and aquifer of the top mineable coal seam in Yushen mining area

松散孔隙潛水含水層組，主要指第四系沖積層(Q4al)、風(fēng)積層(Q4eol)以及薩拉烏蘇組(Q3s)，基本全區(qū)分布，一般3層具有較為統(tǒng)一的水力聯(lián)系，一般劃分為松散孔隙潛水含水層組，據(jù)礦區(qū)金雞灘、錦界、涼水井、曹家灘、大保當(dāng)、爾林灘、爾林兔等井田抽水試驗資料，滲透系數(shù)0.013～23.582 m/d，水位埋深一般小于3 m，富水性大部分較好，是礦區(qū)煤層開采保水的目標含水層。

基巖裂隙含水層組，礦區(qū)主采煤層上覆基巖地層自下而上分別為延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、洛河組(K1l)正?；鶐r地層，據(jù)榆神一期杭來灣、曹家灘、大保當(dāng)、神樹畔等井田，二期香水河、何興梁、馬王廟、朱家塔等井田，三期小壕兔一號、二號及小保當(dāng)一號等井田，四期爾林灘、孟家灣西、中雞等井田對不同基巖含水層抽水試驗資料顯示，滲透系數(shù)0.006～2.135 m/d，基巖裂隙含水層組富水性一般較弱。如圖2所示，基巖厚度總體由東南向西北增厚，由于上部受風(fēng)化剝蝕作用影響，在礦區(qū)中東部區(qū)(一、二期)，洛河組(K1l)基巖地層缺失，主采煤層上覆基巖層巖性和厚度變化較大。

風(fēng)化基巖含水層，基巖頂部巖石頂面受到不同程度的風(fēng)化，結(jié)構(gòu)雜亂，松軟易碎，受地形地貌、上覆含水層特征、風(fēng)化程度等影響，風(fēng)化基巖含水層富水性變化較大，滲透系數(shù)0.012～4.992 m/d[17-18],礦區(qū)由西向東發(fā)育層位依次為洛河組(K1l)、安定組(J2a)、直羅組(J2z)與延安組(J2y)[19]。

燒變巖孔洞裂隙含水層，是指因煤層自燃頂板塌落及后期風(fēng)化等形成裂隙孔洞發(fā)育的燒變巖帶，由于巖層破碎，透水性好，其富水性變化較大，主要與自燃煤層、燒變巖特征及燒變巖上覆松散含水層組的富水性有關(guān)，其分布范圍相對局限，主要在二期各大溝谷兩側(cè)呈條帶狀分布，據(jù)錦界、西灣、榆樹灣、杭來灣、上河、高家界、河興梁等井田勘探鉆孔抽水試驗資料，滲透系數(shù)0.006～74.103 m/d。

主隔水層是由第四系離石組(Q2l)黃土和新近系保德組(N2b)紅土共同組成的隔水土層[20]，是上覆松散孔隙潛水含水層組的直接隔水底板，基本全區(qū)分布，該土層組的連續(xù)性、厚度、天然及采動后的滲透系數(shù)變化等對保護松散含水層意義重大，被定為榆神礦區(qū)的隔水關(guān)鍵層[21-22]。

亞隔水層，在榆神礦區(qū)中-深煤層區(qū)，侏羅系地層中滲透能力弱的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與滲透能力較好的中、細粒砂巖相互交錯，其中侏羅系安定組地層(J2a)以含泥巖、砂質(zhì)泥巖沉積為主，厚度較為穩(wěn)定，一般劃分為相對隔水層[23-24]。

2 主采煤層開采含水層涌水模式

由于采動導(dǎo)水裂隙具有極強的導(dǎo)水能力，是引起含水層涌水的控制因素，通過分析榆神礦區(qū)主采煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶與上覆含、隔水層組的空間組合關(guān)系，以及引起含水層涌水特征，提出榆神礦區(qū)最上煤層開采含水層涌水模式。

2.1 榆神礦區(qū)主采煤層采動導(dǎo)高分析

通過整理分析榆神礦區(qū)生產(chǎn)礦井導(dǎo)水裂隙帶高度研究成果，見表2。礦區(qū)煤層埋深、覆巖結(jié)構(gòu)差異明顯，主采煤層開采裂采比變化較大(15～28倍)，均值23倍。其中榆神東部與南部淺埋煤層區(qū)，主采煤層開采(如4-2,3-1煤層等)導(dǎo)水裂隙易溝通風(fēng)化基巖與松散含水層(如柳巷、涼水井、錦界等煤礦);中南部中埋深煤層區(qū)，由于主采煤層2-2厚度大，曹家灘、榆樹灣等生產(chǎn)礦井一般采用分層開采，實測分層開采導(dǎo)水裂隙一般發(fā)育至基巖內(nèi)部，通過相似材料模擬得出一次采全高條件下導(dǎo)水裂隙易發(fā)育至土層甚至松散層內(nèi)[21,27];中部與西部深埋煤層區(qū)，主采煤層(如2-2,1-2煤層)開采導(dǎo)水裂隙僅發(fā)育在基巖含水層內(nèi)部(如榆樹灣、金雞灘、隆德、小壕兔等煤礦)。

表2 榆神礦區(qū)部分礦井開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶測試統(tǒng)計Table 2 Detection results of water flowing fractured zone in some mines in Yushen mining area

2.2 煤層開采含水層涌水模式

根據(jù)榆神礦區(qū)主采煤層采動導(dǎo)水裂隙與覆巖含(隔)水層的空間組合關(guān)系，以及不同組合關(guān)系下含水層涌水特征，提出3種涌水模式:

(1)淺埋煤層側(cè)向直接涌水型(圖3(a))。榆神礦區(qū)東部淺埋煤層區(qū)(一、二期)主采煤層開發(fā)時導(dǎo)水裂隙帶穿越離石、保德組發(fā)育至地表風(fēng)積沙等松散層內(nèi)，在工作面頂部局部區(qū)段內(nèi)的松散含水層被迅速疏干，該區(qū)段含水層不能得到外圍含水層側(cè)向補給，出現(xiàn)干涸;而工作面外圍的松散含水層地下水會以側(cè)向排泄的形式沿著導(dǎo)水裂縫側(cè)向邊界進入采空區(qū)內(nèi)，造成松散含水層與基巖裂隙含水層地下水沿導(dǎo)水裂隙側(cè)向直接涌入井下，形成典型的“側(cè)向直接型”涌水模式。

圖3 煤層采動含水層涌水模式示意Fig.3 Schematic diagram of water inrush in aquifer under the influence of coal seam mining

(2)中深煤層側(cè)向與垂向復(fù)合涌水型。榆神礦區(qū)中部(三期)煤層埋深相對較大(150～400 m)，如圖3(b)所示，采動導(dǎo)水裂隙直接揭露基巖含水層后延伸至離石、保德組主隔水土層底部或內(nèi)部，造成基巖含水層地下水大量漏失，基巖含水層以側(cè)向涌水為主;而采動導(dǎo)水裂隙與松散含水層之間殘留一定厚度的隔水土層，由于基巖含水層地下水的大量漏失致使與松散含水層間的水力梯度增大，以及土層彎曲變形后垂向滲透能力提高，導(dǎo)致松散含水層沿主隔水土層越流涌水，李濤等[34-35]采用水-電相似模擬技術(shù)，測試得出當(dāng)采后有效隔水層厚度為42.6 m的離石黃土或21.0 m的保德紅土?xí)r，潛水才不會顯著漏失，可見中深煤層開采易形成“側(cè)向與垂向復(fù)合”涌水模式。

(3)深埋煤層側(cè)向涌水與垂向弱涌水型。榆神礦區(qū)西部(三、四期)煤層埋深相對較大(>400 m)，如圖3(c)所示，采動導(dǎo)水裂隙發(fā)育至直羅組、延安組基巖含水層內(nèi)部或安定組亞隔水層內(nèi)，采動裂隙直接揭露的直羅組、延安組基巖含水層沿導(dǎo)水裂隙側(cè)向直接涌水，安定組亞隔水層頂部的洛河組基巖含水層間接越流涌水，而近地表的松散含水層由于存在安定組亞隔水層與離石組、保德組主隔水土層保護，地下水越流漏失微弱，易形成基巖含水層側(cè)向涌水與垂向復(fù)合隔水保護弱涌水模式。

3 典型煤礦煤層開采含水層涌水規(guī)律

3.1 采煤工作面含水層涌水分析方法

為了削弱模型邊界效應(yīng)影響，在采煤工作面尺度上的含水層涌水模型中，采用無限元域方法，將模擬區(qū)外圍定義為無限展布的含水層[37]，即將充水含水層外圍數(shù)值處理成“大范圍”的無限展布的充水含水層，減少了“小范圍”人為水頭邊界與流量邊界對預(yù)測精度的影響，寬度設(shè)置為3 000 m，走向為100 m，圖幅顯示比例調(diào)整為x∶y∶z=1∶10∶3。其中覆巖各含水層主要水力參數(shù)根據(jù)各礦井含水層實際測試資料給定(表3)。

3.2 淺埋煤層側(cè)向直接涌水型

涼水井井田位于榆神二期中北部，主采為4-2煤層，煤層厚度0.8～4.2 m，最大埋深150 m，煤層上覆松散層孔隙潛水含水層(均厚13.46 m)，離石與新保德組土層(均厚31.61 m)，基巖與風(fēng)化基巖含水層(一般厚度38 m)，4-2煤層采動導(dǎo)水裂隙已揭露松散含水層，為側(cè)向直接流失型涌水模式。

表3 模型中含、隔水層滲透系數(shù)Table 3 Permeability coefficients of main aquifers in the model

由于采動裂隙直接發(fā)育至松散含水層，如圖4所示，地下水流場受采動影響較大，形成以導(dǎo)水裂隙帶為中心的降落漏斗，其中工作面頂部與側(cè)向一定范圍內(nèi)的含水層被疏干(空白區(qū)段)，積分得出各含水層向?qū)严兜目傆克繛?7 m3/h，均來自松散層、基巖與風(fēng)化基巖含水層的側(cè)向涌水。

圖4 涼水井煤礦含水層流場特征Fig.4 Characteristics of aquifer flow field in Liangshuijing Coal Mine

表4 涼水井煤礦含水層涌水量Table 4 Water inrush of aquifer in Liangshuijing Coal Mine m3/h

3.3 深埋煤層側(cè)向涌水與垂向弱涌水型

小壕兔一號井田位于榆神四期西部，最上開采煤層為1-2號煤層，均厚4.8 m，埋深約為400 m，煤層上覆松散含水層(25 m)，離石組與保德組隔水土層(48 m)，洛河組基巖含水層(66 m)、安定組亞隔水土層(136 m)、以及直羅組與延安組基巖含水層(132 m)，按照23倍裂采比分析，1-2煤層采動導(dǎo)水裂隙帶高度約110.4 m，發(fā)育至直羅與延安組基巖含水層頂部，未揭露安定組亞隔水層，其涌水模式屬于側(cè)向與垂向復(fù)合隔水保護弱涌水型。

如圖5、表5所示，導(dǎo)水裂隙對直羅組與延安組基巖含水層流場影響較大，形成較為明顯的降落漏斗，由于安定組與離石組、保德組隔水層復(fù)合保護近地表松散含水層，地下水流場基本未發(fā)生變化，含水層總涌水量為21.87 m3/h，以側(cè)向涌水為主，頂部涌水量僅為3.27 m3/h。

圖5 小壕兔煤礦含水層流場特征Fig.5 Characteristics of aquifer flow field in Xiaohaotu Coal Mine

表5 小壕兔煤礦含水層涌水量Table 5 Water inrush of aquifer in in Xiaohaotu Coal Mine m3/h

3.4 中深煤層側(cè)向與垂向復(fù)合微涌水型

曹家灘井田位于榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)中部，主采煤層為2-2煤層，平均煤厚達11.20 m，埋深一般為300 m左右，采煤方法為分層綜采。煤層上覆松散層孔隙潛水含水層(10 m)，離石組與保德組土層(70 m)，風(fēng)化基巖含水層(26 m)、安定組亞隔水土層(22 m)以及直羅組與延安組基巖含水層(175 m)。按照23倍裂采比分析，2-2煤層分層開采高度為5 m，導(dǎo)高為115 m，發(fā)育至直羅與延安組基巖含水層中部;一次采全高10 m，導(dǎo)高為230 m，發(fā)育至離石與新保德組土層下部，均未貫通土層，其涌水模式為側(cè)向與垂向復(fù)合涌水型。

如圖6,表6所示，上分層開采導(dǎo)高為115 m時，導(dǎo)水裂隙發(fā)育至直羅與延安組基巖含水層內(nèi)部，基巖含水層以導(dǎo)水裂隙為中心形成明顯的地下水降落區(qū)，由于地表松散含水層受土層的保護，地下水流場基本未發(fā)生變化。各含水層向?qū)严兜目傆克繛?5.84 m3/h，其中側(cè)向涌水量約為23.17 m3/h，頂部含水層(含風(fēng)化基巖含水層、土層與松散含水層)地下水的垂向越流涌水量約為12.67 m3/h;一次采全高，導(dǎo)高為230 m時，導(dǎo)水裂隙直接貫通基巖含水層，發(fā)育至風(fēng)化基巖含水層底部，總涌水量增至130.31 m3/h，其中基巖含水層與風(fēng)化基巖含水層側(cè)向涌水量92.65 m3/h，由于風(fēng)化基巖含水層與近地表松散含水層之間的水力梯度增大，導(dǎo)水裂隙頂部的含水層地下水的越流涌水量增至37.66 m3/h，導(dǎo)致地表松散含水層地下水流場發(fā)生明顯變化，工作面頂部地下水流向發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

表6 曹家灘煤礦含水層涌水量Table 6 Water inrush of aquifer in in Xiaohaotu coal mine

為了進一步分析導(dǎo)高對含水層涌水量的影響規(guī)律，分別模擬了該煤層開采導(dǎo)高在50～250 m條件下含水層總涌水量(圖7)，結(jié)果顯示，導(dǎo)高越大，總涌水量越大，當(dāng)導(dǎo)高小于180 m時，導(dǎo)水裂隙發(fā)育至基巖含水層內(nèi)部，尚未溝通風(fēng)化基巖含水層，含水層涌水量增加幅度不大;當(dāng)導(dǎo)高大于180 m時，由于導(dǎo)水裂隙揭露富水性較好的風(fēng)化基巖含水層，導(dǎo)致含水層涌水量增加幅度較大，由此可見，通過限高、分層開采等采煤方法，抑制導(dǎo)水裂隙高度與覆巖強含水層的接觸關(guān)系，是實現(xiàn)頂板水害防控與水資源協(xié)同保護的重要措施。

圖7 不同導(dǎo)水裂隙高度下覆巖含水層涌水量曲線Fig.7 Water inrush curve of aquifer groundwater under different height of water-conducting fractured zone

4 結(jié) 論

(1)通過分析榆神礦區(qū)主采煤層覆巖結(jié)構(gòu)特征，將礦區(qū)主采煤層覆巖含(隔)水層劃分為松散孔隙、基巖與風(fēng)化裂隙、燒變巖孔洞裂隙4個含水層組，以及主、亞2個隔水保護土層。

(2)通過分析主采煤層采動導(dǎo)水裂隙與覆巖含(隔)水層組的空間組合關(guān)系，提出淺埋煤層側(cè)向直接涌水、中深煤層側(cè)向與垂向復(fù)合涌水、深部煤層復(fù)合隔水保護微涌水3種含水層涌水模式。

(3)采用COMSOL數(shù)值分析方法，分別以涼水井、小壕兔、曹家灘井田為例，定量模擬分析了3種模式涌水規(guī)律，其中淺淺埋煤層側(cè)向直接流失型(涼水井井田)工作面頂部含水層被疏干，各含水層均為側(cè)向涌水，涌水總量為47 m3/h;深埋煤層側(cè)向與垂向復(fù)合隔水保護弱涌水型(小壕兔1號井田)，含水層涌水總量為21.87 m3/h，以基巖含水層側(cè)向涌水為主;中深煤層側(cè)向與垂向復(fù)合微涌水型(曹家灘井田)，煤層分層開采條件下導(dǎo)水裂隙發(fā)育至基巖含水層內(nèi)部，含水層側(cè)向涌水量為23.17 m3/h，垂向涌水量為12.67 m3/h;一次采全高條件下由于導(dǎo)水裂隙發(fā)育至風(fēng)化基巖含水層底部，垂向越流加劇，涌水總量增至131 m3/h;可見通過限高、分層開采抑制導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度是實現(xiàn)頂板水害防控與水資源協(xié)同保護的重要措施。