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贺晓浪1,2，夏玉成1，丁 湘2，孙学阳1
(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054; 2.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)
摘 要:毛乌素沙漠区多个近地表含水层支撑着区域生态环境、生产和生活，开展保水采煤研究势在必行。而“保水安全厚度”计算作为保水采煤研究的核心内容，由于各近地含水层的性质以及所处垂向位置的差异，导致了针对毛乌素沙漠区的保水安全厚度计算方法适用范围有限、缺乏统一性。通过分析毛乌素沙漠区内含隔水层在垂向和平面上的展布特征、水文地质性质，结合不同区域内的工程地质条件和开采方法，探讨了保水安全厚度的定义。将煤层之上地层划分为目标保护层、预测导水段(导水裂隙带发育段)和等效保水段(由有效黏土隔水层和基岩层组成的保水段)。利用水均衡法分析了黏土隔水层与基岩层间的保水性能关系，通过“保水比例系数”形成了黏土隔水层与基岩层间统一的等效保水段计算方法。建立了具有能够适用毛乌素沙漠区内“沙-基(岩)型开采区”、“沙-土-基(岩)型开采区”、“沙-土-洛(洛河组含水层)-基型开采区”、“烧变岩型开采区”等主要不同地质条件的保水安全厚度计算模型。根据导水裂隙带的发育高度与黏土隔水层、基岩层间的导通特征以及煤水间距与保水安全厚度的大小关系，制定了煤层开采影响的自然保水区、一般失水区和严重失水区的分区标准。并以榆神矿区小保当煤矿为例，应用建立的统一模型确定了小保当井田内砂-基型和砂-土-基型开采区内的保水安全厚度，并据此评价了煤层开采对潜水含水层的影响。所建立的保水安全开采厚度计算模型以及开采分区评价标准具有良好的适应性，也为保水采煤研究中有关保水安全厚度的计算和煤层开采对上覆含水层的影响评价提供了新思路。
关键词:保水安全厚度;毛乌素沙漠区;保水采煤
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贺晓浪，夏玉成，丁湘，等.毛乌素沙漠区广域适应型保水安全厚度计算及开采影响分区评价[J].煤炭学报,2019,44(3):796-803.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1699
HE Xiaolang,XIA Yucheng，DING Xiang，et al.Calculation of water-retention thickness for broad applicability and mining influence in Mu Us Desert area[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):796-803.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1699
中图分类号:TD823;TD74
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0796-08
收稿日期:2018
1202
修回日期:20190220
责任编辑:韩晋平
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41272388);陕西省社会发展科技攻关资助项目(2016SF-449)
作者简介:贺晓浪(1989—),男,陕西绥德人,博士研究生。E-mail:hexiaolang2010@163.com
HE Xiaolang1,2,XIA Yucheng1，DING Xiang2，SUN Xueyang1
(1.School of Geology and Environment,Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.China Coal Energy Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710054，China)
Abstract:Multiple near-surface aquifers in Mu Us desert are regarded as critical supports of region ecological environment,production and life.It is urgent to study on water-preserved coal mining.However,as the core content of water-preserved coal mining research,due to the various characteristics and the vertical position of the aquifers,some “water-retention thickness” calculation methods have limited application scope and lack unity.Characteristics and hydrogeological properties of aquifer and aquiclude at horizontal and vertical distribution in Mu Us Desert are analyzed.Combined with the engineering geological conditions of different area and mining methods,the definition of water-retention thickness is discussed.The whole layer above the coal is divided into three parts:target protection aquifer,predicted water diversion section and equivalent water-retention section (consist of active bedrock and clay aquiclude,main water-retention section).Water equilibrium principle is adopted to analyze the water-retention characteristics of bedrock and clay aquiclude.“Water retention proportional coefficient” is applied to determine the water-retention thickness calculation method in bedrock and clay aquiclude.Combined with the computing of predicted water diversion section,the model to calculate the water-retention thickness is established which can be applied to the regions of “sand-clay-Luohe aquifer-bedrock”,“sand-clay-bedrock”,“sand-bedrock” and “burnt rock”.According to the positional relation between the water diversion and bedrock,clay aquiclude,scale relation between the altitude from the target protection aquifer to coal and water-retention thickness,the zoning standards for natural water-retention areas,general water loss areas and severe water loss areas are formulated.Besides,the established model is put into use in Xiao Baodang coal mine of Yulin-shenmu coalfield to calculate the water-retention thickness,where the “sand-clay-bedrock” and “sand-bedrock” regions distribute.In addition,the coal mining influence to the unconfined aquifer is evaluated.The calculation model of water-retention thickness and the zoning evaluation standards of mining have a good adaptability.A new idea for the calculation of water-retention thickness and the evaluation about the influence of coal mining on the overlying aquifer is also presented.
Key words:water-retention thickness;Mu Us Desert;water-preserved coal mining
作为我国重要的煤炭基地，西北地区生态环境脆弱，尤其是毛乌素沙漠区内煤炭资源开采与水资源保护间的矛盾问题日益突出。自1992年范立民等提出保水采煤的观点[1]以来，对毛乌素沙漠区内支撑区域生态环境、生产和生活的含水层本身以及开采活动对其影响的分析逐步有了深入的研究。而确定“上覆岩(土)层多厚才能达到保水开采的目标”是保水开采地质条件研究的核心内容[2]，也是保水开采研究的先决条件。按照该厚度值计算的核心思路是否明显区别含隔水层特征，可将当前评价方法总结为以下两种类型:第1类未考虑含、隔水层间的水文地质特征差异。由于保水采煤与煤矿水害防治有较大的共通之处:都是防止地下水大量转移至矿井。因而部分有关保水安全厚度值方面研究直接引用了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(下称《规范》)里关于“防水安全煤岩柱的设计及留设”中垂高(Hsh)的计算[3]，从而仅将煤层上覆岩层作为普通的地质层来对待，未考虑含隔水层间的水文特征差异所造成的厚度值的不同，针对煤层上覆岩层高度做了无差别的计算[4]。王双明等提出了保水开采的分区方法[5]和“生态水位保护”[6-7];黄庆享等针对榆神府矿区的隔水层的稳定性和裂隙发育规律做了进一步的深入研究[8-9]，侯忠杰等通过相似模拟和数值模拟计算了砂土基浅埋煤层的保水煤柱高度[10]。第2类考虑了含隔水层性质差异性，重点围绕黏土隔水层的隔水性质开展:李文平[11]、李涛[12]、张东升[13]等分析了采动破裂前后及其采后隔水性能变化特征，常金源等提出了土层剩余厚度40 m的有效保水阈值[14-15]。夏玉成等研究了生态潜水对煤层开采的响应及优化调控问题[16-17]，缪协兴等将“关键隔水层理论”引入到了保水采煤当中[18]，范立民从系统论角度提出了保水采煤的概念和科学内涵，并构建了完整的保水采煤研究基本框架[19-20]。
但2类方法都存在不足:第1类直接援用了《规范》中“防水安全煤柱”计算公式来确定保水开采厚度，忽视了要达到保水开采，对于上覆岩层的隔水性能要求要明显不同于矿井水害防治，将两者同等看待不具备科学性;第2类方法虽区分了保水开采与矿井水害防治，但多以关键隔水层厚度为指标来确定有效保水阈值，并不适用于黏土隔水层厚度本就不足甚至缺失的地质条件(砂-基型开采区、砂-土-洛-基型和烧变岩型)。由此导致了“上覆岩层多厚才能达到保水开采”的相关计算缺乏有效、统一的、可广泛适用的标准来指导实践，尤其隔水土层“天窗”(砂-基型)、烧变岩和洛河组含水层以及风化基岩的发育，进一步让问题的研究复杂化，使得保水开采的分析、评价和应用受到较大限制，也显示出对于能够适应各类地质条件的保水安全厚度的计算模型亟待研究。
笔者针对以上存在的问题，通过分析毛乌素沙漠区内含隔水层在垂向和平面上的展布特征、水文地质性质，结合保水开采区内不同区域内的工程地质条件和开采方法，探讨了保水安全厚度的定义，建立了具有广域适应性的保水安全厚度计算模型，并以榆神矿区小保当煤矿为例，应用建立的统一模型确定了小保当井田内砂-基型和砂-土-基型开采区内的保水安全厚度，评价了煤层开采对萨拉乌苏组含水层的影响，最终希望通过笔者的研究可以有助于建立适用于整个毛乌素沙漠区的保水安全厚度计算模型及开采对目标保护含水层影响分区方法，并为毛乌素沙漠区实施保水开采起到指导作用。
1.1.1 含隔水层垂向组合特征
从垂向来看，组成榆神矿区煤层覆岩的含、隔水层自上而下依次为(图1):① 砂层含水层，由萨拉乌苏组与全新统风积沙组成;② 黏土隔水层，以离石组黄土和保德组红土(又称三趾马红土)为主[21];③ 基岩层，包含了安定组、直罗组和延安组基岩层;④ 烧变岩，由于煤层自燃使得上覆围岩受到烘烤、火烧形成的一类特殊岩石，也具有富水特征[22-23]。总体表现为:煤水共生，水上煤下，基岩厚，砂土薄[24]。
图1 榆神矿区典型剖面示意(据范立民等[24]有修改)
Fig.1 Typical profile diagram of Yushen mining area
(Fan Liming[24],have modifications)
1.1.2 含隔水层组合平面展布特征
根据李文平[25]和邓念东[26]等的研究，榆神矿区内的保水开采地质条件可以概化为4类(图2):① 沙-土-洛-基型开采区(Ⅰ):砂层、黏土隔水层、洛河组和基岩层皆有分布的区域，其中洛河组位于黏土隔水层之下，基岩之上;② 沙-土-基型开采区(Ⅱ):砂层、黏土隔水层和基岩层赋存区域;③ 沙-基型开采区(Ⅲ):仅赋存有砂层含水层和基岩层;④ 无水开采区(Ⅳ):没有目标保护含水层区域;⑤ 烧变岩型开采区(Ⅴ):烧变岩区由 2-2,3-1煤层自燃形成，虽垂向高度有异，但其与洛河组含水层在整个空间系统中的位置相似，都处在煤层、基岩之上，而黏土隔水层之下，因此在后续计算中将烧变岩开采区概化到第1种类型当中，而不再单独阐述。
图2 榆神矿区保水开采工程地质条件分区(据邓念东
等[26]，有改动)
Fig.2 Zone chart of Yushen mining area’s geological condit-ions of protected water resources during coal mining action
当前对于保水安全厚度尚未形成统一的定义，为了清晰表达保水安全厚度所代表的意义，提出保水安全厚度(HP)的具体概念。将保水安全厚度定义为:在采动条件下，能使具有供水意义或生态价值的含水层(岩组)水量稳定，或水位变化在合理范围[19,27]内所需要的开采煤层到含水层之间地层的最小厚度。其中开采煤层与含水层之间的地层，可以全部是基岩层(洛河组含水层、烧变岩含水层之下)，也可以由基岩层和土层共同组成(萨拉乌苏组含水层之下)。
要建立具有广域适应型的保水安全厚度计算模型，则首先要开展2方面的研究:① 以保水安全为基本要求，建立能够包含所有不同的地质条件的数学分类方法;② 以黏土隔水层和基岩层的保水性能为基础，进行两者间的对比、换算，以使得基岩层与黏土隔水层能形成统一标准下的保水整体。对于第1个问题，笔者综合常金源和李涛等的研究，以黏土隔水层达到40 m厚时可以有效保水的特征为基础，按照黏土隔水层厚度值Hg=0，0～40，≥40 m来划分井田的自然地质条件，可将毛乌素沙漠区内的不同工程地质条件全部包含在内。需要说明的是，上式中的黏土隔水层厚度指的是目标保护含水层与煤层之间的有效黏土隔水层厚度，如黏土隔水层位于目标保护含水层之上(如洛河组或者烧变岩发育区)或导水裂隙带导通了黏土隔水层，则按照Hg=0来考虑。对于第2个问题，探究含、隔水层本身属于相对概念，含水层(或者基岩层)也具备一定的隔水性能，尤其是榆神矿区内基岩层渗透性差，富水性弱[28]，可将基岩层也当作相对隔水层分析。只要导水裂隙带顶面与目标保护含水层底界间有充足的距离，同样具备保水开采的条件。因而研究基岩层的保水性能成为需要解决的首要问题。
常金源等[14-15]以水均衡法对黏土隔水层的隔水性能做了具体研究，将该基本思想引入基岩层的隔(保)水性能计算当中，并以此进行两者间保水性能的对比、换算。其中渗透量(W′)按照水均衡公式可表达为
(1)
其中，ΔWb为漏失补给增量，m3;ΔWP为因渗透减少的天然排泄量，m3;K′为渗透系数，m/d;M′为隔水层的厚度，m;ΔH为渗透水压力差，潜水位，m;F为渗透面积，m2;t为渗透时间，d。变形后可得
(2)
由式(2)可以得出:岩层保水厚度M′与渗透系数K′存在正比例关系。据此，引入保水比例系数n，数值上为基岩层与黏土隔水层渗透系数的比值，作为基岩层与黏土隔水层保水性能转化的中间参数。对于隔水层厚度不足40 m的地质情况，可依此换算为具有对应保水性能的基岩层厚度。在此基础上，将煤层之上的地层划分为3部分(图3):① 目标保护层，包括了萨拉乌苏组含水层、烧变岩层、洛河组含水层以及与目标保护含水层直接接触的风化基岩含水层段;② 预测导水段Hli，该部分为预测采后导水裂隙带的发育区，段内不具备保水能力;③ 等效保水段
由有效黏土隔水层和基岩层共同组成的岩层段，主要的保水段。该段是将有效黏土隔水层和基岩层按照保水比例系数进行隔水能力的统一计算:当Hg≥40 m时，要达到保水安全目标，本段的最小厚度即为
当Hg=0时，要达到保水安全目标，本段的最小厚度为
当0<Hg<40 m时，本段的最小厚度为
m。
图3 保水安全厚度计算原理示意(自然保水区)
Fig.3 Schematic diagram of water-retention thickness calcul-ation (natural water-retention areas)
综合以上内容，建立统一基岩与黏土隔水层性质，能够适应不同地质条件，尤其是黏土隔水土层缺失或烧变岩区以及洛河组、风化基岩带发育区的保水安全厚度(HP)计算模型确定为
(3)
式中，Hli为导水裂隙带高度，m;Hfe为基岩风化带深度，m。
结合研究区各地层的水文地质参数，应用式(3)计算研究区的保水安全厚度，并将保水安全厚度值与煤层与目标含水层间的垂高或煤水间距(Hsh)进行对比。根据对比结果和是否导穿基岩、黏土隔水层来确定分区类型(表1、图4)。按照失水等级将研究区划分为自然保水区、一般失水区和严重失水区3类，其中严重失水区内不采取技术手段开采时区内潜水含水层将失水严重，保水开采面临较大难度。而自然保水区地质条件优越，不存在保水开采问题，一般失水区的保水开采难度则介于两者之间。
表1 分区标准
Table 1 Evaluation criterion of distributions
图4 煤层开采影响分区示意(一般失水区与严重失水区)
Fig.4 Schematic diagram of the influence of coal seam mining on zoning (general water loss areas and severe water loss areas)
小保当煤矿位于陕西省榆林市神木县界内，处在毛乌素沙漠区东南缘，采取“一矿两井”建设模式，一号井设计规模15.0 Mt/a，二号井13.0 Mt/a。本区生态环境对地下水的依赖性强，尤其井田内萨拉乌苏组潜水含水层是维系区域生态和生产、生活的重要水源，且井田北部还存在有神木臭柏、瑶镇水源地保护区等重要的生态保护目标。因此开展保水安全厚度研究并评价煤层开采对萨拉素组含水层的影响十分必要。而另一方面，研究区分布有萨拉乌苏砂层与风积沙含水层、保德红土隔水层(局部缺失)、风化基岩含水层、基岩层，工程地质条件属典型的砂-基型和砂-土-基型混合分布区。煤矿主采2-2煤，贺晓浪等[29]通过多种手段计算了煤层采后“两带”高度约为采高的26倍，即:Hli=26M;而在红土缺失的“天窗”区内，基岩受到一定程度的风化作用。基岩层与红土隔水层的渗透系数均值分别为0.078 9与0.048 1 m/d，即保水比例系数n=1.6。
将上述参数代入到式(3)中，得
(4)
将采高以及风化基岩厚度值数据代入到式(4)来计算井田内的的保水安全厚度值，并依据表1中的分区标准确定煤层开采后影响分区类型(表1)。
将基岩层厚度减去导水裂隙带发育高度，并结合坐标信息编制2-2煤采后顶板剩余基岩厚度等值线(图5)，由此可知，全井田内仅有南部小范围区域导水裂隙带突破了基岩顶面，最大导穿高度28.8 m。对比井田保德组隔水层厚度等值线图(图6)可知:在导水裂隙突破基岩区域内，红土隔水层自然厚度达100～120 m，采后垂向剩余黏土层厚度达71.2～91.2 m。即:导水裂隙带未导通黏土隔水层。进一步绘制保水安全厚度等值线(图7)与煤水间距等值线(图8)，可知:Hp<Hsh即:井田范围内无严重失水区。
利用GIS强大的空间处理能力将图7和图8按照数值相减的方法叠加，得到2-2煤层开采后，萨拉乌苏组潜水漏失程度分区图，该图中数值<0的区域划分为一般失水区，反之则为自然保水区(图9)。井田范围内仅在东部、东南部分布有一般失水区，远离井田北部的臭柏和水源地保护区，对保护区内的生态水位和含水层结构影响较小。但一般失水区内保德组红土顶面处在区域低洼处(图10)，导致了一般失水区还处在井田分水岭东侧的潜水汇集排泄区(图11)和相对富水区(图12)，形成了“三区”集中的现
图5 剩余基岩厚度等值线
Fig.5 Contour of residual bedrock thickness
图6 保德组厚度等值线
Fig.6 Thickness contour of Baode Formation
图7 保水安全厚度等值线
Fig.7 Contour of water-retention thickness
图8 煤水间距离等值线
Fig.8 Contour of distance between coal and unconfined aquifer
图9 2-2煤层开采潜水漏失程度分区
Fig.9 Zonation of water resources leakage after 2-2 coal mining
图10 潜水径流矢量
Fig.10 Vector diagram of phreatic water runoff
图11 保德组顶面标高等高线
Fig.11 Elevation contour of Baode formation top surface
图12 潜水含水层富水性分区
Fig.12 Water-rich zoning of phreatic
象。开采这些区域时，矿井涌水量可能出现明显增大，且动态补给量充足，从而威胁矿井的正常生产，对区域生态水位及环境带来负面影响。建议煤矿针对这些区域开展专门的开发利用方案研究，从而实现保水安全开采的目的。
(1)研究区基岩层与黏土层均具有隔水性能，而通过保水比例系数可以实现保水厚度的统一计算，提出了“保水安全厚度”的概念，并建立了具有广泛适应型的保水安全厚度计算模型和煤层开采对潜水含水层影响的分区标准。
(2)小保当井田内无严重失水区，但一般失水区和井田富水性强区、潜水汇集排泄区“三区”叠加，分布于井田东部和东南部。煤矿开采这些区域时，可能会对井田生态水位造成不利影响。也显示出了计算模型在本区具有良好适应性。
(3)可将保水安全厚度计算模型和开采影响分区标准应用于整个榆神府矿区，确定区域的保水安全厚度，并进行开采影响分区评价，形成区域性的统一评价标准，为煤矿企业开展保水采煤研究提供技术支撑。
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