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郭小铭1,2,3,董书宁1,2,3
(1.煤炭科学研究总院，北京 100013; 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077; 3.陕西省煤矿水害防治重点实验室，陕西 西安 710077)
摘 要:我国西部黄陇煤田降雨量少、蒸发强烈，属于干旱半干旱地区，做好煤炭开采过程中对含水层的保护工作极为重要。为研究适用于黄陇煤田深埋煤层开采顶板洛河组砂岩含水层的保水技术，以彬长矿区为研究区，采用砂岩孔隙度测试，结合非线性回归分析方法，研究洛河组地层不同深度砂岩渗透性变化;开展水化学测试，分析非均质洛河组含水层垂向水化学场特征;结合地面和井下水文地质探查，进一步定量化研究洛河组含水介质的非均质性。在查明洛河组含水地层非均质性的基础上，建立含水层下段受裂隙带波及条件下地下水渗流数值模型，研究基岩含水层局部受裂隙带影响条件下的渗流规律。根据渗流规律研究深埋煤层开采顶板基岩含水层保水开采技术，结合彬长矿区工作面开采实际揭露水位变化情况对其进行验证。研究表明，洛河组含水层渗透性随地层深度的增加而呈负指数降低，随着埋深增大含水层水化学类型由HCO3-Ca型转化为SO4-Na型，同时上段的单位涌水量约为下段的7倍，可知洛河组含水层上、下段地下水渗流条件不同，垂向非均质性较强。工作面开采裂隙带仅波及含水层下部时，含水层仅受波及层和相邻层的水位下降明显，上部未受到波及段水位降深有限，整个含水层不会出现水位统一下降的现象，而是呈现出不同层位水位降深差不同的差异性渗流规律。鉴于此，提出利用含水层非均质性特征，以控制含水层上段水位降深为核心，允许导高适当波及含水层下段的“控水开采”技术，有助于缓解深埋煤层采煤与保水的矛盾。通过彬长矿区胡家河煤矿现场应用表明，洛河组含水层实际渗流特征符合本次研究成果，控水开采技术可实现洛河组砂岩含水层保水开采的目的。
关键词:黄陇煤田;深埋煤层;保水采煤;渗流规律
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郭小铭,董书宁.深埋煤层开采顶板基岩含水层渗流规律及保水技术[J].煤炭学报,2019,44(3):804-811.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6025
GUO Xiaoming,DONG Shuning.Seepage law of bedrock aquifer and water-preserved mining technology in deep coal seam mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):804-811.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6025
中图分类号:TD823.8
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0804-08
收稿日期:2018
1021
修回日期:20181224
责任编辑:常 琛
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600708，2017YFC0804100)
作者简介:郭小铭(1988—)，男，山西吕梁人，助理研究员，硕士研究生。Tel:029-87862145，E-mail:guoxiaoming@cctegxian.com
GUO Xiaoming1,2,3,DONG Shuning1,2,3
(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xi’an 710077，China; 3.Shaanxi Key Lab of Mine Water Hazard Prevention and Control,Xi’an 710077,China)
Abstract:Huanglong Coalfield,located in the northwest of China,has low rainfall and strong evaporation,and belongs to arid and semi-arid areas.The protection of aquifers during coal mining is extremely important.In order to study the water-preserved mining technology applied to the Cretaceous Luohe Formation sandstone aquifer in the deep coal seam mining,the Binchang mining area was selected as the research area.Sandstone porosity test combined with nonlinear regression analysis was used to study the permeability variation of sandstone in different depths of the Luohe Formation.Moreover,this study analyzed the vertical water chemical field heterogeneous characteristics of the Luohe Formation aquifer by using hydrochemical tests.In addition,the Luohe Formation heterogeneous medium parameters were quantitatively studied through the surface and underground hydrogeo-logical exploration.Based on the heterogeneity of the Luohe Formation aquifer,a numerical model of groundwater seepage under the condition of the water-flowing fractured zone only affects the lower aquifer was developed,and the seepage law in this condition was studied.According to the seepage laws,the water-preserved mining technology in deep coal seam mining is studied.Combined with the water level changes in the mining conditions of coal mining face in Binchang mining area,the water-preserved mining technology was verified.The results showed that the permeability of the Luohe Formation aquifer decreases negatively,and the chemical type of the aquifer is converted from the type of HCO3-Ca to the SO4-Na,and the specific yield of the upper aquifer is about seven times that of the lower with the increase of the depth of the formation.The groundwater seepage conditions in the upper and lower sections of the Luohe Formation aquifer are different,and the law of vertical heterogeneity is confirmed.When the water-flowing fractured zone only affects the lower section of the aquifer,only the drawdown of the lower section and adjacent layers is significantly,and the water lever change of upper section is not evident.The drawdown is not uniform in the whole aquifer,and the seepage laws of different sections are different.Based on the law of seepage,the water-controlled mining technology is proposed by using the heterogeneity characteristics of the aquifer to control the drawdown of the upper section of aquifer.It is permissible to be affected by the water-flowing fractured zone in the lower section of aquifer.The technology helps to alleviate the contradiction between coal mining and water protection.Through the application of Hujiahe Coal Mine in Binchang Mining Area,the seepage field of the Luohe Formation aquifer is consistent with the results of this study.The water-controlled technology can realize the purpose of water conservation of the Luohe Formation sandstone aquifer.
Key words:Huanglong coalfield;deep coal seam;water-preserved coal mining;seepage law
黄陇侏罗系煤田位于鄂尔多斯盆地南缘，包含黄陵、焦坪、旬耀、彬长、永陇等大型矿区，煤层赋存条件较好，是我国重点建设的14个亿吨级大型煤炭基地之一。然而，黄陇煤田年均降水量约600 mm[1]，蒸发量可达1 560 mm，干旱系数2.6，属于典型的干旱～半干旱地区。区内主要供水水源为地表水和地下白垩系洛河组砂岩含水层水，且地下水作为区域重要的储备水源具有十分重要的战略意义。因此，煤炭资源开发过程中对洛河组含水层的水资源保护尤为重要，需做好保水开采工作，重点保护具有供水意义的洛河组砂岩含水层。
保水采煤是指在煤层开采过程中维持具有供水意义和生态价值含水层(岩组)结构稳定或水位变化在合理范围内，其核心为寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术[2]。概念的提出起源于1992年范立民、韩树青等针对鄂尔多斯盆地北部煤炭资源开发对水资源保护研究，并于1995年提出“保水采煤”一词。钱鸣高建立的绿色开采技术体系中将保水采煤作为重要内容。针对保水采煤的基础理论研究主要包含:范立民等开展了大量的保水采煤基础研究工作，研究了西部生态脆弱矿区地下水对高强度采煤的响应[3]，并系统论述了我国西部保水开采技术的发展现状[4]，提出了保水采煤的科学内涵;王双明，范立民等从煤层赋存与水文地质条件出发，对陕北煤炭开采方式进行分区，建立了基于生态水位保护的保水开采技术体系[5];武强等为解决煤炭资源安全绿色开发与水资源供给、生态环保之间的矛盾问题，提出了“煤-水”双资源型矿井开采的技术和方法[6];顾大钊提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护利用理念，并开展了大量基础研究与工程实践[7]，为矿井水资源利用提供了新的思路。国内外大量学者针对保水开采技术与方法开展了大量研究:赵春虎、虎维岳等研究了采煤引起潜水损失量的定量评价方法[8]，黄庆享对浅埋煤层保水开采岩层控制进行了研究，提出了保水开采分类方法[9];孙亚军等提出了神东矿区的保水采煤的基本原则，并形成保水采煤的关键技术[10];马立强等提出了“采充并行”式充填保水采煤方法[11];刘洋等研究了陕北保水开采的条带采煤的采留比参数[12];侯忠杰等以榆树湾煤矿首采面为研究对象，分析了沙土基型覆盖层保水开采合理采高[13]。
综合国内外研究成果，我国针对榆神府地区已经形成了较为成熟的条带开采、限高开采、充填开采等保水开采技术，基本查明了浅埋薄基岩煤层开采覆岩破坏规律，建立了分区保水对策，为蒙陕生态脆弱区煤炭资源保水开采奠定了基础。但是，目前研究成果多集中于榆神府矿区的浅埋煤层，属于生态极脆弱区，保水对象以第四系松散含水层和地表水为主。对于黄陇煤田深埋煤层综放开采条件下保水开采技术研究成果较少。同时，现有保水开采技术多以控制导高为出发点，对含水层内部结构研究较少，鲜有研究出利用含水层渗流规律进行保水开采的技术方案。随着黄陇煤炭基地的开发，煤层开采对白垩系洛河组含水层扰动逐渐增强，区域煤炭资源的保水开采问题愈发凸显。
笔者针对黄陇煤田洛河组含水层保水开采与煤炭资源高效生产的矛盾问题，选取彬长矿区典型矿井作为研究对象，采用理论分析、室内测试、数值模拟、水文地质试验等综合手段，研究洛河组含水层垂向非均质性及差异性渗流特征，探索利用基岩含水层不同层位差异性渗流特点作为深埋煤层保水开采的基础，利用该渗流规律制定区域内洛河组含水层的保水开采方案。研究成果可为黄陇煤炭基地煤炭资源高效保水开采提供基本的水文地质理论基础。
彬长矿区是黄陇煤田水文地质条件最为复杂的矿区，位于黄陇煤田西部，行政区划位于陕西省咸阳市(图1)，含煤面积1 178.5 km2，资源量86.9×108 t。矿区属沟间黄土侵蚀地貌，主要由黄土塬、黄土梁及河谷平川组成。黄土塬面较为平坦完整，周围有河沟切割，最大海拔高差达到400 m以上。
图1 彬长矿区
Fig.1 Binchang mining area
彬长矿区位于鄂尔多斯盆地渭北断隆区彬县～黄陵坳褶带[14]，区内多发育宽缓不连续的EW～NE向褶皱，无大型断裂构造。矿区地层属于华北地层区，鄂尔多斯分区，焦坪～华亭小区，由老至新发育有:三叠系上统胡家村组(T3h)，侏罗系下统富县组(J1f)，中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、环河—华池组(K1h+h)，新近系上新统保德组(N2)，第四系(Q)[15]。
彬长矿区位于鄂尔多斯盆地泾河—马莲河二级地下水系统下游排泄区，以基岩层状孔隙裂隙承压水为主，第四系孔隙潜水次之。主要含水层有:第四系潜水含水层组(Q)、白垩系洛河组中粗粒碎屑岩含水岩组(K1l)、侏罗系安定、直罗组砂岩裂隙含水岩组(J2a+J2z)、延安组含煤地层砂岩裂隙承压含水岩组。主要隔水层发育包含:新近系上新统黏土隔水层、白垩系环河～华池组泥岩隔水岩组、白垩系宜君组砾岩相对隔水层、侏罗系相对隔水岩组、侏罗系富县组相对隔水岩组、三叠系胡家村组隔水岩组。含隔水层结构及主要参数如图2所示。
图2 研究区水文地质结构模型
Fig.2 Hydrogeology structure model of the study area
通过对矿区水文地质条件分析可知，研究区洛河组含水层富水性弱～强，水化学类型多为SO4·HCO3-Na型水，矿化度700～3 000 mg/L，是区域现阶段供水水源和长期战略储备水源。侏罗系各含水层富水性极弱，矿化度多大于10 000 mg/L，属于咸水，供水意义极差。第四系潜水含水层下部有较为完整的新近系和环河-华池组隔水地层，煤层深埋区煤炭开采对第四系含水层的直接影响较小，地表生态环境影响不明显。因此，黄陇侏罗系煤田开发过程中需重点做好洛河组含水层的保水开采工作，重点保护白垩系洛河组含水层的供水意义。
国内现阶段保水开采技术研究对象多位于浅埋生态脆弱区，保水的核心思想为控制顶板隔水层稳定性[16]，但是该方法在一定程度上降低了矿井生产效率。对于深埋煤层开采，由于煤层埋藏深，其主要目标为保护基岩含水层的供水意义，对地表生态影响有限。因此，通过研究煤层顶板洛河组基岩含水层渗流规律，在确保具备供水意义的洛河组含水层上段水位降深有限的前提下，可适当提高开采强度，允许裂隙带适当波及含水层下段，实现保水与高效开采的统一。因此，作为黄陇煤田煤层综放开采保水基础，需深入研究导水裂隙带影响洛河组含水层下段时的渗流规律，评价含水层上段水位变化，为制定可行的保水方案提供基础。
通过洛河组地层孔隙度测试、水化学测试成果，定性分析得出洛河组含水层具备垂向非均质特征。采用井下水文条件探查和地面洛河组含水层分层抽水试验，定量分析洛河组含水层不同层位水文地质参数的差异性。位于矿区中部的亭南煤矿施工探查钻孔4个，分别进行水文条件探查、孔隙率测试和水化学测试分析。
在1号、4号孔分别采取洛河组地层不同深度的中粒砂岩开展孔隙率测试。测试根据《GB/T 23561.4煤和岩石物理力学性质测定方法》执行，以洛河组地层顶界面为基准点计算取样埋深，分析取样深度和孔隙率关系，成果如图3所示。
图3 取样深度与孔隙率关系
Fig.3 Relationship of sampling depth and porosity
相关关系表明洛河组中砂岩地层孔隙率与埋深有一定负相关关系，孔隙率随埋深增大而减小，变化规律表现为负指数特征。采用Origin软件对测试成果进行非线性拟合分析，分别得出2个钻孔的孔隙率拟合公式:
1号钻孔:n=54.4Z-0.25
(1)
4号钻孔:n=360.3Z-0.72
(2)
式中，n为岩石孔隙率;Z为洛河组岩样基岩埋深。
非线性拟合成果表明洛河组地层中同一岩性孔隙率随埋深呈明显的负指数减小规律。根据DUPUIS针对渗透率与孔隙率关系统计规律成果[17]，本次研究孔隙率多小于20%，渗透率与孔隙率近视为接近线性关系:
k=An
(3)
式中，k为渗透率;A为线性关系系数;n为岩石孔隙率。由于地层渗透系数K和渗透率k之间存在关系
(4)
式中，ρ为液体的密度;g为重力加速度;μ为动力黏度。
分析可知，在假设各项同性含水层中，渗透系数K与孔隙率n呈线性关系，即地层渗透性随孔隙率的减小呈线性关系减小。结合地层埋深和孔隙率关系可知，地层渗透系数K随埋深的增加而呈负指数减小关系。
3号孔和4号孔分别采取洛河组含水层不同层位水样，开展水质全分析测试，分析主要离子及水化学特征随深度变化规律。测试成果如图4所示。
图4 水质各离子垂向变化规律
Fig.4 Variation rule of water qualityion
水化学测试成果表明，随着埋深增大洛河组含水层中Ca2+和Na+明显增大，
离子有所减少，水化学类型由浅部的HCO3-Ca型到深部转化为SO4-Na型水。由此分析可知，洛河组含水层深部地下水径流缓慢，水动力条件弱，与浅部地层水动力条件有较大差异，含水层上、下段水力联系不密切。
在井下施工仰孔对顶板洛河组含水层水文地质条件进行探查。布设井下钻孔3个，分别编号JX-1,JX-2,JX-3,施工过程中记录不同深度涌水量变化规律，评价含水层富水性差异性特征。探查钻孔参数见表1。
表1 水文地质条件探查钻孔参数
Table 1 Drilling parameters of Hydrogeological conditions exploration
以各钻孔初始出水位置及水量为基准，计算得出不同深度与基准位置的垂深差为ΔH，水量差为ΔQ，分析ΔQ/ΔH变化规律，从而评价含水层下段富水性非均质特征。探查过程中水量变化见表2。
探查成果表明，从底部揭露洛河组含水层底板后，随着钻进深度增加初期涌水量增速逐渐增大，进一步验证了洛河组含水层由底部向上，渗透性逐渐加强，富水性逐渐增加。JX-2钻孔在垂深60.1 m之后水量增速有所减小，甚至在119.1～167.0 m水量未增加，推测其可能由于岩性的非均质性存在一定的隔水层段。但是由于其它钻孔并未出现水量停止增长现象，JX-2钻孔位置为局部透镜体状的非连续相对隔水层(图5)。
为定量化研究洛河组含水层不同层位水文地质参数，采用地面TC1钻孔对洛河组含水层上部2/3
表2 不同深度水量变化
Table 2 Rate of flow changes at different depths
图5 水文钻孔涌水量变化
Fig.5 Rate of flow changes of different boreholes
和底部1/3厚度分别开展单孔抽水试验。采用稳定流抽水试验并计算水文参数，结合《煤矿防治水细则》中对单位涌水量值的换算方法将其单位涌水量变换为标准单位涌水量，试验成果见表3。
表3 洛河组含水层不同层段抽水试验成果
Table 3 Pumping test results of different layers of Luohe Formation aquifer
抽水试验成果表明，洛河组含水层上、下段水文地质条件存在较大差异，上部229 m段富水性约为下部的7倍，同时含水层下段渗透系数略小于上段。
通过对洛河组含水层岩性测试、水化学特征及定量化水文探查成果表明，彬长矿区洛河组含水层具有明显的非均质特征，其下部地层渗透性和富水性明显小于上部层位。采用地下水三维数值模拟方法对该特征含水层渗流规律进行研究，分析在导水裂缝带影响到洛河组地层下部后含水层内部渗流规律。
模拟采用有限元差分的Visual MODFLOW软件。洛河组含水层厚度为300 m，共分为6层并按照负指数规律进行参数赋值，每层均布设水位观测点。初始水位略高于含水层顶板(310 m)，边界条件设置为通用水头边界(GHB)，并将固定水头位置选择为较远距离，保障降落漏斗影响范围均有侧向水流补给[18]。在模型中部布设抽水井，抽水层位为层位5和层位6。距离抽水井100 m布设观测孔进行各层位水位观测。水文地质概念模型描述如图6所示。
图6 水文地质概念模型及参数赋值
Fig.6 Hydrogeological conceptual model and parameter assignment
运行数值模型，导出各层位监测点水头降深变化情况和垂向等水头线，成果如图7所示。
图7 数值模型计算结果
Fig.7 Numerical model calculation results
数值模型计算结果可知，由于洛河组含水层具有较强的非均质性，在含水层下部100 m进行疏水时，上部地层水位降深均在3 m以下，疏水对含水层的水位影响主要体现在疏水层位及相邻层位。因此，在工作面回采导水裂隙带发育影响到洛河组含水层下段时，下段充水条件下含水层上段水位降深相对有限，不会造成洛河组含水层全段水位均大幅下降。
为验证本次研究得出的洛河组含水层下段受影响时渗流规律，在彬长矿区胡家河煤矿401101工作面回采过程中，在工作面范围内布设水文长观孔，观测洛河组含水层不同层位水位变化。
胡家河煤矿覆岩结构与水文地质条件与矿区较为一致，煤层到洛河组含水层距离约170 m，煤层采厚10～13.6 m。根据煤层顶板导水裂隙带发育高度实测及综合研究，裂采比为22.3倍，导水裂隙带发育高度225.4 m，影响洛河组含水层下部约55 m[19]。工作面范围内水文孔布设位置及监测层位如图8所示。
图8 工作面水文孔监测层位示意
Fig.8 Wells Monitored horizons in mining face
工作面回采过程中采用水位自动遥测仪对钻孔水位动态进行监测，水位变化情况如图9所示。由图9可知，在导水裂隙带影响到洛河组含水层下段约50 m左右时，洛河组下段水位下降明显，由+831.6 m逐渐降到+621.7 m(由于监测系统故障部分数据未采集)，降深209.9 m;洛河组上段水位降深较小，由+847.1 m降到+815.5 m，降深31.6 m。
图9 洛河组含水层不同层位水位动态
Fig.9 Dynamics of different horizon water levels in the aquifer of Luohe Formation
通过胡家河煤矿首采工作面开采实际揭露成果表明，洛河组含水层水位动态变化规律与理论分析及数值模拟计算成果相符。由此表明，彬长矿区洛河组含水层渗透性变化规律与本次研究成果一致，煤层回采导水裂隙带影响到含水层下部时上部水位下降较小，具备自身保水的水文地质基础。
由于彬长矿区保水开采目标为巨厚洛河组基岩含水层，该含水层渗透性明显低于萨拉乌苏组含水层，加之基岩地层非均质性强，渗流规律与第四系松散含水层有明显差异。研究表明，洛河组含水层非均质强，在
裂隙带适当波及含水层后，洛河组含水层水位不会出现整体疏降，具备自身保水的水文地质条件。
因此，针对区域内洛河组含水层的保水开采，可探索利用含水层非均质性和不同深度的渗透差异性特征，在保障含水层水位不会整体性显著下降的前提下，可允许导水裂隙带适当波及含水层下段。同时，充分利用隔水层厚度较大的特点，借鉴榆神府矿区隔水层重建的研究成果，科学评价本区侏罗系隔水层重建的可行性，适当控制开采强度而保障泥岩地层破坏程度弱，在回采完毕后裂隙可逐渐闭合而重建形成隔水层[20]。
据此，黄陇煤田深埋煤层综放开采条件下保水开采的技术思路需以控制洛河组含水层上段水位降深为核心，通过对洛河组含水层渗流规律、侏罗系隔水层隔水能力重建进行分析，允许回采时含水层下段水位下降、上段水位少量波动，并在采后利用重建隔水层实现含水层水位回升。该方法通过控制开采强度来实现控水目的，不以控制导高发育高度为出发点。对于无法实现该目标区域，可采用陕北地区提出的导水裂隙带高度控制方法。形成的深埋煤层综放开采基岩含水层保水开采技术路线如图10所示。
图10 基岩含水层保水开采技术路线
Fig.10 Water-preserved coal mining technology route for bedrock aquifer
(1)对洛河组地层含水介质特征及渗流规律研究表明，黄陇煤田巨厚洛河组基岩含水层整体渗透性弱且非均质性强，垂向水文地质条件差异明显，在采煤形成的裂隙带仅波及含水层下段时不会造成含水层水位整体疏降，具备自身保水的水文地质基础条件。
(2)彬长矿区开采揭露成果验证了裂隙带波及洛河组下部时其上段水位不会出现明显疏降，为区域内利用洛河组含水层渗流规律实现保水开采奠定了实践基础。
(3)利用洛河组含水层垂向非均质性特征和渗流规律，提出允许导水裂隙带适当波及含水层下段，以控制含水层上段水位为核心的控水开采技术，为解决深埋煤层高效生产和保水开采的矛盾提供新的思路。
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