方 剛
(1.中煤科工西安研究院(集團)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 710077)
陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)內(nèi)的多個礦井受到2 號煤層水害威脅[1-3],但該2 號煤層在區(qū)內(nèi)的富水性極不均一,表現(xiàn)為:開采同一2 號煤層,相鄰的2 個井田,煤層則具有富水(巴拉素井田)和非富水(大海則井田)2 種截然不同的結(jié)果[3-4]。為此,對于區(qū)內(nèi)2 號煤層水問題,需開展大量的基礎(chǔ)性研究工作;而關(guān)于煤層水資源量的分布估算、煤層富水性的預(yù)測分區(qū)、有煤層水參與的礦井涌水量預(yù)測等方面的研究,始終關(guān)聯(lián)著礦井防治水工作,也直接影響著礦井安全生產(chǎn)。
多年來,業(yè)內(nèi)學(xué)者對地下含水層開展了大量研究工作,根據(jù)含水層水文地質(zhì)參數(shù)、賦存條件和形式,從含水層可釋放出水的能力進行定量預(yù)測,目前主要方法有類比法、解析法、數(shù)值法、統(tǒng)計學(xué)方法等[5-6]?;⒕S岳[7]、李超峰等[8]、周振方等[9]從靜態(tài)水釋放、動態(tài)水補給等方面考慮,對含水層水量預(yù)測進行研究;CHENG 等[10]針對滲透系數(shù)非線性變化的特征,對涌水量預(yù)測的方法進行探索;來永偉等[11]提出利用非穩(wěn)定流定降深法預(yù)測煤層頂板含水層涌水量;劉英鋒等[12]建立基于達(dá)西定律和Dupuit 理論的頂部進水型涌水量預(yù)測模型進行水量預(yù)測;此外,王猛等[13]、李建林等[14]、連會青等[15]、李濤等[16]分別基于ARIMA 季節(jié)乘積模型、灰色系統(tǒng)、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、鉆孔顯微高速攝像等方法技術(shù)的改進應(yīng)用,對含水層的富水性及涌水量均進行了預(yù)測和探索[17-18]。
綜上所述,關(guān)于地下含水層的水量估算、富水性分區(qū)研究及礦井涌水量預(yù)測等方面均取得了較好的成果,但就陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)內(nèi)的2 號煤層水而言,相關(guān)研究工作尚為不足。為此,將采用理論分析、計算預(yù)測、模擬實驗等方法,探索區(qū)內(nèi)2 號煤層水賦存變化等主要特征,為礦井后期防治水工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。
巴拉素井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)內(nèi),礦井首采的2 號煤層平均埋深約498 m,煤厚2.2~5.2 m。礦井在建設(shè)期間發(fā)現(xiàn)其2 號煤層富(含)水(?75 mm 鉆孔單孔涌水量約200 m3/h,水壓約3.6 MPa)[19-20]。根據(jù)以往開展的研究工作,2 號煤層水主要源于漫長的地質(zhì)歷史時期中煤層頂板的侏羅系直羅-延安組含水層水垂向入滲,且由于頂板含水層富水性弱,該煤層水以靜儲量為主,動態(tài)補給有限[20]。
區(qū)內(nèi)2 號富水煤層作為承載地下水的介質(zhì)體,與一般地下含水層有相似之處,也有所區(qū)別;為此,以巴拉素井田先期開采地段為研究區(qū),針對2 號煤層水開展水資源量估算、富水性預(yù)測分區(qū)和礦井涌水量預(yù)測,探究其煤層水的賦存及水體變化特征。
在巴拉素井田研究區(qū)內(nèi)估算2 號富水煤層的水資源量,由于2 號煤層平均埋深約500 m,區(qū)內(nèi)無露頭及火燒區(qū),因此,將其煤層水視為承壓含水層水對待,并認(rèn)為煤層內(nèi)的孔裂隙均已充滿水,呈飽和狀態(tài)。根據(jù)《供水水文地質(zhì)》中地下水資源的分類要求,將地下水分為補給量、儲存量和消耗量[21],本次估算的巴拉素井田2 號煤層水資源量主要為儲存量和補給量,即為賦存于2 號煤層孔隙、裂隙內(nèi)的煤層靜態(tài)儲存水量(靜儲量水)和煤層采掘后的動態(tài)補給水量(動儲量水),其動態(tài)補給水量源于2 號煤層同層水補給和圍巖含水層補給(煤層上覆的侏羅系直羅組、延安組含水層)。
結(jié)合中煤科工西安研究院(集團)有限公司自主研發(fā)的TIM-3D 三維地質(zhì)建模軟件,對研究區(qū)各主要地層進行模型構(gòu)建。計算模型中研究區(qū)整體平面面積約60 946 389.01 m2。根據(jù)統(tǒng)計研究區(qū)范圍內(nèi)以往施工的各鉆孔資料,確定2 號煤層厚度在2.20~5.21 m 之間,平均煤厚約3.69 m,計算得出研究區(qū)2 號煤層體積約224 892 175.45 m3。
2.2.1 煤層水的儲存量
研究區(qū)2 號煤層為承壓含水層,地下水靜儲量(Wj)應(yīng)包括彈性釋水(Wt)和重力給水(Wz),煤層水的靜儲量表達(dá)式為[22]:
式中:Wj、Wt、Wz分別為研究區(qū)地下水靜儲量、地下水彈性釋放量、地下水重力給水量,m3;μ*為研究區(qū)2 號煤層彈性釋水系數(shù),取最大值9.99×10-4;F為研究區(qū)面積,m2,取60 946 389.01 m2;h為研究區(qū)2 號煤層頂面算起的水頭高度,取478.69 m;μ為研究區(qū)2 號煤層重力給水度(取煤層的平均給水度),取0.166;V為研究區(qū)2 號煤層體積,m3,取224 892 175.45 m3。
將各參數(shù)值代入式(1)可以計算得出:Wj≈0.665 億 m3。
截至2022 年9 月底,礦井疏放水量約900萬 m3(含頂板含水層疏放水70 萬m3)。其中,2 號煤層水約830 萬m3,井下2 號煤層采掘面積約460 萬 m2,通過與研究區(qū)面積進行比擬計算,得出整個研究區(qū)應(yīng)釋放的2 號煤層水量約1.100億m3,兩者計算結(jié)果數(shù)量級基本一致,估算水量數(shù)據(jù)較為可靠。考慮到2 號煤層的富水性不均一性,本次煤層水靜儲量估算值以公式計算得出數(shù)值為準(zhǔn),即Wj約為0.665 億 m3。
2.2.2 煤層水的動儲量
根據(jù)前期研究成果[20],研究區(qū)2 號煤層水主要源于其煤層上覆的侏羅系延安組、直羅組含水層垂向下滲,而在煤層經(jīng)歷人工采掘影響后,原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)被打破,煤層內(nèi)靜儲量水進行釋放,在此過程中,煤層孔裂隙內(nèi)的水和頂板含水層水均將對其進行補給,因此,本處估算的煤層水動態(tài)補給水量則為上述地下水的混合值;同時,由于煤層水整體水量有限,而煤層頂板含水層富水性相對較弱,在礦井研究區(qū)采掘范圍不斷擴大的過程中,煤層水消耗釋放遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其受補給的水量,估算得出的煤層水動態(tài)補給水量數(shù)值為其最大水量;后期在區(qū)域內(nèi)煤層水全部釋放完畢,井下煤層動態(tài)補給水量將會逐漸減小,并將基本穩(wěn)定在其僅受頂板砂巖含水層水補給的數(shù)量值范圍。由此,本處采用數(shù)值模擬方法求解該動態(tài)補給水量,應(yīng)用Visual Modflow 軟件構(gòu)建相關(guān)立體模型,通過設(shè)置其邊界條件、地層結(jié)構(gòu)、滲透特性及水力聯(lián)系等特征,開展數(shù)值模型計算,得出研究區(qū)2 號煤層水的動態(tài)補給水量[23]。
由于整個研究區(qū)面積較大,從實際礦井開采角度出發(fā),不可能計算研究區(qū)全部采空時的動態(tài)補給水量,因此,根據(jù)礦井采掘接續(xù),對2 號煤層首采的2102 工作面和2101 工作面回采時的動態(tài)補給水量進行預(yù)測。其計算結(jié)果為:2101 工作面回采時涌水量為3 908 m3/d,約163 m3/h;2102工作面回采時涌水量為4 765 m3/d,約為199 m3/h;合計約362 m3/h。該水量預(yù)測數(shù)據(jù)為煤層水動態(tài)補給最大值(為2 號煤層原始狀態(tài)下估算量,未考慮礦井實際生產(chǎn)中煤層水超前疏放水量),后期將逐漸減小至穩(wěn)定。
綜上所述,研究區(qū)2 號富水煤層具有較大的靜儲量,但整體水量有限,遭受采掘活動后,煤層及圍巖原有的穩(wěn)定狀態(tài)被打破,煤層自身的同層煤層水和頂板砂巖水動態(tài)補給研究區(qū)煤層水,該水量相對穩(wěn)定;考慮到2 號煤層富水性的不均一性,結(jié)合預(yù)測其靜儲量和動儲量情況,預(yù)計巴拉素井田2 號煤層水疏放將是礦井未來5~10 年內(nèi)的主要防治水工作。
選取與富水煤層關(guān)聯(lián)緊密的相關(guān)因素,應(yīng)用多元地學(xué)信息復(fù)合疊加,結(jié)合ArcGIS 地理信息系統(tǒng)和層次分析法(AHP),對巴拉素井田2 號煤層進行富水性預(yù)測分區(qū)[24]。選取的主要控制2 號煤層水富水性的信息因素有煤層厚度、煤心采取率、煤層孔隙度、煤層頂?shù)装搴穸裙? 項。
3.1.1 富水性影響因素
1)煤層厚度。巴拉素井田2 號煤層水以煤層內(nèi)部的孔隙、裂隙為賦存介質(zhì)[20],煤層的富水性與其厚度呈正比關(guān)系。煤層在研究區(qū)內(nèi)東北部厚度相對較大,向西南部逐漸變小。煤層厚度歸一化專題圖如圖1。
圖1 煤層厚度歸一化專題圖Fig.1 Thematic map of coal seam thickness normalization
2)煤心采取率。巴拉素井田2 號煤層裂隙發(fā)育,裂隙發(fā)育程度對煤層水的存儲、運移有著決定性作用,但由于區(qū)內(nèi)以往施工鉆孔時的煤層裂隙數(shù)據(jù)無法收集,本處采用煤心采取率作為評價2 號煤層裂隙發(fā)育的指標(biāo),裂隙越發(fā)育、煤心的采取率就越差。在研究區(qū)北部的煤心采取率相對較高,南部相對較低。煤心采取率歸一化專題圖如圖2。
圖2 煤心采取率歸一化專題圖Fig.2 Thematic map of core rate normalization
3)煤層孔隙度。與煤層裂隙發(fā)育情況類似,巴拉素井田2 號煤孔隙度也直接影響煤層水的富水性。在研究區(qū)西南部的煤層孔隙度相對較大,東北部的相對較小。煤層孔隙度歸一化專題圖如圖3。
圖3 煤層孔隙度歸一化專題圖Fig.3 Thematic map of coal seam porosity normalization
4)直接頂含水層厚度。巴拉素井田2 號煤層水來源于上覆侏羅系砂巖含水層水下滲補給[20]。通過分析,認(rèn)為煤層直接頂含水層的厚度與其富水性呈正相關(guān)關(guān)系,因此,直接頂含水層厚度將決定其向下伏煤層補給水量的多少研究區(qū)直接頂含水層厚度表現(xiàn)為中部及北部相對較大,東西兩側(cè)相對較小。直接頂含水層歸一化專題圖如圖4。
圖4 直接頂含水層歸一化專題圖Fig.4 Thematic map of direct roof aquifer normalization
5)直接底隔水層厚度。直接底隔水層厚度將決定著2 號煤層水底部是否具有良好的隔水性,隔水層厚度越大,2 號煤層水的富水性相對越好。研究區(qū)2 號煤直接底隔水層厚度表現(xiàn)為南北兩側(cè)局部較小,其他區(qū)域相對較大。直接底隔水層歸一化專題圖如圖5。
該地區(qū)建造時遭遇連續(xù)暴雨天氣,7月平均降雨量172.5 mm,8月平均降雨量209.5 mm,雨水匯集到基坑中,導(dǎo)致基坑內(nèi)地下水位迅速上漲.發(fā)現(xiàn)時地下車庫已出現(xiàn)整體積水現(xiàn)象,積水最大深度為1 m.此時地下車庫及網(wǎng)點主體結(jié)構(gòu)施工已完成,地下車庫側(cè)面回填土已完成,但頂板回填土及底板回填土未進行.由于主樓及網(wǎng)點結(jié)構(gòu)已足夠抵抗上浮的抗浮水頭,僅地下車庫部分產(chǎn)生抗浮破壞,需進行加固處理.
圖5 直接底隔水層歸一化專題圖Fig.5 Thematic map of direct floor aquiclude normalization
3.1.2 富水性指數(shù)法
1)建立層次結(jié)構(gòu)分析模型。綜合分析影響巴拉素井田2 號煤層富水性的多元地學(xué)信息,將其劃分為3 個層段。其中,2 號煤層富水性評價為目標(biāo)層段(A層段),圍巖厚度、煤層厚度、和空間條件為準(zhǔn)則層段(B層段),上述的5 項地學(xué)信息則為決策層段(C層段),以此進行2 號煤層的富水性預(yù)測分區(qū)[24]。2 號煤層富水性評價層次分析結(jié)構(gòu)圖如圖6。
圖6 2 號煤層富水性評價層次分析結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Hierarchy analysis structure of No.2 coal seam water richness evaluation
2)構(gòu)建判斷矩陣。根據(jù)SAATY T L 創(chuàng)立的1~9 標(biāo)度方法,對上述影響因素所起作用的多少進行相對重要性評價,對各因素信息進行量化分值,構(gòu)建2 號煤層富水性層次分析法評價判斷矩陣[24]。
3)層次單排序及一致性檢驗。評價判斷矩陣計算出各層段單排序權(quán)值(W),由各矩陣計算得出最大特征值(λmax)、隨機性與一致性比值(CR)。
經(jīng)計算,CR 小于0.1,具有較明顯的一致性。由此可得多元地學(xué)信息在富水性分區(qū)研究過程中的疊加權(quán)重值[24],其中,直接頂含水層厚度權(quán)重值(W1)為0.085 8;直接底隔水層厚度權(quán)重值(W2)為0.051 5;2 號煤層厚度權(quán)重值(W3)為0.239 5;2 號煤心采取率權(quán)重值(W4)為0.346 2;2 號煤層孔隙度權(quán)重值(W5)為0.277 0。
引入富水性指數(shù)WI 的初始模型對2 號煤層富水性進行預(yù)測評價,關(guān)系式為:
式中:WI 為富水性指數(shù);Wk為地學(xué)信息權(quán)重;fk(x,y)為歸一化之后的單信息影響值函數(shù)(已考慮相關(guān)指標(biāo)的正負(fù)相關(guān)因素;x,y為地理坐標(biāo);n為多元信息的個數(shù)[24]。
負(fù)相關(guān)因素歸一化公式為:
式中:fk(x,y)為第k個地學(xué)信息數(shù)據(jù)歸一化后的值。
結(jié)合上式,可得出巴拉素井田2 號煤層富水性評價模型為:
1)分區(qū)結(jié)果。在已構(gòu)建的層次分析法(AHP)2號煤層富水性評價模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(ArcGIS)的空間數(shù)據(jù)分析功能,生成各地學(xué)信息等值線圖,而后計算疊加后各單元的富水性指數(shù)值大小,各單元內(nèi)各地學(xué)信息量化后的歸一值是一致的[24]。形成巴拉素井田2 號煤層富水性指數(shù)分布圖后,通過對富水性指數(shù)進行預(yù)測分級,得到分區(qū)閾值分別為0.341 6、0.362 9、0.401 0、0.427 6。根據(jù)分級閾值,將巴拉素井田2 號煤層劃分為5 個區(qū)域,即:①WI>0.427 6,為相對強富水區(qū);②0.401 0<WI≤0.427 6,為相對較強富水區(qū);③0.362 9<WI≤0.401 0,為相對中等富水區(qū);④0.341 6<WI≤0.362 9,為相對較弱富水區(qū);⑤WI≤0.341 6,為相對弱富水區(qū)。由此得到的巴拉素井田2 號煤層富水性預(yù)測分區(qū)圖如圖7。
圖7 巴拉素井田2 號煤層富水性預(yù)測分區(qū)圖Fig.7 Prediction zoning map of water richness of No.2 coal seam in Balasu Mine Field
2)現(xiàn)場驗證。由于巴拉素煤礦暫未正式投產(chǎn),井下巷道多處于建設(shè)掘進階段,現(xiàn)場可供驗證2號煤層富水性的僅為超前疏放水鉆孔。具體在研究區(qū)東側(cè)的2101 工作面、西側(cè)的2102 工作面、井底車場及北翼大巷延伸掘進地段。上述區(qū)域大部分處于相對中等富水區(qū),較少區(qū)域處于相對較弱富水區(qū),極少區(qū)域處于相對較強富水區(qū)和相對強富水區(qū)。通過計算,得出井下相關(guān)區(qū)域的136個2 號煤層超前疏放水鉆孔中,有89 個鉆孔的單位涌水量在0.1~1 L/(s·m),基本對應(yīng)相對中等富水區(qū);有21 個鉆孔的單位涌水量在1~1.5 L/(s·m),基本對應(yīng)相對較強富水區(qū);其余鉆孔的單位涌水量均在0.01~0.1 L/(s·m)之間,基本對應(yīng)相對較弱富水區(qū);暫未發(fā)現(xiàn)鉆孔單位涌水量在1.5 L/(s·m)以上的區(qū)域。煤層揭露基本均有水涌出(初期揭露情況作為依據(jù),后期衰減情況暫不計),認(rèn)為對鉆孔單位涌水量在0.01 L/(s·m)以下的區(qū)域應(yīng)相對弱富水區(qū)。
根據(jù)本次研究區(qū)內(nèi)2 號煤層富水性預(yù)測分區(qū)情況來看,未來礦井向北部開展采掘工程,將有可能面臨更為嚴(yán)峻的煤層水害,屆時需提前做好相關(guān)防治水工作,確保安全生產(chǎn)。
采用Visual Modflow 軟件進行相關(guān)的數(shù)值模擬工作[18,23]。以研究區(qū)范圍建立地下水?dāng)?shù)值模型,對礦井采掘面臨的2 號煤層水及頂板砂巖水系統(tǒng)實體進行含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件和水動力狀態(tài)概化。通過收集相關(guān)鉆孔數(shù)據(jù),進行地層結(jié)構(gòu)剖分,將白堊系洛河組至侏羅系3 號煤之間共剖分為7個單元層。模型自上而下分別為洛河組、安定組、直羅組、延安組至2 號煤頂、2 號煤、2 號煤底至3 號煤頂、3 號煤層。礦井掘進階段的充水水源為2 號煤層水,回采階段的充水水源為2 號煤上覆直羅組、延安組含水層水。在平面上剖分結(jié)點175×98 個,每個單元格的長寬基本相等,約為100 m,整個模型共計剖分單元17 150 個。
根據(jù)礦井建設(shè)、生產(chǎn)實際進行模擬,初始流場依據(jù)井田水文補勘鉆孔的水位標(biāo)高插值得出,結(jié)合礦井水文長觀數(shù)據(jù)進行識別和校正[25-26]。
本次涌水量的預(yù)測采用模型中的Drain 子模塊和Zone budget 子模塊聯(lián)合進行,根據(jù)礦井建設(shè)的采掘接續(xù)情況,在相應(yīng)時間段內(nèi)將井筒和巷道掘進時的水位由2 號煤層的水位降至煤層底板;再將開采區(qū)段的主要頂板充水含水層的水位降至2號煤層底板,計算工作面回采時的涌水量。通過水均衡計算預(yù)測各階段掘進、回采工作面的涌水量。
1)井筒掘進涌水量預(yù)測。井筒掘進過程中主要為2 號煤層涌水,將Drain 設(shè)置在4 個井筒的位置。通過模擬計算,得出井筒掘進時涌水量(Drain)為30 184 m3/d,即為1 257.7 m3/h。該區(qū)域富水性評價為中等富水區(qū)域,與現(xiàn)場實際基本吻合。
2)巖巷掘進揭煤涌水量預(yù)測。巖巷掘進期間工作面涌水量極?。? m3/h 以下,忽略不計),當(dāng)其揭露2 號煤及進入煤層后將出現(xiàn)大量涌水,同樣采用Drain 來預(yù)測揭露2 號煤后巷道掘進工作面涌水量。通過模擬計算,得出巖巷掘進揭露2 號煤時涌水量(Drain)為18 535 m3/d,約為772.3 m3/h。該區(qū)域富水性評價為中等富水區(qū)域,與現(xiàn)場實際揭露出水情況基本一致。
3)煤巷掘進期涌水量預(yù)測。煤巷掘進期的主要充水水源為2 號煤層水,Drain 設(shè)置在2101、2102 工作面的切眼和兩巷部位。通過模擬計算,得出煤巷工作面掘進時涌水量(Drain)為14 124 m3/d,約為588.5 m3/h。該區(qū)域富水性評價為較弱~中等富水區(qū)域,基本符合現(xiàn)場實際。
4)回采期涌水量預(yù)測。2102 工作面長6 000 m、寬300 m、煤厚3.5 m;2101 工作面長6 000 m、寬350 m、煤厚3.5 m。通過模擬計算,得出2102工作面回采時涌水量為23 824 m3/d,約為992.7 m3/h;2101 工作面回采時涌水量為19 541 m3/d,約814.2 m3/h,該區(qū)域2 號煤層富水性評價為較弱-中等富水區(qū)域。
通過對礦井不同工況條件下采掘2 號富水煤層時的涌水量進行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)其預(yù)測水量與現(xiàn)場實際接近,同時與前文預(yù)測煤層富水性分區(qū)成果具有一定的關(guān)聯(lián)性,相關(guān)預(yù)測基本符合礦井水文地質(zhì)及地下水運移的一般規(guī)律。
1)通過理論公式、數(shù)值模擬等方法,計算其靜態(tài)存儲水量和動態(tài)補給水量,得出研究區(qū)2 號煤層水靜儲量約0.665 億m3,動態(tài)補給水量約362 m3/h,煤層水整體呈衰減趨勢。結(jié)合礦井涌水情況,預(yù)計未來5~10 年礦井防治水工作主要為疏放2 號煤層水。
2)根據(jù)影響富水煤層的5 項主控指標(biāo),結(jié)合ArcGIS 軟件和層次分析法(AHP)對研究區(qū)2 號煤層進行富水性預(yù)測分區(qū),得出相對強、較強、中等、較弱和弱共5 類富水區(qū)。
3)利用Visual Modflow 軟件構(gòu)建相關(guān)數(shù)值模型,并對不同工況條件的井下掘進、回采工作面的涌水量進行預(yù)測,預(yù)測井筒掘進時涌水量約1 257.7 m3/h,巖巷掘進揭煤時涌水量約772.3 m3/h,工作面煤巷掘進時涌水量約588.5 m3/h,各工作面回采時涌水量約800~900 m3/h。
4)本次研究成果為陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)內(nèi)2 號富水煤層的初步認(rèn)識和淺顯探索,后期還需對2 號煤層水及相關(guān)含水層水變化情況持續(xù)關(guān)注,并完善相應(yīng)的富水性預(yù)測分區(qū)評價指標(biāo)參數(shù)及涌水量預(yù)測數(shù)據(jù),力求為區(qū)內(nèi)富水煤層礦井的水文地質(zhì)及防治水工作提供理論依據(jù)。