煤炭开采过程中的水资源保护与利用一直是采矿行业面临的一大难题，尤其是在西部干旱半干旱的生态脆弱矿区，由于采动引起含水层的破坏，导致地下水的流失和污染。基于此，煤矿地下水库储水技术应运而生[1]。建立煤矿地下水库，并采取相应的矿井水处理措施，利用采空区及采动裂隙区实现矿井水的存储和分质利用，已在神东矿区得到了大规模应用。然而通过在复杂地质条件下建设煤矿地下水库来封存高盐矿井水的工程实践还尚无先例[2-4]。
在煤矿地下水库建设和运行过程中，煤层工作面重复开采引起的覆岩裂隙导通含水层，可能会对矿区地下水资源造成初次影响[5-9]，其次在高浓度盐水注入地下水库的过程中，由于浓度梯度的作用，矿物离子将主要沿着裂隙通道进行扩散，进而可能对矿区水资源造成二次影响[10-12]，这2种影响方式都与采空区覆岩中的采动裂隙是否形成贯通的渗流通道密切相关。当前，对煤层覆岩裂隙渗流通道的研究主要针对煤矿水害防治方面，且已取得了较丰富的成果。煤层在开采后，顶板岩层先后经历“弯曲下沉-裂隙发育-破断垮落”的动态演化过程，在应力场的不断重分布过程中，覆岩裂隙将经历重复的张开与闭合循环过程，导致覆岩产生持续变化的破断和离层裂隙[13-16]，岩层断裂和离层裂隙在复杂的演化过程中不断形成透水通道并突破含水层，进而引发覆岩裂隙网络的涌水灾害[17-18]，覆岩中的垂直断裂裂隙和离层裂隙的发育高度是决定含水层水资源流失的主要因素[19-21]，而对于煤矿地下水库，在矿井水分质利用后产生的高矿化度水注入地下水库的过程中，围岩中的断裂-离层裂隙仍然是渗流主要通道[22-24]。因此，通过分析采空区覆岩裂隙分布形态及高盐矿井水扩散规律，进而研判煤矿地下水库建设和运行期间对临近含水层的影响，就成为研究煤矿地下水库高盐矿井水封存的核心问题之一。
笔者以宁夏灵新煤矿地下水库为工程背景，首先开展固液耦合相似模型试验，分析重复开采条件下覆岩裂隙演化规律和涌水特征，以及重复开采对上覆含水层的影响;结合数值模拟总结采动后覆岩裂隙分布规律和断层-离层裂隙通道特征，采用多场耦合数值软件模拟高盐矿井水注入地下水库的渗流过程，并计算了50 a内地下水库中的浓度变化规律，分析了封存高盐矿井水对临近含水层水质的影响。
1 地质概况
灵新矿位于宁夏回族自治区灵武市宁东镇境内，北距银川市45 km，西距灵武市40 km。灵新煤矿为生产矿井，目前矿井涌水量为450 m3/h，最大涌水量550 m3/h。灵新矿生产过程中产生的矿井水属于高矿化度矿井水，不能直接外排地表，针对这一问题该煤矿拟计划在井下建设一座矿井水处理厂，处理后产生的高浓盐水，封存于煤矿地下水库中，因此需要利用现有的采空区建设一座库容不小于300×104 m3的煤矿地下水库。
灵新矿井田位于磁窑堡向斜的西翼，呈一东倾的单斜构造，发育有规模不大的断层，本井田构造复杂程度属简单。全矿井共划分为6个采区，其中一采区主要开采14,15,16煤，煤层采厚分别为2.78,3.18,4.28 m，煤层倾角10°左右，14煤～15煤,15煤～16煤层间距分别为20和18 m。煤层群顶板充水水源主要为延安组K2,K3,K4含水层，3个含水层距14煤的距离分别为220,120，40 m。工作面采用倾斜长壁采煤方法，后退式回采，全部采用冒落法管理顶板。
一采区北翼下组14,15,16煤现已全部开采完毕，该区域地质构造简单，没有大断层，地质水文条件相对简单。因此，灵新矿煤矿地下水库建设拟选取一采区北翼的若干采空区(分别为14号煤层中的L1614采空区、L1814采空区，15号煤层中的L1615采空区、L1815采空区，16号煤层中的L1616采空区、L1816采空区，如图1所示)作为地下储水空间建设煤矿地下水库。上述各采空区的工作面采宽180 m左右，两工作面间隔煤柱约为25 m。
图1 煤矿地下水库建设区域剖面
Fig.1 Sectional view of construction area of underground coal mine reservoir
2 重复开采覆岩裂隙与渗流通道演化规律
2.1 固液耦合相似模拟试验
研究高盐矿井水在煤矿地下水库中的渗流规律时，覆岩裂隙在重复开采后形成的裂隙网络和渗流通道是关键。为了获取覆岩裂隙网络和渗流动通道特征，采用二维相似模型试验，考虑含水层对覆岩裂隙的影响，相似模拟试验中考虑了固-液耦合过程。同时，基于相似模拟试验分析渗流通道特征，为分析高盐矿井水的渗流和扩散过程提供基础。
二维相似模拟试验模型现场如图2(a)所示。试验模型架子尺寸为3.2 m×0.25 m×1.6 m(长×宽×高)。根据相似模拟试验台尺寸及矿井地质资料，确定模型的相似比见表1。
表1 物理模拟试验相似比
Table 1 Similarity ratio of the physical experiment
相似参数几何参数时间容重弹性模量渗透系数相似比1∶2501∶0.0631∶1.51∶3751∶0.063
图2 固-液耦合相似模拟
Fig.2 Solid-liquid coupling physical simulation
试验中采用了注水系统模拟含水层水压，如图2(b)所示，该系统包括一个装N2的高压罐和一个装碱水的圆柱型容器罐。采用N2加压作为水压控制的动力源，通过解压阀控制压力。最大压力:80 kPa，即8 m高水柱。
由于实验架高度限制，未能把岩层从开挖煤层水平一直模拟至地表，设计模型累高为1.12 m(原型280 m)，对模型未能模拟的上覆岩层厚度为0.48 m(原型120 m)，应采用等效荷载方式实现，模型中未模拟岩层平均容重取1 666.7 kg/m3(原型2 500 kg/m3)。因此，模型需要施加的重力补偿荷载为2.67 kPa。工作面岩层主要力学性能参数及分层厚度见表2。
表2 岩层主要力学性能参数及分层厚度
Table 2 Mechanical parameters and thickness of strata
岩层抗压强度/MPa抗拉强度/MPa密度/(t·m-3)真厚度/m中砂岩37.22.52.669.5 细砂岩(K2)40.62.82.6843.2 粉砂岩43.43.52.6647.8 中砂岩(K3)37.22.52.668.4 粉砂岩43.43.52.6684.1 细砂岩(K4)40.62.82.6817.8 粉砂岩43.43.52.6618.4 14煤18.50.761.402.8粉砂岩43.43.52.6617.315煤18.50.761.403.2粉砂岩43.43.52.6611.316煤18.50.761.404.3泥岩46.03.532.6012.0
根据灵新煤矿岩层主要力学性能参数，结合以往配比经验，选择河砂为骨料，石膏作为胶结物，云母片作为分层材料以模拟岩层层理[25-27]。地层材料分为隔水层、含水层和煤层等，根据室内测定渗透系数和强度(包括抗压和抗拉强度)等数据以及结合相似比，确定了隔水层和含水层中碎石和凡士林配比，模型分层与配比情况见表3。
表3 模型地层材料配比
Table 3 Model formation material ratio
岩层质量/kg沙/石碳酸钙石膏水凡士林备注中砂岩1.310.110.070.070.07隔水层K2含水层(细砂岩)12.10.90.60.7含水层粉砂岩124.4412.443.117.007.00隔水层K3含水层(中砂岩)5.7/3.80.80.50.5含水层粉砂岩389.0638.919.7321.8821.88隔水层K4含水层(细砂岩)12.9/12.91.91.51.5含水层粉砂岩89.468.952.245.035.03隔水层14煤13.711.220.300.76粉砂岩83.898.392.104.7215煤15.431.370.340.86粉砂岩54.645.461.373.0716煤21.051.870.471.17泥岩384.8338.4825.6622.45
按照各分层尺寸自下而上铺设模型，对各分成间撒云母粉，并夯实各层相似模拟材料。隔水层相似材料制作选用河砂作为骨料，碳酸钙、石膏作为胶料，石蜡、凡士林作为隔水添加剂，该配料制作的隔水层相似材料可以实现对原型地层的低强度、大变形和抗水性的相似模拟。含水层相似材料制作选用块石(粒径>10 mm)、卵石(粒径2 mm)、粗砂(粒径<1 mm)为骨料，碳酸钙、石膏作为胶料，通过3种骨料材料的级配可以实现对不同渗透性能含水层的相似模拟。为了防止含水层前后两侧出现渗水的情况，在铺设含水层时，在含水层前后两侧采用了蜡封的措施，以保证含水层中的水不从含水层两侧渗出。将模型自然养护20～30 d。待模型完全干燥、定型后，拆除槽钢，并对含水层加载水压，即可对模型进行开挖。模型中煤层的开采，根据现场工作面开采进度进行模拟。工作面开采顺序为:L1614—L1615—L1616—L1814—L1815—L1816综采工作面。
2.2 相似模拟试验结果分析
开采14煤层L1614工作面，如图3(a)所示，覆岩自下而上相继垮落、断裂、离层，覆岩破坏整体形成一梯形破坏带。覆岩破坏带高度发育至K4含水层底部，裂缝导通K4含水层，分别向工作面上山边缘(图3(a)中Ⅰ处)、中央(图3(a)中Ⅱ处)、下山边缘(图3(a)中Ⅲ处)涌入3股水流。
开采15煤层L1615工作面，如图3(b)所示，由于覆岩重复采动，破坏范围显著向上扩展发育。覆岩破坏带高度发育至K4含水层与K3含水层之间岩层内，在L1615工作面上山边缘新增2处涌水点，涌水点达到5处，分布于工作面下山边缘(图3(b)Ⅳ处)和上山边缘(图3(b)Ⅴ处)，其中以下山边缘的涌水现象最为明显。开采16煤层L1616工作面，如图3(c)所示，覆岩破坏范围进一步向上扩展发育。覆岩破坏带高度发育至K3含水层下边界，L1616工作面上山边缘新增2处涌水点，如图3(c)所示。接续开采14煤层L1814工作面，如图3(d)所示，L1814采空区上方覆岩形成独立梯形破坏带。破坏带高度发育至K4含水层底部，但因上山原采空区覆岩破坏，水源径流路径被破坏，L1814涌水主要集中在采空区上山方向(图3(d)中Ⅷ处)，采空区下山边缘(图3(d)中Ⅸ处)只出现少量涌水。开采15煤层L1815工作面,如图3(e)所示，当L1815倾向推进至L1614,L1814工作面间隔离煤柱正下方时，发生强烈的顶板来压现象，L1814与L1614工作面隔离煤柱塑化;覆岩垮落异常发育，L1814新破坏带与上山方向破坏带贯通，连成一更大范围的破坏带。L1815工作面开采上方覆岩离层发育至K3含水层底部，L1814采空区新增涌水点及涌水量有所减少，涌水点集中在采空区上山边缘(图3(e)中Ⅹ处)。开采16煤层L1816工作面,如图3(f)所示，覆岩垮落异常发育，发育高度达到150 m左右，覆岩破坏带高度发育至K3含水层内，覆岩呈内凹型，下山裂缝连线开裂程度比上山方向大;下山采空区无涌水，上山采空区多处涌水(图3(f)中Ⅺ处)。
图3 不同工作面采动后裂隙及涌水模型试验
Fig.3 Modelling results of fractures and water bursting during the repeated mining of different mining faces
在所有工作面开采完成后得到的裂隙分布及涌水结果如图4所示。其中,图4(a)为模型试验现场结果，图4(b)为根据现场照片进行像素二值化处理后得到的裂隙网络分布图。总体上，在工作面邻近岩层有较密集的离层裂隙，采空区上山覆岩、下山覆岩和中部有明显的断裂裂隙，L1614和L1616采空区上山和下山边缘有较为明显的涌水现象，且涌水来源与K4含水层。因此，渗流通道主要集中于上述区域，且连通K4含水层。离层裂隙和岩层断裂裂隙扩展到了K3和K2含水层，但K3和K2含水层未出现明显的渗流过程，表明渗流通道不通畅。图4(b)提供了裂隙分布特征，但由于像素识别困难，不能提供更为精确的裂隙结构，尤其岩层断裂和内部裂隙通道。因此，需要采用数值模拟进一步分析采动裂隙通道，并基于数值模拟结果进行高盐矿井水渗流规律的分析。
图4 开采完成后试验现场图及裂隙网络
Fig.4 Overall drawing of modelling experiment and the
characterized fracture network
2.3 采动裂隙数值模拟
根据灵新煤矿地质资料，对于L1614～L1615和L1814～L1815工作面宽度，以及结合相似模型试验尺寸，建立灵新煤矿采动数值模型。考虑到开采后应力重分布及变形特征，将采动地质体简化为平面问题，基于3DEC数值模拟软件，建立的数值计算模型如图5(a)所示。数值模型厚度为10 m。考虑采动对工作面临近岩层的强扰动，对工作面临近岩层的模拟节理划分进行了局部加密。如图5(b)所示，为了使岩层垮落更加合理，不同岩层之间的模拟节理面进行了错落式层叠，节理间距从L1616和L1816工作面向上，逐渐放大，其中，底层节理间距为5 m，地表最大节理间距28 m。根据实际开采步骤，从L1614～L1616,L1814～L1816依次进行开采计算，工作面开采区域如图5(c)所示。
图5 采动裂隙数值模拟
Fig.5 Numerical simulation of mining-induced fractures
图6(a)为分布开挖后计算得到的位移云图，由图6(a)可知，最大位移发生在采空区中部，对比图6(a)和图4(a),数值模拟得到的岩层垮落外轮廓线与相似模型试验结果近似。图6(b)为覆岩裂隙分布图，密集裂隙主要分布于采空区邻近岩层，表现为离层裂隙和部分断裂裂隙，近地面裂隙主要为离层裂隙且扩展至K3含水层。基于数值模拟结果，后处理时设置为只显示裂隙轮廓线，得到裂隙网络如图6(c)所示。对比图6(c)和图4(b)可知，数值模拟的裂隙网络图与相似模型试验结果尽管在裂隙分布上具有一定的差异，但总体上，裂隙网络分布区域较为接近。总体裂隙主要分布于采空区邻近地层、上山位置和下山位置并延伸至K3含水层。由于试验场地高度限制，相似模拟中模型高度地表软土层及以下小部分区域未进行模拟，模型试验最大高度大约位于图6(c)中的虚线位置。数值与试验结果显示，模型右侧最大裂隙分布高度与数值模拟近似，且均出现了较大的离层裂隙。图6(c)中的Ⅰ～Ⅺ分别对应于图3中的涌水通道特征，可见数值模拟得到的裂隙网络能够全部涵盖相似模拟试验中的涌水通道特征点，此外，数值模拟的裂隙网络能够提供更多的断裂裂隙细节。因此，数值模拟的裂隙网络较为可靠，可以作为后续裂隙渗流过程数值分析的裂隙模型。
图6 重复开采后的位移云图、裂隙图和裂隙网络提取图
Fig.6 After repeated mining,displacement cloud diagram,
fracture diagram and fracture network extraction diagram
3 地下水库注水渗流场分析
3.1 渗流-扩散数值模型的建立
基于图6(c)，得到裂隙网络中单个裂隙节点坐标数据后，在GMSH软件中，首先建立裂隙网络线单元，随后建立地层模型，最后进行布尔运算，建立含裂隙网络的二维平面模型。采用三角形单元并在裂隙附近进行加密，其中裂隙为一维线单元。最终建立了采动裂隙网络的数值计算模型，如图7所示。
图7 渗流数值模拟模型
Fig.7 Seepage numerical simulation model
整个模型为原型的1∶1比例，考虑细砂岩与粉砂岩渗透率相对裂隙较小，且数值模拟重点关注裂隙中渗流情况，因此，细砂岩与粉砂岩岩层在数值模型中统一为一种材料组。模型中材料组分为底部泥岩、粉细砂岩、含水层K2、含水层K3、含水层K4和3种裂隙。单元尺寸最小为0.5 m，最大为30 m。裂隙单元尺寸控制在1 m以内。
根据相似模拟试验的裂隙结果(图4(a))和数值模拟裂隙(图6(b))将裂隙开度大体上分成了3类，如图8所示，红色裂隙为开度较大的裂隙，灰色裂隙开度其次，绿色裂隙开度最小。
图8 裂隙分类示意
Fig.8 Fracture classification diagram
采用OpenGeoSys数值模拟平台进行计算，该软件在涉及温度-渗流-应力-化学等多物理场耦合问题的多个领域中均有应用[28]。本次计算所采用的数值模拟参数见表4,5。采用浓盐水模拟高矿化度矿井水，表4中盐离子在水中扩散系数参考了文献[29]。表5中泥岩、砂岩和含水层的孔隙率、曲度和渗透率参考文献[30]中的参数，对于弥散系数，主要参考文献[31]中的参数。
表4 流体物理参数
Table 4 Fluid physical parameter
流体密度/(kg·m-3)黏度/(Pa·s)扩散系数/(m2·s-1)水1 0000.000 13.57×10-6浓盐水1 2000.000 1
表5 岩层渗流数值模拟参数
Table 5 Numerical simulation parameters of rock seepage
材料或裂隙种类孔隙率孔隙曲度渗透率/m2开度参数弥散系数/m横向径向泥岩0.18110-29———粉/细砂岩0.20110-15—0.010.01含水层K20.2812×10-11—0.10.1含水层K30.30110-10—0.10.1含水层K40.35110-9—0.10.1大开度裂隙112.08×10-20.522中开度裂隙113.33×10-30.222小开度裂隙118.33×10-60.0122
3.2 采动裂隙渗流数值模拟过程
在数值模拟过程中，考虑到煤层开采后，由于采空区排水，上覆岩层裂隙通道导致含水层中水压接近0，因而设定初始渗流压力场为0。考虑注水压力较大(设定最大注水压力水头为100 m)，因此，可忽略K4含水层中水的补给对渗流场的影响。由于裂隙网络未到达K2含水层且粉砂岩渗透率较低，也忽略K2含水层中水的补给水压。而裂隙网络到达了K3含水层，因此，设定K3含水层接近地表处有补给水源。
在OpenGeoSys数值模拟软件中考虑质量守恒和压力平衡，常规渗流无法计算注水后的流体分散区域。因此，在计算渗流场时，采用了物质追踪的方法分析浓盐水渗流范围。设初始渗流场压力为0，追踪物质为0。数值计算模型的边界条件如图9所示。
图9 渗流场与浓度场计算数值模型边界
Fig.9 Numerical model boundary of seepage field and
concentration field is calculated
在数值模型中，考虑K4含水层在煤层开采时降水释放全部水压，因此，在K4含水层的2个边界处设定水压为0，但考虑地表水和深部孔隙水缓慢补给影响浓度场扩散，因此设定边界处浓度为0。首先计算在采空区注水至100 m水头过程中的渗流场演化过程，随后计算50 a的浓度场变化过程。
3.3 注水条件下裂隙渗流规律
注水数值模拟过程中，计算时间步数采用Neumann自动时间步长法，设定注水压力达到100 m水头需要0.5 a，最终计算了6步达到最终平衡。采动裂隙网络中的注水渗流过程如图10所示，其中,红色线条代表浓盐水沿着采空区裂隙的渗流路径。
图10 注水条件下渗流过程
Fig.10 Seepage process under water injection condition
图11 注水后浓度场演化
Fig.11 Evolution diagram of concentration field after injection
由图10(a)可知，在注水后的很短时间内，水流在注水点附近，而注水开始后，盐水沿着采空区裂隙流动(图10(b))，随后，如图10(c)所示，浓盐水沿着垮落带裂隙流动并进入上部采空区及附近裂隙，且浓盐水进入K4含水层。由图10(d)可知，浓盐水在进入K4含水层之后，主要沿着含水层流动，并随后进入部分不连通裂隙区(图10(e))以及在采空区上方的覆岩中发生缓慢流动(图10(f))。
综上所述，在注水后，采动裂隙中浓盐水先沿着采空区流进，随后沿着上方覆岩破裂区进入K4含水层，最终在K4含水层及其邻近覆岩断裂裂隙中流动。
3.4 注水后浓度场演化规律
在注水1 a后，如图11(a)所示，浓盐水主要在裂隙中、断裂带中破碎岩层中有部分分布。在注水5～10 a内，如图11(b)，(c)所示，裂隙中的浓盐水逐步向岩体中扩散，L1614上山断裂裂隙中浓盐水扩散较快，主要原因在于浓盐水深入破裂裂隙中，在浓度梯度的作用下，沿裂隙水扩散。此外，L1814下山方向的K4含水层中有浓盐水扩散，而采空区中部裂隙中浓盐水扩散不明显。在注水20 a后，如图11(d)～(g)所示，采空区中部破碎岩层中浓盐水扩散较为明显，两侧的断裂裂隙中浓盐水扩撒速度较慢，而K4含水层中浓盐水阔山较为显著。总体上，在注水50 a时，会有较小相对浓度的浓盐水进入到K3含水层，主要采空区中部断裂裂隙，浓盐水相对浓度0.1～0.3。
4 结 论
(1)数值模拟的采动裂隙网络分布与相似模拟试验结果相似，在煤层群开采后，采空区围岩的离层裂隙和岩层断裂裂隙相互导通并扩展至K4含水层，采空区涌水来源于距煤层较近的K4含水层。K3含水层与采空区之间未出现明显的渗流路劲，表明渗流通道不通畅，认为煤层群开采对K3含水层的影响不大。
(2)注水条件下，高浓度盐水首先在裂隙采空区流动，随后沿着覆岩断裂裂隙进入K4含水层，并最终在K4含水层及其邻近覆岩断裂裂隙中流动，渗流场离K3含水层较远。浓度场在自身重力所用下，在10 a后扩散速度减缓，在50 a内，浓度场主要在K4含水层邻近覆岩、K4含水层和底部泥岩中扩散，K3含水层中有少量盐水分布。
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