許 峰，靳德武，高振宇，何 淵，王世東，石 磊，黃 歡，段建華

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710054；3.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315）

0 引 言

西部煤炭資源開(kāi)發(fā)肩負(fù)著保障我國(guó)基礎(chǔ)能源自主供給的重任。但西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，地下水資源缺乏，煤炭資源的高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)易造成生態(tài)環(huán)境、地下水的擾動(dòng)，從而引發(fā)一系列水文地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。因此，近年來(lái)圍繞我國(guó)西部煤炭資源高效開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境、地下水資源保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展等方面的研究越來(lái)越多，已成為目前的研究熱點(diǎn)之一。如李崇茂[1]提出了“煤炭資源開(kāi)采系統(tǒng)和水資源生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同”理念，建立了煤炭資源開(kāi)采系統(tǒng)和水資源生態(tài)系統(tǒng)健康度評(píng)價(jià)體系，分析了內(nèi)蒙古地區(qū)煤炭開(kāi)采與水資源生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)律等；范立民等[2]總結(jié)了西部礦區(qū)30年以來(lái)保水采煤研究成果，并指出保水采煤今后將以采煤巖層移動(dòng)機(jī)理、煤水關(guān)系、西部礦井導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律等方面為研究的方向和重點(diǎn)；徐智敏等[3]以大南湖礦區(qū)為研究對(duì)象，采用相似模擬、數(shù)值模擬等手段，對(duì)該區(qū)煤炭開(kāi)采頂板采動(dòng)導(dǎo)水裂隙的發(fā)育與演化過(guò)程、發(fā)育高度與形態(tài)特征、滲透性演化規(guī)律以及在該區(qū)進(jìn)行水資源保護(hù)性開(kāi)采的可行性進(jìn)行了研究；王雙明等[4]根據(jù)多年研究提出了西部煤炭資源開(kāi)發(fā)減損開(kāi)采面臨的四大關(guān)鍵問(wèn)題，構(gòu)建了西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭減損開(kāi)采技術(shù)體系，并從地質(zhì)勘探工作、精細(xì)化勘探手段、多學(xué)科交叉融合、新材料、新方法、新工藝研發(fā)等方面對(duì)煤炭減損開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行了展望；焦養(yǎng)泉等[5]以鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)含煤巖系為目標(biāo)，揭示和闡明地下水源、輸導(dǎo)通道與可采煤層（或其他礦產(chǎn)資源）的空間配置關(guān)系與分布規(guī)律，構(gòu)建了地下水格架模型，為煤炭資源開(kāi)發(fā)與地下水資源保護(hù)、防控提供了技術(shù)支撐；趙春虎等[6]提出了榆神礦區(qū)煤層開(kāi)采頂板覆巖含水層3種涌水模式，并分析了每種模式的頂板涌水規(guī)律，指出導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度與覆巖強(qiáng)含水層的接觸關(guān)系是控制煤層覆巖涌水的一項(xiàng)重要措施等。

包括以上在內(nèi)的一系列研究[7-12]極大豐富了煤炭高效開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境、水資源協(xié)同保護(hù)等方面理論與技術(shù)措施。由于西部煤炭資源開(kāi)發(fā)相對(duì)較晚，多數(shù)礦井開(kāi)采淺部單一煤層，尚未進(jìn)行大規(guī)模的深部多層煤層開(kāi)采，多數(shù)研究主要集中在單一煤層開(kāi)采后頂板覆巖破壞和地下水資源運(yùn)移規(guī)律方面[13-17]，而對(duì)于多層煤層重復(fù)采動(dòng)對(duì)地下水資源影響規(guī)律方面的研究相對(duì)較少。

因此，筆者以神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦為例，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬等手段，對(duì)該區(qū)主采煤層重復(fù)采動(dòng)頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)與計(jì)算，同時(shí)采用數(shù)值方法預(yù)測(cè)了煤層重復(fù)開(kāi)采條件下地下水資源的漏失量，分析了典型工作面開(kāi)采涌水規(guī)律以及地下水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律等，進(jìn)一步完善多煤層保水開(kāi)采理論，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)西部煤炭資源的綠色開(kāi)發(fā)提供支撐。

1 研究區(qū)煤-水空間發(fā)育組合特征

圖1 神東礦區(qū)布爾臺(tái)井田地層綜合柱狀圖Fig. 1 Comprehensive stratigraphic histogram of Buertai minefield in Shendong mining area

根據(jù)礦井歷年水文地質(zhì)勘探成果表明，礦區(qū)含水層自上而下劃分為5個(gè)含水層組：松散孔隙潛水含水層組、白堊系志丹群裂隙含水層組、侏羅系直羅組裂隙含水層組、侏羅系延安組裂隙含水層組和三疊系延長(zhǎng)組裂隙含水層組。其中松散孔隙潛水含水層厚度為0～35 m，礦區(qū)內(nèi)廣泛分布，水位埋深6～30 m，平均20.7 m，水位標(biāo)高為+1 266～+1 336 m，泉流量為0.013 4～0.16 L/s，富水性弱；白堊系志丹群裂隙含水層厚度為0～289.3 m，平均107 m，水位標(biāo)高為+1 291.9～+1 304.1 m，單位涌水量q為0.005 3～0.055 L/（s·m），滲透系數(shù)K為0.012 2～0.053 1 m/d；侏羅系直羅組裂隙含水層厚度為2.7～146.0 ，大部分地區(qū)在20～60 m，平均厚度30.8 m，水位標(biāo)高+1 250～+1 302 m，單位涌水量q為0.008～0.016 L/（s·m），滲透系數(shù)K為0.002 3～0.047 3 m/d；侏羅系延安組裂隙含水層厚度為12.8～105.2 m，平均65.28 m，水位標(biāo)高+1 258.9～+1 324.7 m，單位涌水量q為0.002 3～0.029 2 L/（s·m），滲透系數(shù)（K）為0.001 1～0.036 1 m/d，富水性弱。

礦區(qū)內(nèi)較為穩(wěn)定的相對(duì)隔水層自上而下分為3層：直羅組頂部泥巖粉砂巖交互隔水層、延安組頂部泥巖粉砂巖交互隔水層、52煤底部相對(duì)隔水層。主采煤層與主要含（隔）水層的空間關(guān)系如圖2所示。

圖2 布爾臺(tái)井田煤-水空間發(fā)育組合關(guān)系Fig. 2 Coal-water spatial development association in Buertai coalfield

從剖面上來(lái)看，主采煤層與頂板主要含（隔）水層呈交互分布特征，煤層開(kāi)采直接充水含水層為延安組基巖裂隙含水層，其中42上煤與22煤之間的平均層間距為80 m,直羅組含水層底板與22煤之間的平均層間距為64 m，白堊系含水層底板與直羅組含水層底板之間的平均層間距為144 m。

2 重復(fù)采動(dòng)條件下頂板覆巖破壞規(guī)律分析

煤層采動(dòng)后導(dǎo)致頂板含水層地下水資源漏失的主要通道為導(dǎo)水裂隙，準(zhǔn)確掌握導(dǎo)水裂隙的發(fā)育高度，是實(shí)現(xiàn)煤炭水資源保護(hù)性開(kāi)采的重要基礎(chǔ)[18-22]，筆者以布爾臺(tái)礦42202工作面為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬、井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)等方法，研究22煤與42上煤重復(fù)采動(dòng)下頂板覆巖破壞規(guī)律。

2.1 42202工作面概況

布爾臺(tái)42202工作面位于井田二盤(pán)區(qū)，主采42上煤，煤層平均厚度為5.99 m，工作面走向長(zhǎng)度約為4 485 m，采用綜采一次采全高開(kāi)采工藝。工作面范圍內(nèi)42上煤近水平，頂板標(biāo)高約為+930 m，工作面頂板距22煤采空區(qū)65～87 m，距直羅組含水層底界110～128 m，距白堊系志丹群含水層底界227～282 m，如圖3所示。

2.2 頂板覆巖破壞數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D軟件對(duì)42202工作面開(kāi)采頂板覆巖破壞態(tài)特征進(jìn)行模擬計(jì)算。42上煤層頂板周期來(lái)壓步距為30 m左右，針對(duì)42202工作面模擬開(kāi)挖布距設(shè)定為30 m。分別模擬在工作面開(kāi)采30、60、90、120、150 m共5種情況下頂板的應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)等變化特征。

模擬結(jié)果表明：采空區(qū)開(kāi)切眼處和掘進(jìn)端處的應(yīng)力相對(duì)集中，明顯高于圍巖應(yīng)力10 MPa左右，采空區(qū)頂部應(yīng)力明顯小于圍巖應(yīng)力直至為0，表明采空區(qū)頂部巖體向下垮落，接觸面巖體與上覆巖體無(wú)應(yīng)力傳遞，形成應(yīng)力真空。集中應(yīng)力和應(yīng)力真空位置處巖體與圍巖巖體由于應(yīng)力差異大，導(dǎo)致剪切破壞的產(chǎn)生，如圖4所示。

圖3 42202工作面平面與剖面示意Fig.3 Plan and profile of No.42202 working face

隨工作面向前推進(jìn)，頂板巖層逐漸形成馬鞍形破壞帶?；夭?0 m后，掘進(jìn)兩幫處出現(xiàn)豎向剪切破壞帶（圖5a）；回采至60 m處，開(kāi)切眼和掘進(jìn)端煤層頂板的剪切破壞明顯，采空區(qū)頂板形成向下凹陷的破壞區(qū)（圖5b）；回采至120～150 m處（圖5d—圖5e），頂板破壞達(dá)到22煤采空區(qū)位置并穿透采空區(qū)，隨后破壞逐漸穩(wěn)定，破壞高度約為頂板以上130 m。

2.3 井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)分析

采用井-地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)方法，針對(duì)42202工作面共設(shè)計(jì)布置21個(gè)井下測(cè)點(diǎn)，地面設(shè)計(jì)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

采用縱波檢波器接受煤巖破裂產(chǎn)生的縱波。井下測(cè)點(diǎn)傳感器借助錨桿固定于頂板靠近工作面外側(cè)的巷道頂板上（圖7）。地面測(cè)點(diǎn)傳感器埋設(shè)于地表下2 m，用水泥漿固定，同時(shí)配套蓄電池與立桿底座（圖8）。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的監(jiān)測(cè)，共接收到頂板微震事件32 794個(gè)，其中98.9%的微震事件發(fā)生在標(biāo)高+930～+1 090 m區(qū)間內(nèi)，即從42上煤層頂板至其上方160 m范圍內(nèi)，如圖9所示。

根據(jù)微震事件定位結(jié)果繪制出其在工作面走向方向上的平面分布圖（圖10）。根據(jù)平面分布圖顯示，在標(biāo)高+965 m以下層位微震事件集中，分析為采動(dòng)后的頂板垮落范圍，高度距煤層頂板約35 m。

圖4 不同回采距離圍巖應(yīng)力變化云圖Fig.4 Nephogram of stress change of surrounding rock at different mining distance

同時(shí)可以看出，裂隙發(fā)育標(biāo)高達(dá)到+1 090 m左右，高度距煤層頂板約160 m。

數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，42上煤開(kāi)采后垮落帶發(fā)育到了22煤采空區(qū)，2種方法獲得的導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度雖然有所差別，但不管采用哪種方法獲得的數(shù)據(jù)與工作面上覆含水層的空間位置對(duì)比可知，導(dǎo)水裂隙帶已發(fā)育溝通了延安組和直羅組含水層，但未溝通白堊系志丹群含水層。

3 重復(fù)采動(dòng)條件下地下水資源漏失量預(yù)測(cè)

基于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育監(jiān)測(cè)成果，采用數(shù)值法對(duì)42202工作面回采過(guò)程中的涌水量（含水層漏失量）進(jìn)行預(yù)測(cè)。工作面主要充水含水層包括侏羅系延安組及直羅組含水層，由于22煤上覆采空區(qū)積水已在工作面采前疏放完畢，因此，采空區(qū)積水對(duì)工作面涌水影響較小，可不做考慮，僅以正常導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通上覆基巖裂隙含水層形成的地下水滲流場(chǎng)為模式進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。

圖5 不同回采距離圍巖塑性區(qū)Fig.5 Surrounding rock plastic zone at different mining distances

圖6 微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Layout of microseismic monitoring points

圖7 井下傳感器安裝Fig.7 Sensor installation in tunnel

圖8 地面?zhèn)鞲衅靼惭bFig.8 Sensor installation on surface

利用工作面地層數(shù)據(jù)構(gòu)建研究區(qū)三維地質(zhì)模型（圖11），同時(shí)經(jīng)過(guò)補(bǔ)給、徑流和排泄條件分析以及邊界條件概化，構(gòu)建模擬區(qū)水文地質(zhì)概念模型，并得到三維非均質(zhì)、各向異性、非穩(wěn)定地下水流的數(shù)學(xué)模型，可用下列方程組來(lái)描述。

式中：H為水頭，m；K為滲透系數(shù)，m/d；Ss為彈性釋水率，l/d；W為降水入滲補(bǔ)給、蒸散發(fā)強(qiáng)度，m2/d；μ為給水度；x，y，z為空間坐標(biāo)變量，m；t為時(shí)間變量，d；Ω為滲流區(qū)域；Γ1為研究區(qū)一類(lèi)水頭邊界；Γ2為潛水面邊界；n為各邊界面的法線方向；H0為模擬區(qū)初始流場(chǎng)。

采用FEFLOW軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的求解。根據(jù)有限元原理，遵循相應(yīng)的剖分原則，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行三角網(wǎng)格剖分，并且在此基礎(chǔ)上，對(duì)42202工作面所在二盤(pán)區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密剖分。通過(guò)模擬計(jì)算，工作面采后涌水量為63 m3/h。

圖9 頂板微震事件隨標(biāo)高分布Fig.9 Distribution of microseismic events on roof with elevation

圖10 頂板微震事件密度云圖（沿工作面走向方向）Fig.10 Cloud chart of roof microseismic event density （along the strike direction of working face）

4 重復(fù)采動(dòng)下工作面涌水及地下水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

4.1 工作面涌水規(guī)律

42202工作面于2018年10月開(kāi)始回采，至2020年4月回采完畢，工作面涌水量為8～88 m3/h。工作面涌水總體呈先增加后衰減的趨勢(shì)，如圖12所示。其中工作面開(kāi)切眼至1 000 m范圍內(nèi)，涌水量呈逐漸增大趨勢(shì)，最大達(dá)到88 m3/h，工作面回采1 000 m至終采線時(shí)涌水量呈逐漸降低的趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在38 m3/h。工作面平均涌水量為55 m3/h，與第3章節(jié)預(yù)測(cè)值較接近，進(jìn)一步說(shuō)明工作面的涌水主要來(lái)自頂板延安組與直羅組含水層。

圖11 模擬區(qū)三維地層模型Fig.11 3D stratigraphic model of simulation area

圖12 工作面涌水量變化趨勢(shì)Fig.12 Variation trend of water inflow in working face

4.2 主要含水層水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

根據(jù)42202工作面周邊鉆孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，工作面回采期間，延安組含水層水位在呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，下降幅度達(dá)到57.3 m；直羅組含水層也呈逐漸下降趨勢(shì)，下降幅度為11.9 m，較延安組含水層變化較?。话讏紫抵镜と汉畬铀换揪S持穩(wěn)定，且有稍許上漲，如圖13所示。

圖13 主要含水層水位動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)Fig.13 Dynamic change trend of water level in main

從上述主要含水層變化趨勢(shì)可以看出，42上煤開(kāi)采對(duì)延安組含水層的擾動(dòng)最大，水位下降明顯，同時(shí)，由于重復(fù)采動(dòng)的影響，導(dǎo)水裂隙帶溝通直羅組含水層，直羅組含水層水也進(jìn)入了采空區(qū)，但相比延安組含水層，煤層開(kāi)采對(duì)其擾動(dòng)程度有所下降；而白堊系志丹群含水層水位基本維持穩(wěn)定，也進(jìn)一步印證了42上煤與22煤重復(fù)采動(dòng)后，導(dǎo)水裂隙帶未發(fā)育至志丹群含水層。

5 討 論

通過(guò)以上分析可知，頂板含水層涌水機(jī)理為煤層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶突破隔水關(guān)鍵層，進(jìn)而溝通頂板主要含水層，在一定水壓驅(qū)動(dòng)下，含水層水漏失進(jìn)入井下采空區(qū)，導(dǎo)致工作面涌水增大。在無(wú)導(dǎo)水構(gòu)造的情況下，煤層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙是地下水資源漏失的主要通道，其發(fā)育高度決定了煤炭開(kāi)采對(duì)含水層的擾動(dòng)程度，抑制煤層開(kāi)采后頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育是實(shí)現(xiàn)西部大型礦區(qū)保水采煤的關(guān)鍵點(diǎn)，尤其是隨著西部煤巖資源的深部開(kāi)發(fā)，多層煤層開(kāi)采后覆巖破斷規(guī)律及其多場(chǎng)耦合特征、導(dǎo)水裂隙帶的演化規(guī)律是今后重要的研究方向。

6 結(jié) 論

1）通過(guò)分析神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦水文地質(zhì)條件，揭示了礦區(qū)煤-水發(fā)育的組合特征，顯示礦區(qū)主采煤層頂板主要為含、隔水層交互分布空間模式。主要含水層為延安組、直羅組以及白堊系志丹群含水層。

2）采用數(shù)值模擬和微震現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段，獲取了多煤層開(kāi)采頂板覆破壞規(guī)律，顯示布爾臺(tái)煤礦42上煤開(kāi)采后，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度約為160 m，裂采比約為26.7。導(dǎo)水裂隙帶溝通了延安組、直羅組含水層，但未溝通白堊系志丹群含水層。

3）基于導(dǎo)水裂隙帶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值方法預(yù)測(cè)了布爾臺(tái)煤礦42202工作面采后涌水量為63 m3/h，與實(shí)際涌水量（平均55 m3/h）較為接近，驗(yàn)證了工作面開(kāi)采主要充水含水層為延安組與直羅組含水層。

4）42202工作面采后延安組含水層水位下降幅度達(dá)到57.3 m，直羅組含水層水位下降11.9 m，白堊系志丹群含水層水位基本維持穩(wěn)定。由此可知，煤層采后對(duì)延安組含水層擾動(dòng)程度最大，對(duì)直羅組擾動(dòng)程度次之，而并沒(méi)有對(duì)白堊系志丹群含水層造成影響。

5）煤層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶是地下水資源漏失的主要通道，其發(fā)育高度決定了煤炭開(kāi)采對(duì)含水層的擾動(dòng)程度，抑制煤層開(kāi)采后頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育是實(shí)現(xiàn)西部大型礦區(qū)保水采煤的關(guān)鍵點(diǎn)，尤其是隨著西部煤巖資源的深部開(kāi)發(fā)，多層煤層開(kāi)采后覆巖破斷規(guī)律及其多場(chǎng)耦合特征、導(dǎo)水裂隙帶的演化規(guī)律是今后重要的研究方向。