吳寶楊，李全生，曹志國，郭 強(qiáng),孔軍峰,武書泉,張宗鮮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083; 2.國家能源集團(tuán) 煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209; 3.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211; 4.國家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)公司靈新煤礦，寧夏 靈武 751410)

煤炭開采過程中的水資源保護(hù)與利用一直是采礦行業(yè)面臨的一大難題，尤其是在西部干旱半干旱的生態(tài)脆弱礦區(qū)，由于采動(dòng)引起含水層的破壞，導(dǎo)致地下水的流失和污染。基于此，煤礦地下水庫儲(chǔ)水技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。建立煤礦地下水庫，并采取相應(yīng)的礦井水處理措施，利用采空區(qū)及采動(dòng)裂隙區(qū)實(shí)現(xiàn)礦井水的存儲(chǔ)和分質(zhì)利用，已在神東礦區(qū)得到了大規(guī)模應(yīng)用。然而通過在復(fù)雜地質(zhì)條件下建設(shè)煤礦地下水庫來封存高鹽礦井水的工程實(shí)踐還尚無先例[2-4]。

在煤礦地下水庫建設(shè)和運(yùn)行過程中，煤層工作面重復(fù)開采引起的覆巖裂隙導(dǎo)通含水層，可能會(huì)對(duì)礦區(qū)地下水資源造成初次影響[5-9]，其次在高濃度鹽水注入地下水庫的過程中，由于濃度梯度的作用，礦物離子將主要沿著裂隙通道進(jìn)行擴(kuò)散，進(jìn)而可能對(duì)礦區(qū)水資源造成二次影響[10-12]，這2種影響方式都與采空區(qū)覆巖中的采動(dòng)裂隙是否形成貫通的滲流通道密切相關(guān)。當(dāng)前，對(duì)煤層覆巖裂隙滲流通道的研究主要針對(duì)煤礦水害防治方面，且已取得了較豐富的成果。煤層在開采后，頂板巖層先后經(jīng)歷“彎曲下沉-裂隙發(fā)育-破斷垮落”的動(dòng)態(tài)演化過程，在應(yīng)力場(chǎng)的不斷重分布過程中，覆巖裂隙將經(jīng)歷重復(fù)的張開與閉合循環(huán)過程，導(dǎo)致覆巖產(chǎn)生持續(xù)變化的破斷和離層裂隙[13-16]，巖層斷裂和離層裂隙在復(fù)雜的演化過程中不斷形成透水通道并突破含水層，進(jìn)而引發(fā)覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)的涌水災(zāi)害[17-18]，覆巖中的垂直斷裂裂隙和離層裂隙的發(fā)育高度是決定含水層水資源流失的主要因素[19-21]，而對(duì)于煤礦地下水庫，在礦井水分質(zhì)利用后產(chǎn)生的高礦化度水注入地下水庫的過程中，圍巖中的斷裂-離層裂隙仍然是滲流主要通道[22-24]。因此，通過分析采空區(qū)覆巖裂隙分布形態(tài)及高鹽礦井水?dāng)U散規(guī)律，進(jìn)而研判煤礦地下水庫建設(shè)和運(yùn)行期間對(duì)臨近含水層的影響，就成為研究煤礦地下水庫高鹽礦井水封存的核心問題之一。

1 地質(zhì)概況

靈新礦位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東鎮(zhèn)境內(nèi)，北距銀川市45 km，西距靈武市40 km。靈新煤礦為生產(chǎn)礦井，目前礦井涌水量為450 m3/h，最大涌水量550 m3/h。靈新礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的礦井水屬于高礦化度礦井水，不能直接外排地表，針對(duì)這一問題該煤礦擬計(jì)劃在井下建設(shè)一座礦井水處理廠，處理后產(chǎn)生的高濃鹽水，封存于煤礦地下水庫中，因此需要利用現(xiàn)有的采空區(qū)建設(shè)一座庫容不小于300×104m3的煤礦地下水庫。

靈新礦井田位于磁窯堡向斜的西翼，呈一東傾的單斜構(gòu)造，發(fā)育有規(guī)模不大的斷層，本井田構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單。全礦井共劃分為6個(gè)采區(qū)，其中一采區(qū)主要開采14,15,16煤，煤層采厚分別為2.78,3.18,4.28 m，煤層傾角10°左右，14煤～15煤,15煤～16煤層間距分別為20和18 m。煤層群頂板充水水源主要為延安組K2,K3,K4含水層，3個(gè)含水層距14煤的距離分別為220,120，40 m。工作面采用傾斜長(zhǎng)壁采煤方法，后退式回采，全部采用冒落法管理頂板。

一采區(qū)北翼下組14,15,16煤現(xiàn)已全部開采完畢，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，沒有大斷層，地質(zhì)水文條件相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，靈新礦煤礦地下水庫建設(shè)擬選取一采區(qū)北翼的若干采空區(qū)(分別為14號(hào)煤層中的L1614采空區(qū)、L1814采空區(qū)，15號(hào)煤層中的L1615采空區(qū)、L1815采空區(qū)，16號(hào)煤層中的L1616采空區(qū)、L1816采空區(qū)，如圖1所示)作為地下儲(chǔ)水空間建設(shè)煤礦地下水庫。上述各采空區(qū)的工作面采寬180 m左右，兩工作面間隔煤柱約為25 m。

圖1 煤礦地下水庫建設(shè)區(qū)域剖面Fig.1 Sectional view of construction area of underground coal mine reservoir

2 重復(fù)開采覆巖裂隙與滲流通道演化規(guī)律

2.1 固液耦合相似模擬試驗(yàn)

研究高鹽礦井水在煤礦地下水庫中的滲流規(guī)律時(shí)，覆巖裂隙在重復(fù)開采后形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)和滲流通道是關(guān)鍵。為了獲取覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)和滲流動(dòng)通道特征，采用二維相似模型試驗(yàn)，考慮含水層對(duì)覆巖裂隙的影響，相似模擬試驗(yàn)中考慮了固-液耦合過程。同時(shí)，基于相似模擬試驗(yàn)分析滲流通道特征，為分析高鹽礦井水的滲流和擴(kuò)散過程提供基礎(chǔ)。

二維相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ同F(xiàn)場(chǎng)如圖2(a)所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图茏映叽鐬?.2 m×0.25 m×1.6 m(長(zhǎng)×寬×高)。根據(jù)相似模擬試驗(yàn)臺(tái)尺寸及礦井地質(zhì)資料，確定模型的相似比見表1。

表1 物理模擬試驗(yàn)相似比Table 1 Similarity ratio of the physical experiment

圖2 固-液耦合相似模擬Fig.2 Solid-liquid coupling physical simulation

試驗(yàn)中采用了注水系統(tǒng)模擬含水層水壓，如圖2(b)所示，該系統(tǒng)包括一個(gè)裝N2的高壓罐和一個(gè)裝堿水的圓柱型容器罐。采用N2加壓作為水壓控制的動(dòng)力源，通過解壓閥控制壓力。最大壓力:80 kPa，即8 m高水柱。

由于實(shí)驗(yàn)架高度限制，未能把巖層從開挖煤層水平一直模擬至地表，設(shè)計(jì)模型累高為1.12 m(原型280 m)，對(duì)模型未能模擬的上覆巖層厚度為0.48 m(原型120 m)，應(yīng)采用等效荷載方式實(shí)現(xiàn)，模型中未模擬巖層平均容重取1 666.7 kg/m3(原型2 500 kg/m3)。因此，模型需要施加的重力補(bǔ)償荷載為2.67 kPa。工作面巖層主要力學(xué)性能參數(shù)及分層厚度見表2。

溪蓀鳶尾株型整齊，花大艷麗，可用作花壇、花境布置，彌補(bǔ)早春開花植物種類少，以及夏季花壇用花時(shí)冷色系花不足的遺憾。作為花境種植，既可以鑲邊，也可以與其他灌木和草本花卉搭配，進(jìn)行分區(qū)域、重復(fù)種植[5]。

表2 巖層主要力學(xué)性能參數(shù)及分層厚度Table 2 Mechanical parameters and thickness of strata

根據(jù)靈新煤礦巖層主要力學(xué)性能參數(shù)，結(jié)合以往配比經(jīng)驗(yàn)，選擇河砂為骨料，石膏作為膠結(jié)物，云母片作為分層材料以模擬巖層層理[25-27]。地層材料分為隔水層、含水層和煤層等，根據(jù)室內(nèi)測(cè)定滲透系數(shù)和強(qiáng)度(包括抗壓和抗拉強(qiáng)度)等數(shù)據(jù)以及結(jié)合相似比，確定了隔水層和含水層中碎石和凡士林配比，模型分層與配比情況見表3。

表3 模型地層材料配比Table 3 Model formation material ratio

按照各分層尺寸自下而上鋪設(shè)模型，對(duì)各分成間撒云母粉，并夯實(shí)各層相似模擬材料。隔水層相似材料制作選用河砂作為骨料，碳酸鈣、石膏作為膠料，石蠟、凡士林作為隔水添加劑，該配料制作的隔水層相似材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原型地層的低強(qiáng)度、大變形和抗水性的相似模擬。含水層相似材料制作選用塊石(粒徑>10 mm)、卵石(粒徑2 mm)、粗砂(粒徑<1 mm)為骨料，碳酸鈣、石膏作為膠料，通過3種骨料材料的級(jí)配可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同滲透性能含水層的相似模擬。為了防止含水層前后兩側(cè)出現(xiàn)滲水的情況，在鋪設(shè)含水層時(shí)，在含水層前后兩側(cè)采用了蠟封的措施，以保證含水層中的水不從含水層兩側(cè)滲出。將模型自然養(yǎng)護(hù)20～30 d。待模型完全干燥、定型后，拆除槽鋼，并對(duì)含水層加載水壓，即可對(duì)模型進(jìn)行開挖。模型中煤層的開采，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面開采進(jìn)度進(jìn)行模擬。工作面開采順序?yàn)?L1614—L1615—L1616—L1814—L1815—L1816綜采工作面。

2.2 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

開采14煤層L1614工作面，如圖3(a)所示，覆巖自下而上相繼垮落、斷裂、離層，覆巖破壞整體形成一梯形破壞帶。覆巖破壞帶高度發(fā)育至K4含水層底部，裂縫導(dǎo)通K4含水層，分別向工作面上山邊緣(圖3(a)中Ⅰ處)、中央(圖3(a)中Ⅱ處)、下山邊緣(圖3(a)中Ⅲ處)涌入3股水流。

開采15煤層L1615工作面，如圖3(b)所示，由于覆巖重復(fù)采動(dòng)，破壞范圍顯著向上擴(kuò)展發(fā)育。覆巖破壞帶高度發(fā)育至K4含水層與K3含水層之間巖層內(nèi)，在L1615工作面上山邊緣新增2處涌水點(diǎn)，涌水點(diǎn)達(dá)到5處，分布于工作面下山邊緣(圖3(b)Ⅳ處)和上山邊緣(圖3(b)Ⅴ處)，其中以下山邊緣的涌水現(xiàn)象最為明顯。開采16煤層L1616工作面，如圖3(c)所示，覆巖破壞范圍進(jìn)一步向上擴(kuò)展發(fā)育。覆巖破壞帶高度發(fā)育至K3含水層下邊界，L1616工作面上山邊緣新增2處涌水點(diǎn)，如圖3(c)所示。接續(xù)開采14煤層L1814工作面，如圖3(d)所示，L1814采空區(qū)上方覆巖形成獨(dú)立梯形破壞帶。破壞帶高度發(fā)育至K4含水層底部，但因上山原采空區(qū)覆巖破壞，水源徑流路徑被破壞，L1814涌水主要集中在采空區(qū)上山方向(圖3(d)中Ⅷ處)，采空區(qū)下山邊緣(圖3(d)中Ⅸ處)只出現(xiàn)少量涌水。開采15煤層L1815工作面,如圖3(e)所示，當(dāng)L1815傾向推進(jìn)至L1614,L1814工作面間隔離煤柱正下方時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈的頂板來壓現(xiàn)象，L1814與L1614工作面隔離煤柱塑化;覆巖垮落異常發(fā)育，L1814新破壞帶與上山方向破壞帶貫通，連成一更大范圍的破壞帶。L1815工作面開采上方覆巖離層發(fā)育至K3含水層底部，L1814采空區(qū)新增涌水點(diǎn)及涌水量有所減少，涌水點(diǎn)集中在采空區(qū)上山邊緣(圖3(e)中Ⅹ處)。開采16煤層L1816工作面,如圖3(f)所示，覆巖垮落異常發(fā)育，發(fā)育高度達(dá)到150 m左右，覆巖破壞帶高度發(fā)育至K3含水層內(nèi)，覆巖呈內(nèi)凹型，下山裂縫連線開裂程度比上山方向大;下山采空區(qū)無涌水，上山采空區(qū)多處涌水(圖3(f)中Ⅺ處)。

圖3 不同工作面采動(dòng)后裂隙及涌水模型試驗(yàn)Fig.3 Modelling results of fractures and water bursting during the repeated mining of different mining faces

在所有工作面開采完成后得到的裂隙分布及涌水結(jié)果如圖4所示。其中,圖4(a)為模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果，圖4(b)為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)照片進(jìn)行像素二值化處理后得到的裂隙網(wǎng)絡(luò)分布圖。總體上，在工作面鄰近巖層有較密集的離層裂隙，采空區(qū)上山覆巖、下山覆巖和中部有明顯的斷裂裂隙，L1614和L1616采空區(qū)上山和下山邊緣有較為明顯的涌水現(xiàn)象，且涌水來源與K4含水層。因此，滲流通道主要集中于上述區(qū)域，且連通K4含水層。離層裂隙和巖層斷裂裂隙擴(kuò)展到了K3和K2含水層，但K3和K2含水層未出現(xiàn)明顯的滲流過程，表明滲流通道不通暢。圖4(b)提供了裂隙分布特征，但由于像素識(shí)別困難，不能提供更為精確的裂隙結(jié)構(gòu)，尤其巖層斷裂和內(nèi)部裂隙通道。因此，需要采用數(shù)值模擬進(jìn)一步分析采動(dòng)裂隙通道，并基于數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行高鹽礦井水滲流規(guī)律的分析。

圖4 開采完成后試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖及裂隙網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Overall drawing of modelling experiment and the characterized fracture network

2.3 采動(dòng)裂隙數(shù)值模擬

根據(jù)靈新煤礦地質(zhì)資料，對(duì)于L1614～L1615和L1814～L1815工作面寬度，以及結(jié)合相似模型試驗(yàn)尺寸，建立靈新煤礦采動(dòng)數(shù)值模型。考慮到開采后應(yīng)力重分布及變形特征，將采動(dòng)地質(zhì)體簡(jiǎn)化為平面問題，基于3DEC數(shù)值模擬軟件，建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖5(a)所示。數(shù)值模型厚度為10 m?？紤]采動(dòng)對(duì)工作面臨近巖層的強(qiáng)擾動(dòng)，對(duì)工作面臨近巖層的模擬節(jié)理劃分進(jìn)行了局部加密。如圖5(b)所示，為了使巖層垮落更加合理，不同巖層之間的模擬節(jié)理面進(jìn)行了錯(cuò)落式層疊，節(jié)理間距從L1616和L1816工作面向上，逐漸放大，其中，底層節(jié)理間距為5 m，地表最大節(jié)理間距28 m。根據(jù)實(shí)際開采步驟，從L1614～L1616,L1814～L1816依次進(jìn)行開采計(jì)算，工作面開采區(qū)域如圖5(c)所示。

圖5 采動(dòng)裂隙數(shù)值模擬Fig.5 Numerical simulation of mining-induced fractures

圖6(a)為分布開挖后計(jì)算得到的位移云圖，由圖6(a)可知，最大位移發(fā)生在采空區(qū)中部，對(duì)比圖6(a)和圖4(a),數(shù)值模擬得到的巖層垮落外輪廓線與相似模型試驗(yàn)結(jié)果近似。圖6(b)為覆巖裂隙分布圖，密集裂隙主要分布于采空區(qū)鄰近巖層，表現(xiàn)為離層裂隙和部分?jǐn)嗔蚜严?，近地面裂隙主要為離層裂隙且擴(kuò)展至K3含水層?；跀?shù)值模擬結(jié)果，后處理時(shí)設(shè)置為只顯示裂隙輪廓線，得到裂隙網(wǎng)絡(luò)如圖6(c)所示。對(duì)比圖6(c)和圖4(b)可知，數(shù)值模擬的裂隙網(wǎng)絡(luò)圖與相似模型試驗(yàn)結(jié)果盡管在裂隙分布上具有一定的差異，但總體上，裂隙網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域較為接近?？傮w裂隙主要分布于采空區(qū)鄰近地層、上山位置和下山位置并延伸至K3含水層。由于試驗(yàn)場(chǎng)地高度限制，相似模擬中模型高度地表軟土層及以下小部分區(qū)域未進(jìn)行模擬，模型試驗(yàn)最大高度大約位于圖6(c)中的虛線位置。數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果顯示，模型右側(cè)最大裂隙分布高度與數(shù)值模擬近似，且均出現(xiàn)了較大的離層裂隙。圖6(c)中的Ⅰ～Ⅺ分別對(duì)應(yīng)于圖3中的涌水通道特征，可見數(shù)值模擬得到的裂隙網(wǎng)絡(luò)能夠全部涵蓋相似模擬試驗(yàn)中的涌水通道特征點(diǎn)，此外，數(shù)值模擬的裂隙網(wǎng)絡(luò)能夠提供更多的斷裂裂隙細(xì)節(jié)。因此，數(shù)值模擬的裂隙網(wǎng)絡(luò)較為可靠，可以作為后續(xù)裂隙滲流過程數(shù)值分析的裂隙模型。

圖6 重復(fù)開采后的位移云圖、裂隙圖和裂隙網(wǎng)絡(luò)提取圖Fig.6 After repeated mining,displacement cloud diagram,fracture diagram and fracture network extraction diagram

3 地下水庫注水滲流場(chǎng)分析

3.1 滲流-擴(kuò)散數(shù)值模型的建立

基于圖6(c)，得到裂隙網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)裂隙節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，在GMSH軟件中，首先建立裂隙網(wǎng)絡(luò)線單元，隨后建立地層模型，最后進(jìn)行布爾運(yùn)算，建立含裂隙網(wǎng)絡(luò)的二維平面模型。采用三角形單元并在裂隙附近進(jìn)行加密，其中裂隙為一維線單元。最終建立了采動(dòng)裂隙網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值計(jì)算模型，如圖7所示。

圖7 滲流數(shù)值模擬模型Fig.7 Seepage numerical simulation model

整個(gè)模型為原型的1∶1比例，考慮細(xì)砂巖與粉砂巖滲透率相對(duì)裂隙較小，且數(shù)值模擬重點(diǎn)關(guān)注裂隙中滲流情況，因此，細(xì)砂巖與粉砂巖巖層在數(shù)值模型中統(tǒng)一為一種材料組。模型中材料組分為底部泥巖、粉細(xì)砂巖、含水層K2、含水層K3、含水層K4和3種裂隙。單元尺寸最小為0.5 m，最大為30 m。裂隙單元尺寸控制在1 m以內(nèi)。

根據(jù)相似模擬試驗(yàn)的裂隙結(jié)果(圖4(a))和數(shù)值模擬裂隙(圖6(b))將裂隙開度大體上分成了3類，如圖8所示，紅色裂隙為開度較大的裂隙，灰色裂隙開度其次，綠色裂隙開度最小。

圖8 裂隙分類示意Fig.8 Fracture classification diagram

采用OpenGeoSys數(shù)值模擬平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，該軟件在涉及溫度-滲流-應(yīng)力-化學(xué)等多物理場(chǎng)耦合問題的多個(gè)領(lǐng)域中均有應(yīng)用[28]。本次計(jì)算所采用的數(shù)值模擬參數(shù)見表4,5。采用濃鹽水模擬高礦化度礦井水，表4中鹽離子在水中擴(kuò)散系數(shù)參考了文獻(xiàn)[29]。表5中泥巖、砂巖和含水層的孔隙率、曲度和滲透率參考文獻(xiàn)[30]中的參數(shù)，對(duì)于彌散系數(shù)，主要參考文獻(xiàn)[31]中的參數(shù)。

表4 流體物理參數(shù)Table 4 Fluid physical parameter

表5 巖層滲流數(shù)值模擬參數(shù)Table 5 Numerical simulation parameters of rock seepage

3.2 采動(dòng)裂隙滲流數(shù)值模擬過程

在數(shù)值模擬過程中，考慮到煤層開采后，由于采空區(qū)排水，上覆巖層裂隙通道導(dǎo)致含水層中水壓接近0，因而設(shè)定初始滲流壓力場(chǎng)為0。考慮注水壓力較大(設(shè)定最大注水壓力水頭為100 m)，因此，可忽略K4含水層中水的補(bǔ)給對(duì)滲流場(chǎng)的影響。由于裂隙網(wǎng)絡(luò)未到達(dá)K2含水層且粉砂巖滲透率較低，也忽略K2含水層中水的補(bǔ)給水壓。而裂隙網(wǎng)絡(luò)到達(dá)了K3含水層，因此，設(shè)定K3含水層接近地表處有補(bǔ)給水源。

在OpenGeoSys數(shù)值模擬軟件中考慮質(zhì)量守恒和壓力平衡，常規(guī)滲流無法計(jì)算注水后的流體分散區(qū)域。因此，在計(jì)算滲流場(chǎng)時(shí)，采用了物質(zhì)追蹤的方法分析濃鹽水滲流范圍。設(shè)初始滲流場(chǎng)壓力為0，追蹤物質(zhì)為0。數(shù)值計(jì)算模型的邊界條件如圖9所示。

圖9 滲流場(chǎng)與濃度場(chǎng)計(jì)算數(shù)值模型邊界Fig.9 Numerical model boundary of seepage field and concentration field is calculated

在數(shù)值模型中，考慮K4含水層在煤層開采時(shí)降水釋放全部水壓，因此，在K4含水層的2個(gè)邊界處設(shè)定水壓為0，但考慮地表水和深部孔隙水緩慢補(bǔ)給影響濃度場(chǎng)擴(kuò)散，因此設(shè)定邊界處濃度為0。首先計(jì)算在采空區(qū)注水至100 m水頭過程中的滲流場(chǎng)演化過程，隨后計(jì)算50 a的濃度場(chǎng)變化過程。

3.3 注水條件下裂隙滲流規(guī)律

注水?dāng)?shù)值模擬過程中，計(jì)算時(shí)間步數(shù)采用Neumann自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)法，設(shè)定注水壓力達(dá)到100 m水頭需要0.5 a，最終計(jì)算了6步達(dá)到最終平衡。采動(dòng)裂隙網(wǎng)絡(luò)中的注水滲流過程如圖10所示，其中,紅色線條代表濃鹽水沿著采空區(qū)裂隙的滲流路徑。

圖10 注水條件下滲流過程Fig.10 Seepage process under water injection condition

圖11 注水后濃度場(chǎng)演化Fig.11 Evolution diagram of concentration field after injection

由圖10(a)可知，在注水后的很短時(shí)間內(nèi)，水流在注水點(diǎn)附近，而注水開始后，鹽水沿著采空區(qū)裂隙流動(dòng)(圖10(b))，隨后，如圖10(c)所示，濃鹽水沿著垮落帶裂隙流動(dòng)并進(jìn)入上部采空區(qū)及附近裂隙，且濃鹽水進(jìn)入K4含水層。由圖10(d)可知，濃鹽水在進(jìn)入K4含水層之后，主要沿著含水層流動(dòng)，并隨后進(jìn)入部分不連通裂隙區(qū)(圖10(e))以及在采空區(qū)上方的覆巖中發(fā)生緩慢流動(dòng)(圖10(f))。

綜上所述，在注水后，采動(dòng)裂隙中濃鹽水先沿著采空區(qū)流進(jìn)，隨后沿著上方覆巖破裂區(qū)進(jìn)入K4含水層，最終在K4含水層及其鄰近覆巖斷裂裂隙中流動(dòng)。

3.4 注水后濃度場(chǎng)演化規(guī)律

在注水1 a后，如圖11(a)所示，濃鹽水主要在裂隙中、斷裂帶中破碎巖層中有部分分布。在注水5～10 a內(nèi)，如圖11(b)，(c)所示，裂隙中的濃鹽水逐步向巖體中擴(kuò)散，L1614上山斷裂裂隙中濃鹽水?dāng)U散較快，主要原因在于濃鹽水深入破裂裂隙中，在濃度梯度的作用下，沿裂隙水?dāng)U散。此外，L1814下山方向的K4含水層中有濃鹽水?dāng)U散，而采空區(qū)中部裂隙中濃鹽水?dāng)U散不明顯。在注水20 a后，如圖11(d)～(g)所示，采空區(qū)中部破碎巖層中濃鹽水?dāng)U散較為明顯，兩側(cè)的斷裂裂隙中濃鹽水?dāng)U撒速度較慢，而K4含水層中濃鹽水闊山較為顯著?？傮w上，在注水50 a時(shí)，會(huì)有較小相對(duì)濃度的濃鹽水進(jìn)入到K3含水層，主要采空區(qū)中部斷裂裂隙，濃鹽水相對(duì)濃度0.1～0.3。

4 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬的采動(dòng)裂隙網(wǎng)絡(luò)分布與相似模擬試驗(yàn)結(jié)果相似，在煤層群開采后，采空區(qū)圍巖的離層裂隙和巖層斷裂裂隙相互導(dǎo)通并擴(kuò)展至K4含水層，采空區(qū)涌水來源于距煤層較近的K4含水層。K3含水層與采空區(qū)之間未出現(xiàn)明顯的滲流路勁，表明滲流通道不通暢，認(rèn)為煤層群開采對(duì)K3含水層的影響不大。

(2)注水條件下，高濃度鹽水首先在裂隙采空區(qū)流動(dòng)，隨后沿著覆巖斷裂裂隙進(jìn)入K4含水層，并最終在K4含水層及其鄰近覆巖斷裂裂隙中流動(dòng)，滲流場(chǎng)離K3含水層較遠(yuǎn)。濃度場(chǎng)在自身重力所用下，在10 a后擴(kuò)散速度減緩，在50 a內(nèi)，濃度場(chǎng)主要在K4含水層鄰近覆巖、K4含水層和底部泥巖中擴(kuò)散，K3含水層中有少量鹽水分布。