煤炭高强度重复采动下地下水资源漏失规律研究

许 峰，靳德武，高振宇，何 渊，王世东，石 磊，黄 欢，段建华

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；
2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710054；
3.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315）

西部煤炭资源开发肩负着保障我国基础能源自主供给的重任。但西部地区生态环境脆弱，地下水资源缺乏，煤炭资源的高强度开发易造成生态环境、地下水的扰动，从而引发一系列水文地质环境问题。因此，近年来围绕我国西部煤炭资源高效开发与生态环境、地下水资源保护协调发展等方面的研究越来越多，已成为目前的研究热点之一。如李崇茂[1]提出了“煤炭资源开采系统和水资源生态系统协同”理念，建立了煤炭资源开采系统和水资源生态系统健康度评价体系，分析了内蒙古地区煤炭开采与水资源生态系统的协同规律等；
范立民等[2]总结了西部矿区30年以来保水采煤研究成果，并指出保水采煤今后将以采煤岩层移动机理、煤水关系、西部矿井导水裂隙带发育规律等方面为研究的方向和重点；
徐智敏等[3]以大南湖矿区为研究对象，采用相似模拟、数值模拟等手段，对该区煤炭开采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的可行性进行了研究；
王双明等[4]根据多年研究提出了西部煤炭资源开发减损开采面临的四大关键问题，构建了西部生态脆弱区煤炭减损开采技术体系，并从地质勘探工作、精细化勘探手段、多学科交叉融合、新材料、新方法、新工艺研发等方面对煤炭减损开采技术进行了展望；
焦养泉等[5]以鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系为目标，揭示和阐明地下水源、输导通道与可采煤层（或其他矿产资源）的空间配置关系与分布规律，构建了地下水格架模型，为煤炭资源开发与地下水资源保护、防控提供了技术支撑；
赵春虎等[6]提出了榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层3种涌水模式，并分析了每种模式的顶板涌水规律，指出导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施等。

包括以上在内的一系列研究[7-12]极大丰富了煤炭高效开采与生态环境、水资源协同保护等方面理论与技术措施。由于西部煤炭资源开发相对较晚，多数矿井开采浅部单一煤层，尚未进行大规模的深部多层煤层开采，多数研究主要集中在单一煤层开采后顶板覆岩破坏和地下水资源运移规律方面[13-17]，而对于多层煤层重复采动对地下水资源影响规律方面的研究相对较少。

因此，笔者以神东矿区布尔台煤矿为例，采用现场实测、数值模拟等手段，对该区主采煤层重复采动顶板导水裂隙带的发育高度进行了实测与计算，同时采用数值方法预测了煤层重复开采条件下地下水资源的漏失量，分析了典型工作面开采涌水规律以及地下水位动态变化规律等，进一步完善多煤层保水开采理论，为实现我国西部煤炭资源的绿色开发提供支撑。

图1 神东矿区布尔台井田地层综合柱状图Fig. 1 Comprehensive stratigraphic histogram of Buertai minefield in Shendong mining area

根据矿井历年水文地质勘探成果表明，矿区含水层自上而下划分为5个含水层组：松散孔隙潜水含水层组、白垩系志丹群裂隙含水层组、侏罗系直罗组裂隙含水层组、侏罗系延安组裂隙含水层组和三叠系延长组裂隙含水层组。其中松散孔隙潜水含水层厚度为0～35 m，矿区内广泛分布，水位埋深6～30 m，平均20.7 m，水位标高为+1 266～+1 336 m，泉流量为0.013 4～0.16 L/s，富水性弱；
白垩系志丹群裂隙含水层厚度为0～289.3 m，平均107 m，水位标高为+1 291.9～+1 304.1 m，单位涌水量q为0.005 3～0.055 L/（s·m），渗透系数K为0.012 2～0.053 1 m/d；
侏罗系直罗组裂隙含水层厚度为2.7～146.0 ，大部分地区在20～60 m，平均厚度30.8 m，水位标高+1 250～+1 302 m，单位涌水量q为0.008～0.016 L/（s·m），渗透系数K为0.002 3～0.047 3 m/d；
侏罗系延安组裂隙含水层厚度为12.8～105.2 m，平均65.28 m，水位标高+1 258.9～+1 324.7 m，单位涌水量q为0.002 3～0.029 2 L/（s·m），渗透系数（K）为0.001 1～0.036 1 m/d，富水性弱。

矿区内较为稳定的相对隔水层自上而下分为3层：直罗组顶部泥岩粉砂岩交互隔水层、延安组顶部泥岩粉砂岩交互隔水层、52煤底部相对隔水层。主采煤层与主要含（隔）水层的空间关系如图2所示。

图2 布尔台井田煤-水空间发育组合关系Fig. 2 Coal-water spatial development association in Buertai coalfield

从剖面上来看，主采煤层与顶板主要含（隔）水层呈交互分布特征，煤层开采直接充水含水层为延安组基岩裂隙含水层，其中42上煤与22煤之间的平均层间距为80 m,直罗组含水层底板与22煤之间的平均层间距为64 m，白垩系含水层底板与直罗组含水层底板之间的平均层间距为144 m。

煤层采动后导致顶板含水层地下水资源漏失的主要通道为导水裂隙，准确掌握导水裂隙的发育高度，是实现煤炭水资源保护性开采的重要基础[18-22]，笔者以布尔台矿42202工作面为研究对象，采用数值模拟、井-地联合微震监测等方法，研究22煤与42上煤重复采动下顶板覆岩破坏规律。

2.1 42202工作面概况

布尔台42202工作面位于井田二盘区，主采42上煤，煤层平均厚度为5.99 m，工作面走向长度约为4 485 m，采用综采一次采全高开采工艺。工作面范围内42上煤近水平，顶板标高约为+930 m，工作面顶板距22煤采空区65～87 m，距直罗组含水层底界110～128 m，距白垩系志丹群含水层底界227～282 m，如图3所示。

2.2 顶板覆岩破坏数值模拟分析

采用FLAC3D软件对42202工作面开采顶板覆岩破坏态特征进行模拟计算。42上煤层顶板周期来压步距为30 m左右，针对42202工作面模拟开挖布距设定为30 m。分别模拟在工作面开采30、60、90、120、150 m共5种情况下顶板的应力场、裂隙场等变化特征。

模拟结果表明：采空区开切眼处和掘进端处的应力相对集中，明显高于围岩应力10 MPa左右，采空区顶部应力明显小于围岩应力直至为0，表明采空区顶部岩体向下垮落，接触面岩体与上覆岩体无应力传递，形成应力真空。集中应力和应力真空位置处岩体与围岩岩体由于应力差异大，导致剪切破坏的产生，如图4所示。

图3 42202工作面平面与剖面示意Fig.3 Plan and profile of No.42202 working face

随工作面向前推进，顶板岩层逐渐形成马鞍形破坏带。回采30 m后，掘进两帮处出现竖向剪切破坏带（图5a）；
回采至60 m处，开切眼和掘进端煤层顶板的剪切破坏明显，采空区顶板形成向下凹陷的破坏区（图5b）；
回采至120～150 m处（图5d—图5e），顶板破坏达到22煤采空区位置并穿透采空区，随后破坏逐渐稳定，破坏高度约为顶板以上130 m。

2.3 井-地联合微震监测分析

采用井-地联合微震监测方法，针对42202工作面共设计布置21个井下测点，地面设计7个测点，具体测点布置如图6所示。

采用纵波检波器接受煤岩破裂产生的纵波。井下测点传感器借助锚杆固定于顶板靠近工作面外侧的巷道顶板上（图7）。地面测点传感器埋设于地表下2 m，用水泥浆固定，同时配套蓄电池与立杆底座（图8）。

经过长达4个月的监测，共接收到顶板微震事件32 794个，其中98.9%的微震事件发生在标高+930～+1 090 m区间内，即从42上煤层顶板至其上方160 m范围内，如图9所示。

根据微震事件定位结果绘制出其在工作面走向方向上的平面分布图（图10）。根据平面分布图显示，在标高+965 m以下层位微震事件集中，分析为采动后的顶板垮落范围，高度距煤层顶板约35 m。

图4 不同回采距离围岩应力变化云图Fig.4 Nephogram of stress change of surrounding rock at different mining distance

同时可以看出，裂隙发育标高达到+1 090 m左右，高度距煤层顶板约160 m。

数值模拟与现场测试结果表明，42上煤开采后垮落带发育到了22煤采空区，2种方法获得的导水裂隙带最大发育高度虽然有所差别，但不管采用哪种方法获得的数据与工作面上覆含水层的空间位置对比可知，导水裂隙带已发育沟通了延安组和直罗组含水层，但未沟通白垩系志丹群含水层。

基于导水裂隙带发育监测成果，采用数值法对42202工作面回采过程中的涌水量（含水层漏失量）进行预测。工作面主要充水含水层包括侏罗系延安组及直罗组含水层，由于22煤上覆采空区积水已在工作面采前疏放完毕，因此，采空区积水对工作面涌水影响较小，可不做考虑，仅以正常导水裂隙导通上覆基岩裂隙含水层形成的地下水渗流场为模式进行涌水量预测。

图5 不同回采距离围岩塑性区Fig.5 Surrounding rock plastic zone at different mining distances

图6 微震监测点布置Fig.6 Layout of microseismic monitoring points

图7 井下传感器安装Fig.7 Sensor installation in tunnel

图8 地面传感器安装Fig.8 Sensor installation on surface

利用工作面地层数据构建研究区三维地质模型（图11），同时经过补给、径流和排泄条件分析以及边界条件概化，构建模拟区水文地质概念模型，并得到三维非均质、各向异性、非稳定地下水流的数学模型，可用下列方程组来描述。

式中：H为水头，m；
K为渗透系数，m/d；
Ss为弹性释水率，l/d；
W为降水入渗补给、蒸散发强度，m2/d；
μ为给水度；
x，y，z为空间坐标变量，m；
t为时间变量，d；
Ω为渗流区域；
Γ1为研究区一类水头边界；
Γ2为潜水面边界；
n为各边界面的法线方向；
H0为模拟区初始流场。

采用FEFLOW软件进行数学模型的求解。根据有限元原理，遵循相应的剖分原则，对研究区进行三角网格剖分，并且在此基础上，对42202工作面所在二盘区进行网格加密剖分。通过模拟计算，工作面采后涌水量为63 m3/h。

图9 顶板微震事件随标高分布Fig.9 Distribution of microseismic events on roof with elevation

图10 顶板微震事件密度云图（沿工作面走向方向）Fig.10 Cloud chart of roof microseismic event density （along the strike direction of working face）

4.1 工作面涌水规律

42202工作面于2018年10月开始回采，至2020年4月回采完毕，工作面涌水量为8～88 m3/h。工作面涌水总体呈先增加后衰减的趋势，如图12所示。其中工作面开切眼至1 000 m范围内，涌水量呈逐渐增大趋势，最大达到88 m3/h，工作面回采1 000 m至终采线时涌水量呈逐渐降低的趋势，最终稳定在38 m3/h。工作面平均涌水量为55 m3/h，与第3章节预测值较接近，进一步说明工作面的涌水主要来自顶板延安组与直罗组含水层。

图11 模拟区三维地层模型Fig.11 3D stratigraphic model of simulation area

图12 工作面涌水量变化趋势Fig.12 Variation trend of water inflow in working face

4.2 主要含水层水位动态变化规律

根据42202工作面周边钻孔监测数据显示，工作面回采期间，延安组含水层水位在呈现逐渐下降趋势，下降幅度达到57.3 m；
直罗组含水层也呈逐渐下降趋势，下降幅度为11.9 m，较延安组含水层变化较小；
白垩系志丹群含水层水位基本维持稳定，且有稍许上涨，如图13所示。

图13 主要含水层水位动态变化趋势Fig.13 Dynamic change trend of water level in main

从上述主要含水层变化趋势可以看出，42上煤开采对延安组含水层的扰动最大，水位下降明显，同时，由于重复采动的影响，导水裂隙带沟通直罗组含水层，直罗组含水层水也进入了采空区，但相比延安组含水层，煤层开采对其扰动程度有所下降；
而白垩系志丹群含水层水位基本维持稳定，也进一步印证了42上煤与22煤重复采动后，导水裂隙带未发育至志丹群含水层。

通过以上分析可知，顶板含水层涌水机理为煤层采动导水裂隙带突破隔水关键层，进而沟通顶板主要含水层，在一定水压驱动下，含水层水漏失进入井下采空区，导致工作面涌水增大。在无导水构造的情况下，煤层采动导水裂隙是地下水资源漏失的主要通道，其发育高度决定了煤炭开采对含水层的扰动程度，抑制煤层开采后顶板导水裂隙带发育是实现西部大型矿区保水采煤的关键点，尤其是随着西部煤岩资源的深部开发，多层煤层开采后覆岩破断规律及其多场耦合特征、导水裂隙带的演化规律是今后重要的研究方向。

1）通过分析神东矿区布尔台煤矿水文地质条件，揭示了矿区煤-水发育的组合特征，显示矿区主采煤层顶板主要为含、隔水层交互分布空间模式。主要含水层为延安组、直罗组以及白垩系志丹群含水层。

2）采用数值模拟和微震现场监测的手段，获取了多煤层开采顶板覆破坏规律，显示布尔台煤矿42上煤开采后，导水裂隙带的发育高度约为160 m，裂采比约为26.7。导水裂隙带沟通了延安组、直罗组含水层，但未沟通白垩系志丹群含水层。

3）基于导水裂隙带监测数据，采用数值方法预测了布尔台煤矿42202工作面采后涌水量为63 m3/h，与实际涌水量（平均55 m3/h）较为接近，验证了工作面开采主要充水含水层为延安组与直罗组含水层。

4）42202工作面采后延安组含水层水位下降幅度达到57.3 m，直罗组含水层水位下降11.9 m，白垩系志丹群含水层水位基本维持稳定。由此可知，煤层采后对延安组含水层扰动程度最大，对直罗组扰动程度次之，而并没有对白垩系志丹群含水层造成影响。

5）煤层采动导水裂隙带是地下水资源漏失的主要通道，其发育高度决定了煤炭开采对含水层的扰动程度，抑制煤层开采后顶板导水裂隙带发育是实现西部大型矿区保水采煤的关键点，尤其是随着西部煤岩资源的深部开发，多层煤层开采后覆岩破断规律及其多场耦合特征、导水裂隙带的演化规律是今后重要的研究方向。

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