徐智敏,孫亞軍，高 尚，張成行，畢 煜，陳忠勝，吳江峰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.徐州礦務(wù)集團(tuán)公司，江蘇 徐州 221006)

隨著我國(guó)東部礦區(qū)可采煤炭資源的逐漸枯竭,煤炭資源開(kāi)發(fā)的重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移至西部。近年來(lái),我國(guó)西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量所占全國(guó)總產(chǎn)量的比重也逐年上升，約占全國(guó)總產(chǎn)量的60%[1]。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前西部地區(qū)已探明的煤炭資源達(dá)10 628億t，約占全國(guó)已探明儲(chǔ)量的81%[2]?？傮w上,我國(guó)西部礦區(qū)屬干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，使得該區(qū)煤炭資源的高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。長(zhǎng)期實(shí)踐表明，與東部礦區(qū)水害嚴(yán)重、以防治水為主不同,西部礦區(qū)總體上干旱缺水，應(yīng)以保水采煤為主、保護(hù)生態(tài)環(huán)境為重點(diǎn)[2]。

針對(duì)上述西部礦區(qū)富煤、缺水的現(xiàn)狀，范立民等在20世紀(jì)90年代初提出了“保水采煤”的觀點(diǎn)，即通過(guò)控制開(kāi)采范圍及選擇合適的采煤方法來(lái)達(dá)到保護(hù)水資源的目的[3-7]。近年來(lái),針對(duì)我國(guó)西部干旱半干旱礦區(qū)的保水采煤?jiǎn)栴}，我國(guó)廣大學(xué)者開(kāi)展了大量的針對(duì)性研究，并取得了豐碩成果。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者基于保水采煤目標(biāo)，在神東礦區(qū)、榆神府礦區(qū)做了大量的基礎(chǔ)工作，奠定了保水采煤的理論基礎(chǔ)[3-9]。理論與實(shí)踐表明，保水采煤需要在一定的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下開(kāi)展，其基礎(chǔ)研究涉及礦井水文地質(zhì)及水害防治等領(lǐng)域，包括煤層與含(隔)水層空間關(guān)系、煤層覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型[2,10-11]?？梢?jiàn)，特定的含隔水結(jié)構(gòu)是保水采煤的前提，決定了保水采煤的成功與否。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于保水采煤的基礎(chǔ)研究及實(shí)踐主要集中于陜北淺埋煤層，隨著近年來(lái)我國(guó)煤炭開(kāi)采重心的西移，以新疆哈密煤炭基地為代表的生態(tài)脆弱地區(qū)煤炭資源的綠色開(kāi)采亦成為亟待解決的研究課題[2]。

在保水采煤方案的決策中，煤層開(kāi)采后導(dǎo)水裂隙的發(fā)育是否會(huì)波及到上覆含水層是保水采煤研究的關(guān)鍵性問(wèn)題，這與通常開(kāi)展的頂板水害防治工作的核心問(wèn)題相同。目前，針對(duì)我國(guó)西部干旱半干旱礦區(qū)的侏羅-白堊系弱膠結(jié)軟巖地層導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律研究極為不足，實(shí)測(cè)成果也極為有限，不同地區(qū)、不同方法實(shí)測(cè)結(jié)果差異極大，尚未形成普遍的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。通常情況下，研究導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的方法主要包括經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、物理模擬、數(shù)值模擬等[12-16]。劉天泉院士等[15]總結(jié)了大量的煤礦實(shí)測(cè)資料，得到“兩帶”發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式。高延法等在統(tǒng)計(jì)東部礦區(qū)大量綜采條件下導(dǎo)高發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，總結(jié)了綜采放頂煤條件下的導(dǎo)高發(fā)育規(guī)律。隨著近年來(lái)西部煤炭資源開(kāi)采強(qiáng)度和規(guī)模的擴(kuò)大，揭露資料顯示由于西部地區(qū)成煤時(shí)代及自然地理環(huán)境的控制，該區(qū)含煤地層具有形成時(shí)代晚、成巖程度差等顯著特征，與東部石炭—二疊系含煤地層相比有著非常顯著的差異，使得其采動(dòng)形成導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律與東部不盡相同[17-22]。目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)西部導(dǎo)水裂縫帶的研究主要集中在陜北、內(nèi)蒙等地，對(duì)于新疆地區(qū)的研究極少[2,21-22]。由于西部地區(qū)含煤巖層弱膠結(jié)特性，導(dǎo)高發(fā)育規(guī)律必將更為復(fù)雜。由于煤層采動(dòng)影響，導(dǎo)水裂隙發(fā)育過(guò)程中波及到的水體或含水層滲流到導(dǎo)水通道，在此過(guò)程中，伴隨著新裂隙的不斷產(chǎn)生，原有采動(dòng)裂隙又發(fā)生一系列的演化[23-24]，地下水流在裂隙的運(yùn)移過(guò)程中勢(shì)必引起周?chē)鷰r體尤其是軟弱巖的遇水膨脹，同時(shí)受到采動(dòng)礦壓等因素的影響，使得裂隙的演化過(guò)程極為復(fù)雜。

因此，筆者以新疆哈密煤田大南湖五號(hào)井為例，采用相似材料模擬、數(shù)值模擬等手段，并結(jié)合鄰礦導(dǎo)高現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，對(duì)該研究區(qū)含煤地層采動(dòng)過(guò)程中的導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育、演化過(guò)程進(jìn)行深入分析，對(duì)其發(fā)育高度進(jìn)行定量評(píng)價(jià);同時(shí)，對(duì)采動(dòng)后頂板特殊水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下由于圍巖滲流場(chǎng)演化而產(chǎn)生的水文地質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行分析;以此為基礎(chǔ)，對(duì)該區(qū)極度干旱缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱條件下的保水采煤意義進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

在目前新疆規(guī)劃建設(shè)的四大煤炭基地中，位于吐哈盆地的哈密煤炭基地是新疆能源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。位于哈密煤炭基地的大南湖礦區(qū)目前已探明煤炭資源儲(chǔ)量達(dá)744億t，其中在建礦井13座，千萬(wàn)噸級(jí)的礦井就達(dá)6座。大南湖礦區(qū)位于新疆哈密市西南南湖鄉(xiāng)境內(nèi)，地處大南湖坳陷區(qū)(圖1)，屬干涸的山間盆地。區(qū)內(nèi)氣候極度干燥，無(wú)地表徑流及水體，地貌類(lèi)型以低山丘陵及風(fēng)蝕地貌為主。區(qū)內(nèi)平均年降雨量為50 mm，年蒸發(fā)量超過(guò)3 300 mm，極度干旱缺水，區(qū)域內(nèi)深層地下水主要依靠天山融雪水遠(yuǎn)程深滲透補(bǔ)給。

大南湖五號(hào)井目前僅開(kāi)采1801工作面，其主采煤煤層位于侏羅系西山窯組，上覆巖層主要為砂質(zhì)泥巖，粉砂巖和含礫粗砂巖，如圖2所示。根據(jù)前期研究成果[2,17]，該地層由于還具有整體膠結(jié)程度較差、高孔隙度、強(qiáng)度低等特征，這使得其采動(dòng)導(dǎo)水裂隙的發(fā)育規(guī)律極為復(fù)雜，有別于東部石炭—二疊系含煤地層的特征。

圖2 18煤頂板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Sectional structure of No.18 coal seam

研究區(qū)主采煤層18煤平均采厚3 m，其直接充水含水層Ⅲ-1下段含水層富水性總體較弱，滲透系數(shù)為0.88 m/d;16煤附近隔水段的厚度平均為27.94 m;Ⅲ-1上段含水層富水性較強(qiáng)，滲透系數(shù)為4.33 m/d。16煤隔水層的存在為阻隔18煤采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂縫帶的進(jìn)一步向上發(fā)育、甚至波及到Ⅲ-1上段強(qiáng)富水段含水層提供可能。

同時(shí)，在大南湖礦區(qū)各礦勘探及建設(shè)期間，揭露部分區(qū)域深層地下含水層水量豐富，如大南湖五號(hào)井礦井涌水量最大達(dá)3 000 m3/h以上，大南湖十號(hào)井煤系充水含水層單位涌水量甚至達(dá)到17 L/(s·m)，滲透系數(shù)超過(guò)10 m/d。另經(jīng)水質(zhì)分析，研究區(qū)地下水礦化度普遍達(dá)15 000 mg/L以上，可利用程度較差。一方面，大南湖礦區(qū)地下含水層水量豐富;另一方面，大南湖礦區(qū)生態(tài)環(huán)境極其脆弱，地表嚴(yán)重干旱缺水，礦區(qū)內(nèi)各煤礦坑口電廠、其他工業(yè)及生活用水又需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸至此，成本高達(dá)8～9元/t。在各種矛盾的集中下，針對(duì)該生態(tài)脆弱區(qū)周?chē)s100 km范圍內(nèi)唯一可能和潛在的水資源，結(jié)合目前較為成熟的高礦化度水處理技術(shù)及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，在礦區(qū)開(kāi)展保水采煤可行性以及受保地下水的開(kāi)發(fā)利用等方面的研究勢(shì)在必行。

2 相似材料模擬

本次模擬以大南湖五號(hào)井1801首采工作面為背景，采用實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬工作面推進(jìn)過(guò)程中上覆巖層垮落、破斷和裂隙發(fā)育過(guò)程，揭示西部侏羅系含煤地層采動(dòng)過(guò)程中的導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育、演化規(guī)律，為分析采動(dòng)裂隙的發(fā)育及演化過(guò)程對(duì)頂板主要含水層的影響，并結(jié)合其產(chǎn)生的一系列水文地質(zhì)效應(yīng)，為評(píng)價(jià)其保水采煤的意義提供依據(jù)。

2.1 相似材料模型構(gòu)建

試驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)力學(xué)模型(3 m×0.3 m×2 m)支架，確定試驗(yàn)的幾何相似比(模型:原型)為1∶100，設(shè)計(jì)模型鋪設(shè)(長(zhǎng)×寬×高)為3 m×0.3 m×1.05 m，頂板施加外力載荷進(jìn)行補(bǔ)償(圖3);根據(jù)相似原理，強(qiáng)度相似比為3/500。根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)及強(qiáng)度相似比計(jì)算模型強(qiáng)度，根據(jù)配比表選用河沙作為骨料，石膏、石灰和膨潤(rùn)土作為膠結(jié)物(表1)。

2.2 模擬開(kāi)采結(jié)果分析

從模型左側(cè)75 cm處開(kāi)切眼，依次向右推進(jìn)。記錄采空區(qū)覆巖破壞階段不同運(yùn)動(dòng)特征。根據(jù)圖4及開(kāi)采過(guò)程觀測(cè)結(jié)果分析，可以將1801工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育及演化過(guò)程分為4個(gè)階段:

圖3 相似模擬實(shí)驗(yàn)全景Fig.3 Similar simulation experiment panorama

(1)初次垮落前(0～25 m)。隨著工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)頂板揭露面積不斷增加，直接頂沒(méi)有垮落，但是巖層出現(xiàn)彎曲，層間出現(xiàn)裂隙等現(xiàn)象，直至推進(jìn)25 m時(shí)初次垮落。

(2)垮落帶發(fā)育階段(25～70 m)。隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，煤層直接頂隨著工作面推進(jìn)也隨之垮落，但垮落高度的增加較為緩慢，垮落帶發(fā)育到10 m時(shí)停止向上延伸，而采動(dòng)裂隙迅速破壞厚層粉砂巖，高度發(fā)育到Ⅲ-1下段含水層底界。

(3)導(dǎo)水裂縫帶快速發(fā)育階段(70～110 m):在這一階段垮落帶停止向上發(fā)育，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度由15 m迅速發(fā)展到46 m，貫通整個(gè)Ⅲ-1下段含水層，但是在導(dǎo)裂帶迅速發(fā)展的同時(shí)，裂隙帶的部分裂隙受到上部巖層彎曲擠壓與垮落帶破碎巖層支撐，出現(xiàn)裂隙閉合的現(xiàn)象。

表1 工程地質(zhì)層組及物理模型參數(shù)Table 1 Engineering geological rock group and physical model parameters

圖4 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)覆巖采動(dòng)破壞分布Fig.4 Distribution of water flowing fractured zone at different distance of advanced distance in panel

(4)導(dǎo)水裂縫帶穩(wěn)定階段(110～150 m):隨著工作面開(kāi)采推進(jìn)，導(dǎo)水裂縫帶高度基本穩(wěn)定在46 m，并進(jìn)入16煤隔水段底部約1 m，貫穿了整個(gè)Ⅲ-1下段含水層。而整個(gè)導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育形態(tài)趨于穩(wěn)定，由于研究區(qū)侏羅系含煤地層物理力學(xué)強(qiáng)度低、膠結(jié)程度差，煤層采出后，上覆巖層難以在采空區(qū)前后方形成大范圍支撐，基本隨采隨冒，且上覆巖層在下伏巖層冒落后，破壞范圍和程度進(jìn)一步減小，總體呈現(xiàn)為破壞范圍逐步向上縮小的“梯臺(tái)型”形態(tài)特征，這與東部成巖程度較好、強(qiáng)度較高的石炭二疊系含煤地層中“馬鞍型”形態(tài)特征有所不同。

通過(guò)對(duì)大南湖五號(hào)井1801工作面的相似材料模擬分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)裂帶在破壞到Ⅲ-1下段含水層時(shí)迅速向上發(fā)育，同時(shí)由于在導(dǎo)裂帶發(fā)育上部存在一層厚度大、且以塑性變形為主的16煤隔水層，有效阻隔了導(dǎo)裂帶的延伸，使得最終導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度穩(wěn)定在16煤隔水層底端，導(dǎo)裂帶發(fā)育整體形態(tài)為“梯臺(tái)型”。最終導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度穩(wěn)定在46 m左右，冒采比與裂采比分別為3.33和15.33。

3 數(shù)值模擬

相似材料試驗(yàn)由于限于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)、工作量等的限制，往往很難大范圍模擬工作面開(kāi)采環(huán)境。而數(shù)值模擬可以全比例的模擬大范圍工作面的開(kāi)采情況，常用的數(shù)值計(jì)算方法有有限元、邊界元和離散元等。目前，F(xiàn)LAC3D作為一種三維顯示有限差分程序，在煤層覆巖模擬中被廣泛運(yùn)用。為了進(jìn)一步研究大南湖五號(hào)井18煤工作面采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律，采用FLAC3D建模的方法，模擬工作面開(kāi)挖后導(dǎo)高發(fā)育與演化過(guò)程。

3.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)大南湖五號(hào)井工程地質(zhì)資料，結(jié)合模型要求，采用FLAC3D建立模型，在建立模型過(guò)程中，考慮到模型計(jì)算時(shí)邊界效應(yīng)以及斜長(zhǎng)方向上工作面間留設(shè)煤柱的尺寸，建立600 m×300 m的巖體模型，并讓擬開(kāi)挖的工作面位于煤層中部。共建立了18層地層，模型頂部施加載荷，模擬地表沖積層(圖5)。

圖5 FLAC3D模型三維圖Fig.5 3D diagram of FLAC3D model

模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，總共有196 800個(gè)單元，208 413個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型總共運(yùn)行計(jì)算了94 822步。下表是模型建立考慮的幾個(gè)地層參數(shù)(表2)。

3.2 模型開(kāi)挖結(jié)果分析

FLAC3D數(shù)值模擬的實(shí)際過(guò)程采用分步開(kāi)挖實(shí)現(xiàn)，待模型達(dá)到上述平衡后，根據(jù)設(shè)計(jì)的模型開(kāi)采步距進(jìn)行開(kāi)挖計(jì)算，以塑性破壞區(qū)作為判斷導(dǎo)水裂隙發(fā)育范圍的依據(jù)(圖6)。

隨著煤層開(kāi)采，采空區(qū)不斷推進(jìn)，煤層覆巖的塑性變形區(qū)緩慢向上發(fā)育。在開(kāi)采前期(圖6(a),(b))，塑性破壞向上發(fā)育過(guò)程中由于開(kāi)切眼及采動(dòng)破壞的影響，采空區(qū)兩端覆巖破壞高度略高于中部;隨著工作面向右推進(jìn)，工作面左側(cè)距離采動(dòng)漸遠(yuǎn)，而右端持續(xù)受到采動(dòng)等因素影響，塑性破壞發(fā)育要比左側(cè)更加明顯(圖6(b),(c));在開(kāi)采后期(圖6(c),(d))，隨著塑性破壞高度增加，采動(dòng)影響因素逐漸減弱，基本停止向上發(fā)育，最終破壞高度穩(wěn)定在47 m。

表2 數(shù)值模型巖層力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanics parameters of numerical simulation

圖6 FLAC3D數(shù)值模擬塑性破壞Fig.6 Plastic failure diagram of FLAC3D numerical simulation

圖7 FLAC3D數(shù)值模擬塑性破壞最終形態(tài)Fig.7 FLAC3D numerical simulation of the final form of plastic failure

圖7為FLAC3D數(shù)值模擬塑性破壞最終破壞形態(tài)，自下而上塑性破壞由拉伸破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐模蓜?dòng)破壞范圍自下向上逐漸減小，同樣呈現(xiàn)出“梯臺(tái)型”的空間形態(tài)。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，在模擬采厚3 m情況下，導(dǎo)裂帶發(fā)育高度為47 m，破壞范圍達(dá)到16煤隔水層底界的位置，由于16隔水層阻隔，其抑制了塑性變形的發(fā)育高度與形態(tài)，最終形成了“梯臺(tái)型”的破壞特征，裂采比約為15.67。

總體上，數(shù)值模擬的采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育與演化過(guò)程與相似材料模擬相結(jié)果十分接近，兩者間互為驗(yàn)證。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析

由于大南湖五號(hào)井首采工作面導(dǎo)高實(shí)測(cè)工作正在進(jìn)行，因此，本文搜集了新疆地區(qū)相似開(kāi)采與覆巖條件的礦井導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)調(diào)研，目前新疆地區(qū)針對(duì)侏羅系含煤地層條件下導(dǎo)高實(shí)測(cè)的僅有位于伊犁的沙吉海礦[21]和位于大南湖礦區(qū)的國(guó)神一礦[22]。其中，國(guó)神一礦與評(píng)價(jià)區(qū)在地理位置上相鄰，在地層及煤層開(kāi)采條件上相似。本次調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析Table 3 Contrast with real test results

由表3可知，鄰礦及相似地層條件下采動(dòng)裂隙實(shí)測(cè)結(jié)果裂采比分別在13.09～15.59倍，與本文模擬研究結(jié)果較為接近，證明本次模擬研究的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較為可靠。同時(shí)，通過(guò)現(xiàn)行規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果僅為5～8倍，結(jié)合西部礦區(qū)侏羅系含煤地層的弱膠結(jié)特征，最終證實(shí)了東部石炭—二疊系礦區(qū)已有的經(jīng)驗(yàn)公式不適用于西部。整體上，西部侏羅系含煤地層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度明顯大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值。

綜上，在研究區(qū)3 m采厚條件下，導(dǎo)高發(fā)育一般在47 m左右，結(jié)合主采煤層頂板含隔水層結(jié)構(gòu)，Ⅲ-1下段含水層距離18煤平均僅22 m，因此，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙必將波及該含水層。但由于該含水層整體富水性較弱，且具有較好的可疏降性，因此，可在18煤工作面回采前對(duì)該段含水層進(jìn)行預(yù)疏干處理，對(duì)工作面的安全回采影響不大。同時(shí)，模擬研究及實(shí)測(cè)對(duì)比分析結(jié)果還表明:由于16煤隔水段厚度大，一般在13.26～43.81 m，且破壞主要以塑性變形為主，進(jìn)而有效阻隔了導(dǎo)水裂縫的進(jìn)一步向上發(fā)育，抑制了導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度和范圍，有效防止了采動(dòng)裂隙波及到Ⅲ-1上段強(qiáng)富水含水層。

根據(jù)課題組前期關(guān)于水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[8]，研究區(qū)主采煤層頂板具有典型的“多含水結(jié)構(gòu)下的高位隔水層”結(jié)構(gòu)特征。在大南湖礦區(qū)極度干旱缺水，而Ⅲ-1上段含水層富水性強(qiáng)、靜儲(chǔ)量巨大，具有重要的水資源屬性，且煤層采動(dòng)后不會(huì)被導(dǎo)水裂縫帶所波及，因此，具有重要的保水意義。

5 水文地質(zhì)效應(yīng)

前已述及，研究區(qū)采厚3 m及特殊開(kāi)采條件下，工作面采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙必將波及Ⅲ-1下段含水層。為了研究該區(qū)特定水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，采動(dòng)裂隙形成、演化過(guò)程對(duì)頂板主要III-1上下段含水層的影響，以探討對(duì)頂板主要強(qiáng)富水的III-1上段含水層的保水意義，重點(diǎn)對(duì)研究區(qū)采動(dòng)裂隙形成、演化過(guò)程產(chǎn)生的一系列水文地質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行全面分析，探討采動(dòng)裂隙范圍主要巖層的滲透性變化規(guī)律和影響范圍，并對(duì)滲透系數(shù)的演化過(guò)程進(jìn)行分析和定量估算。

5.1 滲透性變化規(guī)律

根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，工作面開(kāi)采期間由于采動(dòng)裂隙破壞頂板局部含隔水層結(jié)構(gòu)，由于巖層膠結(jié)程度差，且孔隙度較高，在采動(dòng)導(dǎo)致圍巖經(jīng)歷失穩(wěn)到再穩(wěn)定的過(guò)程中，導(dǎo)致采動(dòng)影響范圍內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列的變化。這期間，不僅產(chǎn)生新的裂隙，而且原有的裂隙同樣會(huì)擴(kuò)展或閉合變化，并造成影響范圍內(nèi)巖層的孔隙率進(jìn)一步發(fā)生變化，必然會(huì)對(duì)其滲透性產(chǎn)生影響。根據(jù)相似材料模擬研究發(fā)現(xiàn)，其整個(gè)發(fā)育、演化過(guò)程具有“穩(wěn)定—失穩(wěn)—穩(wěn)定”的周期性變化特點(diǎn)(圖8)。

圖8 覆巖周期性破壞規(guī)律Fig.8 Periodic failure law of overlying rock

由圖8可知，在一個(gè)采動(dòng)周期內(nèi)，首先頂板巖層直接頂巖層隨開(kāi)采而垮落，使得之上的基本頂被揭露，形成“懸臂梁”支撐(圖8(a))。隨著采動(dòng)影響，“懸臂梁”斷裂，失穩(wěn)滑落，基本頂切落，上方巖層彎曲下沉，在邊緣形成新的離層裂隙，裂隙上開(kāi)下閉，極易引起工作面突水等危害(圖8(b))。隨著工作面向前開(kāi)采，失穩(wěn)巖層逐步形成新平衡，在這一過(guò)程中，采動(dòng)破壞影響逐漸向上發(fā)展，使得上部離層裂隙空間增大，形成貫通導(dǎo)水裂隙，導(dǎo)水裂隙進(jìn)一步升高(圖8(c))。最終，當(dāng)巖層基本恢復(fù)穩(wěn)定后，擠壓之前貫通裂隙，導(dǎo)水裂隙閉合(圖8(d))。

圖9 覆巖采動(dòng)滲透性變化機(jī)理Fig.9 Mechanism of permeability change of overburden mining

根據(jù)上述機(jī)理分析，隨著工作面推進(jìn)，覆巖呈現(xiàn)3區(qū)交替向前推進(jìn)，其中A區(qū)巖性完整，C區(qū)裂隙閉合，而B(niǎo)區(qū)巖性最為破碎，構(gòu)成導(dǎo)水通道，受采動(dòng)導(dǎo)水裂隙波及的含水層將以“滲漏”方式涌入工作面。因此，可以將B區(qū)概化為“大井”，該“大井”受采動(dòng)周期影響，隨著工作面推進(jìn)持續(xù)向前移動(dòng)。

5.2 滲透系數(shù)的演化及估算

根據(jù)大南湖五號(hào)井1801工作面試采期間的實(shí)際涌水量與Ⅲ-1下段含水層水文長(zhǎng)觀資料，利用地下水動(dòng)力學(xué)中的“大井法”原理進(jìn)行迭代反算，可以大致估算煤層頂板Ⅲ-1下段含水層采動(dòng)后滲透系數(shù)的演化過(guò)程(圖10)。

圖10 Ⅲ-1下段含水層滲透系數(shù)變化Fig.10 Change of permeability coefficient of Ⅲ-1 aquifer

通過(guò)圖10分析并結(jié)合研究區(qū)主采煤層頂板采動(dòng)過(guò)程導(dǎo)水裂隙的演化過(guò)程，分析認(rèn)為，含水層的滲透性演化呈現(xiàn)出“3段”式特征(圖10中3段不同的滲透系數(shù)變化曲線):

(1)開(kāi)采初期:在這一階段，工作面僅推進(jìn)了78 m，推進(jìn)距離較小，此時(shí)采動(dòng)裂隙沒(méi)有發(fā)展到Ⅲ-1下段含水層，含水層弱膠結(jié)巖層受到涌水影響，內(nèi)部孔隙裂隙中的充填物不斷隨水流溶出，導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙逐漸增大，滲透系數(shù)也逐漸由2.8 m/d增大到3.2 m/d。

(2)開(kāi)采中期:工作面由78 m推進(jìn)到421 m，含水層滲透系數(shù)在2.8～4.1 m/d變化。此時(shí)隨著工作面開(kāi)采距離不斷增大，采動(dòng)裂隙逐漸破壞到Ⅲ-1下段含水層，根據(jù)第5.1節(jié)覆巖采動(dòng)機(jī)理，由于采動(dòng)形成的“大井”直接導(dǎo)通含水層，“大井”內(nèi)巖層劇烈破壞，因此，滲透性系數(shù)由3.2 m/d突然增大到4.1 m/d，同時(shí)，受到覆巖周期性破壞的影響，概化的“大井”也隨著工作面推進(jìn)周期性出現(xiàn)，巖層滲透性變化規(guī)律也與覆巖由“穩(wěn)定—失穩(wěn)—恢復(fù)穩(wěn)定”類(lèi)似，即呈現(xiàn)波動(dòng)變化的特征。

(3)開(kāi)采末期:工作面僅由421 m推進(jìn)到434 m，覆巖受到采動(dòng)影響基本停止，根據(jù)覆巖變化機(jī)理，此時(shí)覆巖裂隙停止發(fā)育，由于弱膠結(jié)特性，導(dǎo)水裂隙受到上覆巖層擠壓及自重逐漸閉合，同時(shí)裂隙閉合穩(wěn)定與原巖的穩(wěn)定狀態(tài)相比，其滲透性仍明顯大于完整巖層，并在短期內(nèi)不會(huì)明顯變化，因此含水層滲透性減小到2.8 m/d并保持穩(wěn)定。

綜上，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通上覆含水層，形成導(dǎo)水通道，破壞了巖層結(jié)構(gòu)、增加了含水層滲透性，同時(shí)受采動(dòng)裂隙周期性變化，呈現(xiàn)“穩(wěn)定增加-波動(dòng)變化-恢復(fù)穩(wěn)定”的特點(diǎn)。在此過(guò)程中，導(dǎo)高影響范圍內(nèi)III-1下段含水層的滲透系數(shù)也呈類(lèi)似周期性變化，并較初始狀態(tài)的0.88 m/d有明顯的增大，一般為3～5倍，這必將對(duì)該含水層賦存的地下水造成極大的消耗和影響，不利于該層段含水層的保護(hù)。而對(duì)于影響范圍之外的III-1上段含水層強(qiáng)富水含水層，由于不受采動(dòng)影響，結(jié)合研究區(qū)主采煤層頂板具有的“多含水結(jié)構(gòu)下的高位隔水層”結(jié)構(gòu)特征，研究區(qū)具備了保水的基本前提條件。

但需要說(shuō)明的是，上述關(guān)于采動(dòng)影響范圍內(nèi)III-1下段含水層滲透系數(shù)演化的分析僅是對(duì)工作面回采過(guò)程中實(shí)測(cè)涌水量-水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的初步估算，且采用的“大井法”本身?xiàng)l件概化過(guò)于簡(jiǎn)單，與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地質(zhì)條件、開(kāi)采條件等也存在較大的差異，尤其是當(dāng)工作面在長(zhǎng)期涌水條件下其水量大小受區(qū)域更大范圍邊界及水文地質(zhì)參數(shù)的影響更為明顯。因此，關(guān)于采動(dòng)導(dǎo)水裂隙對(duì)含水層滲透性影響的定量評(píng)價(jià)還有待進(jìn)一步深入研究，尤其是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)水裂縫帶的抽水試驗(yàn)加以證實(shí)，以獲取更可靠的參數(shù)依據(jù)。

6 保水采煤意義

針對(duì)研究區(qū)地表極度干旱、生態(tài)極為脆弱的特點(diǎn)，論證其開(kāi)展保水采煤的可行性需從該區(qū)含隔水層結(jié)構(gòu)、隔水層穩(wěn)定性、采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律等方面進(jìn)行全面分析和評(píng)價(jià)。其中，特定的含隔水層結(jié)構(gòu)是前提，覆巖導(dǎo)水裂縫的發(fā)育高度和范圍是確定受保護(hù)含水層的基礎(chǔ)，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育與演化決定了隔水層的穩(wěn)定性，而判別隔水層的穩(wěn)定性是保水采煤的基礎(chǔ)[8]，亦是頂板水害防治成功與否的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評(píng)價(jià)受保含水層的靜儲(chǔ)量及開(kāi)發(fā)潛力，進(jìn)而總體上評(píng)估在該區(qū)實(shí)施保水采煤的可行性。

6.1 保護(hù)層及其穩(wěn)定性

根據(jù)研究區(qū)18煤頂板含隔水層結(jié)構(gòu)，研究區(qū)頂板保護(hù)層為16煤上下隔水段，其平均厚度為27.94 m。該層段主要為砂泥巖互層的相對(duì)隔水段，巖性以粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，較致密，一般情況下，隔水性能良好。據(jù)鉆孔統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，首采區(qū)保護(hù)層厚度一般在13.26～43.81 m，等值線如圖11所示;18煤距該保護(hù)層一般在51～70.58 m，等值線如圖12所示。

圖11 首采區(qū)保護(hù)層厚度等值線Fig.11 Contour map of the thickness of protection seam in the first mining area

圖12 首采區(qū)18煤至保護(hù)層等厚線Fig.12 Contour map of the thickness between 18 coal seamand protection seam

由圖12可知，在研究區(qū)采厚3 m 條件下，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度在47 m左右，小于18煤與保護(hù)層的最小間距51 m，且該保護(hù)層的平均厚度達(dá)27.94 m。因此，煤層采動(dòng)條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育不會(huì)波及到該保護(hù)層，該保護(hù)層的隔水性能將不受采動(dòng)導(dǎo)水裂隙的影響。

可見(jiàn)，該保護(hù)層在煤層采動(dòng)后，不僅可以作為隔水關(guān)鍵層保障礦井的安全，還可作為該礦實(shí)現(xiàn)保水采煤的重要保護(hù)層，保護(hù)該區(qū)珍貴的III-1上段豐富的地下水資源。

6.2 受保地下水資源量估算

根據(jù)上述分析，井田內(nèi)III-1上段含水層在煤層采動(dòng)后不會(huì)被導(dǎo)水裂縫帶所波及，該含水層的地下水資源不會(huì)潰入井下形成水害，同時(shí)亦不會(huì)進(jìn)入井巷被污染，或外排浪費(fèi)。根據(jù)前期成果，研究區(qū)III-1上段含水層的孔隙度高達(dá)18.2%，且整個(gè)含水層處于承壓-飽水狀態(tài)，因此，可采用體積法對(duì)井田范圍內(nèi)III-1上段含水層的靜儲(chǔ)量進(jìn)行初步估算。

已知大南湖五號(hào)井井田范圍內(nèi)III-1上段含水層厚度約為22 m，井田面積約為109.6 km2，結(jié)合上述該含水層的孔隙度便可估算該層段含水層的靜儲(chǔ)量，約4.39億m3，表明井田范圍內(nèi)III-1上段含水層地下水資源儲(chǔ)量極為豐富。

雖然該地下水礦化度高達(dá)15 000 mg/L以上，但針對(duì)該地區(qū)極度干旱、缺水的生態(tài)環(huán)境，以及該地下水作為該生態(tài)脆弱區(qū)周?chē)s100 km內(nèi)唯一可能水資源的現(xiàn)狀，并結(jié)合目前較為成熟的高礦化度水處理技術(shù)及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，如此豐富的地下水仍具有水資源屬性及巨大的開(kāi)發(fā)利用潛力。

綜上，在研究區(qū)進(jìn)行保水采煤具有可行性，在研究區(qū)主采煤層頂板特殊含隔水層結(jié)構(gòu)條件下，采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙形成及演化過(guò)程中不會(huì)對(duì)區(qū)域上具有豐富地下水儲(chǔ)量的含水層造成影響，寶貴的地下水資源可有效得到保護(hù)，同時(shí)也保護(hù)了研究區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境，對(duì)地下水資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用也具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

7 結(jié) 論

(1)以位于西部干旱地區(qū)的新疆哈密煤田的大南湖礦區(qū)為例，針對(duì)礦區(qū)侏羅系含煤地層物理力學(xué)強(qiáng)度低、膠結(jié)程度差、遇水崩解等特征，采用相似材料模擬、數(shù)值模擬等手段，研究了18煤頂板采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育、演化規(guī)律，并通過(guò)與鄰礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，獲取了研究區(qū)特殊地層條件下的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的裂采比一般在13.09～15.67倍，整體形態(tài)具有“梯臺(tái)型”特征。

(2)通過(guò)研究頂板采動(dòng)導(dǎo)水裂隙產(chǎn)生的水文地質(zhì)效應(yīng)顯示:采動(dòng)影響范圍內(nèi)裂隙發(fā)育、演化以及滲透系數(shù)的演化均呈現(xiàn)“穩(wěn)定增加-波動(dòng)變化-恢復(fù)穩(wěn)定”變化特征，導(dǎo)高影響范圍內(nèi)含水層的滲透系數(shù)明顯的增大，一般為3～5倍，這必將對(duì)該含水層賦存的地下水造成極大的消耗和影響，不利于該層段含水層的保護(hù)。而對(duì)于影響范圍之外的含水層不受采動(dòng)影響。研究表明:研究區(qū)主采煤層頂板具有的“多含水結(jié)構(gòu)下的高位隔水層”結(jié)構(gòu)特征，具備了保水的基本水文地質(zhì)前提條件。

(3)針對(duì)研究區(qū)極度干旱缺水、生態(tài)脆弱的特征，結(jié)合主采煤層頂板導(dǎo)高發(fā)育高度、裂隙發(fā)育及演化規(guī)律以及主采煤層頂板的“高位隔水層”結(jié)構(gòu)特征，對(duì)保護(hù)層的穩(wěn)定性、III-1上段含水層的靜儲(chǔ)量、開(kāi)發(fā)潛力以及在研究區(qū)進(jìn)行保水采煤的可行性等進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，提出了干旱礦區(qū)水資源保護(hù)性開(kāi)采的技術(shù)思路，為指導(dǎo)作為新疆四大煤炭基地之一的吐哈煤田煤炭資源的綠色開(kāi)采提供借鑒。