榆神矿区煤层埋深较浅,其开采普遍受到顶板浅层松散含水层的威胁[1],采用钻孔进行强降深、大流量超前预疏放是顶板水害防治的主要措施[2-3]。在特定的地质、水文地质条件下,超前疏放顶板含水层水甚至是惟一的手段[4]。为确保安全,采前尽可能疏放顶板水,将充水含水层水量和水压均减小到一定程度再进行回采。
针对煤层开采顶板涌水规律,赵春虎等[5]以榆神矿区为例,采用数值分析方法计算分析了3 种涌水模式下的顶板涌水规律。针对顶板疏放水钻孔优化布置,刘基等[6]以“渗流-管流耦合模型”理论为基础,基于含水层-钻孔间水量交换量,计算分析了不同参数的顶板疏放水钻孔涌水量变化趋势。李永涛和杨建[7]以蒙陕接壤区纳林河二号矿井为例,分析了顶板预疏放后工作面涌水规律,得出首采工作面涌水量与推采步距呈正相关关系的结论。
前人研究工作多集中在顶板水害防治方面,而对于充水含水层疏降至何种程度才是既经济又安全的问题则较少涉及,而该问题又是生产中迫切需要解决的问题。如果预疏放水量过大,第四系浅层松散含水层漏失严重,则造成水资源浪费;相反地,预疏放水量过小,则顶板含水层难以疏降至安全水头,存在重大安全隐患。因此,需要开展采前预疏放水工程结束标准研究,使采前预疏放阶段和回采阶段第四系松散含水层总漏失量尽可能小,以实现工作面既采煤又减水的目标。
榆神矿区锦界煤矿主采31 煤,回采工艺为机械化一次采全高,导水裂隙带直接发育至富水性相对较强的风化基岩,导致矿井涌水量最大达5 499 m3/h,矿井面临排水负担过重和水资源保护的双重压力。笔者通过分析矿井涌水量主控因素,采用数值模拟手段,通过设计不同的预疏放残余水头,探讨预疏放和回采过程中第四系松散含水层漏失量变化趋势,寻求合理的预疏放结束标准,实现工作面在不同充水模式下第四系含水层漏失量最小的减水目标。
1 研究区概况
锦界煤矿地处陕西省神木市境内,位于榆神矿区二期规划区西北部,地貌类型为风沙地貌、黄土地貌和沟谷地貌3 类,井田面积141.77 km2。井田内发育两条长年性沟流——青草界沟和河则沟,均为黄河二级支流。气候属半干旱大陆性季风气候,多年平均降水量为441.2 mm,多年平均蒸发量为2 111.2 mm。地层由老至新为:三叠系上统永坪组(T3y),侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z),新近系上新统保德组(N2b),第四系中更新统离石组(Q2l),上更新统萨拉乌苏组(Q3s)、全新统风积沙(Q4eol)及冲积层(Q4al)[8]。矿井主采煤层为31 煤,位于侏罗系延安组地层上部,煤层平均厚度约3.2 m。煤层开采受上覆风化基岩和松散层含水层水的威胁,在工作面回采前均进行一定程度的超前预疏放水工作。
矿井自2006年建成投产以来,原煤产量逐年增加,2010年原煤产量达1 517 万t,2011年1 793 万t,近年来产量基本稳定在1 700 万t;矿井远景规划生产能力为2 000 万t。从涌水量变化趋势来看(图1(a)),自投产以来,矿井涌水量逐年增加,至2011年9月达到最大值,为5 499 m3/h,随后矿井涌水量呈下降趋势,截止2020年10月,矿井涌水量约为4 775 m3/h。矿井涌水主要由5 部分组成:大巷及井筒涌水、掘进工作面涌水、采空区涌水、回采工作面涌水以及预疏放水。其中大巷及井筒涌水量较小,为50～100 m3/h;掘进工作面涌水量最小,为0～60 m3/h;采空区、回采工作面涌水以及疏放水量占矿井总涌水量的95%以上(图1(b))。
2 矿井(充)涌水特征分析
2.1 含(隔)水层赋存特征
根据钻孔柱状图及覆岩组合特征,井田内煤层顶板为典型的沙(层)-土(层)-基(岩)型结构。
(1)沙层。主要为第四系风积、冲积沙和萨拉乌苏组湖积沙,广泛分布于井田,厚度0～73.5 m,平均30.9 m(图2(a))。萨拉乌苏组潜水含水层静止水位埋深3.08～20.46 m,平均水力梯度0.016～0.027,平均单位涌水量0.116 0～1.721 7 L/(s·m),平均渗透系数0.813～4.760 m/d,富水性以中等为主,水质为HCO3—Ca 型,矿化度0.25～0.286 g/L[8]。
(2)土层。埋藏于沙层下部,局部地段出露于地表。主要为第四系离石组黄土(Q2l)与新近系三趾马红土(N2b)。土层总厚度0～73.95 m,厚度变化较大,局部存在“天窗”区(图2(b))。力学试验表明:黄土层和黏土具有一定的抗剪强度和抗压强度,且有良好的隔水能力[9-10]。
图1 锦界煤矿矿井涌水量历时曲线及构成分析
Fig.1 Duration curve and composition analysis of water inflow in Jinjie coal mine
(3)风化基岩层。位于煤层顶板基岩上部,厚度0～83.75 m,井田北部厚度普遍较大,一般大于50 m(图2(c))。岩石风化程度严重至中等,岩石结构破碎,风化裂隙发育,具有较好的渗透性及储水条件。其中含水层平均厚度45.01 m,水头高度平均66.30 m,静止水位埋深平均17.98 m,钻孔平均涌水量8.34 m3/h,平均渗透系数0.501 0 m/d,单位涌水量介于 0.017 3～0.6 504 L/(s · m), 平均0.249 52 L/(s·m),富水性以中等为主,水质为HCO3-Ca 型水,矿化度<0.3 g/L[11]。根据水文地质勘探孔和抽水试验成果,风化基岩含水层厚度与单位涌水量之间存在较强的正相关关系,即风化基岩含水层厚度越大,单位涌水量越大,说明基岩风化越强烈,岩层裂隙越发育,富水性越好。风化基岩含水层厚度大于30 m 的地段其单位涌水量基本都大于0.1 L/(s·m)[12]。
图2 井田各地层厚度等值线
Fig.2 Contour of each layer thickness in the mine field
(4)基岩层。位于煤层顶板,厚度 0～109.14 m(图2(d))。结构致密,裂隙不发育,富水性较差。单位涌水量在0.003 02～0.075 67 L/(s·m),渗透系数为0.006 079～0.099 580 m/d[13]。
2.2 2 种充水模式
通过统计正常基岩和风化基岩厚度之和,并与土层厚度等值线进行叠加可以看出,煤层顶板基岩厚度普遍大于45 m,只在青草沟沟谷附近厚度较小,煤层开采形成的导水裂隙带(高度为45.72 m)基本发育至风化基岩中[14],主要充水水源为风化基岩水,但是井田内存在几处土层缺失“天窗”,即风化基岩和第四系松散层直接接触,上部第四系松散层水通过对风化基岩补给进而对煤层充水,此处煤层开采的充水水源为风化基岩水和第四系沙层水(图3)。在典型BB'剖面上,由于隔水地层土层存在缺失区,上覆第四系浅层水可通过“天窗”下漏至导水裂隙带发育空间从而进入井下采空区,而在典型A—A′剖面上,由于各地层完整未缺失,上覆第四系浅层水不易下渗进入井下采空区。因此,锦界井田内煤层充水模式主要为两种:土层未缺失风化基岩充水模式(图4(a))和土层缺失风化基岩和松散层混合充水模式(图4(b))。
图3 基岩厚度(线条)和土层厚度(填充)等值线叠加
Fig.3 Contour overlay of bedrock thickness (line)and soil layer thickness (filling)
图4 井田煤层开采充水模式
Fig.4 Water filling mode of coal seam mining
2.3 富水性分区
根据煤层顶板覆岩结构及其富水性特征,分析认为煤层充水含水层富水性基本取决于风化基岩厚度、风化基岩含水层厚度、土层厚度以及沙层含水层厚度4 个指标。风化基岩厚度及其含水层厚度则为最重要且是直接影响充水含水层富水性的因素,而沙层则是通过土层局部“天窗”对风化基岩进行补给,因此,土层厚度决定了沙层对充水含水层的补给强度。据此,通过不断调整指标分区阈值,采用GIS 多元信息融合技术[15-16] 对充水含水层富水性进行动态划分(式(1)),并与现场进行对比,直到符合现场实际为准,最终确定的富水性评价指标体系(表1)及井田充水含水层的富水性分区图(图5)。
式中,F 为煤层顶板含水层综合富水性指数;k 为指标个数;W(k)为指标权重;Fk 为各指标单因素的富水性指数。
表1 富水性分区说明
Table 1 Description of water abundance zoning m
富水性分区风化基岩厚度风化基岩含水层厚度土层厚度沙层含水层厚度强富水区 ≥50 ≥30 ≤10 ≥40中等富水区 25～50 20～30 10～30 20～40弱富水区 <25 <20 >30 <20
图5 井田富水性分区
Fig.5 Zoning of water abundance in the mine field
由图5可看出,强富水区位于井田二盘区局部地段、三盘区和四盘区大部分地段,且工作面覆盖厚风化基岩的面积越大其涌水量越大。根据井田实际工作面涌水量统计,一盘区工作面涌水量多在100～300 m3/h,二盘区工作面涌水量多在200～400 m3/h,四盘区工作面涌水量多在500 m3/h 左右,整体趋势为四盘区涌水量>二盘区涌水量>一盘区涌水量。而在已回采的一盘区,31105 工作面涌水量约为500 m3/h,远远大于首采工作面31101 工作面(涌水量约为150 m3/h),这是由于31101 工作面位于相对弱富水区,而31105 工作面位于中等富水区,此外,31105 工作面部分地段靠近土层“天窗”区,部分第四系松散层水下渗补给风化基岩。二盘区部分区域存在强富水区直接向弱富水区过度的情况,主要是因为该区域存在土层缺失的“天窗”,使得中等富水区递进为强富水区。因此,二盘区的南部穿过“天窗”区的工作面后期涌水量可能较大,生产中需要采取积极的防范措施。
3 疏放水与残余涌水量构成分析
目前,锦界煤矿在工作面回采前对煤层顶板充水含水层(风化基岩含水层)进行预疏放,疏放时间大约为180 d。分析工作面涌水量和疏放水量之间的关系可知(图6):
图6 锦界煤矿矿井涌水量与预疏放水量变化趋势
Fig.6 Variation trend of water inflow and pre-drainage in Jinjie Coal Mine
(1)疏放水量与工作面回采涌水量曲线变化趋势基本一致,各占矿井涌水量的50%左右。
(2)2011年之后,矿井总涌水量呈减小趋势,减少的量主要是探放水量。矿井涌水量最大时,探放水量同样达到最大。
2011年后随着盘区先期开采的几个工作面的大量疏放水及采空区大量涌水,后期开采的工作面采前疏放水量大大减少,2014年2月井田的总疏放水量由2011年9月的2 556 m3/h 减小至558 m3/h,减幅达78%,此时矿井涌水量主要为采空区涌水及工作面涌水。
2011年前工作面探放水中存在的主要问题:采前预疏放工程基本采用的是最大限度疏放顶板含水层水,可能存在预疏放水量过大,导致更多的第四系松散层水参与其中、浪费水资源的情况。
4 预疏放结束标准确定方法
通过概化锦界井田水文地质条件,建立水文地质概念模型,构建采掘扰动条件下涌水量计算数值模型,通过调整采前疏降残余水头(煤层底板以上水头高度),确定疏放水阶段第四系松散含水层的漏失量,同时,计算相应疏放条件下回采阶段第四系松散含水层漏失量,最后分析疏降残余水头不同工况下的总漏失量变化趋势,确定总漏失量最小时的疏降残余水头,即为预疏放结束标准。
4.1 模型构建
根据矿井水文地质条件分析,煤层开采主要充水含水层包括煤层顶板基岩含水层以及第四系松散含水层[17]。因此,本次模拟的垂向范围包括31 煤、基岩层、风化基岩层、土层以及沙层,其中土层作为相对隔水层,其他地层作为含水层,含水介质为非均质各向异性,平面范围为整个井田(图7)。地下水流符合达西定律,为非稳定流。
图7 锦界井田水文地质边界条件概化模型
Fig.7 Generalization of hydrogeological boundary conditions in Jinjie mine field
区内潜水径流方向为东北向西南青草界沟、河则沟方向;基岩裂隙承压水总体上与区域潜水运动方向基本一致,从井田东北部流向西南。因此,井田北部至东部概化为补给边界,南部与西部概化为排泄边界,均属于流量边界[18],青草界沟范围概化为河流排泄边界,同时,区内存在大气降雨补给和蒸发排泄(图7)。
多个工作面连续回采时,采空区成为地下水的主要排泄区,周边高水头含水层水将进入采空区,其流量与水头、煤层底板标高之差成正比关系,计算流量即为进入采空区的涌水量,其连续过程可用Drain 边界进行概化[19]。
Drain 边界的计算公式[20]为
式中,QD 为含水层进入工作面采空区的涌水量,m3/d;S 为采空区边界;CD 为含水层水力传导系数,m2/d;H 为含水层水头标高,m;HD 为工作面煤层底板标高,m。
根据水文地质条件概化结果,模拟区工作面煤层开采时地下水呈三维非稳定流,其运动特征可用下列三维渗流数学模型[21]来描述:
式中,H 为地下水水位标高,m;K 为含水层渗透系数,m/d;Ss 为含水层弹性释水率,d-1;W 为模拟区大气降水入渗补给强度和蒸(散)发强度,m2/d;μ为含水层给水度;Γ1 为潜水面边界;H0 为模拟区初始流场,m;q(x,y,z,t)为第2 类变流量边界流量,m3/d,流入为正,流出为负;x,y,z 为空间坐标变量,m;t 为时间,d;Ω 为模拟区;n 为各边界面的外法线方向。
利用各勘探阶段抽水试验、放水试验获取的水文地质参数,采用MODFLOW 数值模拟软件构建采煤影响下的地下水流数值模型,计算不同工况下的工作面涌水量。
针对土层缺失的地层接触关系,在数值模型中缺失区预先设定土层厚度3 m,在该区水文地质参数赋值为下一层风化基岩含水层的水文地质参数以刻画此处土层缺失地质条件。
4.2 模型可靠性验证
以一盘区10 个工作面(31101～31110 工作面)的实测正常涌水量为基础,在工作面位置设置Drain边界(图8),排水标高为煤层底板,每个工作面回采的时间均为1 a。运行数值模型,通过调整水文地质参数和边界条件进行试算,直到多工作面连续回采涌水量计算值和实测值拟合程度最高为止[22]。一盘区前4 个工作面的识别及后6 个工作面的验证拟合曲线如图9所示,此时模型的水文地质参数和边界条件是最终状态,模型可靠,可以进行后续预测计算。
图8 一盘区工作面布置
Fig.8 Layout of working face in panel 1
图9 工作面涌水量计算值和实测值对比
Fig.9 Comparison of calculated and measured water inflow of working face
4.3 不同充水模式下残余水头
分别选取一盘区和三盘区各1 个工作面作为充水模式一和充水模式二的代表性工作面,设置虚拟放水孔,放水时间为180 d,180 d 后工作面进行回采,回采时间为300 d。初始水头设置为1 240 m,在数值模型中对每一层均设置Zone budget 分区,统计计算第四系含水层流向基岩含水层的流量,分别确定疏放至10～30 m 残余水头工况下,预疏放水阶段和工作面回采阶段第四系松散含水层总漏失量的变化关系(图10)。
图10 充水模式1,2 下工作面第四系总漏失量与残余水头关系
Fig.10 Relationship between Quaternary total leakage and residual water head of working face under water filling mode 1 and 2
充水模式1:土层的渗透系数设定为较小值,为0.000 1 m/d。由图10(a)可知,随着疏降残余水头下降,预疏放阶段和回采阶段第四系含水层漏失量逐步增大,第四系总漏失量逐步增大,且增幅越来越大。当预疏降残余水头在煤层底板以上20 m 时,预疏降阶段第四系含水层漏失量为236 m3/h,回采阶段第四系含水层漏失量为260 m3/h, 总漏失量为496 m3/h;而当预疏降残余水头在煤层底板以上15 m 时,预疏降阶段第四系含水层漏失量为240 m3/h, 回采阶段第四系含水层漏失量为265 m3/h,总漏失量为505 m3/h,总水量增幅较小;而当预疏降残余水头降至为煤层底板以上10 m 时,第四系含水层总漏失量突增(图10(a))。由图10(a)可以推断,在土层未缺失风化基岩充水模式下,工作面预疏降残余水头应当控制在煤层底板以上15 m 左右,即疏放钻孔残余水压约为0.15 MPa 后即可进行回采,该状态下第四系松散含水层总漏失量最小。这与锦界煤矿采前钻孔预疏放实际情况基本一致[4]。该模式下第四系松散含水层漏失主要是通过间接越流方式补给的,随着基岩含水层的水位大幅度降低,第四系松散含水层与基岩含水层之间的水位差逐步增大,此时高水位含水层易通过土层发生越流补给低水位的基岩含水层,导致第四系松散含水层水量漏失[23]。
充水模式2:由于第四系与基岩含水层直接接触,将模型中虚拟土层的渗透系数设定为基岩含水层渗透系数,即0.1 m/d。由图10(b)可知,随着疏降残余水头降低,预疏放阶段和回采阶段第四系含水层漏失量逐步增大,第四系含水层总漏失量同样呈现逐步增大趋势,且增幅逐步减小。当预疏降残余水头在煤层底板以上20 m 时,预疏降阶段第四系含水层漏失量为714 m3/h,回采阶段第四系含水层漏失量为522 m3/h,总漏失量为1 236 m3/h,而当预疏降残余水头在煤层底板以上15 m 时,预疏降阶段第四系含水层漏失量为724 m3/h,回采阶段第四系含水层漏失量为531 m3/h,总漏失量为1 255 m3/h,总水量增幅较小;而当预疏降残余水头降至煤层底板以上30 m 时,第四系含水层总漏失量突减,但此时残余水头较高,对于安全生产有潜在风险(图10(b))。由图10(b)可以推断,土层缺失风化基岩和松散层混合充水模式下,工作面预疏降残余水头应控制在煤层底板以上20 m 左右,即疏放钻孔残余水压约为0.2 MPa 后可进行回采,该状态下残余水头较小,第四系松散含水层总漏失量相对最小。该模式下第四系松散含水层漏失主要是通过土层缺失区直接渗流补给。随着第四系松散含水层与基岩含水层之间的水力梯度逐步增大,渗流量逐步增加,导致第四系松散含水层水量大量漏失[24]。
对于疏放水工程来讲,采前预疏放主要是尽可能减少顶板含水层的静储量,当静储量疏放基本完成后,则钻孔涌水量主要由动储量构成,此时钻孔涌水量减幅变小,继续疏放效果并不明显,实则为过度或低效疏放[11]。因此,在保障安全的前提下,允许保留有一定的残余水头(15～20 m)是合理的,此时第四系松散含水层总漏失量最小,且采后残余涌水量在可接受范围内,而过度疏放不仅增加矿井涌水量,而且破坏浅层地下水资源,进而对地表十分脆弱的生态环境造成影响。因此,根据上述方法确定了两种充水模式下工作面预疏放水的结束标准,为条件类似矿井减水开采中在确定预疏放安全残余水头方法及技术流程方面提供了范例。
5 结 论
(1)研究区煤层顶板为典型的沙(层)-土(层)-基(岩)型结构,煤层开采主要充水水源为风化基岩水,煤层充水模式主要为土层未缺失风化基岩充水模式和土层缺失风化基岩及松散层混合充水两种模式。
(2)选用风化基岩厚度、风化基岩含水层厚度、土层厚度以及沙层含水层厚度作为充水含水层富水性分区指标,采用GIS 多元信息融合技术对充水含水层进行了富水性分区,结果显示强富水区位于井田二盘区局部地段、三盘区和四盘区大部分地段。
(3)通过对锦界煤矿水文地质条件进行概化,采用Drain 边界刻画多工作面连续回采内边界,建立了锦界煤矿采掘扰动条件下三维地下水流数值模型。通过模拟计算得出两种充水模式下工作面预疏放结束标准,即将充水含水层水头疏放至煤层底板(残余水头)15～20 m 以上,达到该状态后可进行回采,无需进行过度疏放。此时,第四系松散含水层水资源量漏失量最小,可起到在西部生态脆弱区减水采煤和浅部水资源保护的双重作用。
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