劉 倩,許光泉,石怡煊,劉曉娟,徐立佳,何文喬

安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽淮南,232001

近年來,華北型煤田隨著煤炭開采深度的增加,礦井水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,巖溶水害威脅程度越來越大[1-2],嚴(yán)重制約煤炭資源安全開采[3-6]。通過系統(tǒng)分析采區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件,因地制宜地采取水害防治方法,是防止煤炭資源開發(fā)過程中重大突水事故發(fā)生的重要舉措[7-9]。

華北煤田下部煤層開采時,充水水源為石炭系、奧陶系和寒武系巖溶水,經(jīng)斷層帶、巖溶陷落柱等導(dǎo)水通道,使之與煤層發(fā)生水力聯(lián)系[10]。為研究其成因機(jī)理,許多學(xué)者先后提出“流固耦合”理論[11-13]、板殼理論[14]、“原位張裂”[15]、“下三帶”[16]、“突水優(yōu)勢面”[17]、“強(qiáng)通道滲流”等突水理論。此外,在礦山巖溶地下水模擬計算方面,大多采用諸如水均衡法[18]、水文地質(zhì)條件比擬法[19]、解析法[20]和數(shù)值法[21-22]等方法。其中,數(shù)值方法通過對復(fù)雜水文地質(zhì)條件分析,采用差分或有限單元方法可再現(xiàn)巖溶地下水流動過程,進(jìn)而揭示研究區(qū)邊界性質(zhì)及含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)與水力特性[23]。

為進(jìn)一步查明安全開采水文地質(zhì)條件,以淮南煤田顧北煤礦中央采區(qū)A組煤層下部太原組巖溶含水層為對象,通過對礦井水文地質(zhì)條件綜合分析,結(jié)合放水試驗與數(shù)值模擬計算,不僅查明了采區(qū)邊界斷層的導(dǎo)隔水性質(zhì)與含水層之間水力聯(lián)系,還識別了含水層的參數(shù),并進(jìn)行疏放性評價,從而為煤層安全開采提供重要前提。

1 研究區(qū)概況

表1 石炭系太原組含水層參數(shù)表

顧北礦井按斷層將其劃分為南、北和中央三個采區(qū),如圖1(a)所示。其中,中央1煤采區(qū)包括三個工作面(14121、14221和14321工作面)。通過前期開采揭露發(fā)現(xiàn),新生界松散層與煤系地層之間有黏土隔水層,不發(fā)生水力聯(lián)系;煤層頂板砂巖有淋滴水,水量較小,容易疏干。A組煤層底板直接充水水源為太原組灰?guī)r水,水壓較高,補給條件好,其直接充水水源來自C3I組含水層,對A組煤層開采構(gòu)成直接威脅。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖

2 中央采區(qū)灰?guī)r水文地質(zhì)條件綜合分析

為弄清中央采區(qū)A組煤層下部灰?guī)r含水層水力特性以及與相鄰采區(qū)含水層之間關(guān)系,采用井下放水試驗方法,確定各采區(qū)邊界的導(dǎo)、隔水性以及各含水層之間的水力聯(lián)系。

2.1 放水試驗

2.1.1 放水孔和觀測孔

放水孔布置原則:考慮與斷層帶或露頭風(fēng)化帶有水力聯(lián)系的位置,且試驗期間出水量大、具有較好瞬時響應(yīng)性。觀測孔布置選擇斷層帶或露頭風(fēng)化帶附近,即除了地面已有不同含水層觀測孔外,井下測壓孔應(yīng)布置與風(fēng)化帶露頭區(qū)或與斷層帶有水力聯(lián)系位置。放水孔、水位(壓)觀測孔位置見圖1(a)。

2.1.2 試驗過程分析

整個放水試驗過程分為背景值階段、試放水階段、水位恢復(fù)階段、放水階段,詳見圖2至圖4。試放水前初始水量為13.64 m3/h,試放水結(jié)束后水量為48 m3/h,水位恢復(fù)后水量為33.4 m3/h,正式放水試驗水量為104.23 m3/h。

2.2 斷層導(dǎo)隔水性分析

利用上述放水試驗工程,通過觀測不同采區(qū)觀測孔水位、井下水壓、水質(zhì)變化情況,確定邊界斷層的導(dǎo)隔水性,從而為中央采區(qū)的水文地質(zhì)條件分析提供了依據(jù)。

2.2.1 F104斷層組(F104、F100、Fs23)

通過礦井前期勘探發(fā)現(xiàn),F104斷層組為南區(qū)和中央采區(qū)分界逆斷層,走向NW,傾向SW,傾角65°～75°,落差0～130 m,存在多個分支,呈走滑性質(zhì)。放水試驗期間斷層組兩側(cè)觀測孔水位變化如圖2、圖3所示,該斷層組南側(cè)水位變化幅度小,水位差分別為5.04 m(九C3Ⅰ)、8.25 m(九C3Ⅱ)、3.33 m(九C3Ⅲ)、7.17 m(九O1+2);斷層組北部水位變化均較大,水位差分別為374.19 m(XLZJ2)、186.78 m(七C3Ⅱ)、123.83 m(七C3Ⅲ)。

圖3 南一采區(qū)觀測孔水位歷時變化曲線

為驗證斷層的隔水性,采集斷層南、北兩側(cè)巖溶水樣進(jìn)行水質(zhì)分析,水樣點分布見圖1,發(fā)現(xiàn)斷層兩側(cè)水化學(xué)類型存在一定差異,南部水化學(xué)類型主要為Cl·HCO3-Na,其次為Cl-Na,而北部主要以Cl-Na和Cl(SO4)-Na為主,其次為HCO3·Cl-Na。

前期地面及井下勘查發(fā)現(xiàn),F104斷層組本身富水性弱,放水期間斷層組北部水位響應(yīng)較好,但南部水位響應(yīng)性差,表明該斷層組兩側(cè)水力聯(lián)系弱,結(jié)合水質(zhì)變化對比,表明該斷層組為阻水?dāng)鄬印?/p>

2.2.2 F92斷層組(Fs930、F924、F910、F92)

F92斷層組為北區(qū)和中央采區(qū)分界正斷層,傾向SW,傾角55°～70°,落差0～30 m,走向長度2.4 km。該斷層存在多個分支。放水試驗期間斷層組兩側(cè)觀測孔水位變化如圖2、圖4所示,該斷層組南部水位變化均較大,水位差分別為374.19 m(XLZJ2)、186.78 m(七C3II)、123.83 m(七C3Ⅲ);北部水位變化均較小,水位差分別為2.548 m(五～六C3I)、5.65 m(五∈)。

圖4 北一采區(qū)觀測孔水位歷時變化曲線

為驗證斷層的隔水性,采集斷層南、北兩側(cè)巖溶水樣進(jìn)行水質(zhì)分析,水樣點分布如圖1所示,發(fā)現(xiàn)斷層組兩側(cè)水化學(xué)類型存在一定差異,斷層組南部水化學(xué)類型主要為Cl-Na,其次為HCO3·Cl-Na和Cl(SO4)-Na,而北部主要以Cl·HCO3-Na為主,其次為HCO3·Cl-Na。

放水期間斷層組南部水位響應(yīng)較好,但北部水位響應(yīng)性差,表明該斷層組兩側(cè)水力聯(lián)系弱,結(jié)合水質(zhì)變化對比,表明該斷層組為阻水?dāng)鄬印?/p>

2.3 各含水層間水力聯(lián)系及徑流條件

井下放水試驗表明:在水平上,中央1煤采區(qū)邊界斷層為隔水性斷層。因此,它為一個相對獨立水文地質(zhì)單元,與相鄰采區(qū)的水力聯(lián)系弱。只有在淺部露頭區(qū),C3I與C3II、C3III組灰?guī)r含水層之間存在一定的水力聯(lián)系,但無奧灰、寒灰水的補給。

通過上述分析,礦井劃分為南區(qū)、中央?yún)^(qū)和北區(qū)三個獨立的構(gòu)造區(qū)塊。C3I組與露頭區(qū)域的C3II、C3III組含水層之間存在一定的水力聯(lián)系,而與奧陶系灰?guī)r和寒武系灰?guī)r含水層之間不發(fā)生水力聯(lián)系,A組煤層下部巖溶地下水徑流如圖5所示。

圖5 不同單元的巖溶水地下水流動模式

3 C3I灰?guī)r地下水?dāng)?shù)值模擬

3.1 水文地質(zhì)條件概述及數(shù)學(xué)模型

中央采區(qū)長1.011 km,寬2.152 km。C3I組含水層上覆為泥巖,設(shè)為隔水邊界;中央采區(qū)A組煤層下伏的太原組灰?guī)r含水層厚為99.99～129.11 m。其中,C3I組為31.14～41.09 m,與下部C3II與C3III組灰?guī)r含水層之間存在較弱的水力聯(lián)系;南、北部二組斷層,為隔水邊界;西邊露頭區(qū)存在側(cè)向補給,為流量邊界,東邊為深部滯留阻水邊界。

因此,采區(qū)C3I組灰?guī)r地下水流動可概括為有側(cè)向補給的非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定流,數(shù)學(xué)模型為:

(1)

H(x,y,z,0)=H0(x,y,z),

(x,y,z,t)∈Γ2

其中,kxx、kyy、kzz分別時表示x、y、z方向上滲透系數(shù),單位為m/d;H、H0分別表示灰?guī)r含水層的水位和初始水位,單位為m;W表示源匯項,單位為d-1;Ss表示彈性釋水率,單位m-1;T表示時間,單位d;Ω表示計算區(qū)域;K表示滲透系數(shù),單位m/d;q(x,y,z,t)表示單位面積流量,單位m/d;Γ2表示二類邊界。

3.2 模擬模型的剖分

依據(jù)區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)變化特征,將中央采區(qū)剖分為150行,150列,共22 500個單元網(wǎng)格(圖6),以2022年1月20日12:00為初始時刻,C3I組地下水位為西北高東南低,疏放后形成以疏放點為中心降落漏斗。

圖6 中央采區(qū)網(wǎng)格單元劃分平面圖和剖面圖

3.3 識別與驗證

將2022年1月20日—2022年3月20日和2022年3月21日—2022年5月18日分別作為識別期和驗證期。多次調(diào)整區(qū)塊含水層參數(shù)后,使1個觀測孔和井下3個測壓孔的水位在滿足水均衡條件的基礎(chǔ)上,計算值與觀測值誤差不大于10%,擬合效果較好。

通過模型的識別與驗證,發(fā)現(xiàn)灰?guī)r露頭區(qū)含水層滲透系數(shù)較大,遠(yuǎn)離露頭區(qū)含水層滲透系數(shù)逐漸減小;模擬的地下水流方向為NW—NE,與研究區(qū)的地層傾向趨勢一致。因此,能較為客觀地反映地下水流場的變化規(guī)律,模擬結(jié)果如表2和圖7所示。

圖7 初始流場與識別的水文地質(zhì)分區(qū)

表2 識別后的水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

4 灰?guī)r水疏放性評價

依承壓含水層下安全開采要求[24]:當(dāng)受到底板巖溶水害威脅時,突水系數(shù)應(yīng)滿足T≤0.06 Mpa/m,同時含水層水位應(yīng)降至煤層底板最低處以下(-660.3 m)。

目前煤層底板承受C3I組含水層最大水壓0.93 MPa,隔水層最小厚度M=12.31 m,得出T=0.075 5 Mpa/m >0.06 Mpa/m。為此,采用疏水降壓方法,降低含水層的水壓,以滿足開采安全要求。

通過對C3I組灰?guī)r水文地條件分析,可知C3I灰?guī)r水具有可疏放性,為此,設(shè)計兩種疏放方案,并利用上述識別的模型進(jìn)行效果評價。

方案一:保持放水階段前的疏放量,即33.4 m3/h。此時采區(qū)內(nèi)灰?guī)r含水層的最大突水系數(shù)為0.24 Mpa/m,當(dāng)疏放至293天時突水系數(shù)小于0.06 Mpa/m,同時最低點水位降至-660.3 m以下。

方案二:在方案一基礎(chǔ)上,增設(shè)放水孔在首采面切眼至露頭方向增設(shè)4個放水孔(圖7),單孔疏放量為10 m3/h,總疏放量為120 m3/h,以2022年5月18日作為起點,運行上述的模型,60天后突水系數(shù)小于0.06 Mpa/m,滿足安全開采條件,同時最低點水位降至-660.3 m以下(圖8)。

通過數(shù)值模擬計算結(jié)果可知,方案二較方案一可節(jié)約233天的時間成本,雖然工程造價相對較大,但能夠更高效地將C3I組灰?guī)r含水層中的地下水進(jìn)行疏放。為快速解放A組煤層,并保證工作面安全回采具有更高的安全系數(shù)。綜合來看,方案二更加能夠滿足實際工程需要。

5 結(jié) 論

通過中央1煤采區(qū)放水試驗過程中地下水動態(tài)對比與分析,以及C3I組含水層模擬及疏放性評價,主要結(jié)論為:

(1)礦井以F104和F92均為阻水?dāng)鄬?將其劃分為三個相對獨立水文地質(zhì)單元。

(2)采區(qū)C3I組含水層富水性由淺部至深部逐漸變差,灰?guī)r水主要來自淺部露頭區(qū)補給,與深部其他含水層水力聯(lián)系差。

(3)采用方案二,增加疏水孔后,水位在短期內(nèi)降至安全開采要求。