西北生態(tài)脆弱區(qū)淺埋煤層保水開采隔水層穩(wěn)定性評價方法

李 恒，何 滔，郭 賓

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.內(nèi)蒙古煤勘新能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)與煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；4.包鋼(集團)公司 白云鄂博鐵礦，內(nèi)蒙古 包頭 014080)

西部煤炭資源具有儲量大、煤質(zhì)好、埋藏淺、地質(zhì)條件總體簡單的特點，具備大規(guī)模開發(fā)的優(yōu)勢，現(xiàn)已成為中國當前基礎能源供給核心[1-3]。作為煤炭資源的重要支撐點，西北地區(qū)面臨著氣候干燥、降水稀少、植被稀疏以及生態(tài)環(huán)境脆弱等問題，其中煤礦開采與水資源保護之間的矛盾尤為突出[4-6]。當前，在西北生態(tài)脆弱區(qū)可持續(xù)開發(fā)煤田的關鍵是在保護淺層地下水資源的條件下開發(fā)煤炭資源，即保水開采[7]。近年來，國內(nèi)不少專家學者從煤層的工程地質(zhì)條件[8-10]、水文地質(zhì)條件[11-14]及開采方法[15]等方面開展了系統(tǒng)研究。范立民[16]、馬雄德[17]、王雙明[18]等分別依據(jù)突水潰沙、生態(tài)安全和地質(zhì)條件的不同，對保水采煤分區(qū)進行了劃分，從整體上為采煤方法的選擇提供了指導。

在保水采煤技術中，煤層開采后導水裂隙的發(fā)育是否會波及上覆含水層是首要查明的問題[19]。傳統(tǒng)方法主要通過計算鉆孔點導水裂隙帶高度與覆巖厚度之差作為隔水層穩(wěn)定性評價指標。筆者在陜北神府東勝煤田淺埋煤層特征及保水開采地質(zhì)評價實踐中發(fā)現(xiàn)，該方法簡單實用，但在鉆孔控制程度較小且西北地形切割強烈的黃土塬地區(qū)可能會出現(xiàn)較大的誤差。因此，筆者提出三維地質(zhì)建模和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從全三維角度精準刻畫地形變化及含水層特征，然后采用全三維空間分析計算各空間點的隔水層穩(wěn)定性，以彌補傳統(tǒng)二維評價方法難以精準刻畫淺埋煤層采動對近地表含水層復雜變化的影響，探索精細化保水開采評價新思路，以期為礦區(qū)保水采煤地質(zhì)分區(qū)提供精細化的指導。

1 基于三維地質(zhì)建模的保水開采隔水層穩(wěn)定性評價方法

傳統(tǒng)保水開采地質(zhì)評價在鉆孔控制程度較高、含水層穩(wěn)定均勻發(fā)育的地區(qū)能獲得較為準確的評價結(jié)果。但本次研究區(qū)地形切割較強烈，煤層變化較大，且保護目標含水層分布不均、厚度變化較大，僅根據(jù)鉆孔直接分析煤層采動對保護目標含水層的影響將會出現(xiàn)較大的誤差。針對該問題，筆者提出充分利用三維地質(zhì)建模和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進行保水開采地質(zhì)評價?？傮w步驟(圖1)如下。

圖1 技術路線Fig.1 Technology roadmap

(1)搜集礦區(qū)現(xiàn)有鉆孔柱狀圖、剖面圖等地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，構(gòu)建綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫并確定保護目標含水層。

(2)提取綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的地層、含水層及地形地貌信息構(gòu)建三維地質(zhì)模型，根據(jù)數(shù)據(jù)庫里的見煤點信息構(gòu)建三維煤層模型。

(3)在三維地質(zhì)模型基礎上選擇典型工作面區(qū)域切繪煤層采動數(shù)值模擬模型，研究煤層采動覆巖破壞特征及導水裂隙帶高度。

(4)按照DB 61/T 1295-2019《保水采煤技術規(guī)范》[20]附錄B 采用δ(導水裂隙帶高度與覆巖厚度之差)判斷隔水層穩(wěn)定性：δ<0 時，隔水層穩(wěn)定性為不穩(wěn)定；0<δ≤20 時，隔水層穩(wěn)定性為較穩(wěn)定；δ>20 時，隔水層穩(wěn)定性為穩(wěn)定。本次所采用的δ是根據(jù)三維地質(zhì)塊體模型，結(jié)合步驟(3)的裂采比獲得的各煤層頂板單元點導水裂隙帶高度與保護目標含水層覆巖厚度之差進行計算的。

傳統(tǒng)方法利用單個鉆孔信息計算導水裂隙帶高度與覆巖厚度之差后進行插值，作為隔水層穩(wěn)定性評價依據(jù)。筆者提出的基于三維地質(zhì)建模的隔水層穩(wěn)定性評價方法主要改進在于利用了三維地質(zhì)建模技術并考慮地形切割與含水層的復雜變化的影響，其次在隔水層穩(wěn)定性計算時利用了所有煤層點信息從全三維角度來進行。因此，該方法相對傳統(tǒng)方法更為直觀、精準且適應性更強。

2 研究區(qū)條件概況

2.1 研究區(qū)概況

以內(nèi)蒙古鄂爾多斯?jié)M都拉煤礦為例分析基于三維地質(zhì)建模的隔水層穩(wěn)定性評價方法的應用效果。該研究區(qū)位于鄂爾多斯高原東部，東勝煤田區(qū)域性分水嶺東勝梁南側(cè)。屬高原侵蝕性丘陵地貌，地形切割強烈，基巖裸露，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱(圖2)。地下水補給貧乏，其補給以大氣降水為主。區(qū)內(nèi)水系較為發(fā)育，各溝谷水量隨季節(jié)變化而變化，雨季可形成瞬間洪流，且流量大、時間短，水動力強，形成集中補給與集中排泄，快速順地勢向區(qū)外徑流，地表水排泄通暢。

圖2 研究區(qū)位置及地質(zhì)簡圖Fig.2 Location and geologic map of the study area

本區(qū)屬干燥的半沙漠高原大陸性氣候。冬季嚴寒漫長，夏季炎熱短暫，晝夜溫差大。年總降水量273.7～544.1 mm，且多集中在7、8、9 三個月內(nèi)。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水賦存條件的不同，將區(qū)域含水巖組劃分為兩大類：即新生界第四系松散巖類孔隙潛水含水巖組和中生界碎屑巖孔隙、裂隙潛水–承壓水含水巖組。

(1)第四系含水層(Q)：主要分布于樹枝狀溝谷谷底及溝口，由礫石、沖洪積沙及黏土混雜堆積而成。其次分布于山梁坡腳地帶，由砂、礫石組成，局部地段含少量次生黃土。本組地層厚度0～27 m，平均12 m，不整合于一切老地層之上。地下水位埋深0～5.50 m，涌水量Q=0.011 5～0.236 L/s，水溫4～9℃，礦化度為0.515～1.120 g/L，pH 為7.5～7.7，水化學類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3·Cl-Ca·Mg·K＋Na 型水，水質(zhì)良好，為潛水。

(2)侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙、裂隙潛水–承壓水含水巖組(J2z)：由灰白、灰黃、灰綠、紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖、各粒級的砂巖組成。區(qū)內(nèi)北部梁有出露，厚度0～4.5 m。單位涌水量為0.001 3～0.003 3 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.007 73 m/d，水化學類型Cl·HCO3-K+Na。

(3)侏羅系中統(tǒng)延安組碎屑巖孔隙、裂隙潛水–承壓水含水巖組：全區(qū)分布，區(qū)內(nèi)溝谷及低凹處大量出露，厚度78～183 m，平均120 m。巖性為灰-灰白色粗、中、細、粉砂巖，灰-灰黑色砂質(zhì)泥巖及煤層。本組地層含砂巖裂隙承壓水，是當前開采4-1 煤層的直接充水含水層。該含水巖組水位埋深65.65 m，單位涌水量0.003 6 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.030 8 m/d，水化學類型SO4·HCO3-Ca·Mg。其間所發(fā)育的砂質(zhì)泥巖作為本組地層隔水層。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，為傾向南西的單斜構(gòu)造，傾角一般1°～3°，未見斷層存在，構(gòu)造對地下水的儲存、富集及各含水巖組間的連通無影響。該區(qū)域煤層埋藏淺，目前主采4-1 煤、4-1 煤層平均埋深45 m。煤層采動導水裂隙帶將直接破壞侏羅系中統(tǒng)延安組含水層，且該含水層上覆紅土和黃土隔水層，不能直接被植被生態(tài)利用。因此，該含水層不具有供水意義和保護技術條件。第四系含水層水量豐富、地表水(泉)直接出露，地表水、第四系潛水等淺表層水對西部生態(tài)脆弱區(qū)具有直接的供水意義和生態(tài)價值，也是西部生態(tài)脆弱區(qū)采煤水資源保護的主要對象。對于第四系含水層，采煤引起的含水層破壞和水資源漏失問題尤為突出。因此，礦井開采過程中重點研究第四系含水層受煤層采動的影響。

在常規(guī)工頻電源供電時，電機產(chǎn)生軸電壓主要的原因是磁路不對稱。導致磁路不對稱的原因有很多，常見的有定轉(zhuǎn)子鐵心沖片的拼縫、沖片的開孔(如軸向通風孔、拉緊螺桿孔等)、沖片的定位槽以及轉(zhuǎn)子偏心等。其本質(zhì)是磁通閉合回路中的磁阻不對稱，導致在鐵心中出現(xiàn)了畸變的“環(huán)形磁通”，進而產(chǎn)生了軸電壓。以下就以一臺8極異步電機為例，詳細說明其軸電壓產(chǎn)生的原因。

研究區(qū)第四系含水層主要分布于較大的河谷階地，為粗砂及卵礫石層夾亞砂土，局部為黃土狀亞黏土。由于地貌和巖性的限制，此含水層富水性比較差，分布范圍有限，水位埋深和平面分布存在較大差異。此外，由于區(qū)內(nèi)鉆孔的控制程度有限，對礦區(qū)保水開采的精細化地質(zhì)分區(qū)評價構(gòu)成了一定挑戰(zhàn)。

3 精細化三維地質(zhì)模型構(gòu)建

鑒于本區(qū)域為煤系沉積地層，雖構(gòu)造較為簡單，但地形切割侵蝕強烈，煤層采動對第四系含水層的影響具有明顯的區(qū)域性差異特征。為精確刻畫第四系含水層的變化，本次保水采煤精細化三維地質(zhì)模型采用鉆孔信息與勘探線剖面圖結(jié)合的方法構(gòu)建初步的三維地質(zhì)模型，然后利用無人機航測的地形等高線及搜集的地形地質(zhì)圖對以第四系為主的淺部含水層進行精細化刻畫與分割，以快速精準實現(xiàn)研究區(qū)三維地質(zhì)模型的構(gòu)建，其具體步驟和方法如下(圖3)。

圖3 精細化三維地質(zhì)模型構(gòu)建技術路線Fig.3 Refined 3D geological model construction technology roadmap

(1)首先搜集了礦區(qū)36 個鉆孔柱狀圖、6 幅地質(zhì)剖面圖，對鉆孔柱狀圖里的孔位、測斜、地層、巖性等信息數(shù)字化后導入Surpac 地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的鉆孔信息沿勘探線及垂直勘探線2 個方向切剖面并圈定地層，重點圈定第四系含水層的范圍。

(2)將圈定的剖面圖利用Surpac 實體模型里的創(chuàng)建三角網(wǎng)模塊連接三維地質(zhì)剖面中的地層邊界線，構(gòu)建三維地質(zhì)實體模型作為初步的三維地質(zhì)模型。

(3)根據(jù)無人機航測的地形數(shù)據(jù)建立精細化的三維地形表面。提取該三維地形表面以下的部分并以地形地質(zhì)圖圈定的出露地層作為參考，修正步驟(2)構(gòu)建的初始三維地質(zhì)模型以表征地形深切侵蝕對出露地層和煤層的影響。

(4)對該修正的三維模型提取平面圖和剖面圖作進一步檢驗，如有不符合地質(zhì)規(guī)律區(qū)域重新進行三維剖面的含水層和地層圈定。重復步驟(1)-步驟(3)，直到獲得準確可靠的三維地質(zhì)模型。

圖4 為構(gòu)建的研究區(qū)三維地質(zhì)模型。從圖4 中可以看到，區(qū)內(nèi)地層總體為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，中部較平緩，地層傾角1°～3°。井田大部分被新生界地層覆蓋，延安組主要在溝谷中出露。受地形切割及風化剝蝕作用的影響，第四系含水層厚度差異性較大，總體呈東西兩側(cè)溝谷階地較厚，南側(cè)山梁相對較薄的變化趨勢。

圖4 研究區(qū)三維地質(zhì)模型Fig.4 3D geological model of the study area

圖5 為構(gòu)建的研究區(qū)三維煤層模型。從圖5 中可以看到，4-1 煤層整體受溝谷侵蝕風化影響，除靠近河流溝谷區(qū)域出現(xiàn)風化尖滅外，其余區(qū)域煤層分布較為穩(wěn)定。

圖5 研究區(qū)三維煤層模型Fig.5 3D coal seam model of the study area

4 煤層采動覆巖破壞特征數(shù)值模擬

淺埋煤層開采造成上覆巖層的采動破壞，是煤礦開采損傷含水層和地下水系統(tǒng)的主要因素，尤其是導水裂隙帶高度是本次隔水層穩(wěn)定性分析的重要參數(shù)。由于研究區(qū)尚未開展頂板兩帶(垮落帶和導水裂隙帶)高度實測，因此，選擇典型工作面開展數(shù)值模擬分析，研究該區(qū)的覆巖破壞特征以估算裂采比，根據(jù)裂采比和各點煤層采高計算煤層各點的導水裂隙帶高度。最后根據(jù)各點導水裂隙帶高度與保護目標含水層覆巖厚度之差作為隔水層穩(wěn)定性評價標準。

為進一步分析研究區(qū)淺埋煤層采動裂隙發(fā)育規(guī)律，為后續(xù)隔水層穩(wěn)定性評價提供較為準確的導水裂隙帶高度，在三維地質(zhì)模型基礎上以402 工作面軸線作為典型地質(zhì)剖面(如圖4 中白色虛線A-A)，采用UDEC數(shù)值模擬軟件建立了煤層采動模擬模型(圖6)。根據(jù)模擬需要對原始數(shù)據(jù)進行簡化處理，該模型X方向300 m，Y方向90 m，自上而下共12 層，關鍵層為16 m厚的粉砂巖，開采的4-1 煤層厚度為1 m。模型塊體采用莫爾-庫倫模型，節(jié)理模型采用節(jié)理面接觸庫倫滑移模型。將模型下邊界與兩側(cè)邊界條件均簡化為位移邊界條件，其中側(cè)邊界施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束。在計算模型中，從開采空間75 m 處的切眼處向右推進，共模擬推進150 m。通過分析采動后的位移場及裂隙分布等信息綜合判斷導水裂隙帶高度。

圖6 數(shù)值模擬模型Fig.6 Numerical simulation model

圖7 為4-1 煤402 工作面上覆巖層裂隙發(fā)育及位移分布情況。模型開采完畢后裂隙發(fā)育呈現(xiàn)兩側(cè)發(fā)育、中間緊閉的特征，該區(qū)域位移量也呈明顯的分帶特征，即工作面采空區(qū)中部覆巖已經(jīng)基本被壓實，導水裂隙僅在切眼附近及終采線附近大量發(fā)育。垂直裂隙自工作面頂部向上最大發(fā)育約20 m，上部巖層出現(xiàn)明顯的以工作面中心向兩側(cè)沉陷的變化趨勢，兩側(cè)僅能看見少量的水平層間裂隙，未見垂向?qū)严?。因此，綜合裂隙場與位移場的變化，初步預估該典型剖面4-1 煤層裂采比為20。

圖7 煤層采動位移場及裂隙分布Fig.7 Displacement field and crack distribution during coal seam mining

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》[21](以下簡稱《三下采煤規(guī)范》)經(jīng)驗公式，研究區(qū)內(nèi)見煤鉆孔4-1 煤層厚度為1.28～2.55 m，導水裂隙帶高度為28.26～38.80 m，裂采比平均為18.2，稍小于數(shù)值模擬計算的裂采比?？傮w上，數(shù)值模擬計算的裂采比與《三下采煤規(guī)范》計算結(jié)果比較接近，兩者互為驗證。

5 隔水層穩(wěn)定性評價

根據(jù)三維地質(zhì)模型，結(jié)合數(shù)值模擬獲得的裂采比20計算各煤層頂板三維塊體單元點導水裂隙帶高度與保護目標含水層覆巖厚度之差繪制研究區(qū)隔水層穩(wěn)定性分區(qū)圖。作為對比，傳統(tǒng)方法按照DB61/T 1295-2019《保水采煤技術規(guī)范》[20]利用鉆孔數(shù)據(jù)的煤層厚度信息計算導水裂隙帶高度與覆巖厚度之差直接進行隔水層穩(wěn)定性評價。由圖8 可以看出，研究區(qū)在不采取保水開采措施下，2 種方法計算的隔水層穩(wěn)定性分區(qū)總體趨勢一致，剩余覆巖厚度小于20 m 的較穩(wěn)定區(qū)域主要位于東西兩側(cè)的溝谷。對比圖8a 與圖8b 可以發(fā)現(xiàn)，采用三維地質(zhì)建模新方法計算的隔水層穩(wěn)定分區(qū)圖相對更加精細，充分反映了溝谷區(qū)第四系含水層受地形切割、風化、剝蝕的影響。而傳統(tǒng)方法采用鉆孔信息直接進行插值計算則受鉆孔控制程度限制，雖總體趨勢與新方法一致，但難以刻畫第四系含水層受地形地貌及地表徑流條件的影響。由于本次煤層埋深較淺，近地表第四系含水層往往是井下積水區(qū)的主要充水水源。因此，工作面積水區(qū)可作為評價以往煤礦區(qū)開采對第四系含水層影響的一個參考。基于此，本文收集了礦區(qū)現(xiàn)有充水水源為第四系含水層的井下工作面積水區(qū)域(如圖8 中的藍線劃定范圍)。從圖8 中可以看到，傳統(tǒng)方法計算的隔水層不穩(wěn)定區(qū)未能精確反映南側(cè)工作面充水區(qū)，而新方法計算的隔水層不穩(wěn)定區(qū)均準確刻畫了當前的2 個井下工作面充水區(qū)。由此可見，采用三維建模進行保水開采地質(zhì)評價更能精準刻畫煤層開采對含水層的擾動影響，尤其是在類似研究區(qū)煤層埋藏淺、地形切割強烈的地區(qū)。進一步對比2 種方法計算的隔水層穩(wěn)定性分區(qū)圖，可以發(fā)現(xiàn)新方法除精準預測了東西兩側(cè)溝谷區(qū)的隔水層穩(wěn)定性外，還發(fā)現(xiàn)南側(cè)局部區(qū)域隔水層穩(wěn)定性也較差，需在保水開采和水害防治中引起重視。經(jīng)分析研究發(fā)現(xiàn)，這是因為南側(cè)區(qū)域鉆孔控制程度較差，傳統(tǒng)方法受鉆孔控制程度的影響較大，而三維地質(zhì)建模的方法相對影響較小。

圖8 研究區(qū)不同方法的隔水層穩(wěn)定性分區(qū)Fig.8 Stability zoning map of the aquiclude using different methods in the study area

6 結(jié)論

a.充分利用鉆孔信息與勘探線剖面圖，并結(jié)合無人機航測的地形信息，采用三維建模的方法可快速構(gòu)建精細化的三維地質(zhì)模型，有助于保水開采評價獲得直觀可靠的煤層與含水層信息。

b.本文提出的方法根據(jù)三維地質(zhì)塊體模型并利用所有煤層點信息從全三維角度進行隔水層穩(wěn)定性評價，相對傳統(tǒng)方法更為直觀、精準且適應性更強。

c.根據(jù)鄂爾多斯?jié)M都拉煤礦隔水層穩(wěn)定性評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三維地質(zhì)建模方法受鉆孔控制程度影響較小且更精準，剩余覆巖厚度小于20 m 的較穩(wěn)定區(qū)域除位于東西兩側(cè)的溝谷以外，在東南側(cè)局部區(qū)域也有分布。