侯恩科，童仁劍，馮 潔,2，車曉陽

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 現(xiàn)代煤炭開采技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

燒變巖富水特征與采動水量損失預(yù)計

侯恩科1，童仁劍1，馮 潔1,2，車曉陽1

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 現(xiàn)代煤炭開采技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

燒變巖含水層是榆神府礦區(qū)重要的生態(tài)水源。為研究采煤引起的燒變巖水量損失和燒變巖水保護問題，分析了燒變巖的分類、分布特征、水力聯(lián)系和富水特征，運用數(shù)值模擬方法預(yù)計了采動引起的燒變巖水量損失，提出了燒變巖水“異地儲存”的三種途徑。研究表明：燒變巖可分為三大類五小類，燒結(jié)巖、類熔巖是主要儲水載體；燒變巖分布受地形控制，規(guī)模受煤厚、出露高度和自燃條件影響，富水性受補給條件、排泄條件和儲水條件決定；燒變巖含水層接受上覆含水層的補給，以泉和礦井疏放水的形式進行排泄；模擬得到需要疏放的燒變巖含水層水量和鉆孔布設(shè)方案。在總結(jié)以往保水采煤經(jīng)驗基礎(chǔ)上，提出采用水庫儲水、采空區(qū)儲水和地表灌溉三種“異地儲存”途徑來保護利用燒變巖水資源。

燒變巖；保水采煤；地下水數(shù)值模擬；采空區(qū)儲水；異地儲存

燒變巖是煤層等有機質(zhì)自燃烘烤使圍巖發(fā)生顏色、成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造變化而形成的特殊巖類[1-2]，在榆神府礦區(qū)大面積分布。燒變巖因裂隙、孔隙發(fā)育，為地下水徑流、儲存提供了良好空間，常與松散層、風(fēng)化基巖含水層一起成為礦區(qū)的主要含水層[3-4]。對于水資源貧乏的陜北地區(qū)而言，燒變巖含水層是重要的生態(tài)水源，也是保水采煤的重點研究對象[5-7]。燒變巖常壓覆大量優(yōu)質(zhì)煤炭資源，在其下方、側(cè)方采煤時會導(dǎo)致燒變巖水涌入礦井，使燒變巖水資源遭到破壞，同時又給煤礦安全生產(chǎn)造成威脅?；诒Ｋ擅旱睦砟?，有學(xué)者提出在火燒區(qū)原地建立供水水源地的觀點[4-5]，即利用泄水鉆孔使燒變巖水進入礦井供水系統(tǒng)加以利用[8]，但往往因效益因素并未廣泛采用。以往關(guān)于燒變巖的研究主要集中在形成時代、形成機理、分類、巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征、探測方法、水文地質(zhì)特征和靜水儲量等方面[1-2,9-15]，對燒變巖下覆煤層采動造成的水量損失預(yù)計及燒變巖水“異地儲存”保護問題研究甚少，故有必要對該問題綜合研究，以滿足煤礦水害防治和水資源保護的需要。

陜北榆神府礦區(qū)以黃土溝壑區(qū)和風(fēng)沙灘地地貌為主，侏羅紀煤層燒變巖廣泛分布，整體呈階梯、條帶狀展布，局部還存在多煤層重疊火燒區(qū)。筆者以該礦區(qū)某煤礦典型重疊火燒區(qū)為研究對象，在分析燒變巖分布特征、水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，建立該區(qū)地下水流系統(tǒng)概念模型，對燒變巖下伏煤層開采需要疏放的燒變巖水量進行預(yù)測，進而探討燒變巖水資源保護的保水采煤途徑。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于榆神府礦區(qū)某煤礦井田內(nèi)水庫的西北側(cè)，面積約15.05 km2。研究區(qū)即為本次地下水流場模擬的范圍(圖1)，它是根據(jù)該井田地貌、水系、地下水力聯(lián)系、火燒區(qū)范圍和工作面布置情況綜合確定的。該研究區(qū)目前還未布置工作面，地下水流系統(tǒng)基本未受擾動，且區(qū)內(nèi)火燒區(qū)范圍大、厚度大、連續(xù)性好，又存在2-2，3-1煤層重疊燒變巖，在榆神府礦區(qū)代表性強，具有重要研究價值。

圖1 研究區(qū)地形及燒變巖分布

2 燒變巖富水特征

2.1 燒變巖分類及特征

根據(jù)成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和燒變程度差異可對燒變巖進行分類。以往多數(shù)學(xué)者將燒變巖分為類熔巖、燒結(jié)巖和烘烤巖3類[1-2]，也有學(xué)者將其分為燒熔巖、燒烤巖2類[10]，還有學(xué)者將其分為熔合燒變巖、烘烤燒變巖和熔—烤過渡燒變巖3類[9]。根據(jù)筆者在研究區(qū)及周邊地區(qū)實際調(diào)查結(jié)果，認可將其劃分為烘烤巖、燒結(jié)巖和類熔巖3類，也可細分為強類熔巖、弱類熔巖、強燒結(jié)巖、弱燒結(jié)巖和烘烤巖五小類(表1)。不同類型燒變巖的水文地質(zhì)意義差別很大，燒結(jié)巖、類熔巖孔隙、裂隙發(fā)育，是主要的儲水載體。

2.2 燒變巖分布特征

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有2-2，3-1煤層燒變巖，分布上表現(xiàn)為受古沖溝控制、現(xiàn)代沖溝后期改造的特點，總體上沿沖溝呈條帶狀分布，且經(jīng)物探、鉆探驗證存在雙煤層重疊火燒區(qū)(圖1)。燒變巖的分布位置由古地形決定，基本沿古沖溝兩側(cè)分布。燒變巖的分布規(guī)模則受煤層厚度、出露高度和自燃條件影響。其中煤層越厚，燃燒釋放的熱量越多，所形成的燒變巖發(fā)育深度和高度就越大；煤層出露越高，空氣流通相對更好，自燃深度也就越大；自燃條件中與煤層接觸的氧氣、水分、氣溫和氣壓越適宜，就越容易自燃。

表1 燒變巖分類

Table 1 Classification of burnt rock

類型顏色燒變程度成分結(jié)構(gòu)構(gòu)造裂隙發(fā)育情況烘烤巖淺紅、土紅、灰綠、淡紫色輕微基本不發(fā)育燒變、高溫礦物原巖結(jié)構(gòu)原巖層理構(gòu)造裂隙以閉合為主弱燒結(jié)巖強燒結(jié)巖棕紅、紫紅、紅褐、肉紅、灰白色強烈無高溫礦物,少量燒變礦物少量高溫礦物,以燒變礦物為主變余結(jié)構(gòu)層塊狀、薄層狀、角礫狀、瓷化構(gòu)造,常見膠結(jié)物發(fā)育裂隙少量發(fā)育裂隙較發(fā)育、張開性較好弱類熔巖強類熔巖褐紅、棕、紫、灰褐、灰黑、黑、黑紫、銅色熔化高溫礦物為主熔融結(jié)構(gòu)流紋狀、蜂窩狀、氣孔狀、爐渣狀構(gòu)造孔隙、裂隙發(fā)育孔隙、孔洞很發(fā)育

燒變巖分布特征可從空間上細分為垂向分帶特征和平面分布特征。垂向自上而下大體呈現(xiàn)出烘烤巖帶—燒結(jié)巖帶—類熔巖帶組合特征，煤層越厚，該組合越完整。平面上燒變巖的分布特征為：2-2，3-1煤火燒區(qū)面積分別為7.20,2.51 km2，重疊面積為1.08 km2，最大自燃深度分別為2.40,2.10 km，平均厚度分別為8.73,4.88 m(未計烘烤巖厚度)?？梢?，2-2煤比3-1煤厚，出露高，自燃條件好，其燒變巖規(guī)模就相對更大。此外，燒變巖出露后容易遭受風(fēng)化剝蝕，故早期燒變巖分布范圍可能更大。

根據(jù)野外調(diào)查和礦井涌水量分析，分布在黃土溝壑區(qū)的燒變巖受地形切割剝蝕，分布面積普遍不大，靜水儲量相對較??；風(fēng)沙灘地區(qū)隱伏的燒變巖，剝蝕程度小，自燃深度大，分布面積廣，靜水儲量大。研究區(qū)所在區(qū)域為向西緩傾的寬緩向斜構(gòu)造，風(fēng)沙灘地分布在主溝西南側(cè)，其松散層含水層富水性比黃土溝壑區(qū)好，更容易形成富水性好的儲水構(gòu)造。

2.3 燒變巖水力聯(lián)系特征

不同地區(qū)的火燒區(qū)與礦區(qū)滲流場水力聯(lián)系規(guī)律基本類似(圖2)。即在工作面開采前，地表水入滲到第四系松散層后，通過“天窗”、露頭、封閉不良鉆孔等通道越流到基巖裂隙含水層或燒變巖含水層，然后沿隔水層向低洼處匯聚，在溝壑區(qū)以泉的形式排泄。研究區(qū)內(nèi)保德組紅土隔水層局部存在缺失，使風(fēng)積沙、薩拉烏蘇組含水層和風(fēng)化基巖、2-2煤燒變巖含水層之間存在水力聯(lián)系。2-2煤燒變巖比3-1煤燒變巖富水性好，受J2y4隔水層的影響，兩個含水層之間水力聯(lián)系可能不大。在汛期，位于洪水水位以下的基巖和燒變巖露頭還可直接接受溝道流水補給。隨著巷道掘進及煤層開采，冒裂帶可溝通各含水層，使其水力聯(lián)系發(fā)生改變，地下水匯聚至工作面，最后通過礦井排水設(shè)施將燒變巖水疏排至地表或作其他用途。

2-2煤燒變巖含水層是威脅3-1煤開采的主要含水層，據(jù)水位標高可做出含水層流場圖(圖3)。含水層地下水水位變幅在3 m左右，流場趨勢為從南向北，在露頭處通過Q08泉進行排泄，泉水流量在5～14.5 L/s波動，受季節(jié)影響明顯，存在滯后性。

圖2 火燒區(qū)地下水循環(huán)示意

圖3 2-2煤層燒變巖含水層流場

2.4 燒變巖富水性特征

燒變巖的富水性分布不均，主要受補給條件、排泄條件和儲水條件控制。補給條件包括上覆含水層補給量、補給通道；排泄條件即以泉、基巖露頭為主的排泄通道；儲水條件即儲水空間規(guī)模、孔隙裂隙發(fā)育情況、儲水構(gòu)造。其中儲水構(gòu)造對燒變巖含水層的靜儲量起決定因素，儲水構(gòu)造主要為利于儲水的寬緩向斜構(gòu)造。由2-2煤燒變巖底板等高線圖可知(圖4)，火燒區(qū)西部地勢低洼，遠離溝道，地下水徑流緩慢，為良好匯水區(qū)域?；馃齾^(qū)西部鉆孔(B5、B6)單位涌水量和滲透系數(shù)比東部鉆孔(B21)大(表2)，表明西部火燒區(qū)富水性更好。

圖4 2-2煤層燒變巖底板等高線

抽水鉆孔揭露的研究區(qū)燒變巖含水層厚度為1.45～5.05 m，單位涌水量為0.004 2～2.430 0 L/(s·m)。2-2煤燒變巖滲透系數(shù)比3-1煤燒變巖大，以中等—強富水性為主。3-1煤燒變巖富水性受火燒區(qū)寬度、規(guī)模、向斜構(gòu)造和隔水層等多種因素制約，表現(xiàn)為弱—中等富水性。

表2 火燒區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)

Table 2 Hydrogeological parameters of burnt area

抽水層位孔號含水層厚度/m單位涌水量/(L·s-1·m-1)滲透系數(shù)/(m·d-1)B211.450.1782.7022-2煤燒變巖B53.102.43011.33B65.052.36755.453-1煤燒變巖B82.400.0040.041B204.950.2050.446

3 采動水量損失預(yù)測

采動水量預(yù)測方法一般可分為數(shù)值模擬法和統(tǒng)計分析法兩類，數(shù)值模擬法對復(fù)雜邊界條件及非均質(zhì)地層結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好，是研究燒變巖含水層的首選方法。

3.1 水文地質(zhì)概念模型

地下水流場模擬范圍的確定，應(yīng)以研究區(qū)水文地質(zhì)條件為依據(jù)，同時充分考慮地下水系統(tǒng)的完整性和獨立性。模型范圍北至井田大巷，西北、東北、正南以分水嶺為界，西以井田邊界為界，東南邊界位于4-2煤火燒邊界以北。

邊界條件的概化分為垂向邊界概化和側(cè)向邊界概化。垂向邊界概化即潛水含水層自由水面為模型上邊界，3-1煤以下20 m厚的基巖因地層滲透系數(shù)和單位儲水系數(shù)極小，隔水性能良好，將其概化為模型的底部隔水邊界。側(cè)向邊界據(jù)模型層位進行分層概化，具體根據(jù)各層位的底板等高線圖和水位來大致確定地下水徑流方向，并計算側(cè)向徑流排泄量。模型層位概化為7層，從上往下依次為第四系(Q)、保德組(N2b)、風(fēng)化基巖和延安組五段組合(J2z-J2y5)、2-2煤燒變巖(2-2sby)、2-2煤層和延安組四段組合(2-2-J2y4)、3-1煤燒變巖(3-1sby)、3-1煤層和延安組三段組合(3-1-J2y3)。

3.2 地下水流數(shù)值模型

模型概化為三維非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，采用GMS軟件中的MODFLOW模塊進行求解。研究區(qū)面積較大，考慮到計算精度和效率，將網(wǎng)格剖分為30行30列，為形象觀察地層空間組合關(guān)系(圖5)，對模型第23行網(wǎng)格進行切剖面顯示(圖6)。模型識別期從2014-04-01—10-01，驗證期從2014-10-01—2015-03-30。長觀孔共3個，其中2-2煤燒變巖鉆孔2個，3-1煤燒變巖鉆孔1個。參數(shù)分區(qū)是依據(jù)抽水試驗成果、巖性分布、巖層結(jié)構(gòu)和其它水文地質(zhì)條件空間變化對模型各層單獨分區(qū)(圖7)。初始水文地質(zhì)參數(shù)來自抽水試驗成果、前人相關(guān)研究資料和《水利水電工程水文計算規(guī)范》中的經(jīng)驗值，再通過參數(shù)反演確定最終各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)(表3)。最后對降水入滲補給量、側(cè)向徑流補給排泄量、泉水排泄量、潛水蒸發(fā)量、礦井排水量等源匯項進行計算并賦值給模型。

圖5 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

圖6 模型空間剖分圖

圖7 數(shù)值模擬參數(shù)分區(qū)

3.3 模型識別驗證

模型的識別驗證即通過多次調(diào)整模型的參數(shù)如滲透系數(shù)、給水度和儲水率等，使模型計算出來的水位值與實際水位觀測值的誤差盡可能小。本模型識別、驗證階段水位擬合誤差基本在1 m以內(nèi)(圖8,9)，其中識別期水位擬合小于0.5 m的絕對誤差占已知節(jié)點的75.36%，驗證期水位擬合小于0.5 m的絕對誤差占已知節(jié)點的82.61%，擬合效果良好，模型合理可靠，可用于研究區(qū)地下水位的預(yù)測。

3.4 采動損失量預(yù)測

為保證煤礦生產(chǎn)安全，當含水層水位低于該含水層底板時，可認為該含水層地下水已被疏干。由于含水層是一個整體，分布面積廣，疏干整個含水層是沒有必要的，只需要疏干影響工作面一定范圍內(nèi)的含水層即可達到煤層安全開采的目的。研究區(qū)3-1煤A、B工作面在2-2煤燒變巖的直接影響范圍內(nèi)(圖10)，礦井疏放水采用Well(抽水井)模塊進行模擬。在燒變巖含水層布置抽水井，運行模型，抽水時間為4個月，根據(jù)結(jié)果優(yōu)化抽水位置和流量，直到燒變巖含水層水位全部下降至底板以下，該抽水流量即為影響范圍內(nèi)火燒區(qū)預(yù)計的采動損失量。模擬最終設(shè)計的抽水井布置及疏放后火燒區(qū)地下水流場如圖10所示。

表3 數(shù)值模型分區(qū)部分參數(shù)數(shù)值解

Table 3 Numerical solution of partial numerical modeling parameter zonation

參數(shù)分區(qū)水平滲透系數(shù)/(m·d-1)垂向滲透系數(shù)/(m·d-1)給水度儲水率/(L·m-1)10.30.060.15—20.30.060.15—30.000080.000008—1.0×10-740.000100.000010—0.00005530.6—0.0008060.001330.000133—0.00001710.2—0.0002080.00050.000050—0.00001

圖8 識別期實測值與計算值的擬合曲線

圖9 驗證期實測值與計算值的擬合曲線

圖10 抽水井布置及疏放后火燒區(qū)地下水流場預(yù)測

模擬得到4個月內(nèi)需要疏放水量0.98×106m3，平均每日疏放水量為8 166.67 m3/d，即340.28 m3/h。該水量主要由燒變巖含水層靜儲量構(gòu)成，此外還包括上覆風(fēng)化基巖、薩拉烏蘇組含水層和大氣降水等少量補給水量。同時根據(jù)抽水井模擬流量發(fā)現(xiàn)，B工作面面臨的燒變巖水害比A工作面嚴重，且B工作面西側(cè)的水害要比東側(cè)的嚴重，南部又要比北部嚴重。B工作面中部燒變巖水害雖輕，但在溝道處由于采動裂縫會導(dǎo)通到地表，在汛期應(yīng)采取措施預(yù)防暴雨等地表水灌入工作面而引發(fā)水害。

此外工作面上覆火燒區(qū)可視為一狹長廊道，形狀為矩形，采用“廊道法”進行燒變巖含水層礦井涌水量預(yù)計，得到由火燒區(qū)含水層引起的涌水量為399.17 m3/h，該涌水量會給礦井生產(chǎn)造成極大威脅?；馃齾^(qū)富水性分布不均，目前暫無陜北地區(qū)火燒區(qū)下采動水量預(yù)計相關(guān)研究可供參考，考慮到數(shù)值法比統(tǒng)計分析法更客觀，故認為上述疏放水量等價于采動損失水量，即保水采煤需要“異地儲存”的燒變巖含水層水資源量為0.98×106m3。

4 保水采煤途徑

煤炭高強度開采和水資源保護往往相互制約，保水采煤的提出就是為了實現(xiàn)陜北脆弱生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。保水采煤理論從早前的合理開采區(qū)域、合理開采方法深化為生態(tài)水位保護及水資源保護利用相結(jié)合，取得了豐富的理論和實踐成果[5-7,16]。其中生態(tài)水位保護即隔水層的保護，本質(zhì)在“防滲”；水資源保護利用相結(jié)合主要指采空區(qū)儲水、礦井水復(fù)用，核心在“轉(zhuǎn)儲”利用。針對燒變巖保水采煤的實踐，因其裂隙發(fā)育、富水性較好，目前主流思想是在火燒區(qū)建立供水水源地，暫不進行下覆及側(cè)方煤層的開采，其本質(zhì)和生態(tài)水位保護類似，該方案適合燒變巖下覆無煤或煤層較薄、儲量較小或開采不經(jīng)濟的地區(qū)。

本研究區(qū)及周邊地區(qū)在燒變巖下還有3-1煤、4-2煤和5-2煤，均屬中厚—厚煤層，根據(jù)工作面布置計劃，2 a后將進行3-1煤綜采。若現(xiàn)在建設(shè)供水水源地，將會嚴重打亂生產(chǎn)進度安排、提高生產(chǎn)成本，未來也是威脅下覆煤層開采的重大隱患。燒變巖成條帶狀展布，水源地建設(shè)的效益如何也有待商榷。因此，結(jié)合保水采煤理念，研究認為將燒變巖水提前疏放，進行“異地儲存”，才是保護水資源、實現(xiàn)礦井水資源化同時達到水煤共采行之有效的途徑[17]。具體“儲存”模式可分為水庫儲水、采空區(qū)儲水和地表灌溉三種。研究區(qū)東側(cè)有2個天然水庫，完全可儲存下98萬m3的水量，故燒變巖水疏放后經(jīng)專用排水管道再適當處理后即可排泄至水庫。研究區(qū)東部多個5-2煤工作面已開采完畢，其采空區(qū)也可儲存一部分燒變巖水。此外，礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理也需要用水，將燒變巖水輸送至地表進行灌溉，使其重新入滲到地下也是一種可選的“儲存”途徑。

5 結(jié) 論

(1)燒變巖是陜北保水采煤和礦井防治水的重點研究對象，其分布位置受地形決定，分布規(guī)模受煤厚、出露高度和自燃條件影響。富水性受補給條件、排泄條件和儲水條件控制，其中利于儲水的寬緩向斜構(gòu)造對燒變巖靜水儲量大小起決定作用。

(2)數(shù)值模擬法能直觀有效地模擬采動引起的燒變巖水量損失和疏放水鉆孔布設(shè)，有利于指導(dǎo)防治水工程布置，對保水采煤有重要參考價值。

(3)保水采煤的實施應(yīng)該因地制宜。研究區(qū)燒變巖水宜采用水庫儲水、采空區(qū)儲水和地表灌溉3種“異地儲存”途徑進行保護利用。

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Water enrichment characteristics of burnt rock and prediction on water loss caused by coal mining

HOU En-ke1，TONG Ren-jian1，F(xiàn)ENG Jie1,2，CHE Xiao-yang1

(1.SchoolofGeologyandEnvironment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.ModernCoalMiningTechnologyResearchInstitute,ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstituteCo.,Ltd.,Xi’an710065,China)

The burnt rock aquifer is an important ecological water resources in Yushenfu mining area.In order to study the water loss and protection of burnt rock,this paper analyzed classification,distribution,hydraulic connection and water enrichment feature of burnt rock.Numerical simulation method was used to predict water loss which caused by mining and then concluding three approaches of “offsite storage” burnt rock water.The research shows that burnt rock can be divided into 3 categories and 5 small classes,among them sinter rock and similar lava rock are main water storage carriers.The distribution of burnt rock is controlled by topography,while the scale is affected by coal seam thickness,exposed height and spontaneous combustion conditions.Besides,water abundance of burnt rock is determined by supply condition,excretion condition and water storage condition.The result also shows the burnt rock aquifer is subjected to the recharge of the overlying aquifer and excreting by spring and mine drainage.Additionally,draining water quantity and borehole design was summarized by numerical simulation.On the basis of experience of water-preserved mining,three methods could be summarized to protect and utilize water resource of burnt rock,which are reservoir water storage,goaf water storage and surface water irrigation.

burnt rock；water-preserved mining；numerical simulation of groundwater；goaf water storage；offsite storage

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5055

2016-11-15

2016-12-05責(zé)任編輯:畢永華

國家自然科學(xué)基金面上資助項目(41472234)；陜西省社會發(fā)展攻關(guān)資助項目(2014K13-03)

侯恩科(1963—)，男，陜西扶風(fēng)人，教授，博士生導(dǎo)師。Tel：029-85583057，E-mail：houek@xust.edu.cn

TD745;TD823

A

0253-9993(2017)01-0175-08

侯恩科，童仁劍，馮潔，等.燒變巖富水特征與采動水量損失預(yù)計[J].煤炭學(xué)報,2017,42(1):175-182.

Hou Enke，Tong Renjian，F(xiàn)eng Jie，et al.Water enrichment characteristics of burnt rock and prediction on water loss caused by coal mining[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):175-182.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5055