移动阅读
徐智敏1,孙亚军1，高 尚1，张成行1，毕 煜1，陈忠胜2，吴江峰2
(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116; 2.徐州矿务集团公司，江苏 徐州 221006)
摘 要:随着我国煤炭资源开发重心的逐步西移，西部地区目前已成为我国煤炭的主产区。总体上，我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈，形成了该区极度干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以新疆哈密煤田大南湖矿区为例，针对该区侏罗系含煤地层具有成岩时间晚、物理力学强度低、遇水易泥化崩解等特征，采用相似材料模拟、数值模拟等手段，结合邻矿现场实测对比，全面研究了该区顶板采动导水裂隙的发育与演化过程、发育高度与形态特征、渗透性演化规律以及在该区进行水资源保护性开采(保水采煤)的可行性。研究结果表明:研究区侏罗系含煤地层采动导水裂隙的发育裂采比一般在13.09～15.67，整体形态呈“梯台型”特征;采动影响范围内裂隙发育、演化以及渗透系数的演化均呈现“稳定增加-波动变化-恢复稳定”变化特征，导高影响范围内含水层的渗透系数明显增大，一般达到3～5倍;研究区主采煤层顶板具有“多含水结构下的高位隔水层”结构特征，具备了保水的基本水文地质前提条件;结合保护层的稳定性、III-1上段含水层的静储量、开发潜力以及在研究区进行保水采煤可行性的综合评价，探讨了在干旱矿区水资源保护性开采的重要意义。
关键词:干旱矿区;侏罗系;水文地质结构;导水裂隙;水文地质效应;保水采煤
移动阅读
徐智敏,孙亚军，高尚，等.干旱矿区采动顶板导水裂隙的演化规律及保水采煤意义[J].煤炭学报,2019,44(3):767-776.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6041
XU Zhimin,SUN Yajun,GAO Shang,et al.Law of mining induced water conduction fissure in arid mining area and its significance in water-preserved coal mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):767-776.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6041
中图分类号:TD74;TD82
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0767-10
收稿日期:2018
1130
修回日期:20190103
责任编辑:郭晓炜
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804101);国家自然科学基金资助项目(U1710253);国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB227901)
作者简介:徐智敏(1981—)，男，四川简阳人，副教授，硕士生导师，博士。 E-mail:xuzhimin@cumt.edu.cn
XU Zhimin1,SUN Yajun1,GAO Shang1,ZHANG Chenghang1，BI Yu1，CHEN Zhongsheng2,WU Jiangfeng2
(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 2.Xuzhou Coal Mining Group,Xuzhou 221006,China)
Abstract:With the focus on the gradual westward shifting of coal resources development in China,the western region has become the main production areas.In general,the ecological environment is relatively weak due to the low precipitation and high evaporation.Taking the Dananhumining area in Hami coalfield,Xinjiang,as an example,in view of the late diagenesis time,low physical intensity and easily muddy disintegration of Jurassic coal-rich strata in this area,similar material simulation and numerical simulation are used.Based on the field observation and comparison of the neighboring coalmines,several significant rules are studied including the development and evolution process,the development height and morphological characteristics,the permeability evolution law in roof water flowing fractured zone and the water protection during coal mining (water-preserved mining).The results shows that in the Jurassic coal-rich strata,the development ratio of water flowing fractured fissure is generally between 13.09 and 15.67,and the overall morphology is characterized by “terrace-type”.Fracture and permeability coefficient evolution in the range of mining impacts reflect the characteristics of “stable increase-fluctuation-recovery stability”,and the permeability coefficient of aquifer increases obviously reaching 3-5 times within the influence range of the height of water flowing fractured zone.The main coal seam roof in the study area has the “high aquifuge under multi-aquifer structure” structural characteristics,which possess the basic hydro-geological preconditions for water retention.Combined with the protection seam’ stability,the upper aquifer of iii-1 static reserves,the development potential and the comprehensive evaluation of the water-preserved mining feasibility in the research area,and the significance of water protection during coal mining in arid mining area are discussed.
Key words:arid mining area;Jurassic Strata;hydro-geological structure;water conduction fissure;hy-dro-geological effect;water-preserved coal mining
随着我国东部矿区可采煤炭资源的逐渐枯竭,煤炭资源开发的重心已经转移至西部。近年来,我国西部地区煤炭产量所占全国总产量的比重也逐年上升，约占全国总产量的60%[1]。另据统计，我国目前西部地区已探明的煤炭资源达10 628亿t，约占全国已探明储量的81%[2]。总体上,我国西部矿区属干旱半干旱地区，生态环境较为脆弱，使得该区煤炭资源的高强度开发面临严峻考验。长期实践表明，与东部矿区水害严重、以防治水为主不同,西部矿区总体上干旱缺水，应以保水采煤为主、保护生态环境为重点[2]。
针对上述西部矿区富煤、缺水的现状，范立民等在20世纪90年代初提出了“保水采煤”的观点，即通过控制开采范围及选择合适的采煤方法来达到保护水资源的目的[3-7]。近年来,针对我国西部干旱半干旱矿区的保水采煤问题，我国广大学者开展了大量的针对性研究，并取得了丰硕成果。国内研究学者基于保水采煤目标，在神东矿区、榆神府矿区做了大量的基础工作，奠定了保水采煤的理论基础[3-9]。理论与实践表明，保水采煤需要在一定的地质和水文地质条件下开展，其基础研究涉及矿井水文地质及水害防治等领域，包括煤层与含(隔)水层空间关系、煤层覆岩结构类型[2,10-11]。可见，特定的含隔水结构是保水采煤的前提，决定了保水采煤的成功与否。目前，国内学者关于保水采煤的基础研究及实践主要集中于陕北浅埋煤层，随着近年来我国煤炭开采重心的西移，以新疆哈密煤炭基地为代表的生态脆弱地区煤炭资源的绿色开采亦成为亟待解决的研究课题[2]。
在保水采煤方案的决策中，煤层开采后导水裂隙的发育是否会波及到上覆含水层是保水采煤研究的关键性问题，这与通常开展的顶板水害防治工作的核心问题相同。目前，针对我国西部干旱半干旱矿区的侏罗-白垩系弱胶结软岩地层导水裂缝带的发育规律研究极为不足，实测成果也极为有限，不同地区、不同方法实测结果差异极大，尚未形成普遍的规律性认识。通常情况下，研究导水裂缝带发育高度的方法主要包括经验公式计算、现场实测、物理模拟、数值模拟等[12-16]。刘天泉院士等[15]总结了大量的煤矿实测资料，得到“两带”发育高度经验公式。高延法等在统计东部矿区大量综采条件下导高发育规律的基础上，总结了综采放顶煤条件下的导高发育规律。随着近年来西部煤炭资源开采强度和规模的扩大，揭露资料显示由于西部地区成煤时代及自然地理环境的控制，该区含煤地层具有形成时代晚、成岩程度差等显著特征，与东部石炭—二叠系含煤地层相比有着非常显著的差异，使得其采动形成导水裂缝带的发育规律与东部不尽相同[17-22]。目前，相关学者对西部导水裂缝带的研究主要集中在陕北、内蒙等地，对于新疆地区的研究极少[2,21-22]。由于西部地区含煤岩层弱胶结特性，导高发育规律必将更为复杂。由于煤层采动影响，导水裂隙发育过程中波及到的水体或含水层渗流到导水通道，在此过程中，伴随着新裂隙的不断产生，原有采动裂隙又发生一系列的演化[23-24]，地下水流在裂隙的运移过程中势必引起周围岩体尤其是软弱岩的遇水膨胀，同时受到采动矿压等因素的影响，使得裂隙的演化过程极为复杂。
因此，笔者以新疆哈密煤田大南湖五号井为例，采用相似材料模拟、数值模拟等手段，并结合邻矿导高现场实测资料，对该研究区含煤地层采动过程中的导水裂缝带的发育、演化过程进行深入分析，对其发育高度进行定量评价;同时，对采动后顶板特殊水文地质结构条件下由于围岩渗流场演化而产生的水文地质效应进行分析;以此为基础，对该区极度干旱缺水、生态环境脆弱条件下的保水采煤意义进行综合评价。
在目前新疆规划建设的四大煤炭基地中，位于吐哈盆地的哈密煤炭基地是新疆能源开发的重点。位于哈密煤炭基地的大南湖矿区目前已探明煤炭资源储量达744亿t，其中在建矿井13座，千万吨级的矿井就达6座。大南湖矿区位于新疆哈密市西南南湖乡境内，地处大南湖坳陷区(图1)，属干涸的山间盆地。区内气候极度干燥，无地表径流及水体，地貌类型以低山丘陵及风蚀地貌为主。区内平均年降雨量为50 mm，年蒸发量超过3 300 mm，极度干旱缺水，区域内深层地下水主要依靠天山融雪水远程深渗透补给。
图1 大南湖五号井交通位置
Fig.1 Traffic location mapof Dananhu No.5 Coalmine
大南湖五号井目前仅开采1801工作面，其主采煤煤层位于侏罗系西山窑组，上覆岩层主要为砂质泥岩，粉砂岩和含砾粗砂岩，如图2所示。根据前期研究成果[2,17]，该地层由于还具有整体胶结程度较差、高孔隙度、强度低等特征，这使得其采动导水裂隙的发育规律极为复杂，有别于东部石炭—二叠系含煤地层的特征。
图2 18煤顶板水文地质结构示意
Fig.2 Sectional structure of No.18 coal seam
研究区主采煤层18煤平均采厚3 m，其直接充水含水层Ⅲ-1下段含水层富水性总体较弱，渗透系数为0.88 m/d;16煤附近隔水段的厚度平均为27.94 m;Ⅲ-1上段含水层富水性较强，渗透系数为4.33 m/d。16煤隔水层的存在为阻隔18煤采动形成的导水裂缝带的进一步向上发育、甚至波及到Ⅲ-1上段强富水段含水层提供可能。
同时，在大南湖矿区各矿勘探及建设期间，揭露部分区域深层地下含水层水量丰富，如大南湖五号井矿井涌水量最大达3 000 m3/h以上，大南湖十号井煤系充水含水层单位涌水量甚至达到17 L/(s·m)，渗透系数超过10 m/d。另经水质分析，研究区地下水矿化度普遍达15 000 mg/L以上，可利用程度较差。一方面，大南湖矿区地下含水层水量丰富;另一方面，大南湖矿区生态环境极其脆弱，地表严重干旱缺水，矿区内各煤矿坑口电厂、其他工业及生活用水又需要长距离运输至此，成本高达8～9元/t。在各种矛盾的集中下，针对该生态脆弱区周围约100 km范围内唯一可能和潜在的水资源，结合目前较为成熟的高矿化度水处理技术及其技术经济可行性，在矿区开展保水采煤可行性以及受保地下水的开发利用等方面的研究势在必行。
本次模拟以大南湖五号井1801首采工作面为背景，采用实验室相似材料模拟工作面推进过程中上覆岩层垮落、破断和裂隙发育过程，揭示西部侏罗系含煤地层采动过程中的导水裂缝带的发育、演化规律，为分析采动裂隙的发育及演化过程对顶板主要含水层的影响，并结合其产生的一系列水文地质效应，为评价其保水采煤的意义提供依据。
试验采用中国矿业大学地质力学模型(3 m×0.3 m×2 m)支架，确定试验的几何相似比(模型:原型)为1∶100，设计模型铺设(长×宽×高)为3 m×0.3 m×1.05 m，顶板施加外力载荷进行补偿(图3);根据相似原理，强度相似比为3/500。根据岩石力学参数及强度相似比计算模型强度，根据配比表选用河沙作为骨料，石膏、石灰和膨润土作为胶结物(表1)。
从模型左侧75 cm处开切眼，依次向右推进。记录采空区覆岩破坏阶段不同运动特征。根据图4及开采过程观测结果分析，可以将1801工作面导水裂缝带发育及演化过程分为4个阶段:
图3 相似模拟实验全景
Fig.3 Similar simulation experiment panorama
(1)初次垮落前(0～25 m)。随着工作面向前推进，采空区顶板揭露面积不断增加，直接顶没有垮落，但是岩层出现弯曲，层间出现裂隙等现象，直至推进25 m时初次垮落。
(2)垮落带发育阶段(25～70 m)。随着工作面持续推进，煤层直接顶随着工作面推进也随之垮落，但垮落高度的增加较为缓慢，垮落带发育到10 m时停止向上延伸，而采动裂隙迅速破坏厚层粉砂岩，高度发育到Ⅲ-1下段含水层底界。
(3)导水裂缝带快速发育阶段(70～110 m):在这一阶段垮落带停止向上发育，导水裂缝带发育高度由15 m迅速发展到46 m，贯通整个Ⅲ-1下段含水层，但是在导裂带迅速发展的同时，裂隙带的部分裂隙受到上部岩层弯曲挤压与垮落带破碎岩层支撑，出现裂隙闭合的现象。
表1 工程地质层组及物理模型参数
Table 1 Engineering geological rock group and physical model parameters
图4 工作面推进不同距离时覆岩采动破坏分布
Fig.4 Distribution of water flowing fractured zone at different distance of advanced distance in panel
(4)导水裂缝带稳定阶段(110～150 m):随着工作面开采推进，导水裂缝带高度基本稳定在46 m，并进入16煤隔水段底部约1 m，贯穿了整个Ⅲ-1下段含水层。而整个导水裂缝带的发育形态趋于稳定，由于研究区侏罗系含煤地层物理力学强度低、胶结程度差，煤层采出后，上覆岩层难以在采空区前后方形成大范围支撑，基本随采随冒，且上覆岩层在下伏岩层冒落后，破坏范围和程度进一步减小，总体呈现为破坏范围逐步向上缩小的“梯台型”形态特征，这与东部成岩程度较好、强度较高的石炭二叠系含煤地层中“马鞍型”形态特征有所不同。
通过对大南湖五号井1801工作面的相似材料模拟分析，发现导裂带在破坏到Ⅲ-1下段含水层时迅速向上发育，同时由于在导裂带发育上部存在一层厚度大、且以塑性变形为主的16煤隔水层，有效阻隔了导裂带的延伸，使得最终导水裂缝带的发育高度稳定在16煤隔水层底端，导裂带发育整体形态为“梯台型”。最终导水裂缝带发育高度稳定在46 m左右，冒采比与裂采比分别为3.33和15.33。
相似材料试验由于限于现有监测、工作量等的限制，往往很难大范围模拟工作面开采环境。而数值模拟可以全比例的模拟大范围工作面的开采情况，常用的数值计算方法有有限元、边界元和离散元等。目前，FLAC3D作为一种三维显示有限差分程序，在煤层覆岩模拟中被广泛运用。为了进一步研究大南湖五号井18煤工作面采动导水裂隙发育规律，采用FLAC3D建模的方法，模拟工作面开挖后导高发育与演化过程。
根据大南湖五号井工程地质资料，结合模型要求，采用FLAC3D建立模型，在建立模型过程中，考虑到模型计算时边界效应以及斜长方向上工作面间留设煤柱的尺寸，建立600 m×300 m的岩体模型，并让拟开挖的工作面位于煤层中部。共建立了18层地层，模型顶部施加载荷，模拟地表冲积层(图5)。
图5 FLAC3D模型三维图
Fig.5 3D diagram of FLAC3D model
模型侧面限制水平移动，总共有196 800个单元，208 413个节点，模型总共运行计算了94 822步。下表是模型建立考虑的几个地层参数(表2)。
FLAC3D数值模拟的实际过程采用分步开挖实现，待模型达到上述平衡后，根据设计的模型开采步距进行开挖计算，以塑性破坏区作为判断导水裂隙发育范围的依据(图6)。
随着煤层开采，采空区不断推进，煤层覆岩的塑性变形区缓慢向上发育。在开采前期(图6(a),(b))，塑性破坏向上发育过程中由于开切眼及采动破坏的影响，采空区两端覆岩破坏高度略高于中部;随着工作面向右推进，工作面左侧距离采动渐远，而右端持续受到采动等因素影响，塑性破坏发育要比左侧更加明显(图6(b),(c));在开采后期(图6(c),(d))，随着塑性破坏高度增加，采动影响因素逐渐减弱，基本停止向上发育，最终破坏高度稳定在47 m。
表2 数值模型岩层力学参数
Table 2 Rock mechanics parameters of numerical simulation
图6 FLAC3D数值模拟塑性破坏
Fig.6 Plastic failure diagram of FLAC3D numerical simulation
图7 FLAC3D数值模拟塑性破坏最终形态
Fig.7 FLAC3D numerical simulation of the final form of plastic failure
图7为FLAC3D数值模拟塑性破坏最终破坏形态，自下而上塑性破坏由拉伸破坏逐渐转变为剪切破坏，采动破坏范围自下向上逐渐减小，同样呈现出“梯台型”的空间形态。
根据数值模拟结果分析，在模拟采厚3 m情况下，导裂带发育高度为47 m，破坏范围达到16煤隔水层底界的位置，由于16隔水层阻隔，其抑制了塑性变形的发育高度与形态，最终形成了“梯台型”的破坏特征，裂采比约为15.67。
总体上，数值模拟的采动导水裂隙发育与演化过程与相似材料模拟相结果十分接近，两者间互为验证。
由于大南湖五号井首采工作面导高实测工作正在进行，因此，本文搜集了新疆地区相似开采与覆岩条件的矿井导水裂缝带高度实测结果进行对比分析。通过调研，目前新疆地区针对侏罗系含煤地层条件下导高实测的仅有位于伊犁的沙吉海矿[21]和位于大南湖矿区的国神一矿[22]。其中，国神一矿与评价区在地理位置上相邻，在地层及煤层开采条件上相似。本次调研统计结果见表3。
表3 实测结果的对比分析
Table 3 Contrast with real test results
由表3可知，邻矿及相似地层条件下采动裂隙实测结果裂采比分别在13.09～15.59倍，与本文模拟研究结果较为接近，证明本次模拟研究的导水裂隙带发育高度较为可靠。同时，通过现行规程经验公式计算的结果仅为5～8倍，结合西部矿区侏罗系含煤地层的弱胶结特征，最终证实了东部石炭—二叠系矿区已有的经验公式不适用于西部。整体上，西部侏罗系含煤地层采动导水裂隙发育高度明显大于经验公式计算值。
综上，在研究区3 m采厚条件下，导高发育一般在47 m左右，结合主采煤层顶板含隔水层结构，Ⅲ-1下段含水层距离18煤平均仅22 m，因此，采动导水裂隙必将波及该含水层。但由于该含水层整体富水性较弱，且具有较好的可疏降性，因此，可在18煤工作面回采前对该段含水层进行预疏干处理，对工作面的安全回采影响不大。同时，模拟研究及实测对比分析结果还表明:由于16煤隔水段厚度大，一般在13.26～43.81 m，且破坏主要以塑性变形为主，进而有效阻隔了导水裂缝的进一步向上发育，抑制了导水裂缝带的发育高度和范围，有效防止了采动裂隙波及到Ⅲ-1上段强富水含水层。
根据课题组前期关于水文地质结构的划分标准[8]，研究区主采煤层顶板具有典型的“多含水结构下的高位隔水层”结构特征。在大南湖矿区极度干旱缺水，而Ⅲ-1上段含水层富水性强、静储量巨大，具有重要的水资源属性，且煤层采动后不会被导水裂缝带所波及，因此，具有重要的保水意义。
前已述及，研究区采厚3 m及特殊开采条件下，工作面采动形成的导水裂隙必将波及Ⅲ-1下段含水层。为了研究该区特定水文地质结构条件下，采动裂隙形成、演化过程对顶板主要III-1上下段含水层的影响，以探讨对顶板主要强富水的III-1上段含水层的保水意义，重点对研究区采动裂隙形成、演化过程产生的一系列水文地质效应进行全面分析，探讨采动裂隙范围主要岩层的渗透性变化规律和影响范围，并对渗透系数的演化过程进行分析和定量估算。
根据相似材料模拟实验结果，工作面开采期间由于采动裂隙破坏顶板局部含隔水层结构，由于岩层胶结程度差，且孔隙度较高，在采动导致围岩经历失稳到再稳定的过程中，导致采动影响范围内的岩体结构发生一系列的变化。这期间，不仅产生新的裂隙，而且原有的裂隙同样会扩展或闭合变化，并造成影响范围内岩层的孔隙率进一步发生变化，必然会对其渗透性产生影响。根据相似材料模拟研究发现，其整个发育、演化过程具有“稳定—失稳—稳定”的周期性变化特点(图8)。
图8 覆岩周期性破坏规律
Fig.8 Periodic failure law of overlying rock
由图8可知，在一个采动周期内，首先顶板岩层直接顶岩层随开采而垮落，使得之上的基本顶被揭露，形成“悬臂梁”支撑(图8(a))。随着采动影响，“悬臂梁”断裂，失稳滑落，基本顶切落，上方岩层弯曲下沉，在边缘形成新的离层裂隙，裂隙上开下闭，极易引起工作面突水等危害(图8(b))。随着工作面向前开采，失稳岩层逐步形成新平衡，在这一过程中，采动破坏影响逐渐向上发展，使得上部离层裂隙空间增大，形成贯通导水裂隙，导水裂隙进一步升高(图8(c))。最终，当岩层基本恢复稳定后，挤压之前贯通裂隙，导水裂隙闭合(图8(d))。
图9 覆岩采动渗透性变化机理
Fig.9 Mechanism of permeability change of overburden mining
根据上述机理分析，随着工作面推进，覆岩呈现3区交替向前推进，其中A区岩性完整，C区裂隙闭合，而B区岩性最为破碎，构成导水通道，受采动导水裂隙波及的含水层将以“渗漏”方式涌入工作面。因此，可以将B区概化为“大井”，该“大井”受采动周期影响，随着工作面推进持续向前移动。
根据大南湖五号井1801工作面试采期间的实际涌水量与Ⅲ-1下段含水层水文长观资料，利用地下水动力学中的“大井法”原理进行迭代反算，可以大致估算煤层顶板Ⅲ-1下段含水层采动后渗透系数的演化过程(图10)。
图10 Ⅲ-1下段含水层渗透系数变化
Fig.10 Change of permeability coefficient of Ⅲ-1 aquifer
通过图10分析并结合研究区主采煤层顶板采动过程导水裂隙的演化过程，分析认为，含水层的渗透性演化呈现出“3段”式特征(图10中3段不同的渗透系数变化曲线):
(1)开采初期:在这一阶段，工作面仅推进了78 m，推进距离较小，此时采动裂隙没有发展到Ⅲ-1下段含水层，含水层弱胶结岩层受到涌水影响，内部孔隙裂隙中的充填物不断随水流溶出，导致导水裂隙逐渐增大，渗透系数也逐渐由2.8 m/d增大到3.2 m/d。
(2)开采中期:工作面由78 m推进到421 m，含水层渗透系数在2.8～4.1 m/d变化。此时随着工作面开采距离不断增大，采动裂隙逐渐破坏到Ⅲ-1下段含水层，根据第5.1节覆岩采动机理，由于采动形成的“大井”直接导通含水层，“大井”内岩层剧烈破坏，因此，渗透性系数由3.2 m/d突然增大到4.1 m/d，同时，受到覆岩周期性破坏的影响，概化的“大井”也随着工作面推进周期性出现，岩层渗透性变化规律也与覆岩由“稳定—失稳—恢复稳定”类似，即呈现波动变化的特征。
(3)开采末期:工作面仅由421 m推进到434 m，覆岩受到采动影响基本停止，根据覆岩变化机理，此时覆岩裂隙停止发育，由于弱胶结特性，导水裂隙受到上覆岩层挤压及自重逐渐闭合，同时裂隙闭合稳定与原岩的稳定状态相比，其渗透性仍明显大于完整岩层，并在短期内不会明显变化，因此含水层渗透性减小到2.8 m/d并保持稳定。
综上，采动导水裂隙导通上覆含水层，形成导水通道，破坏了岩层结构、增加了含水层渗透性，同时受采动裂隙周期性变化，呈现“稳定增加-波动变化-恢复稳定”的特点。在此过程中，导高影响范围内III-1下段含水层的渗透系数也呈类似周期性变化，并较初始状态的0.88 m/d有明显的增大，一般为3～5倍，这必将对该含水层赋存的地下水造成极大的消耗和影响，不利于该层段含水层的保护。而对于影响范围之外的III-1上段含水层强富水含水层，由于不受采动影响，结合研究区主采煤层顶板具有的“多含水结构下的高位隔水层”结构特征，研究区具备了保水的基本前提条件。
但需要说明的是，上述关于采动影响范围内III-1下段含水层渗透系数演化的分析仅是对工作面回采过程中实测涌水量-水位观测数据进行的初步估算，且采用的“大井法”本身条件概化过于简单，与现场复杂的地质条件、开采条件等也存在较大的差异，尤其是当工作面在长期涌水条件下其水量大小受区域更大范围边界及水文地质参数的影响更为明显。因此，关于采动导水裂隙对含水层渗透性影响的定量评价还有待进一步深入研究，尤其是通过现场导水裂缝带的抽水试验加以证实，以获取更可靠的参数依据。
针对研究区地表极度干旱、生态极为脆弱的特点，论证其开展保水采煤的可行性需从该区含隔水层结构、隔水层稳定性、采动覆岩裂隙发育规律等方面进行全面分析和评价。其中，特定的含隔水层结构是前提，覆岩导水裂缝的发育高度和范围是确定受保护含水层的基础，导水裂缝带发育与演化决定了隔水层的稳定性，而判别隔水层的稳定性是保水采煤的基础[8]，亦是顶板水害防治成功与否的关键。在此基础上，进一步评价受保含水层的静储量及开发潜力，进而总体上评估在该区实施保水采煤的可行性。
根据研究区18煤顶板含隔水层结构，研究区顶板保护层为16煤上下隔水段，其平均厚度为27.94 m。该层段主要为砂泥岩互层的相对隔水段，岩性以粉砂岩和砂质泥岩为主，钙泥质胶结，较致密，一般情况下，隔水性能良好。据钻孔统计数据，首采区保护层厚度一般在13.26～43.81 m，等值线如图11所示;18煤距该保护层一般在51～70.58 m，等值线如图12所示。
图11 首采区保护层厚度等值线
Fig.11 Contour map of the thickness of protection seam in the first mining area
图12 首采区18煤至保护层等厚线
Fig.12 Contour map of the thickness between 18 coal seamand protection seam
由图12可知，在研究区采厚3 m 条件下，导水裂缝带发育高度在47 m左右，小于18煤与保护层的最小间距51 m，且该保护层的平均厚度达27.94 m。因此，煤层采动条件下导水裂缝带发育不会波及到该保护层，该保护层的隔水性能将不受采动导水裂隙的影响。
可见，该保护层在煤层采动后，不仅可以作为隔水关键层保障矿井的安全，还可作为该矿实现保水采煤的重要保护层，保护该区珍贵的III-1上段丰富的地下水资源。
根据上述分析，井田内III-1上段含水层在煤层采动后不会被导水裂缝带所波及，该含水层的地下水资源不会溃入井下形成水害，同时亦不会进入井巷被污染，或外排浪费。根据前期成果，研究区III-1上段含水层的孔隙度高达18.2%，且整个含水层处于承压-饱水状态，因此，可采用体积法对井田范围内III-1上段含水层的静储量进行初步估算。
已知大南湖五号井井田范围内III-1上段含水层厚度约为22 m，井田面积约为109.6 km2，结合上述该含水层的孔隙度便可估算该层段含水层的静储量，约4.39亿m3，表明井田范围内III-1上段含水层地下水资源储量极为丰富。
虽然该地下水矿化度高达15 000 mg/L以上，但针对该地区极度干旱、缺水的生态环境，以及该地下水作为该生态脆弱区周围约100 km内唯一可能水资源的现状，并结合目前较为成熟的高矿化度水处理技术及其技术经济可行性，如此丰富的地下水仍具有水资源属性及巨大的开发利用潜力。
综上，在研究区进行保水采煤具有可行性，在研究区主采煤层顶板特殊含隔水层结构条件下，采动形成的导水裂隙形成及演化过程中不会对区域上具有丰富地下水储量的含水层造成影响，宝贵的地下水资源可有效得到保护，同时也保护了研究区脆弱的生态环境，对地下水资源进行开发利用也具有较高的经济和社会效益。
(1)以位于西部干旱地区的新疆哈密煤田的大南湖矿区为例，针对矿区侏罗系含煤地层物理力学强度低、胶结程度差、遇水崩解等特征，采用相似材料模拟、数值模拟等手段，研究了18煤顶板采动导水裂隙发育、演化规律，并通过与邻矿实测数据对比，获取了研究区特殊地层条件下的导水裂缝带发育的裂采比一般在13.09～15.67倍，整体形态具有“梯台型”特征。
(2)通过研究顶板采动导水裂隙产生的水文地质效应显示:采动影响范围内裂隙发育、演化以及渗透系数的演化均呈现“稳定增加-波动变化-恢复稳定”变化特征，导高影响范围内含水层的渗透系数明显的增大，一般为3～5倍，这必将对该含水层赋存的地下水造成极大的消耗和影响，不利于该层段含水层的保护。而对于影响范围之外的含水层不受采动影响。研究表明:研究区主采煤层顶板具有的“多含水结构下的高位隔水层”结构特征，具备了保水的基本水文地质前提条件。
(3)针对研究区极度干旱缺水、生态脆弱的特征，结合主采煤层顶板导高发育高度、裂隙发育及演化规律以及主采煤层顶板的“高位隔水层”结构特征，对保护层的稳定性、III-1上段含水层的静储量、开发潜力以及在研究区进行保水采煤的可行性等进行了综合评价，提出了干旱矿区水资源保护性开采的技术思路，为指导作为新疆四大煤炭基地之一的吐哈煤田煤炭资源的绿色开采提供借鉴。
参考文献
[1] 973计划(2013CB227900)“西部煤炭高强度开采下地质灾害防治与环境保护基础研究”项目组.西部煤炭高强度开采下地质灾害防治理论与方法研究进展[J].煤炭学报,2017,42(2):267-275.
Research Group of National Key Basic Research Program of China (2013CB227900) (Basic Study on Geological Hazard Prevention and Environmental Protection in High Intensity Mining of Western Coal Area).Theory and method research of geological disaster prevention on high-intensity coal exploitation in the west areas[J].Journal of China Coal Society,2017,42(2):267-275.
[2] 徐智敏,高尚,崔思源,等.哈密煤田生态脆弱区保水采煤的水文地质基础与实践[J].煤炭学报,2017,42(1):80-87.
XU Zhimin,GAO Shang,CUI Siyuan,et al.Hydro-geological basic and practice for water-preserved mining in ecologically vulnerable area:A case study in Hami coalfield[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):80-87.
[3] 范立民.神木矿区的主要环境地质问题[J].水文地质工程地质，1992,19(6):37-40.
FAN Limin.Environmental geology in Shenmu mining area[J].Hydrogeology & Engineering Geology,1992,19(6):37-40.
[4] 范立民.煤田开发的环境效应——以陕北神木北部矿区为例[J].中国煤炭地质,1994(4):63-65.
FAN Limin.Environmental effect of coal development-in northern Shaan Xishenmu mining area as an example[J].Coal Geology of China,1994(4):63-65.
[5] FAN Limin，MA Xiongde.A review on investigation of water-preserved coal mining in western China[J].International Journal of Coal Science & Technology,2018,5(4):411-416.
[6] 范立民.保水采煤的科学内涵[J].煤炭学报,2017,42(1):27-35.
FAN Limin.Scientific connotation of water-preserved mining[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):27-35.
[7] 范立民.我的第一篇论文:保水采煤观点的诞生[J].水文地质工程地质,2017,44(6):177.
FAN Limin.My first paper:The birth of the concept of water-preserved mining.[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2017,44(6):177.
[8] 孙亚军,张梦飞,高尚,等.典型高强度开采矿区保水采煤关键技术与实践[J].煤炭学报,2017,42(1):56-65.
SUN Yajun,ZHANG Mengfei,GAO Shang,et al.Water-preserved mining technology and practice in typical high intensity mining area of China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):56-65.
[9] 张东升,李文平,来兴平,等.我国西北煤炭开采中的水资源保护基础理论研究进展[J].煤炭学报,2017,42(1):36-43.
ZHANG Dongsheng,LI Wenping,LAI Xingping,et al.Development on basic theory of water protection during coal mining in northwest of China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):36-43.
[10] 白海波，缪协兴.水资源保护性采煤的研究进展与面临的问题[J].采矿与安全工程学报,2009,26(3):253-262.
BAI Haibo,MIAO Xiexing.Research progress and major problems of water preserved coal mining[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2009,26(3):253-262.
[11] 缪协兴,王安,孙亚军,等.干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础与应用研究[J].岩石力学与工程学报.2009,28(2):217-227.
MIAO Xiexing,WANG An,SUN Yajun,et al.Research on basic theory of mining with water resources protection and its application to aridand semi-arid mining areas[J].Chinese Journal of Rock Mechanicsand Engineering,2009,28(2):217-227.
[12] 施龙青,于小鸽,魏久传,等.华丰井田4煤层顶板砾岩水突出影响因素分析[J].中国矿业大学学报,2010,39(1):26-31.
SHI Longqing,YU Xiaoge,WEI Jiuchuan,et al.An analysis of factors affecting water-inrush from the number 4 coal-seam roof conglomerate in the Huafeng coal mine[J].Journal of China University of Mining & Technology,2010,39(1):26-31.
[13] 陈荣华,白海波,冯梅梅.综放面覆岩导水裂隙带高度的确定[J].采矿与安全工程学报,2006,23(2):220-223.
CHEN Ronghua,BAI Haibo,FENG Meimei.Determination of the height of water flowing fractured zone in overburden strata above fully-mechanized top-coal caving face[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2006,23(2):220-223.
[14] 国家安全监管总局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范[S].2017.
[15] 刘天泉.矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[J].煤炭学报,1995,20(1):1-5.
LIU Tianquan.Influence and control engineering of mine rock mass mining and its application[J].Journal of China Coal Society,1995,20(1):1-5.
[16] 涂敏，刘泽功.煤体采动顶板裂隙发育研究与应用[J].煤炭科学技术，2002，30(7):54-56.
TU Min，LIU Zegong.Research and application of crack development in mining seam roof[J].Coal Science and Technology，2002，30(7):54-56.
[17] 徐智敏,高尚,孙亚军,等.西部典型侏罗系富煤区含水介质条件与水动力学特征[J].煤炭学报,2017,42(2):444-451.
XU Zhimin,GAO Shang,SUN Yajun,et al.A study of conditions of water bearing media and water dynamics in typical Jurassic coal rich regions in western China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(2):444-451.
[18] 孙利辉,纪洪广,蒋华,等.弱胶结地层条件下垮落带岩层破碎冒落特征与压实变形规律试验研究[J].煤炭学报,2017,42(10):2565-2572.
SUN Lihui,JI Hongguang,JIANG Hua,et al.Experimental study on characteristics of broken caving and regularity of compaction deformation of rocks in caving zone in the weakly cemented strata[J].Journal of China Coal Society,2017,42(10):2565-2572.
[19] 宁建国,刘学生,谭云亮,等.浅埋煤层工作面弱胶结顶板破断结构模型研究[J].采矿与安全工程学报,2014,31(4):569-574.
NING Jianguo,LIU Xuesheng,TAN Yunliang,et al.Fracture structure model of weakly cemented roof in shallow seam[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2014,31(4):569-574.
[20] 杨治林,余学义.浅埋煤层长壁开采顶板岩层的后屈曲性态[J].煤炭学报,2007,32(4):337-341.
YANG Zhilin,YU Xueyi.Post-buckling behavior for roof strata in shallow seam longwall mining[J].Journal of China Coal Society,2007,32(4):337-341.
[21] 李东发,宋业杰,李磊.沙吉海煤矿厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究[J].煤矿开采,2016,21(5):68-70.
LI Dongfa,SONG Yejie,LI Lei.Overburden strata broken characters of fully mechanized top coal caving with thickness coal seam in shajihai coal mine[J].Coal Mining Technology,2016,21(5):68-70.
[22] 来兴平,崔峰,曹建涛,等.三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析[J].煤炭学报,2017,42(1):148-154.
LAI Xingping,CUI Feng,CAO Jiantao,et al.Analysis on characteristics of overlying rock caving and fissure conductive water in top-coal caving working face at three soft coal seam[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):148-154.
[23] 谢和平，于广明，杨伦，等.采动岩体分形裂隙网络研究[J].岩石力学与工程学报，1999，18(2):147-151.
XIE Heping，YU Guangming，YANG Lun，et al.Research on the fractal effects of crack network in over-burden rock stratum[J].Chinese Journal of Rock Me-chanics and Engineering，1999，18(2):147-151.
[24] 涂敏，刘泽功.煤体采动顶板裂隙发育研究与应用[J].煤炭科学技术，2002，30(7):54-56.
TU Min，LIU Zegong.Research and application of crack development in mining seam roof[J].Coal Science and Technology，2002，30(7):54-56.