李全生，鞠金峰，曹志國(guó)，高 富，李建華

(1.煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011; 2.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 科技發(fā)展部，北京 100011; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008; 4.神華包頭能源有限責(zé)任公司 李家壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

基于導(dǎo)水裂隙帶高度的地下水庫(kù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)

李全生1,2，鞠金峰3，曹志國(guó)1,2，高 富4，李建華4

(1.煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011; 2.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 科技發(fā)展部，北京 100011; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008; 4.神華包頭能源有限責(zé)任公司 李家壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

利用煤礦井下采空區(qū)進(jìn)行礦井水資源儲(chǔ)存和循環(huán)利用的地下水庫(kù)技術(shù)為西部缺水礦區(qū)的綠色開(kāi)采提供了新的途徑，但其推廣應(yīng)用仍需符合一定的適用條件。綜合采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析，結(jié)合神東礦區(qū)煤礦地下水庫(kù)工程實(shí)踐，開(kāi)展了基于導(dǎo)水裂隙帶高度的地下水庫(kù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法研究。結(jié)果表明：地下水庫(kù)儲(chǔ)水的高效循環(huán)使用是保證該技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵，必須滿足“水源”、“庫(kù)容”和“通道”三大條件。采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙作為地下水庫(kù)水源補(bǔ)給的重要通道，是影響地下水庫(kù)適應(yīng)性的核心因素。利用“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法”，判別具體開(kāi)采條件導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，當(dāng)導(dǎo)水裂隙溝通區(qū)域補(bǔ)給水源(含水層)時(shí)，地下水庫(kù)具備適應(yīng)性;否則，區(qū)域水源水體一般難以匯聚至井下采空區(qū)，從而地下水庫(kù)中可供循環(huán)利用的水資源量將難以保證，地下水庫(kù)保水方法一般不適用。研究結(jié)果得到了神東礦區(qū)地下水庫(kù)工程的驗(yàn)證，并指導(dǎo)了李家壕煤礦地下水庫(kù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)和地下水庫(kù)建設(shè)選址。

地下水庫(kù);適用性;導(dǎo)水裂隙;關(guān)鍵層;保水采煤

我國(guó)西部礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源缺乏，大規(guī)模煤炭開(kāi)采與水資源保護(hù)矛盾突出。針對(duì)這一問(wèn)題，神華集團(tuán)研發(fā)形成了煤礦地下水庫(kù)的水資源循環(huán)利用技術(shù)體系[1]，即利用煤炭開(kāi)采形成的采空區(qū)作為水資源儲(chǔ)存和凈化的空間，以開(kāi)采引起的覆巖導(dǎo)水裂隙作為水庫(kù)水源的補(bǔ)給通道，將采動(dòng)破壞的水資源匯集并儲(chǔ)存至井下采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采水資源的有效保護(hù)與循環(huán)利用。目前該技術(shù)已在神東等西部缺水礦區(qū)得到推廣使用[1-8]，構(gòu)建了35座煤礦地下水庫(kù)，供應(yīng)了礦區(qū)95%以上用水量，為西部缺水礦區(qū)礦井水循環(huán)利用和綠色開(kāi)采提供了新的技術(shù)途徑。然而受礦井水文、地質(zhì)及開(kāi)采參數(shù)等諸多因素的影響，并非所有礦井都適合采用地下水庫(kù)保水技術(shù)。例如，當(dāng)?shù)V井所處區(qū)域的水源賦存量有限時(shí)，則地下水庫(kù)儲(chǔ)水將得不到有效補(bǔ)給，從而無(wú)法滿足礦井各方面的用水需求;或者，當(dāng)選取的用于水資源儲(chǔ)存的采空區(qū)儲(chǔ)水空間容量不足以安全容納礦井所需的循環(huán)用水量時(shí)，地下水庫(kù)保水技術(shù)也將難以實(shí)施;而且，即使礦井(區(qū))擁有足夠的補(bǔ)給水源和儲(chǔ)水空間，若其儲(chǔ)水區(qū)域?qū)?yīng)上覆導(dǎo)水裂隙未能溝通相關(guān)補(bǔ)給水源，則地下水庫(kù)中可供循環(huán)利用的水資源量也將難以保證。因此，研究建立地下水庫(kù)保水技術(shù)的適用條件，對(duì)于礦井(區(qū))地下水庫(kù)建設(shè)的選址和綠色開(kāi)采對(duì)策的選擇等具有重要意義。

地處神府東勝煤田的李家壕煤礦，雨量稀少、生態(tài)脆弱，加之煤層埋藏淺、累積開(kāi)采厚度大，井下開(kāi)采活動(dòng)勢(shì)必會(huì)對(duì)區(qū)域水系環(huán)境和生態(tài)造成損傷;為此，礦井計(jì)劃利用初期開(kāi)采形成采空區(qū)開(kāi)展地下水庫(kù)保水技術(shù)的工程試驗(yàn)。然而，該礦是否適合采用地下水庫(kù)保水技術(shù)，若適合其地下水庫(kù)又該如何選址等等問(wèn)題，都有待進(jìn)一步研究和解決。因此，筆者將基于地下水庫(kù)保水技術(shù)實(shí)施的適用條件，綜合考慮礦井的水文、地質(zhì)及開(kāi)采因素，對(duì)其采用地下水庫(kù)保水技術(shù)的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，指導(dǎo)地下水庫(kù)的合理選址，實(shí)現(xiàn)礦井保水采煤技術(shù)的安全高效實(shí)施。

1 煤礦地下水庫(kù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法

1.1 煤礦地下水庫(kù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)的必要條件

根據(jù)煤礦地下水庫(kù)的保水原理[1-2]，要使該技術(shù)能在礦井成功應(yīng)用，應(yīng)保證地下水庫(kù)滿足水資源的“使用-補(bǔ)給”的平衡關(guān)系，關(guān)鍵需要滿足以下3個(gè)必要條件：

(1)“水源”條件。地下水庫(kù)補(bǔ)給水源必須含有充足的水量，以滿足礦井各方面的用水需求Qr(包括井下煤炭生產(chǎn)、地面工業(yè)生產(chǎn)、生活與綠化等)。應(yīng)滿足

式中，Qw即為大氣降水、地表水、地下水之和。對(duì)于地下水庫(kù)常實(shí)施的西部干旱半干旱的缺水礦區(qū)，地表水分布稀少，其實(shí)際為雨季的大氣降水，因此，

式中，大氣降水水量Qrain可按照礦區(qū)全年平均降雨量根據(jù)開(kāi)采面積計(jì)算;Qunder為對(duì)于地下水資源量，可根據(jù)地質(zhì)勘查部門對(duì)礦區(qū)專門出具的水文地質(zhì)勘探報(bào)告進(jìn)行計(jì)算。

(2)“庫(kù)容”條件。用于儲(chǔ)水的采空區(qū)內(nèi)應(yīng)具有足夠的、安全的、并能滿足礦井水量需求的儲(chǔ)水空間Vc進(jìn)行水資源儲(chǔ)存。應(yīng)滿足

采空區(qū)儲(chǔ)水空間容量可按下述步驟進(jìn)行計(jì)算：首先確定采空區(qū)儲(chǔ)水的極限儲(chǔ)水水位h。其主要依據(jù)采空區(qū)四周隔離煤柱和人工構(gòu)筑物的極限承載能力而定。其次計(jì)算儲(chǔ)水水位范圍內(nèi)的空間量。即

式中，L為采空區(qū)儲(chǔ)水范圍對(duì)應(yīng)走向長(zhǎng)度;α為煤層傾角;B為采空區(qū)傾向?qū)挾?δ為儲(chǔ)水系數(shù)，可利用下式進(jìn)行計(jì)算[9]

其中，Kp為采空區(qū)破碎巖體碎脹系數(shù)?；蛘?，也可利用現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)的注水與放水試驗(yàn)進(jìn)行儲(chǔ)水系數(shù)的測(cè)定。根據(jù)神東礦區(qū)大柳塔煤礦曾開(kāi)展的采空區(qū)注水與放水試驗(yàn)結(jié)果，儲(chǔ)水系數(shù)一般可取值0.1～0.2[8]。

(3)“通道”條件。應(yīng)使得煤層開(kāi)采引起的覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育并溝通地下水庫(kù)的補(bǔ)給水源，這樣各類水源才能匯聚到地下水庫(kù)中，供礦井生產(chǎn)、生活使用。對(duì)于導(dǎo)水裂隙未能溝通補(bǔ)給水源的開(kāi)采條件，還存在特定條件下(如導(dǎo)水裂隙與水源之間巖層厚度較小且無(wú)隔水層、或水源水壓較大等)水體的越層滲流現(xiàn)象。水體在非裂隙帶巖層中的滲流速度[10]可表示為

其中，Ki為第i層巖層的滲透率;μ為水的動(dòng)力黏度系數(shù);mi為第i層巖層的厚度;Pi+1,Pi為第i層巖層的上下表面的水壓力值。從式(6)可以看出，這一過(guò)程主要與巖層上下表面的壓力差及其原巖滲透率有關(guān)。由于該越層滲流現(xiàn)象實(shí)際過(guò)程較為緩慢，難以滿足地下水庫(kù)使用初期的循環(huán)水量要求，使得地下水庫(kù)保水技術(shù)實(shí)施的適應(yīng)性降低。因此，具體判斷時(shí)，可按照導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與地層含水層所處層位的相對(duì)位置進(jìn)行確定，若地層含水層處于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，則該含水層可對(duì)地下水庫(kù)進(jìn)行水源補(bǔ)給。

對(duì)于覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的確定，目前應(yīng)用較為普遍的是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中的經(jīng)驗(yàn)公式以及現(xiàn)場(chǎng)施工鉆孔的工程探測(cè)(沖洗液漏失量法)[11]。然而，由于礦區(qū)不同開(kāi)采區(qū)域地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶高度難免存在較大誤差，而現(xiàn)場(chǎng)施工鉆孔觀測(cè)又存在費(fèi)用高、測(cè)點(diǎn)密度稀等缺點(diǎn)。所以，研究確定適用于具體地質(zhì)開(kāi)采條件的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算方法對(duì)于煤礦地下水庫(kù)保水技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

1.2 覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度判別方法

(1)單一煤層開(kāi)采覆巖“導(dǎo)高”判別

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[12-13]，煤層覆巖中關(guān)鍵層所處的位置將直接影響導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育情況。當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層位于臨界高度(7～10)M(M為煤層采厚)以內(nèi)時(shí)，導(dǎo)水裂隙將發(fā)育至基巖頂部;當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層位于臨界高度(7～10)M以外時(shí)，導(dǎo)水裂隙將發(fā)育至臨界高度(7～10)M上方最近的關(guān)鍵層底部。由此，形成了適用于單一煤層開(kāi)采的“基于關(guān)鍵層位置的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法”[13]，其判別流程如圖1所示(Hd為導(dǎo)水裂隙帶高度;Hg為(7～10)M高度以上的最近一層關(guān)鍵層距煤層距離；Hj為基巖厚度)。即，根據(jù)地質(zhì)勘探得到的具體覆巖柱狀，采用關(guān)鍵層判別軟件KSPB[14-15]進(jìn)行覆巖關(guān)鍵層位置的判別，然后從開(kāi)采煤層頂界面開(kāi)始判斷覆巖(7～10)倍采高范圍外是否存在關(guān)鍵層，若存在，則導(dǎo)水裂隙帶高度為(7～10)倍采高范圍外第1層關(guān)鍵層底界面至煤層間的距離;若不存在，則導(dǎo)水裂隙帶高度將大于或等于基巖厚度。

圖1 基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法流程[13]Fig.1 Flow chart of the prediction method for the height of water conduction fracture zone based on the KS position[13]

上述基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法能適應(yīng)不同采厚條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)，同時(shí)可以對(duì)由于覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)變化引起的導(dǎo)水裂隙帶高度異常發(fā)育情況作出判別，已得到多個(gè)煤礦的頂板導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證[12]。

(2)煤層群開(kāi)采覆巖“導(dǎo)高”判別

西部缺水礦區(qū)多為煤層群賦存條件，因此有必要研究煤層群開(kāi)采條件下的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度確定方法[16-17]。借鑒前述單一煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)新方法，類似的提出了基于關(guān)鍵層位置的煤層群開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的計(jì)算方法。

由于兩層煤重復(fù)開(kāi)采引起的覆巖運(yùn)動(dòng)并不等同于單一煤層的一次開(kāi)采，因此，上述判別方法中的采高選取并不能單純按兩煤層采高累加直接進(jìn)行計(jì)算，而應(yīng)按照兩煤層累計(jì)的等效采高M(jìn)d進(jìn)行判斷。即將下煤層開(kāi)采引起的巖層運(yùn)動(dòng)波及至上煤層位置時(shí)的下沉量，作為上煤層的累計(jì)等效采厚疊加到上煤層上，從而按此等效累計(jì)采高在上煤層位置進(jìn)行判別。等效累計(jì)采高可按下式計(jì)算：

式中，M1,M2分別為上下煤層采高，D為上下煤層間距，Kp為煤層間巖層的殘余碎脹系數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室破碎巖樣測(cè)試獲取，或者利用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔內(nèi)部巖移的監(jiān)測(cè)、根據(jù)上下位巖層下沉量的差值來(lái)進(jìn)行測(cè)定，這里取值1.05[12]。若M2-D(Kp-1)<0，取Md=M1，說(shuō)明此時(shí)上下兩層煤層采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶未能貫通。

2 神東礦區(qū)地下水庫(kù)工程實(shí)例分析

神東礦區(qū)地處晉、陜、蒙三省交界處的毛烏素沙漠邊緣，是我國(guó)西部地區(qū)典型的干旱半干旱生態(tài)脆弱礦區(qū)。為了減少煤炭大規(guī)模開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)水資源有效保護(hù)和循環(huán)利用，該礦區(qū)近年來(lái)實(shí)施開(kāi)展了煤礦地下水庫(kù)的保水工程實(shí)踐，以大柳塔煤礦為典型代表，逐步在礦區(qū)15座礦井實(shí)現(xiàn)推廣使用，取得了顯著的工程應(yīng)用效果。因此，本節(jié)將以神東礦區(qū)大柳塔煤礦地下水庫(kù)工程實(shí)踐為例，對(duì)前節(jié)有關(guān)基于導(dǎo)水裂隙帶高度的地下水庫(kù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

大柳塔煤礦地處陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)南端的烏蘭木倫河畔，由大柳塔井和活雞兔井組成，兩井擁有井田面積189.9 km2，煤炭可采儲(chǔ)量15.3億t。礦井主采1-2煤、2-2煤和5-2煤，目前1-2煤和2-2煤已基本開(kāi)采完畢，正在進(jìn)行5-2煤的開(kāi)采;采空區(qū)主要充水水源為第四系松散含水層、地表水、以及大氣降水(大氣降水同時(shí)也是區(qū)內(nèi)地表水和地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源)，礦井正常涌水量486 m3/h。

礦井自1998年以來(lái)就開(kāi)始了煤礦地下水庫(kù)保水工程的實(shí)踐與研究工作，最終在2-2煤采空區(qū)3個(gè)盤區(qū)建設(shè)形成3座地下水庫(kù)，儲(chǔ)水總量達(dá)710.5萬(wàn)m3，如圖2所示。礦井地下水庫(kù)儲(chǔ)水被循環(huán)供應(yīng)于井下采掘工作面以及地面生產(chǎn)、生活、綠化等方面，其中，井下用水量約7 770 m3/d，地面用水量約4 500 m3/d，已成為神東礦區(qū)名副其實(shí)的“自然供水廠”[8]。

圖2 大柳塔煤礦地下水庫(kù)分布Fig.2 Layout of the underground reservoir in Daliuta mine

大柳塔煤礦地下水庫(kù)之所以能取得成功，除了源于其擁有穩(wěn)定的區(qū)域補(bǔ)給水源和龐大的采空區(qū)儲(chǔ)水空間(儲(chǔ)水采空區(qū)面積約18.9 km2)外，更重要的是地下水庫(kù)選址區(qū)域?qū)?yīng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶溝通了區(qū)域富水水源(采空區(qū)486 m3/h的涌水量證實(shí)了這一點(diǎn))，保證了水庫(kù)水量的有效補(bǔ)給，最終才實(shí)現(xiàn)了地下水庫(kù)儲(chǔ)水的高效循環(huán)利用。這同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明了覆巖導(dǎo)水裂隙通道溝通補(bǔ)給水源對(duì)地下水庫(kù)成功實(shí)施的支撐作用。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證大柳塔煤礦覆巖導(dǎo)水裂隙對(duì)地下水庫(kù)的補(bǔ)給作用，利用前節(jié)的判別方法對(duì)圖2所示儲(chǔ)水區(qū)域的鉆孔柱狀進(jìn)行了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的計(jì)算。該區(qū)域?yàn)?-2煤?jiǎn)我幻簩娱_(kāi)采條件，煤層采高平均4.5 m。以1號(hào)地下水庫(kù)區(qū)域的J67鉆孔為例(圖3(a))，按10倍采高進(jìn)行判斷，則覆巖主關(guān)鍵層將處于該范圍內(nèi)，由此判斷覆巖導(dǎo)水裂隙帶直接溝通至基巖頂界面，對(duì)應(yīng)“導(dǎo)高”為62.59 m。由此可按照同樣方法對(duì)2號(hào)和3號(hào)地下水庫(kù)區(qū)域的覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況進(jìn)行判別，如圖3所示。由此可見(jiàn)，大柳塔煤礦地下水庫(kù)建設(shè)區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶均已溝通至上覆基巖頂界面，如此，區(qū)域內(nèi)作為礦井主要充水水源的第四系松散含水層、地表水、以及大氣降水的水體將能通過(guò)導(dǎo)水裂隙通道匯聚至井下采空區(qū)，保證地下水庫(kù)的水源補(bǔ)給。

圖3 大柳塔煤礦地下水庫(kù)區(qū)域覆巖“導(dǎo)高”判別Fig.3 Discrimination of water conduction fracture zone height in the location of underground reservoir in Daliuta Mine

與大柳塔煤礦類似，受煤層埋藏淺、厚度大、開(kāi)采煤層多等因素的影響，神東礦區(qū)多數(shù)礦井煤層開(kāi)采后引起的覆巖導(dǎo)水裂隙帶普遍能溝通至基巖頂界面[2,12,18-20]，處于井上下的富水水源均能有效匯聚至井下采空區(qū);也正因?yàn)槿绱?，地下水?kù)保水技術(shù)才得以在神東礦區(qū)15座礦井推廣使用。

3 李家壕煤礦地下水庫(kù)建設(shè)適應(yīng)性評(píng)價(jià)

3.1 李家壕煤礦一盤區(qū)地質(zhì)開(kāi)采條件

李家壕煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)東南，隸屬神華包頭能源有限責(zé)任公司，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600萬(wàn)t/a。該礦一盤區(qū)為礦井首采盤區(qū)，目前主采2-2中煤和3-1煤，兩煤層采用協(xié)調(diào)開(kāi)采方式進(jìn)行。其中，2-2中煤厚度1.4～5.3 m，平均2.0 m;3-1煤厚度2.5～6.3 m，平均4.0 m。上下煤層傾角均為0°～3°，兩煤層間距34～40 m，3-1煤埋深204～254 m。地層中主要含水層為基巖孔隙裂隙含水層以及第四系松散含水層;其中，基巖含水層富水性普遍較低，單位涌水量?jī)H0.004 39 L/(s·m)，而第四系松散層富水性相對(duì)較高，單位涌水量0.09～1.29 L/(s·m)，是井下涌水的主要水源。盤區(qū)內(nèi)各工作面布置及兩煤層的厚度等值線分布情況如圖4所示，煤層厚度整體呈現(xiàn)“北薄南厚”的分布特征，且兩煤層之間的距離由北向南呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。以該盤區(qū)南北兩翼的TL32和TL48鉆孔柱狀為例(圖5)，南翼上下煤層厚度明顯偏大，而兩煤層間距則顯著降低(TL48鉆孔柱狀揭示兩煤層間距僅為21.1 m)。

該盤區(qū)對(duì)上下煤層設(shè)計(jì)08～16共計(jì)16個(gè)工作面;目前，已回采北翼2-2中煤和3-1煤兩層煤的08和09共計(jì)4個(gè)工作面;而礦井即將實(shí)施的地下水庫(kù)工程試驗(yàn)也計(jì)劃將在其采空區(qū)進(jìn)行。

圖4 李家壕煤礦一盤區(qū)工作面布置及煤厚等值線分布Fig.4 Layout of the faces in No.1 panel and the coal seam thickness distribution in Lijiahao Coal Mine

圖5 李家壕煤礦一盤區(qū)南、北兩翼覆巖鉆孔柱狀對(duì)比Fig.5 Comparison of the borehole column in the north and south wing of No.1 panel in Ljiahao Coal Mine

3.2 一盤區(qū)采空區(qū)地下水庫(kù)建設(shè)適應(yīng)性評(píng)價(jià)

根據(jù)煤礦地下水庫(kù)的適用條件，即需要滿足“水源”、“庫(kù)容”和“通道”3個(gè)必要條件，可對(duì)李家壕煤礦一盤區(qū)實(shí)施地下水庫(kù)保水技術(shù)的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)“水源”條件評(píng)價(jià)

李家壕煤礦若以一盤區(qū)已采完的31108和31109兩個(gè)工作面采空區(qū)作為地下水庫(kù)的建設(shè)地點(diǎn)，則依據(jù)礦井所在地區(qū)396.0 mm的年均降雨量，結(jié)合開(kāi)采區(qū)域的面積計(jì)算，全年的平均雨水量可達(dá)693 778 m3，即平均每天的雨水量為Qrain=1 901 m3/d。而對(duì)于地下水資源量，根據(jù)神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司晉陜蒙分公司專門針對(duì)李家壕礦水文地質(zhì)勘探出具的《李家壕煤礦頂板三帶探查及水文長(zhǎng)觀工程》報(bào)告，煤層開(kāi)采后的涌水量預(yù)計(jì)為3 313～5 571 m3/d，即Qunder=3 313～5 571 m3/d。因此，礦井地下水庫(kù)擁有的補(bǔ)給水源量為Q(水源)=5 214～7 472 m3/d。而根據(jù)該礦的用水需求估算，其用水量將達(dá)到4 161 m3/d(包括生產(chǎn)用水1 641 m3/d，工業(yè)用水492 m3/d，生活用水1 313 m3/d，綠化用水1 430 m3/d)。由此可見(jiàn)，Q(水源)≥Q(需求)，滿足“水源”條件。

(2)“庫(kù)容”條件評(píng)價(jià)

根據(jù)相關(guān)部門對(duì)31108和31109兩個(gè)工作面采空區(qū)隔離煤柱及人工構(gòu)筑密閉墻的承載穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，其作為地下水庫(kù)擋水壩體所能承受的極限水頭值為13.5 m。兩工作面傾向?qū)挾戎蜑?81.3 m，采空區(qū)煤層傾角4°，儲(chǔ)水范圍對(duì)應(yīng)采空區(qū)走向長(zhǎng)度為193.5 m。而根據(jù)采空區(qū)實(shí)施的注水與放水測(cè)試，儲(chǔ)水系數(shù)可取值0.2。由此，可根據(jù)式(4)計(jì)算得出采空區(qū)的庫(kù)容量為151 480 m3。根據(jù)礦井的日用水量，該庫(kù)容量可供礦井用水36.4 d。由此可見(jiàn)2個(gè)以上工作面采空區(qū)即可滿足“庫(kù)容”條件。

(3)“通道”條件評(píng)價(jià)

根據(jù)李家壕煤礦一盤區(qū)2-2中煤和3-1煤的開(kāi)采現(xiàn)狀，可對(duì)目前兩煤層已開(kāi)采區(qū)域的覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況進(jìn)行預(yù)計(jì)，即北翼08,09工作面的開(kāi)采區(qū)域，包括3-1煤?jiǎn)我幻簩娱_(kāi)采區(qū)域以及2-2中煤和3-1煤重復(fù)開(kāi)采區(qū)域，如圖1所示。

① 3-1煤?jiǎn)我幻簩娱_(kāi)采區(qū)域

即為31108工作面(或31109工作面)與22中108工作面(或22中109工作面)開(kāi)切眼之間的開(kāi)采范圍。以31108工作面為例，選取工作面內(nèi)TL32鉆孔柱狀(圖5(a))，取10倍采高進(jìn)行預(yù)計(jì)(31108工作面采高3.3 m)，覆巖中第6號(hào)巖層對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵層破斷將會(huì)產(chǎn)生貫通裂隙，導(dǎo)水裂隙帶高度將發(fā)育至其上第12號(hào)關(guān)鍵層底界面位置，對(duì)應(yīng)導(dǎo)水裂隙帶高度為62.07 m。這一預(yù)計(jì)結(jié)果也得到了該工作面曾開(kāi)展的覆巖“三帶”工程探測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證，如圖4所示的D1,D2,D3探測(cè)鉆孔。采用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法探測(cè)得到其導(dǎo)水裂隙帶高度為57.7～65.9 m，與上述預(yù)計(jì)結(jié)果相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了“基于關(guān)鍵層位置的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法”的準(zhǔn)確性。

② 2-2中煤和3-1煤重復(fù)開(kāi)采區(qū)域

根據(jù)工作面開(kāi)采范圍附近的幾個(gè)鉆孔柱狀，結(jié)合兩工作面的開(kāi)采參數(shù)(22中108工作面和22中109工作面采高均為2.2 m，31108工作面采高3.3 m，31109工作面采高3.7 m)，按照前節(jié)所述方法進(jìn)行了預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖6 李家壕煤礦一盤區(qū)重復(fù)開(kāi)采區(qū)域“導(dǎo)高”判別Fig.6 Discrimination of the water conduction fracture zone height in repeated mining area in No 1 panel of Lijiahao Coal Mine

以22中108和31108工作面重復(fù)開(kāi)采區(qū)域的TL12鉆孔為例(圖6(a))，22中108工作面10倍采高范圍將達(dá)到第11號(hào)巖層位置，則覆巖導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至第12號(hào)巖層對(duì)應(yīng)關(guān)鍵層的底界面，對(duì)應(yīng)2-2中煤采后的“導(dǎo)高”為24.68 m;而下煤層31108工作面開(kāi)采后，根據(jù)式(7)可計(jì)算得出對(duì)應(yīng)于2-2中煤位置的等效累計(jì)采高為3.5 m，則10倍等效累計(jì)采高范圍將達(dá)到第12號(hào)巖層位置，則覆巖導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至其上第14號(hào)巖層對(duì)應(yīng)關(guān)鍵層的底界面，對(duì)應(yīng)3-1煤采后的“導(dǎo)高”為107.91 m。同理，可根據(jù)工作面重復(fù)開(kāi)采區(qū)域的鉆孔柱狀對(duì)兩層煤開(kāi)采后的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行計(jì)算，詳見(jiàn)表1。

表1李家壕煤礦一盤區(qū)重復(fù)開(kāi)采區(qū)域“導(dǎo)高”預(yù)計(jì)
Table1PredictionofthewaterconductionfracturezoneheightinrepeatedminingareainNo.1panelofLijiahaoCoalMine

工作面鉆孔編號(hào)2-2中煤開(kāi)采后“導(dǎo)高”/m3-1煤開(kāi)采后“導(dǎo)高”/m22中108TL12246810791與31108TL192867981022中109TL1823009600與31109TL2722659249

從上述有關(guān)李家壕煤礦一盤區(qū)已開(kāi)采區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計(jì)結(jié)果可以看出，無(wú)論是3-1煤?jiǎn)我幻簩娱_(kāi)采區(qū)域還是2-2中煤和3-1煤重復(fù)開(kāi)采區(qū)域，上覆導(dǎo)水裂隙帶高度均較小，均未能溝通至基巖頂界面。也就是說(shuō)，處于基巖上部松散層中賦存豐富的水源、以及與之相補(bǔ)給的地表水和雨水均無(wú)法通過(guò)導(dǎo)水裂隙匯聚至井下采空區(qū)，地下水庫(kù)的水源僅局限于基巖中弱富水性裂隙、孔隙含水層中的涌水及采掘工作面的生產(chǎn)排水。由此可見(jiàn)，目前李家壕煤礦一盤區(qū)北翼區(qū)域難以滿足水庫(kù)建設(shè)所需的“通道”條件，不具備地下水庫(kù)建設(shè)的適應(yīng)性。

3.3 一盤區(qū)地下水庫(kù)建設(shè)的建議

通過(guò)對(duì)一盤區(qū)地質(zhì)賦存條件的分析發(fā)現(xiàn)(圖1)，處于該盤區(qū)南翼區(qū)域的上下煤層厚度均有變厚趨勢(shì)，且兩煤層間的距離也有所減小，這對(duì)于兩煤層開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的增加是非常有利的。選取一盤區(qū)南翼第16工作面附近的TL48鉆孔(圖5(b))分析發(fā)現(xiàn)，若取兩煤層采高分別為5.0 m和6.0 m，煤層間巖層碎脹系數(shù)與前述同理取1.05，則上煤層位置對(duì)應(yīng)的等效采高為8.9 m;取10倍采高進(jìn)行判別，兩煤層開(kāi)采后引起的覆巖導(dǎo)水裂隙帶將直接溝通至基巖頂界面，對(duì)應(yīng)“導(dǎo)高”為185.73 m，如圖5(b)所示。此時(shí)，處于松散層及地表中的豐富補(bǔ)給水源將可對(duì)采空區(qū)水庫(kù)形成有效補(bǔ)給;所以，處于一盤區(qū)南翼區(qū)域的采空區(qū)才滿足水庫(kù)建設(shè)所需的“通道”條件。

綜上所述，李家壕煤礦一盤區(qū)北翼區(qū)域不滿足地下水庫(kù)保水技術(shù)實(shí)施所需的“通道”條件，礦區(qū)主要補(bǔ)給水源無(wú)法對(duì)其實(shí)現(xiàn)充分補(bǔ)給。而一盤區(qū)南翼區(qū)域能滿足地下水庫(kù)保水技術(shù)實(shí)施所需的“水源”、“庫(kù)容”和“通道”條件，是該盤區(qū)適宜建設(shè)地下水庫(kù)的合適區(qū)域。

4 結(jié) 論

(1)煤礦地下水庫(kù)保水技術(shù)需滿足“水源”、“庫(kù)容”及“通道”3個(gè)必要條件，其中導(dǎo)水裂隙通道能溝通區(qū)域補(bǔ)給水源(含水層)是保證地下水庫(kù)保水技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

(2)利用“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法”來(lái)判別具體開(kāi)采條件下的導(dǎo)水裂隙是否溝通區(qū)域補(bǔ)給水源(含水層)，從而可對(duì)地下水庫(kù)的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其可靠性得到了神東礦區(qū)煤礦地下水庫(kù)保水技術(shù)工程實(shí)踐的驗(yàn)證。

(3)李家壕煤礦一盤區(qū)北翼區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶無(wú)法溝通上覆富水含水層，不滿足地下水庫(kù)建設(shè)的“通道”條件;而一盤區(qū)南翼區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶將直接發(fā)育至基巖頂界面，能將第四系松散層豐富水源及地表降雨匯聚至井下采空區(qū)，滿足地下水庫(kù)建設(shè)的“通道”條件，是礦井地下水庫(kù)建設(shè)的適宜區(qū)域。

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Suitabilityevaluationofundergroundreservoirtechnologybasedonthediscriminantoftheheightofwaterconductionfracturezone

LI Quansheng1,2,JU Jinfeng3,CAO Zhiguo1,2,GAO Fu4,LI Jian-hua4

(1.StateKeyLaboratoryofWaterResourcesProtectionandUtilizationinCoalMining,Beijing100011,China; 2.DepartmentofScientificDevelopment,ShenhuaGroup,Beijing100011,China; 3.IoT/PerceptionMineResearchCenter,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221008,China; 4.LijiahaoCoalMine,ShenhuaBaotouEnergyCo.,Ltd.,Erdos017000,China)

The underground reservoir technology using goaf area for water resources storage and recycling has provided a new way for green mining in western water-shortage mining areas in China.However,the application of this technology needs to satisfy three necessary conditions,which are adequate water resources,sufficient reservoir capacity and connected water supply channel respectively.Combined with the practice of underground reservoir in Shendong mining area,the adaptability evaluation method of groundwater reservoir based on the height of water conducted fissure zone is studied.The results show that the “channel” condition of the water flowing fractured zone connected with the water supply source is the key to the adaptability of the underground reservoir in the water supply and water storage capacity of sufficient conditions.Using a method for predicting the height of water flowing fractured zone based on the key layer to judge the specific mining conditions of water conducting fractured zone’s development height,the underground reservoir has the adaptability when the water supply source (aquifer) is connected,otherwise,it is difficult to converge water to the underground mined out area,so the amount of water resources that can be used in the underground reservoir will be difficult to guarantee.The adaptability evaluation method of underground reservoir based on the height of water flowing fractured zone is verified by underground reservoir project in Shendong mining area and is used as the guidance of the Lijiahao Coal Mine adaptability evaluation of underground reservoir and construction site selection.

underground reservoir;suitability;water conduction fracture;key stratum (KS);water conservation mining

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1871LI Quansheng,JU Jinfeng,CAO Zhiguo,et al.Suitability evaluation of underground reservoir technology based on the discriminant of the height of water conduction fracture zone[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):2116-2124.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1871

TD74

:A

:0253-9993(2017)08-2116-09

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0501100);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51604259);煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(SHJT-16-30.2)

李全生(1965—)，男，河南洛陽(yáng)人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師。E-mail:10000424@shenhua.cc

李全生，鞠金峰，曹志國(guó)，等.基于導(dǎo)水裂隙帶高度的地下水庫(kù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(8):2116-2124.