曾一凡，包 函，武 強(qiáng)，孟世豪，華照來，苗彥平，張 曄，卜文揚(yáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 內(nèi)蒙古研究院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；4.礦山水害防治國(guó)家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；5.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；6.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源和重要工業(yè)原料，是國(guó)家繁榮及可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2022 年，規(guī)模以上工業(yè)原煤產(chǎn)量45.0 億t，創(chuàng)歷史新高。陜西榆神礦區(qū)位于我國(guó)西部干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，但其巨大的原煤產(chǎn)量在我國(guó)能源安全中占據(jù)了極其重要的位置。榆神礦區(qū)煤與水的賦存空間組合特點(diǎn)是“煤水共生，水在上、煤在下”[1]，因此頂板水害威脅成為該區(qū)域煤礦高效生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的主要矛盾。

近年來，榆神礦區(qū)煤炭資源的高強(qiáng)度開采，造成了地下水水位下降，引發(fā)了一系列生態(tài)問題[2-3]。新近系保德組紅土位于煤層上覆基巖與潛水含水層之間，其阻水能力直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)安全，更是工農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)用水安全的重要保障?；谟苌竦V區(qū)的特殊地位，不少學(xué)者針對(duì)此地區(qū)的關(guān)鍵隔水層開展研究。在推動(dòng)榆神礦區(qū)保水采煤工作中[4-6]，李文平等[7]以榆神礦區(qū)地表的生態(tài)環(huán)境類型為基礎(chǔ)對(duì)各礦井展開保水采煤等級(jí)劃分。鄧念東等[8]從保水采煤角度將榆神礦區(qū)煤層開采的工程地質(zhì)條件劃分為5 個(gè)區(qū)域，并對(duì)各區(qū)域開采的難易程度進(jìn)行分析。馬立強(qiáng)等[9]為解決隔水層厚度小、保水開采難度大的問題，提出一種壁式連采連充的采煤方法。王雙明等[10]點(diǎn)出保水采煤是實(shí)現(xiàn)綠色開采的手段之一，也是未來煤炭開采的趨勢(shì)。此外，丁仲禮等[11]通過對(duì)紅土的土壤學(xué)特征進(jìn)行野外觀察，結(jié)合紅土的沉積學(xué)特征及稀土元素分析確認(rèn)黃土高原地區(qū)紅土為風(fēng)成成因。賀曉浪等[12]提出了保水安全厚度的概念，并針對(duì)陜北小保當(dāng)煤礦建立了保水安全厚度的計(jì)算模型。大量物理相似模擬試驗(yàn)[13-15]為研究采動(dòng)作用下紅土隔水機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

以上研究對(duì)榆神礦區(qū)保水采煤工作起到了推動(dòng)作用，對(duì)榆神礦區(qū)保水采煤及生態(tài)保護(hù)作出了巨大貢獻(xiàn)。前人對(duì)紅土性質(zhì)已做過大量研究，但是針對(duì)紅土正常沉積到紅土尖滅缺失的沉積過渡區(qū)(紅土薄弱區(qū))的研究很少。紅土薄弱區(qū)的紅土阻水性能判定僅以紅土厚度進(jìn)行線性推斷，其工程性質(zhì)和表征其阻水性能的關(guān)鍵因素仍需深入挖掘，對(duì)于礦井生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)的有效隔水層厚度尚未形成統(tǒng)一的評(píng)判方法，臨界厚度目前仍難以準(zhǔn)確界定。為緩解高強(qiáng)度采煤與脆弱生態(tài)環(huán)境之間的矛盾，同時(shí)也是保障煤炭的安全開采，在收集大量鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過在紅土沉積邊緣布設(shè)鉆孔和取樣對(duì)比，對(duì)榆神礦區(qū)保德組紅土的厚度分布、工程特性及阻水性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究。首先通過巖性描述和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)重新優(yōu)化紅土厚度數(shù)據(jù)，并結(jié)合沉積規(guī)律對(duì)紅土層分布進(jìn)行修正；之后，從微觀尺度對(duì)比正常沉積區(qū)和沉積薄弱區(qū)紅土的工程特性。最后，通過計(jì)算非完全阻水的紅土薄弱區(qū)臨界厚度，進(jìn)行整個(gè)榆神礦區(qū)紅土阻水性能的劃分。深入研究紅土的工程性質(zhì)和阻水能力將為推動(dòng)保水工作提供重要的理論依據(jù)。

1 榆神礦區(qū)充水水文地質(zhì)特征分析

榆神礦區(qū)為本次研究的主要區(qū)域，同時(shí)將研究區(qū)范圍延伸至相鄰的含紅柳林、檸條塔、張家峁煤礦的神南礦區(qū)(圖1)。研究區(qū)位于陜西省榆林市西北部地區(qū)，多年年均降水量約為411.2 mm，季節(jié)降水量分布不平衡，降水量由西北向東南遞增，屬于水資源匱乏型的干旱半干旱區(qū)域，是非常典型的生態(tài)脆弱區(qū)。榆神礦區(qū)地表多被新近系、第四系覆蓋，西部是由風(fēng)力作用形成的沙丘地貌，而東部和北部都是以黃土梁峁為主。地表水系自東向西分屬黃河一級(jí)支流窟野河、禿尾河和黃河二級(jí)支流榆溪河流域(圖2)。礦區(qū)侏羅系中統(tǒng)延安組中賦存大量煤炭資源，其中主采煤層為2-2煤，且賦存較為穩(wěn)定，除部分區(qū)域發(fā)生自燃造成缺失，大部分區(qū)域可采。

圖1 榆神礦區(qū)地貌及水文特征分布Fig.1 Distribution of landform and hydrological characteristics in Yushen mining area

圖2 榆神礦區(qū)A—A'典型剖面Fig.2 A-A' typical profile in Yushen mining area

根據(jù)地下水的賦存條件和水力特征，可將主采煤層以上的含水層分為3 類[16]。最底層的基巖裂隙含水層主要由侏羅系延安組(J2y)、直羅組(J2z)和安定組(J2a)砂巖組成，結(jié)構(gòu)致密，含水量低；風(fēng)化基巖孔隙裂隙含水層位于基巖頂部30 m 內(nèi)，整個(gè)研究區(qū)均有分布，其特點(diǎn)是風(fēng)化嚴(yán)重，滲透性強(qiáng)，孔隙大，為地下水儲(chǔ)存提供了充足的空間?；鶐r含水層的水量往往較少，風(fēng)化基巖含水層的水量相對(duì)豐富，是煤礦開采的主要充水含水層。最后，第四系松散孔隙含水層主要由第四系薩拉烏蘇組(Q3s)和離石組(Q2l)組成，易于接受降雨補(bǔ)給，側(cè)向補(bǔ)給充分。關(guān)鍵隔水層是位于第四系含水層和風(fēng)化基巖含水層之間的新近系保德組紅土(N2b)。

2 紅土關(guān)鍵隔水層宏觀分布規(guī)律

2.1 新近系保德組紅土沉積厚度

榆神礦區(qū)紅土分布不均勻，厚度及阻水性能有較大差異。本次研究共收集研究區(qū)鉆孔425 個(gè)(表1)，其中為準(zhǔn)確描述陜西曹家灘煤礦12 盤區(qū)西翼紅土層從沉積到尖滅的分布特征，布置了8 條勘探線，共22 個(gè)勘探鉆孔，其中紅土層全段取心。本次研究鉆孔數(shù)據(jù)的收集區(qū)域超過5 000 km2，統(tǒng)計(jì)時(shí)間跨越50 a。但紅土層在不同時(shí)期、不同位置的鉆孔描述中并不完全一致，因此通過巖性描述和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)重新優(yōu)化紅土數(shù)據(jù)，并結(jié)合沉積規(guī)律對(duì)第四系松散層及紅土層數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

表1 鉆孔分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 List of borehole distribution

修正后的紅土沉積厚度分布如圖3a 所示，紅土厚度最大可達(dá)140 m 以上，但分布極不均勻，存在大面積缺失區(qū)，缺失面積達(dá)2 597.23 km2，占比達(dá)48.80%。在孟家灣、爾林灘、阿包兔、中雞、馬王廟勘察區(qū)，金雞灘、杭來灣煤礦等均有較大范圍的缺失。而在曹家灘煤礦附近，紅土厚度達(dá)到最大，僅在礦井西南側(cè)存在局部缺失。

圖3 榆神礦區(qū)新近系保德組紅土分布特征Fig.3 Distribution characteristics of Neogene Baode Formation laterite in Yushen mining area

2.2 沉積條件分析

通過對(duì)比圖3a、圖3b 可知，紅土沉積厚度與沉積底界高程具有較高吻合性，總體上高程越低，紅土沉積厚度越大。在5.2 Ma B.P.之前，榆神礦區(qū)地勢(shì)總體上為東高西低，伴隨著西部六盤山的隆起，發(fā)生了一次反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致東凹西凸，造成了新近系紅土沉積時(shí)西高東低的沉積底界(圖3b)。之后在風(fēng)力作用下，周邊山區(qū)的巖屑和泥沙輸送到盆地內(nèi)，并在干旱環(huán)境下發(fā)生氧化而形成了紅土沉積物[17]。故其沉積厚度呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增大的總體趨勢(shì)。

東南部低洼的環(huán)境給紅土沉積提供了極佳條件，但隨著河流的演化，在河流侵蝕作用下紅土的分布被進(jìn)一步打亂，最終形成目前極不規(guī)則的分布特征，更是造成榆神礦區(qū)西側(cè)有大面積紅土缺失區(qū)的直接原因。通過圖3 對(duì)比可知，河流侵蝕和沉積底界的高程差異是造成紅土厚度分布不均勻的主要原因。

3 紅土關(guān)鍵隔水層微觀工程特性

研究區(qū)內(nèi)紅土顏色呈淺紅棕色。紅土碎屑以石英為主，其次是長(zhǎng)石，含少量巖屑，填隙物主要為黏土礦物；碎屑顆粒分選性較好，磨圓度差，呈次棱角狀，基底式膠結(jié)，內(nèi)含較多鈣質(zhì)結(jié)核，且隨埋深的增加，結(jié)核密集程度也隨之增加。研究區(qū)內(nèi)紅土鈣質(zhì)結(jié)核多呈星散狀展布，極少成層。紅土層經(jīng)過淋濾，土體中的鈣質(zhì)成分下滲，在原有顆粒周圍或空隙中沉積形成鈣質(zhì)結(jié)核。保德組紅土層沉積相主要為陸相風(fēng)成或半風(fēng)成沉積，反映了當(dāng)時(shí)的干旱氣候和強(qiáng)烈的風(fēng)力作用。通過沉積相分析，紅土層垂向可分為兩段(圖4)，上部亞相主要由黃褐色、紅棕色亞砂土及亞黏土組成，這些沉積物是由于風(fēng)力將周邊山區(qū)的巖屑和泥沙輸送到盆地內(nèi)，并在干旱環(huán)境下發(fā)生氧化而形成；下部亞相主要由土紅色黏土組成，富含鈣質(zhì)結(jié)核。這些沉積物可能是由于風(fēng)力將遠(yuǎn)處的火山灰輸送到盆地內(nèi)，并在濕潤(rùn)環(huán)境下發(fā)生水化和碳酸鹽化而形成。為進(jìn)一步研究其阻水性能，則需要通過對(duì)紅土樣品的微觀特征進(jìn)行測(cè)試，開展垂向和水平對(duì)比，對(duì)其沉積環(huán)境及隔水性能展開分析。

圖4 紅土土樣及內(nèi)部結(jié)核Fig.4 Laterite samples and internal nodules

3.1 紅土垂向差異特征

本節(jié)通過選取同一位置不同埋深的紅土樣品進(jìn)行粒徑特征和滲透系數(shù)的垂向?qū)Ρ?，從而進(jìn)一步論述紅土層的沉積過程及隔水性能在垂直方向的差異。

3.1.1粒徑組成

沉積物的粒徑組成可以反映沉積物搬運(yùn)介質(zhì)類型、搬運(yùn)方式及沉積環(huán)境等特征，是重要的環(huán)境分析指標(biāo)，并在紅土環(huán)境分析中受到廣泛應(yīng)用[18]。榆神礦區(qū)紅土以粉土顆粒和黏土顆粒為主，表現(xiàn)出風(fēng)成的特點(diǎn)。通過一系列上下段紅土樣品的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)(圖5)，兩段紅土質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的均為粉土顆粒，占比分別為50.53%和46.24%。此外相比于上段沉積土樣，下段土樣的小粒徑黏土顆粒相對(duì)較多，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到35.55%?？傮w上看，紅土顆粒的集中程度相對(duì)較高，分選性較好，上段粒徑整體大于下段粒徑，下段的隔水性能更好。粒徑特征符合風(fēng)力搬運(yùn)的沉積描述，只是氣候略有不同，上段搬運(yùn)營(yíng)力相對(duì)下段略有增強(qiáng)。

圖5 紅土沉積上下段樣品的粒徑特征對(duì)比Fig.5 Comparison of particle size characteristics of upper and lower samples of laterite deposition

3.1.2滲透性特征

為直觀掌握紅土隔水能力的強(qiáng)弱，通過自主研發(fā)的新型土體高壓滲流試驗(yàn)系統(tǒng)，開展土樣滲流特性試驗(yàn)，研究土體在原位恢復(fù)狀態(tài)下的滲透系數(shù)變化規(guī)律。首先對(duì)土樣施加軸壓和圍壓恢復(fù)原位應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上施加上下滲流反壓，測(cè)試土樣在不同滲流壓力下滲透水量。由于深層土中充填結(jié)合水，不同于重力水，存在起始梯度問題，所以通過測(cè)定滲透水量與時(shí)間的變化曲線，計(jì)算深層黏性土的起始梯度及符合達(dá)西定律的時(shí)間，進(jìn)而得到滲透系數(shù)。

滲透系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖6 所示，通過對(duì)比上下段樣品，可見相同位置的樣品隨著沉積深度的增加，滲透系數(shù)大幅減小。說明除了沉積特征以外，下段紅土所受到的壓實(shí)作用時(shí)間更長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)更為緊密，隔水性能更強(qiáng)。此外，在水平方向，不同沉積厚度紅土的滲透系數(shù)也具有一定的規(guī)律性。

圖6 紅土沉積上下段樣品的滲透系數(shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of permeability coefficients of upper and lower samples of laterite deposits

3.2 正常沉積區(qū)與薄弱區(qū)紅土的水平對(duì)比

通過選取不同紅土沉積厚度的下段土樣進(jìn)行水平對(duì)比，通過SEM 掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)和X 射線衍射XRD物質(zhì)組成來進(jìn)一步分析紅土層的隔水性能。

3.2.1SEM 微觀結(jié)構(gòu)特征

SEM 電子顯微鏡的基本原理是利用高能電子束來照射紅土結(jié)構(gòu)表面，電子束會(huì)與紅土樣品物理作用產(chǎn)生不同的檢測(cè)信號(hào)，再由探測(cè)器接收，便可得到紅土試樣的微觀結(jié)構(gòu)信息。

結(jié)果如圖7 所示，在3 萬倍鏡下清晰可見有大量纖維狀交織在一起，其孔隙極小，說明紅土具有極佳的隔水性。通過對(duì)比多組樣品及單個(gè)樣品的多組SEM影像圖片可以發(fā)現(xiàn)，位于正常沉積區(qū)的紅土樣品交織結(jié)構(gòu)緊密，以纖維狀結(jié)構(gòu)(圖7a)為主，而紅土薄弱區(qū)的紅土樣品少見交織結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出零散的片狀結(jié)構(gòu)(圖7b)。

圖7 紅土樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)比Fig.7 Comparison of microstructure characteristics of samples with different laterite deposition thickness

3.2.2地球化學(xué)特征

紅土的形成受多種因素控制，分析紅土黏土礦物組成對(duì)其形成環(huán)境及隔水能力有重要的作用[19]。紅土中含有較多的黏土礦物，黏土礦物具有遇水膨脹的特性，會(huì)形成強(qiáng)大的黏聚力，增強(qiáng)留水能力，大大降低滲透率，且不同的黏土礦物膨脹性不同，因此黏土的成分是評(píng)價(jià)含、隔水層的重要指標(biāo)。本文選取不同沉積厚度的紅土樣品，分析不同厚度區(qū)域其成分含量。

X 射線衍射儀是用于分析黏土礦物成分的主要手段，具備方便快捷、精度高的優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)設(shè)定角度、掃描時(shí)間等測(cè)試條件下對(duì)研究區(qū)紅土樣品進(jìn)行測(cè)試，得到相關(guān)的X 衍射圖譜，利用物相檢索，定量計(jì)算礦物成分組成。

在樣品礦物組成定性分析的基礎(chǔ)上，采用K值計(jì)算法對(duì)礦物含量進(jìn)行相對(duì)定量計(jì)算[20]。其原理是物相衍射強(qiáng)度和含量呈正相關(guān)關(guān)系，可通過衍射強(qiáng)度的大小求出混合物中某種物相的衍射的體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)。即通過不同礦物衍射峰強(qiáng)度值與K值相對(duì)比，得到不同礦物在樣品中的相對(duì)含量，計(jì)算公式如下：

式中：i為需要計(jì)算含量的礦物編號(hào)；j為參比的礦物編號(hào)；n為參比礦物總數(shù)；Xi為礦物i的相對(duì)含量；I為礦物的衍射強(qiáng)度；K為PDF 卡片中礦物的參比強(qiáng)度。

X 衍射結(jié)果如圖8 所示，研究區(qū)紅土主要由石英、長(zhǎng)石、方解石等非黏土礦物及包括伊利石、高嶺石、綠泥石、伊蒙混層在內(nèi)的黏土礦物組成。礦物成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2，紅土中的黏土含量與紅土沉積厚度呈正相關(guān)。紅土厚度為2.92 m 的區(qū)域黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為12.67%，隨著紅土厚度增大至31.8 m，其黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)23.10%。可見，隨著紅土厚度的增加，起著主要隔水作用的黏土含量會(huì)顯著增加。

表2 新近系保德組紅土礦物成分組成Table 2 Mineral composition of N2b laterite

圖8 XRD 定性分析衍射圖譜結(jié)果Fig.8 XRD qualitative analysis of diffraction pattern results

進(jìn)一步細(xì)分黏土中的礦物組成有助于明確紅土的沉積環(huán)境和阻水性能。比如蒙脫石在堿性介質(zhì)條件、溫帶半干旱半濕潤(rùn)的環(huán)境下更易形成，親水性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的膨脹性，從而具備優(yōu)良的隔水性能；伊利石和綠泥石在弱堿性環(huán)境、干旱氣候條件下能較多地保存，是較弱化學(xué)風(fēng)化階段的產(chǎn)物；高嶺石是在溫暖濕潤(rùn)氣候、酸性介質(zhì)條件下由長(zhǎng)石、云母和輝石等礦物經(jīng)較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化過程形成。黏土礦物隔水能力大小的排序?yàn)槊擅撌?伊蒙混層>伊利石>高嶺石[21]。因此，不同的沉積環(huán)境會(huì)造成紅土的隔水性能不均一。

從圖9 可知，隨著紅土厚度的增大，蒙脫石、伊蒙混層這類強(qiáng)親水性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別從31%和16%上升至37%和27%；伊利石、高嶺土、綠泥石這類相對(duì)弱親水性礦物的含量均呈減少趨勢(shì)，最大減幅達(dá)35.02%。通過分析可知，紅土厚的區(qū)域不僅其黏土礦物含量高，其中親水性礦物的含量也越高，隔水性能隨紅土厚度呈非線性關(guān)系。

圖9 不同紅土沉積厚度樣品中各黏土礦物成分對(duì)比Fig.9 Comparison of clay mineral composition in samples with different laterite deposition thickness

4 榆神礦區(qū)紅土阻水性能分區(qū)

通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，在同一沉積位置不同沉積深度的紅土阻水性能并不一致，同時(shí)位于沉積邊緣的紅土阻水能力遠(yuǎn)弱于正常沉積紅土。僅用紅土厚度來表征該關(guān)鍵隔水層的阻水性能不夠嚴(yán)謹(jǐn)，本章旨在通過上述研究成果，進(jìn)一步量化紅土阻水性能，基于穩(wěn)定達(dá)西流速概念進(jìn)行紅土阻水臨界厚度的計(jì)算，并通過多源數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)確表征紅土薄弱區(qū)的紅土阻水性能，最終得到榆神礦區(qū)的紅土阻水性能分區(qū)。

4.1 垂向分段計(jì)算模型

首先通過上述粒徑組成研究成果，結(jié)合鉆孔測(cè)井的連續(xù)曲線確定紅土上下分段的閾值。并結(jié)合對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算紅土全段的等效阻水性能，為同一沉積位置不同沉積深度阻水能力不一致的問題提供有效解決方案。

(1) 基于測(cè)井曲線的上下分段。自然伽馬測(cè)井技術(shù)通過測(cè)量地層中的伽馬射線強(qiáng)度，可以反映地層中放射性元素的含量。自然伽馬測(cè)井可以為評(píng)價(jià)土層性質(zhì)提供重要參考信息，本次研究擬用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來區(qū)分同一地層中沉積環(huán)境和古地理信息的差異。因?yàn)樽匀毁ゑR測(cè)量結(jié)果受地殼中放射性核素分布的影響，而這些放射性核素分布的空間變化與土層的密度、含水量等參數(shù)有關(guān)。一般來說，對(duì)于相同類型的土層，如果自然伽馬值越大，則說明土層密度越小，固結(jié)程度越低；反之，自然伽馬值越小，則表示土層密度越大，固結(jié)程度越高。通過單獨(dú)提取多個(gè)鉆孔紅土全段的自然伽馬曲線，進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)(圖10)，紅土層明顯分為上下兩段，上段的自然伽馬平均值大于下段，表明了紅土下段沉積固結(jié)性更好。通過對(duì)比大量鉆孔的測(cè)井曲線，上段厚度占全段比值在58%～65%，結(jié)合土樣顆粒組成的研究成果，最終設(shè)置紅土層沉積上下段比值為6∶4。

圖10 測(cè)井曲線分段對(duì)比Fig.10 Logging curve section comparison

式中：(i,j,k)為 單元空間位置的三維坐標(biāo)；Qi,j,k、Qi,j,k+1分別為通過土層上段單元和下段單元的流量，L3/T；Q為通過整個(gè)土層的總流量，L3/T；Δh為水頭差，L；A為單元面積，L2；Kv為垂向滲透系數(shù)，L/T；M為單元厚度，L。

(2) 基于達(dá)西定律的等效滲透性計(jì)算模型。由于上下段紅土層所表現(xiàn)出的性質(zhì)具有差異，需要通過建立有效的計(jì)算模型得到能夠完整表現(xiàn)紅土層的等效滲透系數(shù)。計(jì)算模型如圖11 所示，將整個(gè)紅土層分為上下2 個(gè)單元，通過達(dá)西定律可以獲得分別通過上下單元的流量和通過整個(gè)土層的總流量。通過上下2 個(gè)單元的流量沒有累積或消耗，同時(shí)總水頭差由2 個(gè)單元水頭差疊加，代入上下兩段沉積厚度的閾值，并聯(lián)合以下公式進(jìn)行推導(dǎo)，可以得到等效滲透系數(shù)的計(jì)算公式。

圖11 等效滲透系數(shù)數(shù)學(xué)概念模型Fig.11 Mathematical conceptual model of equivalent permeability coefficient

等效滲透系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖12 所示，通過Logistic 模型函數(shù)擬合可以得到紅土等效滲透系數(shù)與紅土沉積厚度的關(guān)系。

圖12 紅土等效滲透系數(shù)與紅土沉積厚度的關(guān)系曲線Fig.12 Equivalent permeability coefficient vs deposition thickness of laterite

4.2 阻水性能的水平分區(qū)

通過等效滲透系數(shù)和礦物組成對(duì)紅土阻水過程進(jìn)行詳細(xì)描述，最終在榆神礦區(qū)紅土厚度分布基礎(chǔ)上，形成紅土阻水性能的準(zhǔn)確劃分。

黏土的滲透分為2 個(gè)過程，第一階段可以簡(jiǎn)單概括為非飽和黏土的滲流，由于黏土的親水性和膨脹性，低水力梯度下，水流實(shí)際過水?dāng)嗝嫘?、流?dòng)途徑彎曲程度大、孔隙通道阻力大等多種原因使得難以形成有效流動(dòng)；在水力梯度增大，或充分飽水情況下，第二階段可概括為穩(wěn)定的飽和達(dá)西流。當(dāng)在一定水力梯度下，水流僅停留在第一階段時(shí)對(duì)應(yīng)的紅土層厚度可成為有效阻水臨界厚度。紅土臨界厚度以內(nèi)會(huì)產(chǎn)生有效流動(dòng)，水力梯度影響下會(huì)激發(fā)或襲奪上覆含水層形成越流補(bǔ)給。

通過對(duì)榆神礦區(qū)紅土層上下含水層的水位統(tǒng)計(jì)，以及采動(dòng)影響下的水位變化，最大水位差約為45 m。以達(dá)到穩(wěn)定達(dá)西流速為臨界狀態(tài)，可計(jì)算紅土有效阻水的臨界厚度為10 m。由此可將榆神礦區(qū)紅土分為完全阻水區(qū)和非完全阻水區(qū)(紅土薄弱區(qū))。在非完全阻水區(qū)中，通過礦物組成含量和等效滲透系數(shù)對(duì)紅土阻水性能進(jìn)行準(zhǔn)確劃分，為位于沉積邊緣的紅土阻水能力遠(yuǎn)弱于正常沉積紅土且無法準(zhǔn)確描述紅土阻水能力與厚度非線性關(guān)系的問題提供有效解決方案。最終結(jié)果如圖13 所示，將榆神礦區(qū)紅土阻水性能分為3 個(gè)大區(qū)，分別為完全阻水區(qū)、紅土薄弱區(qū)和紅土缺失區(qū)。進(jìn)一步將紅土薄弱區(qū)分為極弱阻水區(qū)、阻水過渡區(qū)和高阻水區(qū)。

圖13 榆神礦區(qū)紅土阻水性能分區(qū)Fig.13 The zoning of water resistance performance of laterite in Yushen mining area

4.3 基于水化學(xué)數(shù)據(jù)的工程驗(yàn)證

曹家灘煤礦位于榆神礦區(qū)I 期中部(圖13)，其工作面西翼位于紅土沉積邊緣，導(dǎo)致東西兩翼截然不同的涌水特征[22]。通過水樣測(cè)試和數(shù)據(jù)收集，分析各含水層的水化學(xué)特征[23]。進(jìn)一步將水化學(xué)數(shù)據(jù)和紅土分布厚度聯(lián)系可以發(fā)現(xiàn)(圖14)，紅土上部的第四系薩拉烏蘇組間接充水含水層中Ca2+毫克當(dāng)量百分比在全礦區(qū)分布均勻，平均為62.25%；而在紅土下部的風(fēng)化基巖直接充水含水層中分布不均，在礦區(qū)西部邊界的紅土缺失及薄弱區(qū)，Ca2+毫克當(dāng)量百分比比東區(qū)高近12%。在隔水層厚度為0～10 m 的風(fēng)化基巖地下水中Ca2+毫克當(dāng)量百分比為43.33%，而當(dāng)紅土隔水層厚度大于10 m 時(shí)急劇降低，平均為27.62%。由此說明當(dāng)紅土厚度為0～10 m 時(shí)為非完全阻水區(qū)，位于紅土薄弱區(qū)的礦區(qū)需要特別關(guān)注煤層開采條件下淺表水體是否參與礦井涌水。

圖14 不同紅土厚度下Ca2+毫克當(dāng)量對(duì)比Fig.14 Comparison of Ca2+ content underdifferent laterite thickness

5 關(guān)于煤水雙資源開采的討論與展望

作為典型的地下工程，礦山資源開發(fā)常常維持幾十年。早期以開采效率為主要目的，地下水主要體現(xiàn)的是災(zāi)害屬性，對(duì)礦區(qū)地下水研究的主要目的是保障礦山安全。隨著新形勢(shì)下“以水定產(chǎn)”“把水資源作為最大的剛性約束”等政策的轉(zhuǎn)變，以及開采重心轉(zhuǎn)向生態(tài)更加脆弱的西北地區(qū)，礦區(qū)地下水的資源屬性逐漸被重視起來。其發(fā)展主要分為以下幾個(gè)階段：(1) 礦井水利用構(gòu)想階段：自20 世紀(jì)80 年代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始對(duì)地下資源開發(fā)引起的水資源破壞問題展開研究，Wu Qiang 等[24]宏觀上提出了排水、供水和環(huán)境保護(hù)三位一體的礦井涌水處理優(yōu)化方案，針對(duì)礦井水的研究從單純的治理轉(zhuǎn)變?yōu)樗廴咎幚砑熬C合利用。(2) 狹義的保水開采階段：該階段是通過研究覆巖及含水層的破壞程度，轉(zhuǎn)變開采方式和方法，調(diào)整煤柱間距和尺寸，進(jìn)行采空區(qū)充填等技術(shù)[25]，形成一種具有被動(dòng)性和局限性的保水開采模式[26]。(3) 廣義的保水開采階段：為了增大開采效率，最大程度保證資源采出率，一方面通過利用或再造關(guān)鍵隔水層保護(hù)水資源安全，另一方面通過轉(zhuǎn)移地下水至地下采空區(qū)，構(gòu)成地下水庫(kù)來維持水資源的開發(fā)利用價(jià)值。(4) 煤水雙資源協(xié)同開采階段：通過水害防控消除地下水災(zāi)害屬性的負(fù)效應(yīng)，基于礦井水資源化利用充分挖掘其資源屬性的正效應(yīng)[27]。以全局視角協(xié)調(diào)資源開發(fā)過程，實(shí)現(xiàn)礦井水控制、處理、利用、回灌與生態(tài)保護(hù)“五位一體”的優(yōu)化管理[28]。本文對(duì)紅土關(guān)鍵隔水層的穩(wěn)定性和阻水性能的研究，對(duì)于榆神礦區(qū)，特別是非完全阻水的紅土薄弱區(qū)礦井實(shí)現(xiàn)煤水雙資源協(xié)同共采具有重要意義。

首先，關(guān)鍵隔水層工程性質(zhì)和阻水性能的深入分析，是查清紅土薄弱區(qū)礦井充水因素和隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素的關(guān)鍵步驟。通過本文研究可以進(jìn)一步綜合隔水層的滲透性能、破壞概率、穩(wěn)定范圍等指標(biāo)，有助于查清充水通道水力性質(zhì)，并進(jìn)行水害風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)。

其次，關(guān)鍵隔水層工程性質(zhì)和阻水性能的系統(tǒng)評(píng)估，是實(shí)現(xiàn)水害分源精準(zhǔn)防治和水資源綜合利用的必要條件。通過本文研究可以針對(duì)紅土薄弱區(qū)推演其應(yīng)力狀態(tài)、變形特征、裂縫發(fā)育等情況，從而精準(zhǔn)識(shí)別水害源頭及災(zāi)變模式。通過選擇最適宜的加固材料、方法和時(shí)機(jī)，提高隔水層保護(hù)措施的可行性和有效性，實(shí)現(xiàn)松散層淺表水的防護(hù)和治理。

最后，關(guān)鍵隔水層研究對(duì)于指導(dǎo)保水開采工程實(shí)踐有著重要的價(jià)值。本研究成果可為煤水雙資源協(xié)同開采提供更準(zhǔn)確和科學(xué)的評(píng)價(jià)依據(jù)，從而確定最適合的開采方法、參數(shù)和條件，提高開采效率和安全性。根據(jù)紅土隔水層在不同地區(qū)、不同條件下表現(xiàn)出來的工程性質(zhì)和阻水性能差異，分析其影響因素和演化規(guī)律，并給出相應(yīng)的調(diào)整和改進(jìn)建議，從而提高煤水雙資源協(xié)同開采在實(shí)際應(yīng)用中的適應(yīng)性和靈活性，促進(jìn)該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣和發(fā)展。

6 結(jié)論

a.通過巖性描述和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)重新優(yōu)化紅土數(shù)據(jù)，榆神礦區(qū)紅土缺失區(qū)面積達(dá)48.80%。結(jié)合紅土沉積底界高程，認(rèn)為河流侵蝕和沉積底界的高程差異是造成紅土厚度分布極不均勻的直接原因。

b.紅土的隔水性能與其厚度之間并非呈線性關(guān)系，隨著紅土厚度的減小，其隔水性能急劇減小。通過多種手段的綜合判定，給定紅土層上下2 段的閾值為6∶4；并在厚度分布的基礎(chǔ)上通過等效滲透系數(shù)和礦物組成對(duì)紅土阻水性能進(jìn)行分區(qū)。

c.對(duì)紅土關(guān)鍵隔水層的穩(wěn)定性和阻水性能的研究，對(duì)于榆神礦區(qū)，特別是非完全阻水的紅土薄弱區(qū)礦井查清礦井充水因素和隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素、關(guān)鍵隔水層保護(hù)及再建和實(shí)現(xiàn)煤水雙資源協(xié)同共采提供了重要的理論基礎(chǔ)。