靳德武劉 基許 峰王振榮龐乃勇

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司,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; 3.煤炭科學研究總院,北京 100013;4.神華神東煤炭集團有限責任公司,陜西 神木 719315)

榆神礦區(qū)煤層埋深較淺,其開采普遍受到頂板淺層松散含水層的威脅[1],采用鉆孔進行強降深、大流量超前預(yù)疏放是頂板水害防治的主要措施[2-3]。在特定的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下,超前疏放頂板含水層水甚至是惟一的手段[4]。為確保安全,采前盡可能疏放頂板水,將充水含水層水量和水壓均減小到一定程度再進行回采。

針對煤層開采頂板涌水規(guī)律,趙春虎等[5]以榆神礦區(qū)為例,采用數(shù)值分析方法計算分析了3 種涌水模式下的頂板涌水規(guī)律。針對頂板疏放水鉆孔優(yōu)化布置,劉基等[6]以“滲流-管流耦合模型”理論為基礎(chǔ),基于含水層-鉆孔間水量交換量,計算分析了不同參數(shù)的頂板疏放水鉆孔涌水量變化趨勢。李永濤和楊建[7]以蒙陜接壤區(qū)納林河二號礦井為例,分析了頂板預(yù)疏放后工作面涌水規(guī)律,得出首采工作面涌水量與推采步距呈正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。

前人研究工作多集中在頂板水害防治方面,而對于充水含水層疏降至何種程度才是既經(jīng)濟又安全的問題則較少涉及,而該問題又是生產(chǎn)中迫切需要解決的問題。如果預(yù)疏放水量過大,第四系淺層松散含水層漏失嚴重,則造成水資源浪費;相反地,預(yù)疏放水量過小,則頂板含水層難以疏降至安全水頭,存在重大安全隱患。因此,需要開展采前預(yù)疏放水工程結(jié)束標準研究,使采前預(yù)疏放階段和回采階段第四系松散含水層總漏失量盡可能小,以實現(xiàn)工作面既采煤又減水的目標。

榆神礦區(qū)錦界煤礦主采31 煤,回采工藝為機械化一次采全高,導水裂隙帶直接發(fā)育至富水性相對較強的風化基巖,導致礦井涌水量最大達5 499 m3/h,礦井面臨排水負擔過重和水資源保護的雙重壓力。筆者通過分析礦井涌水量主控因素,采用數(shù)值模擬手段,通過設(shè)計不同的預(yù)疏放殘余水頭,探討預(yù)疏放和回采過程中第四系松散含水層漏失量變化趨勢,尋求合理的預(yù)疏放結(jié)束標準,實現(xiàn)工作面在不同充水模式下第四系含水層漏失量最小的減水目標。

1 研究區(qū)概況

錦界煤礦地處陜西省神木市境內(nèi),位于榆神礦區(qū)二期規(guī)劃區(qū)西北部,地貌類型為風沙地貌、黃土地貌和溝谷地貌3 類,井田面積141.77 km2。井田內(nèi)發(fā)育兩條長年性溝流——青草界溝和河則溝,均為黃河二級支流。氣候?qū)侔敫珊荡箨懶约撅L氣候,多年平均降水量為441.2 mm,多年平均蒸發(fā)量為2 111.2 mm。地層由老至新為:三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y),侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z),新近系上新統(tǒng)保德組(N2b),第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l),上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)、全新統(tǒng)風積沙(Q4eol)及沖積層(Q4al)[8]。礦井主采煤層為31 煤,位于侏羅系延安組地層上部,煤層平均厚度約3.2 m。煤層開采受上覆風化基巖和松散層含水層水的威脅,在工作面回采前均進行一定程度的超前預(yù)疏放水工作。

礦井自2006年建成投產(chǎn)以來,原煤產(chǎn)量逐年增加,2010年原煤產(chǎn)量達1 517 萬t,2011年1 793 萬t,近年來產(chǎn)量基本穩(wěn)定在1 700 萬t;礦井遠景規(guī)劃生產(chǎn)能力為2 000 萬t。從涌水量變化趨勢來看(圖1(a)),自投產(chǎn)以來,礦井涌水量逐年增加,至2011年9月達到最大值,為5 499 m3/h,隨后礦井涌水量呈下降趨勢,截止2020年10月,礦井涌水量約為4 775 m3/h。礦井涌水主要由5 部分組成:大巷及井筒涌水、掘進工作面涌水、采空區(qū)涌水、回采工作面涌水以及預(yù)疏放水。其中大巷及井筒涌水量較小,為50～100 m3/h;掘進工作面涌水量最小,為0～60 m3/h;采空區(qū)、回采工作面涌水以及疏放水量占礦井總涌水量的95%以上(圖1(b))。

2 礦井(充)涌水特征分析

2.1 含(隔)水層賦存特征

根據(jù)鉆孔柱狀圖及覆巖組合特征,井田內(nèi)煤層頂板為典型的沙(層)-土(層)-基(巖)型結(jié)構(gòu)。

(1)沙層。主要為第四系風積、沖積沙和薩拉烏蘇組湖積沙,廣泛分布于井田,厚度0～73.5 m,平均30.9 m(圖2(a))。薩拉烏蘇組潛水含水層靜止水位埋深3.08～20.46 m,平均水力梯度0.016～0.027,平均單位涌水量0.116 0～1.721 7 L/(s·m),平均滲透系數(shù)0.813～4.760 m/d,富水性以中等為主,水質(zhì)為HCO3—Ca 型,礦化度0.25～0.286 g/L[8]。

(2)土層。埋藏于沙層下部,局部地段出露于地表。主要為第四系離石組黃土(Q2l)與新近系三趾馬紅土(N2b)。土層總厚度0～73.95 m,厚度變化較大,局部存在“天窗”區(qū)(圖2(b))。力學試驗表明:黃土層和黏土具有一定的抗剪強度和抗壓強度,且有良好的隔水能力[9-10]。

圖1 錦界煤礦礦井涌水量歷時曲線及構(gòu)成分析Fig.1 Duration curve and composition analysis of water inflow in Jinjie coal mine

(3)風化基巖層。位于煤層頂板基巖上部,厚度0～83.75 m,井田北部厚度普遍較大,一般大于50 m(圖2(c))。巖石風化程度嚴重至中等,巖石結(jié)構(gòu)破碎,風化裂隙發(fā)育,具有較好的滲透性及儲水條件。其中含水層平均厚度45.01 m,水頭高度平均66.30 m,靜止水位埋深平均17.98 m,鉆孔平均涌水量8.34 m3/h,平均滲透系數(shù)0.501 0 m/d,單位涌水量介于 0.017 3～0.6 504 L/(s · m), 平均0.249 52 L/(s·m),富水性以中等為主,水質(zhì)為HCO3-Ca 型水,礦化度<0.3 g/L[11]。根據(jù)水文地質(zhì)勘探孔和抽水試驗成果,風化基巖含水層厚度與單位涌水量之間存在較強的正相關(guān)關(guān)系,即風化基巖含水層厚度越大,單位涌水量越大,說明基巖風化越強烈,巖層裂隙越發(fā)育,富水性越好。風化基巖含水層厚度大于30 m 的地段其單位涌水量基本都大于0.1 L/(s·m)[12]。

圖2 井田各地層厚度等值線Fig.2 Contour of each layer thickness in the mine field

(4)基巖層。位于煤層頂板,厚度 0～109.14 m(圖2(d))。結(jié)構(gòu)致密,裂隙不發(fā)育,富水性較差。單位涌水量在0.003 02～0.075 67 L/(s·m),滲透系數(shù)為0.006 079～0.099 580 m/d[13]。

2.2 2 種充水模式

通過統(tǒng)計正?；鶐r和風化基巖厚度之和,并與土層厚度等值線進行疊加可以看出,煤層頂板基巖厚度普遍大于45 m,只在青草溝溝谷附近厚度較小,煤層開采形成的導水裂隙帶(高度為45.72 m)基本發(fā)育至風化基巖中[14],主要充水水源為風化基巖水,但是井田內(nèi)存在幾處土層缺失“天窗”,即風化基巖和第四系松散層直接接觸,上部第四系松散層水通過對風化基巖補給進而對煤層充水,此處煤層開采的充水水源為風化基巖水和第四系沙層水(圖3)。在典型BB'剖面上,由于隔水地層土層存在缺失區(qū),上覆第四系淺層水可通過“天窗”下漏至導水裂隙帶發(fā)育空間從而進入井下采空區(qū),而在典型A—A′剖面上,由于各地層完整未缺失,上覆第四系淺層水不易下滲進入井下采空區(qū)。因此,錦界井田內(nèi)煤層充水模式主要為兩種:土層未缺失風化基巖充水模式(圖4(a))和土層缺失風化基巖和松散層混合充水模式(圖4(b))。

圖3 基巖厚度(線條)和土層厚度(填充)等值線疊加Fig.3 Contour overlay of bedrock thickness (line)and soil layer thickness (filling)

圖4 井田煤層開采充水模式Fig.4 Water filling mode of coal seam mining

2.3 富水性分區(qū)

根據(jù)煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)及其富水性特征,分析認為煤層充水含水層富水性基本取決于風化基巖厚度、風化基巖含水層厚度、土層厚度以及沙層含水層厚度4 個指標。風化基巖厚度及其含水層厚度則為最重要且是直接影響充水含水層富水性的因素,而沙層則是通過土層局部“天窗”對風化基巖進行補給,因此,土層厚度決定了沙層對充水含水層的補給強度。據(jù)此,通過不斷調(diào)整指標分區(qū)閾值,采用GIS 多元信息融合技術(shù)[15-16]對充水含水層富水性進行動態(tài)劃分(式(1)),并與現(xiàn)場進行對比,直到符合現(xiàn)場實際為準,最終確定的富水性評價指標體系(表1)及井田充水含水層的富水性分區(qū)圖(圖5)。

式中,F為煤層頂板含水層綜合富水性指數(shù);k為指標個數(shù);W(k)為指標權(quán)重;Fk為各指標單因素的富水性指數(shù)。

表1 富水性分區(qū)說明Table 1 Description of water abundance zoning m

圖5 井田富水性分區(qū)Fig.5 Zoning of water abundance in the mine field

由圖5可看出,強富水區(qū)位于井田二盤區(qū)局部地段、三盤區(qū)和四盤區(qū)大部分地段,且工作面覆蓋厚風化基巖的面積越大其涌水量越大。根據(jù)井田實際工作面涌水量統(tǒng)計,一盤區(qū)工作面涌水量多在100～300 m3/h,二盤區(qū)工作面涌水量多在200～400 m3/h,四盤區(qū)工作面涌水量多在500 m3/h 左右,整體趨勢為四盤區(qū)涌水量>二盤區(qū)涌水量>一盤區(qū)涌水量。而在已回采的一盤區(qū),31105 工作面涌水量約為500 m3/h,遠遠大于首采工作面31101 工作面(涌水量約為150 m3/h),這是由于31101 工作面位于相對弱富水區(qū),而31105 工作面位于中等富水區(qū),此外,31105 工作面部分地段靠近土層“天窗”區(qū),部分第四系松散層水下滲補給風化基巖。二盤區(qū)部分區(qū)域存在強富水區(qū)直接向弱富水區(qū)過度的情況,主要是因為該區(qū)域存在土層缺失的“天窗”,使得中等富水區(qū)遞進為強富水區(qū)。因此,二盤區(qū)的南部穿過“天窗”區(qū)的工作面后期涌水量可能較大,生產(chǎn)中需要采取積極的防范措施。

3 疏放水與殘余涌水量構(gòu)成分析

目前,錦界煤礦在工作面回采前對煤層頂板充水含水層(風化基巖含水層)進行預(yù)疏放,疏放時間大約為180 d。分析工作面涌水量和疏放水量之間的關(guān)系可知(圖6):

圖6 錦界煤礦礦井涌水量與預(yù)疏放水量變化趨勢Fig.6 Variation trend of water inflow and pre-drainage in Jinjie Coal Mine

(1)疏放水量與工作面回采涌水量曲線變化趨勢基本一致,各占礦井涌水量的50%左右。

(2)2011年之后,礦井總涌水量呈減小趨勢,減少的量主要是探放水量。礦井涌水量最大時,探放水量同樣達到最大。

2011年后隨著盤區(qū)先期開采的幾個工作面的大量疏放水及采空區(qū)大量涌水,后期開采的工作面采前疏放水量大大減少,2014年2月井田的總疏放水量由2011年9月的2 556 m3/h 減小至558 m3/h,減幅達78%,此時礦井涌水量主要為采空區(qū)涌水及工作面涌水。

2011年前工作面探放水中存在的主要問題:采前預(yù)疏放工程基本采用的是最大限度疏放頂板含水層水,可能存在預(yù)疏放水量過大,導致更多的第四系松散層水參與其中、浪費水資源的情況。

4 預(yù)疏放結(jié)束標準確定方法

通過概化錦界井田水文地質(zhì)條件,建立水文地質(zhì)概念模型,構(gòu)建采掘擾動條件下涌水量計算數(shù)值模型,通過調(diào)整采前疏降殘余水頭(煤層底板以上水頭高度),確定疏放水階段第四系松散含水層的漏失量,同時,計算相應(yīng)疏放條件下回采階段第四系松散含水層漏失量,最后分析疏降殘余水頭不同工況下的總漏失量變化趨勢,確定總漏失量最小時的疏降殘余水頭,即為預(yù)疏放結(jié)束標準。

4.1 模型構(gòu)建

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件分析,煤層開采主要充水含水層包括煤層頂板基巖含水層以及第四系松散含水層[17]。因此,本次模擬的垂向范圍包括31 煤、基巖層、風化基巖層、土層以及沙層,其中土層作為相對隔水層,其他地層作為含水層,含水介質(zhì)為非均質(zhì)各向異性,平面范圍為整個井田(圖7)。地下水流符合達西定律,為非穩(wěn)定流。

圖7 錦界井田水文地質(zhì)邊界條件概化模型Fig.7 Generalization of hydrogeological boundary conditions in Jinjie mine field

區(qū)內(nèi)潛水徑流方向為東北向西南青草界溝、河則溝方向;基巖裂隙承壓水總體上與區(qū)域潛水運動方向基本一致,從井田東北部流向西南。因此,井田北部至東部概化為補給邊界,南部與西部概化為排泄邊界,均屬于流量邊界[18],青草界溝范圍概化為河流排泄邊界,同時,區(qū)內(nèi)存在大氣降雨補給和蒸發(fā)排泄(圖7)。

多個工作面連續(xù)回采時,采空區(qū)成為地下水的主要排泄區(qū),周邊高水頭含水層水將進入采空區(qū),其流量與水頭、煤層底板標高之差成正比關(guān)系,計算流量即為進入采空區(qū)的涌水量,其連續(xù)過程可用Drain 邊界進行概化[19]。

Drain 邊界的計算公式[20]為

式中,QD為含水層進入工作面采空區(qū)的涌水量,m3/d;S為采空區(qū)邊界;CD為含水層水力傳導系數(shù),m2/d;H為含水層水頭標高,m;HD為工作面煤層底板標高,m。

根據(jù)水文地質(zhì)條件概化結(jié)果,模擬區(qū)工作面煤層開采時地下水呈三維非穩(wěn)定流,其運動特征可用下列三維滲流數(shù)學模型[21]來描述:

式中,H為地下水水位標高,m;K為含水層滲透系數(shù),m/d;Ss為含水層彈性釋水率,d-1;W為模擬區(qū)大氣降水入滲補給強度和蒸(散)發(fā)強度,m2/d;μ為含水層給水度;Γ1為潛水面邊界;H0為模擬區(qū)初始流場,m;q(x,y,z,t)為第2 類變流量邊界流量,m3/d,流入為正,流出為負;x,y,z為空間坐標變量,m;t為時間,d;Ω為模擬區(qū);n為各邊界面的外法線方向。

利用各勘探階段抽水試驗、放水試驗獲取的水文地質(zhì)參數(shù),采用MODFLOW 數(shù)值模擬軟件構(gòu)建采煤影響下的地下水流數(shù)值模型,計算不同工況下的工作面涌水量。

針對土層缺失的地層接觸關(guān)系,在數(shù)值模型中缺失區(qū)預(yù)先設(shè)定土層厚度3 m,在該區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)賦值為下一層風化基巖含水層的水文地質(zhì)參數(shù)以刻畫此處土層缺失地質(zhì)條件。

4.2 模型可靠性驗證

以一盤區(qū)10 個工作面(31101～31110 工作面)的實測正常涌水量為基礎(chǔ),在工作面位置設(shè)置Drain邊界(圖8),排水標高為煤層底板,每個工作面回采的時間均為1 a。運行數(shù)值模型,通過調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)和邊界條件進行試算,直到多工作面連續(xù)回采涌水量計算值和實測值擬合程度最高為止[22]。一盤區(qū)前4 個工作面的識別及后6 個工作面的驗證擬合曲線如圖9所示,此時模型的水文地質(zhì)參數(shù)和邊界條件是最終狀態(tài),模型可靠,可以進行后續(xù)預(yù)測計算。

圖8 一盤區(qū)工作面布置Fig.8 Layout of working face in panel 1

圖9 工作面涌水量計算值和實測值對比Fig.9 Comparison of calculated and measured water inflow of working face

4.3 不同充水模式下殘余水頭

分別選取一盤區(qū)和三盤區(qū)各1 個工作面作為充水模式一和充水模式二的代表性工作面,設(shè)置虛擬放水孔,放水時間為180 d,180 d 后工作面進行回采,回采時間為300 d。初始水頭設(shè)置為1 240 m,在數(shù)值模型中對每一層均設(shè)置Zone budget 分區(qū),統(tǒng)計計算第四系含水層流向基巖含水層的流量,分別確定疏放至10～30 m 殘余水頭工況下,預(yù)疏放水階段和工作面回采階段第四系松散含水層總漏失量的變化關(guān)系(圖10)。

圖10 充水模式1,2 下工作面第四系總漏失量與殘余水頭關(guān)系Fig.10 Relationship between Quaternary total leakage and residual water head of working face under water filling mode 1 and 2

充水模式1:土層的滲透系數(shù)設(shè)定為較小值,為0.000 1 m/d。由圖10(a)可知,隨著疏降殘余水頭下降,預(yù)疏放階段和回采階段第四系含水層漏失量逐步增大,第四系總漏失量逐步增大,且增幅越來越大。當預(yù)疏降殘余水頭在煤層底板以上20 m 時,預(yù)疏降階段第四系含水層漏失量為236 m3/h,回采階段第四系含水層漏失量為260 m3/h, 總漏失量為496 m3/h;而當預(yù)疏降殘余水頭在煤層底板以上15 m 時,預(yù)疏降階段第四系含水層漏失量為240 m3/h, 回采階段第四系含水層漏失量為265 m3/h,總漏失量為505 m3/h,總水量增幅較小;而當預(yù)疏降殘余水頭降至為煤層底板以上10 m 時,第四系含水層總漏失量突增(圖10(a))。由圖10(a)可以推斷,在土層未缺失風化基巖充水模式下,工作面預(yù)疏降殘余水頭應(yīng)當控制在煤層底板以上15 m 左右,即疏放鉆孔殘余水壓約為0.15 MPa 后即可進行回采,該狀態(tài)下第四系松散含水層總漏失量最小。這與錦界煤礦采前鉆孔預(yù)疏放實際情況基本一致[4]。該模式下第四系松散含水層漏失主要是通過間接越流方式補給的,隨著基巖含水層的水位大幅度降低,第四系松散含水層與基巖含水層之間的水位差逐步增大,此時高水位含水層易通過土層發(fā)生越流補給低水位的基巖含水層,導致第四系松散含水層水量漏失[23]。

充水模式2:由于第四系與基巖含水層直接接觸,將模型中虛擬土層的滲透系數(shù)設(shè)定為基巖含水層滲透系數(shù),即0.1 m/d。由圖10(b)可知,隨著疏降殘余水頭降低,預(yù)疏放階段和回采階段第四系含水層漏失量逐步增大,第四系含水層總漏失量同樣呈現(xiàn)逐步增大趨勢,且增幅逐步減小。當預(yù)疏降殘余水頭在煤層底板以上20 m 時,預(yù)疏降階段第四系含水層漏失量為714 m3/h,回采階段第四系含水層漏失量為522 m3/h,總漏失量為1 236 m3/h,而當預(yù)疏降殘余水頭在煤層底板以上15 m 時,預(yù)疏降階段第四系含水層漏失量為724 m3/h,回采階段第四系含水層漏失量為531 m3/h,總漏失量為1 255 m3/h,總水量增幅較小;而當預(yù)疏降殘余水頭降至煤層底板以上30 m 時,第四系含水層總漏失量突減,但此時殘余水頭較高,對于安全生產(chǎn)有潛在風險(圖10(b))。由圖10(b)可以推斷,土層缺失風化基巖和松散層混合充水模式下,工作面預(yù)疏降殘余水頭應(yīng)控制在煤層底板以上20 m 左右,即疏放鉆孔殘余水壓約為0.2 MPa 后可進行回采,該狀態(tài)下殘余水頭較小,第四系松散含水層總漏失量相對最小。該模式下第四系松散含水層漏失主要是通過土層缺失區(qū)直接滲流補給。隨著第四系松散含水層與基巖含水層之間的水力梯度逐步增大,滲流量逐步增加,導致第四系松散含水層水量大量漏失[24]。

對于疏放水工程來講,采前預(yù)疏放主要是盡可能減少頂板含水層的靜儲量,當靜儲量疏放基本完成后,則鉆孔涌水量主要由動儲量構(gòu)成,此時鉆孔涌水量減幅變小,繼續(xù)疏放效果并不明顯,實則為過度或低效疏放[11]。因此,在保障安全的前提下,允許保留有一定的殘余水頭(15～20 m)是合理的,此時第四系松散含水層總漏失量最小,且采后殘余涌水量在可接受范圍內(nèi),而過度疏放不僅增加礦井涌水量,而且破壞淺層地下水資源,進而對地表十分脆弱的生態(tài)環(huán)境造成影響。因此,根據(jù)上述方法確定了兩種充水模式下工作面預(yù)疏放水的結(jié)束標準,為條件類似礦井減水開采中在確定預(yù)疏放安全殘余水頭方法及技術(shù)流程方面提供了范例。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)煤層頂板為典型的沙(層)-土(層)-基(巖)型結(jié)構(gòu),煤層開采主要充水水源為風化基巖水,煤層充水模式主要為土層未缺失風化基巖充水模式和土層缺失風化基巖及松散層混合充水兩種模式。

(2)選用風化基巖厚度、風化基巖含水層厚度、土層厚度以及沙層含水層厚度作為充水含水層富水性分區(qū)指標,采用GIS 多元信息融合技術(shù)對充水含水層進行了富水性分區(qū),結(jié)果顯示強富水區(qū)位于井田二盤區(qū)局部地段、三盤區(qū)和四盤區(qū)大部分地段。

(3)通過對錦界煤礦水文地質(zhì)條件進行概化,采用Drain 邊界刻畫多工作面連續(xù)回采內(nèi)邊界,建立了錦界煤礦采掘擾動條件下三維地下水流數(shù)值模型。通過模擬計算得出兩種充水模式下工作面預(yù)疏放結(jié)束標準,即將充水含水層水頭疏放至煤層底板(殘余水頭)15～20 m 以上,達到該狀態(tài)后可進行回采,無需進行過度疏放。此時,第四系松散含水層水資源量漏失量最小,可起到在西部生態(tài)脆弱區(qū)減水采煤和淺部水資源保護的雙重作用。