重復(fù)采動(dòng)區(qū)域煤層頂板含水層的富水性評價(jià)

樊 敏， 梁少劍， 劉美樂

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 西安 710077；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司， 西安 710065)

正確評價(jià)煤層開采充水含水層富水性，對于礦井防治水工作具有重要的指導(dǎo)意義。目前含水層富水性評價(jià)主要采用“三圖雙預(yù)測”方法[1-2]，它能綜合多種地學(xué)因素評價(jià)含水層富水性，應(yīng)用效果良好，對該方法中的地學(xué)因素的選取、因素權(quán)重的確定等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，也能獲得更適合區(qū)域地質(zhì)條件的評價(jià)結(jié)果[3-4]。

下石節(jié)煤礦作為銅川礦務(wù)局較早開采的主力礦井之一，近年采掘工作進(jìn)入近距離煤層重復(fù)采動(dòng)區(qū)域，上組煤回采過程中曾出現(xiàn)過明顯的異常涌水現(xiàn)象，下組煤回采后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度增加，礦井面臨更加嚴(yán)重的頂板水害威脅，對上組煤開采擾動(dòng)后的含水層富水性評價(jià)，對礦井防治水安全具有重要意義。

1 開采概況

下石節(jié)礦井位于陜西省銅川市耀州區(qū)，主采侏羅系延安組4號(hào)煤層，井田西北部區(qū)域4號(hào)煤層分岔為4-1煤和4-2煤，兩個(gè)煤層均可采，煤層間距為0.80～48.91 m，一般10～30 m，平均13.71 m。4-1煤層平均厚度4.17 m，以綜采工作面為主，4-2煤層平均厚度13.67 m，以綜放開采為主。

近年礦井布設(shè)2301～2303、2305工作面對4-1煤層進(jìn)行開采，首個(gè)重復(fù)采動(dòng)的222工作面位于4-1煤的2301工作面采空區(qū)正下方，與2301工作面兩巷道內(nèi)錯(cuò)20 m布置。隨著煤層分岔區(qū)域4-1煤層資源量開采殆盡，礦井主要采掘工作將在下伏的4-2煤層布設(shè)。礦井采掘工程示意圖見圖1。

圖1 礦井采掘工程示意Fig. 1 Schematic of mine mining engineering

2 頂板含水層水文地質(zhì)條件

在上覆4-1煤層已采情況下，4-2煤回采主要面臨的水害問題包括4-1煤采空區(qū)積水和頂板巨厚洛河組砂巖含水層水，采空區(qū)積水可在掘進(jìn)中施工探查，鉆孔進(jìn)行疏放，可基本排除采空區(qū)積水隱患。而洛河組含水層水在上組煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р扒闆r下，含水層底部裂隙發(fā)育，其富水性對于4-2煤開采影響較為嚴(yán)重。

2.1 洛河組含水層厚度特征

研究區(qū)范圍內(nèi)洛河組含水層一般厚度在290.0～330.0 m，局部地段厚度達(dá)到343.0 m(8944號(hào)鉆孔)，平均厚度321.9 m。井田西部及西北部厚度較小，約310.0 m，由西北向東南厚度逐漸增大。洛河組底板標(biāo)高+1 070～+1 130 m，呈傾向NW的單斜構(gòu)造，在研究區(qū)西北部洛河組底板平緩，向東南部底板抬升明顯(圖2)。總體上洛河組含水層發(fā)育較為穩(wěn)定且厚度較大，為含水層儲(chǔ)水提供了條件。

圖2 洛河組含水層厚度等值線Fig. 2 Isoline of aquifer thickness of Luohe formation

2.2 洛河組含水層巖性特征

基于礦井以往地質(zhì)資料，對洛河組含水層巖性發(fā)育及巖層組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得，洛河組地層巖性以中粗粒砂巖、礫巖為主，中粗粒砂巖在洛河組全段均有發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)為主；礫巖主要位于洛河組中上部，泥鈣質(zhì)膠結(jié)為主，較為堅(jiān)硬。根據(jù)洛河組地層礫巖主要發(fā)育在中上部的特征可以將洛河組劃分為上下兩段，上段為厚層礫巖與中粗粒砂巖互層，平均厚度170.04 m，下段為巨厚層狀中粗粒砂巖，平均厚度151.50 m。洛河組地層巖性對比見圖3洛河組砂巖以中粗砂巖為主，偶見細(xì)砂巖、粉砂巖，砂巖厚度占總厚度的68%，其中洛河組下段的巨厚層狀砂巖占總厚度的48%；礫巖主要在洛河組中上部發(fā)育，厚度占總厚度的32%，見圖4，占洛河組上段厚度的64%，上段礫巖厚度占比更大。

圖3 洛河組地層巖性對比 Fig. 3 Stratigraphic lithologic correlation of Luohe formation

圖4 洛河組各巖性占比Fig. 4 Lithologic proportion of Luohe formation

2.3 涌水特征

下石節(jié)煤礦在進(jìn)入深部工作面回采后各工作面涌水現(xiàn)象逐漸突顯，涌水水源主要為頂板洛河組含水層水。4-1、4-2煤各工作面在回采過程中均出現(xiàn)不同程度的涌水量異常波動(dòng)現(xiàn)象，類似于“離層涌水”情況，4-1煤各工作面在回采前期涌水量相對較小且穩(wěn)定，在回采中后期開始出現(xiàn)涌水量波動(dòng)，單次出水持續(xù)數(shù)天，涌水量Q整體較大，回采末期涌水持續(xù)且較為穩(wěn)定。以2301工作面為例，在回采至0～1 200 m時(shí)，工作面涌水量保持在50 m3/h以內(nèi)；1 200 m以后出現(xiàn)多次異常涌水現(xiàn)象，最大涌水量可達(dá)250 m3/h以上，回采結(jié)束后水量逐漸下降穩(wěn)定在50～60 m3/h。2301工作面涌水量變化曲線見圖5。

圖5 2301工作面涌水量變化曲線 Fig. 5 Variation curve of water inflow in 2301 working face

2.4 采后導(dǎo)水裂隙變化規(guī)律

長期的開采經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究表明，煤層覆巖中的采動(dòng)裂隙隨與煤層距離的增加而擾動(dòng)破壞程度降低，從研究初期定性認(rèn)識(shí)到后期學(xué)者對碎脹系數(shù)及滲透性的定量描述，目前已經(jīng)明確采空區(qū)垂向上的滲透系數(shù)隨著與煤層距離的增大而逐漸減小，并且服從對數(shù)遞減分布，滲透系數(shù)最終在導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы敳口吔谠瓗r滲透系數(shù)[5]。

另外，采后裂隙受應(yīng)力恢復(fù)影響逐漸閉合也已經(jīng)得到廣泛認(rèn)知，趙永樹等[6]對采動(dòng)過程中松散含水層水位進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測指出，風(fēng)化基巖的隔水性在采動(dòng)后期將逐漸恢復(fù)。王文學(xué)等[7]對采動(dòng)15 a后的采空區(qū)覆巖裂隙進(jìn)行了重新觀測，多種觀測方法表明，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨缺乳_采初期降低40%，從定量方面反映出裂隙巖體滲透性的后期演化。

以往勘探時(shí)期XK6孔抽水試驗(yàn)說明，滲透系數(shù)K=0.012 1 m/d，單位涌水量q=0.036 3 L/(s·m)；礦井在2303工作面施工的TC3采后探查孔說明下石節(jié)煤礦4-1煤采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞б呀?jīng)波及洛河組砂巖含水層底部，波及厚度約45 m，在回采后洛河組含水層水位逐漸上升并穩(wěn)定，抽水試驗(yàn)獲取的K=0.072 78 m/d，q=0.071 0 L/(s·m)，遠(yuǎn)大于原始情況下含水層的滲透系數(shù)及單位涌水量，采動(dòng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц淖兞寺搴咏M含水層的富水性，也使含水層內(nèi)孔隙水更多變?yōu)榱严端?。隨著采空區(qū)覆巖應(yīng)力的恢復(fù)，裂隙逐漸趨于閉合，垂向滲流更加微弱，最終現(xiàn)象是采空區(qū)涌水量衰減以及受破壞的含水層滲透系數(shù)逐漸恢復(fù)至接近破壞前。距2301工作面回采結(jié)束約7 a，回采結(jié)束時(shí)涌水量達(dá)50～60 m3/h，目前涌水量已經(jīng)衰減為15 m3/h，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р暗穆搴咏M含水層對于2301采空區(qū)涌水的貢獻(xiàn)量已經(jīng)非常小。但已受開采擾動(dòng)的含水層裂隙水豐富，在重復(fù)開采下組煤時(shí)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞г俅尾奥搴咏M含水層，含水層靜儲(chǔ)量釋放將遠(yuǎn)大于上組煤初次擾動(dòng)時(shí)的涌水，即下組煤開采波及洛河組時(shí)，可能形成突水。

3 含水層富水性評價(jià)

含水層富水性的影響因素眾多，目前能綜合多種因素評價(jià)含水層富水性且應(yīng)用成熟的就是多源地學(xué)信息融合方法，該方法選取多個(gè)含水層主控因素并確定其權(quán)重，以權(quán)重及各因素量化值建立富水性評價(jià)模型，經(jīng)多源信息疊加得到含水層富水性的量化值[8]。

分析下石節(jié)重復(fù)采動(dòng)區(qū)域洛河組含水層巖性及充水特征，選擇含水層砂巖厚度、含水層砂巖厚度與地層厚度之比(砂地比)、巖心采取率、褶皺分維值作為洛河組含水層富水性評價(jià)的主控因素，下石節(jié)井田洛河組含水層富水性評價(jià)與以往不同之處在于，洛河組含水層下段已受上組煤開采擾動(dòng)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р糠植奥搴咏M下段。在上組煤采后該段裂隙逐漸閉合，含水層垂向滲流減弱，裂隙發(fā)育導(dǎo)致含水層靜儲(chǔ)量增大，富水性增強(qiáng)，因此在評價(jià)下組煤開采時(shí)的洛河組含水層水害時(shí)，加入上組煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р奥搴咏M含水層厚度，作為重復(fù)采動(dòng)條件下洛河組含水層富水性評價(jià)的重要控制因素之一。

選取主控因素的單因素專題圖見圖6，將主控因素分類、分層次建立層次分析評價(jià)模型，如圖7所示。

圖6 單因素專題圖Fig. 6 Single factor thematic map

圖7 層次分析評價(jià)模型Fig. 7 Analytic hierarchy process evaluation model

采用標(biāo)度評分方法對各主控因素進(jìn)行打分[9-11]，得出的各因素權(quán)重見表1。

表1 主控因素權(quán)重值

將權(quán)重值賦給各主控因素形成富水性評價(jià)模型：

CI=0.15f1(x,y)+0.05f2(x,y)+0.111 7f3(x,y)+

0.266 0f4(x,y)+0.422 3f5(x,y)，

式中：CI——富水性指數(shù)；

fk(x,y)——第k個(gè)主控因素歸一化后的值，其中(x,y)是該值所在地理坐標(biāo)點(diǎn)。

根據(jù)富水性指數(shù)法建立的富水性評價(jià)模型，在Surfer中將多個(gè)主控因素的單因素專題圖進(jìn)行疊加計(jì)算，多源地學(xué)信息融合得出受導(dǎo)高部分波及的洛河組含水層富水性分區(qū)圖，按照研究區(qū)內(nèi)的富水性指數(shù)值進(jìn)行自然間斷點(diǎn)分級，將區(qū)內(nèi)洛河組含水層富水性劃分為弱富水區(qū)(CI<0.23)、中等富水區(qū)(0.230.41)這3個(gè)等級，如圖8所示。

圖8 洛河組含水層富水性分區(qū) Fig. 8 Water-rich zoning of aquifer of Luohe formation

將富水性分區(qū)結(jié)果與礦井4-1煤工作面開采時(shí)工作面異常涌水位置疊加，如圖9所示，礦井多個(gè)工作面的異常涌水位置均位于強(qiáng)富水區(qū)及其周邊，評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖9 強(qiáng)富水區(qū)與工作面異常涌水位置的關(guān)系Fig. 9 Relationship between strong water-rich area and water gushing position of working face

在構(gòu)造裂隙及開采裂隙等因素的綜合影響下，研究區(qū)內(nèi)富水性較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在中部及西部局部區(qū)域，中等富水區(qū)主要分布在研究區(qū)東西兩側(cè)，弱富水區(qū)分布面積較小，說明在已受開采擾動(dòng)情況下，研究區(qū)內(nèi)洛河組含水層富水區(qū)域相對廣泛，在重復(fù)采動(dòng)至對應(yīng)區(qū)域且導(dǎo)高能波及洛河組時(shí)，存在涌水量增大的可能。

4 結(jié) 論

(1)礦井4-1煤采后波及洛河組含水層底部，使洛河組砂巖孔隙含水層向裂隙含水層變化，下伏4-2煤開采仍然受頂板洛河組含水層的威脅。

(2)4-1煤采動(dòng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р奥搴咏M含水層厚度可作為主控因素之一，以多元信息融合方法進(jìn)行含水層富水性評價(jià)，將重復(fù)采動(dòng)區(qū)域洛河組含水層劃分為弱富水區(qū)、中等富水區(qū)、強(qiáng)富水區(qū)，以指導(dǎo)礦井防治水工作的開展。