生態(tài)脆弱礦區(qū)松散含水層下采煤保護土層合理厚度

李 濤，王蘇健，韓 磊，高 穎

(1.西安科技大學 地質資源與地質工程博士后流動站 710065；2.陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司 710065；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程中心 710065)

生態(tài)脆弱礦區(qū)松散含水層下采煤保護土層合理厚度

李 濤1,2,3，王蘇健2,3，韓 磊2,3，高 穎2,3

(1.西安科技大學 地質資源與地質工程博士后流動站 710065；2.陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司 710065；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程中心 710065)

為保護生態(tài)脆弱礦區(qū)的生態(tài)潛水位，對采煤保護土層厚度的合理厚度進行研究。基于地下水動力學，分析了采動潛水位越流變化機理，并采用水-電相似模擬技術，模擬了采后不同有效隔水層厚度及其物理特性條件下潛水位變化規(guī)律。研究結果表明：煤炭開采，越流水位差越大，采后有效隔水層隔水能力越差，采動潛水位降深越大。研究區(qū)典型地質條件下，采后有效隔水層為42.6 m的離石黃土或21.0 m的保德紅土時，潛水不會顯著漏失。多種軟件耦合實現了煤炭開采工作面水-電相似模擬，得到了研究區(qū)典型采礦地質條件下不同有效隔水層厚度與潛水位降深的關系，水-電模擬結果與理論研究結果相吻合，并得到了工程實踐的初步驗證。

保水采煤；保護層；相似模擬；土層；越流

隨著煤炭戰(zhàn)略發(fā)展西移，我國煤炭開采與生態(tài)保護的矛盾日益突出，“保水采煤”成為了研究的熱點。范立民等在《我國西部侏羅紀煤田(榆神府礦區(qū))保水采煤及地質環(huán)境綜合研究》項目中首次提出了“保水采煤”一詞[1]；其后，大量研究成果相繼涌現，依據“保水”的思路可以分為“保水位”和“保水量”兩種。其中，“保水位”為主的研究，關注的是采動煤-水關系的演化，即采礦對含水層的影響控制在可以接受的范圍內，相關研究有：王雙明等提出了基于生態(tài)水位保水采煤理論[2]；黃慶享提出了隔水關鍵層穩(wěn)定性理論，揭示了隔水層“上行裂隙”和“下行裂隙”發(fā)育規(guī)律[3-4]和彌合特性[5]，提出了隔水層穩(wěn)定性判據和保水開采的分類指標[6],并建立了條帶充填保水開采的隔水層穩(wěn)定性理論[7]；張東升等研究了砂基型“保水采煤”技術等[8]?！氨Ｋ俊睘橹鞯难芯?，關注的是水資源采動循環(huán)、時空均衡、復用等，將采動影響的水資源采用一定的技術重新利用，相關研究有：武強提出了三位一體系統(tǒng)來保護生態(tài)環(huán)境[9]；彭蘇萍提出了煤礦區(qū)水資源保護、科學利用和合理配置的戰(zhàn)略路徑[10]；顧大釗提出了地下水庫理論和技術系統(tǒng)[11]；李文平提出了“保水采煤”工程地質條件分區(qū)[12]；孫亞軍提出了含水層轉移存儲“保水采煤”技術[13]；李濤研究了煤炭開采含隔水層結構變異及水資源動態(tài)變化[14]等。

水位、水量和水質是“保水采煤”關注的水體三個要素，三者是相互關聯(lián)、相互影響、相互轉換，具體的采礦、地質條件采用適用的“保水”技術才能達到協(xié)調煤炭開采與水資源保護的目的。其中，在生態(tài)水位敏感的流域區(qū)域必須控制生態(tài)水位[15]，要控制生態(tài)水位需要研究采動水位變化機理，特別是采動垂向滲流及越流機理，進而提出相應的“保水采煤”措施。目前對榆神府區(qū)采煤“三帶”發(fā)育規(guī)律的研究已相對成熟[16-18]，但配套的隔水保護層厚度的研究較少，特別是考慮保護越流和生態(tài)適生水位的保護層厚度研究鮮見報道。隨著榆神礦區(qū)開采地質條件逐步從“砂-基”型演變?yōu)椤吧?土-基”型[12]，未來這一區(qū)域的開采將面臨厚土層條件(土層普遍在40 m以上，甚至超過100 m[19])，基于“保水采煤”的保護土層合理厚度亟待研究。

本文建立“保水采煤”地下水動力學模型，采用水-電模型模擬煤層開采保護層厚度對潛水位降深的影響，分析生態(tài)脆弱礦區(qū)松散含水層下采煤保護土層的合理厚度。

1 “保水采煤”中保護層意義

1.1 研究區(qū)水文地質工程地質條件

研究區(qū)為陜北神南礦區(qū)，區(qū)內主要含隔水層自上而下依次為松散砂層含水層、離石黃土隔水層、保德紅土隔水層、風化基巖含水層、基巖相對隔水層(含煤層)，其主要特征見表1。

表1 研究區(qū)主要含隔水層特性

Table 1 Characteristics of aquifer and aquifuge in study area

含隔水層特征松散砂層含水層區(qū)內主要含水層,平均厚度10m,滲透系數平均3.88m/d,潛水位平均2.5m黃土隔水層兩土層區(qū)內普遍賦存,厚度集中在40～70m,黃土平均滲透系數紅土隔水層0.017m/d,紅土平均滲透系數0.0084m/d風化基巖含水層含水層,平均厚度30m,滲透系數平均0.0838m/d基巖相對隔水層(含煤層)粉砂巖為主,局部有極弱富水含水層

1.2 問題的提出

“三下采煤規(guī)程”[22]指出導水裂隙帶與水體之間應有合理的保護層厚度，防止水害的發(fā)生。對于緩傾斜和中傾斜煤層，“三下采煤規(guī)程”規(guī)定，防水安全煤巖柱的保護層厚度可根據有無松散層以及底部黏性土層厚度等情況按表2中的數值選取。

表2 防水安全煤巖柱保護層厚度

Table 2 Thickness of protective seam of the water barrier

覆巖巖性松散層底板黏性土層厚度大于累計采厚松散層底板黏性土層厚度小于累計采厚松散層全厚大于累計采厚松散層全厚小于累計采厚堅硬4A5A6A7A中硬3A4A5A6A軟弱2A3A4A5A極軟弱2A2A3A4A

表2中A不分層時為采厚，分層時為各分層的平均采厚。由表2可見，防水煤柱與松散層厚度、黏性土層厚度及采高有關，這在我國東部開采條件下取得了成效，符合我國東部礦區(qū)的實際。但在我國西北地區(qū)采礦、地質條件發(fā)生了較大的變化，主要表現在：

(1)松散層底板黏性土層的滲透性差異沒有考慮。黏性土的滲透系數跨越多個數量級，小于10-5cm/s的土層均為黏性土。特別是我國東部礦區(qū)底部黏性土與我國西北黃土(紅土)滲透性差距在1～2個數量級，因此，不可以忽略土層的滲透性差異，而直接利用我國東部礦區(qū)經驗。

(2)開采強度加大。采煤工藝已經從過去的炮采為主變化為高強度的長壁綜合機械化采煤，這使得采動隔水土層的滲透性影響有較大差異，不可直接借鑒過去開采條件下的經驗。

(3)我國東部降水豐富，潛水位低，而我國西北地區(qū)總體降水量低，潛水位受采動影響敏感，地表生態(tài)環(huán)境脆弱，因此保護層的合理存在不僅有防水害的意義，更有保護生態(tài)潛水位的意義，應該結合地質、水文條件研究提出符合生態(tài)脆弱區(qū)的保護層厚度計算方法。

因此，本次研究建立了以下地下水越流模型，并求取其解析解，剖析生態(tài)脆弱礦區(qū)保護層厚度合理控制的機理。

2 保護層合理厚度的3層越流模型分析

2.1 模型的建立

如圖1所示的潛水-弱透水-承壓水3層水文模型，圖中1～3層分別是松散砂層含水層，弱透水土層(黃土和紅土)和風化基巖含水層，mn，Kn，Tn，μn，an分別為第n層的層厚，滲透系數，導水系數，貯水系數(給水度)和壓力傳導系數。天然狀態(tài)下，3層有一定的水力聯(lián)系，有近似的水位。但隨著采動依次會發(fā)生以下幾個過程的變化：

圖1 3層結構越流模型

(1)當上行導水裂隙帶發(fā)育到風化基巖含水層(圖1中的第3層)時，風化基巖含水層被疏放使得風化基巖含水層與松散含水層產生水頭差，達到土層起始滲透坡度時發(fā)生潛水向承壓水的越流。

(2)隨著上行導水裂隙發(fā)育到土層(圖1中的第2層)，土層整體滲透性增大，松散含水層通過弱透水含水層補給風化基巖量增大。

(3)考慮“下行裂隙”對隔水土層厚度的侵蝕[5-6]，當土層總體隔水性降低到一個極限時，松散砂層含水層越流補給產生的潛水位降深S1大于生態(tài)允許降深，保護土層失效，生態(tài)環(huán)境大面積破壞。

因此，需要建立對風化基巖含水層以定流量Q抽水驅動下，不同弱透水土層厚度m2與松散砂層潛水降深S1的函數關系模型。當S1為生態(tài)允許降深的最大值時，對應土層厚度m2即為該條件下的最小保護層厚度。

2.2 模型的解析

上述模型的非穩(wěn)定流基本方程式為

式中,h1，h2，h3分別為第1～3層抽水過程中地下水位，m；S2,S3分別為第2，3層的降深，m;r,z分別為抽水模型徑向和垂向坐標，如圖1所示。

模型的初始及邊界條件為

式中,h0為3層的天然統(tǒng)一水位，m。

其次，基于內地股市“杠桿效應”的存在，監(jiān)管當局應該謹慎對待港股市場的風險輸入，防止外部沖擊帶來的破壞性；另一方面也要采取有效措施控制內地股市的風險因素。具體而言，監(jiān)管部門應警惕兩地市場的動態(tài)變化，縮短認識時滯，制定合理的金融機構的業(yè)務范圍；同時，以各種中介渠道積極引導投資者的理性投資行為，增強投資者風險防范意識。

依據文獻[16]中的解析方法，對模型進行拉氏變換后再進行Hankel變換及逆變換，由于研究區(qū)工作面開采時間t容易滿足式(3)，可以簡化模型解析并進行拉氏逆變換，最終得到模型的解析解為

當時間t趨于無窮大時，

s1(r,

式中，R為影響半徑，m；rw為虛擬抽水井半徑，m；K0(x)為零階第2類虛宗量Bessel函數。

2.3 保護層厚度理論計算

陜北地區(qū)的潛水位埋深最有利于植被生長在1.5～5 m[19]，為了達到“保水采煤”的目的，研究區(qū)平均潛水位2.5 m，采動越流平均允許下降2.5 m。

表3 保護層計算

Table 3 Calculation of protective layer

土層性質滲透系數/(m·d-1)保護層厚度/m黃土0.017042.6紅土0.008421.0

3 合理保護層厚度的水-電相似模擬

目前，煤炭開采地下水滲流的模擬技術主要包括以采動巖土體裂隙場演化為基礎的裂隙滲流模擬技術(如UDEC軟件)和地下水動力學為基礎的地下水滲流模擬技術(如Visual Modflow軟件)。前者對裂隙水理性(如不同裂隙開度的滲透性等)有較好的模擬，但對松散砂層含水層滲流、越流及水力邊界條件等模擬有局限性；后者對含隔水層結構穩(wěn)定的大區(qū)域滲流場演化有較好的模擬，但對開采擾動含隔水層結構及連續(xù)性變異的地下水滲流模擬有局限性。因此，本次研究采用Matlab軟件中電路模塊結合采動裂隙場演化模擬軟件，模擬采煤工作面多層含隔水結構的滲流場演化，進而得出不同采動有效隔水層對應的潛水位降深，得出合理保護層厚度。

3.1 水-電相似原理

水滲流和電流兩個系統(tǒng)均受拉普拉斯方程控制，其滿足相似基本條件，因此可以用電路來模擬水滲流[21]。該項技術在20世紀60年代就在國際上廣泛應用，電網絡模擬技術一般是用電阻來模擬含水層的透水性，用電容儲存、釋放電量來模擬含水層中水儲存和釋放的R-C電網絡模擬方法。近年來，該方法受限于搭建電路模型實物的大額資金投入和行業(yè)跨度大，而發(fā)展緩慢，但隨著電子計算機的飛速發(fā)展，利用Matlab軟件中的Simulink仿真系統(tǒng)就能夠實現R-C網絡模型的搭建，在保留電網絡模型優(yōu)點的同時，摒棄了電網絡模擬需要物理設備的缺陷。利用Matlab軟件進行地下水電模擬的應用，能夠快速實現大量節(jié)點的網絡模型仿真以及易于研究含水層的多層結構。

3.2 水-電模型建立

(1)模型原型

本次模擬的原型為研究區(qū)2-2煤的采煤工作面，模型設計為覆巖構成及其水文參數見表4，模型長400 m，高200 m。

表4 模型原始參數

Table 4 Original parameters

序號巖石名稱厚度/m滲透性系數/(m·d-1)儲水率/m-11松散砂層(薩拉烏蘇組)103.88001.7×10-42黃土310.01701.3×10-33紅土600.00162.6×10-34風化基巖19.50.08384×10-55基巖77.90.00103×10-3

(2)模型網格劃分

模型建立主要考慮采煤工作面覆巖剖面流動情況。工作面剖面劃分為41×21的節(jié)點網絡結構，節(jié)點表達方式為i×j，其中i=1,2,3，…，21，j=1,2,3,…,41，如圖2(b)所示。

(3)模型單元建立

根據每層巖土特性，定義如圖2(a)所示地下水流動示意圖。其中，含水層考慮剖面兩個方向的水流，而隔水層只考慮垂向的越流補給情況，離石黃土考慮兩個方向的流動，基巖相對隔水層滲透系數較小，在未導通情況下當作絕對隔水層模擬。據上所述，利用Matlab軟件中的Simulink可視化仿真功能，建立如圖2(b)所示地下水運行電網絡模型示意。

(4)模型參數

依據相關的相似定律[21]，模型中考慮各向同性，薩拉烏蘇組含水層給水度取0.1，潛水水位埋藏深度自左到右取198～195 m，相關電參數見表5。

圖2 水-電模型示意

表5 模型電參數

3.3 水-電模型仿真結果分析

在UDEC軟件中，建立相同的地質模型，在留設100 m煤柱條件下模擬2-2煤開采裂隙場演化。然后將裂隙場疊置到電路模型中，對基巖裂隙發(fā)育區(qū)域的電阻進行短路處理，對含水層疏干區(qū)域電壓接地處理，對不同應力應變路徑的土層的電阻依據以往研究成果對電阻進行處理[14]，并依據相似時間比設置開關時間來連續(xù)模擬工作面每次來壓的含隔水層結構變異及邊界條件變化過程，模擬形成以下成果。如圖3所示，分別是未開采前(回采0 m)、初次來壓(回采45 m)、裂隙發(fā)育至風化基巖(回采85 m)、裂隙發(fā)育至土層不同厚度(回采100,120,130,150 m)的潛水位的曲線。

以節(jié)點20為例(導水裂隙溝通到土層時，節(jié)點20始終在裂隙帶直接影響范圍內)，對比工作面推進過程中潛水位變化情況進行統(tǒng)計，結果見表6?？芍寒旓L化基巖導通10 m時，與天然水位相比潛水位降低0.9 m；當紅土保護層40 m、黃土保護層30 m時，與天然水位相比潛水位降低1.1 m；當紅土保護20 m、黃土保護層30 m時，與天然水位相比潛水位降低1.3 m；當黃土保護層30 m時，與天然水位相比潛水位降低2.4 m；當黃土層保護層剩余20 m時，與天然水位相比潛水位降低3 m。將模型黃土全部置換為紅土時，剩余紅土保護層30 m，與天然水位相比潛水位降低1.3 m，剩余紅土保護層20 m，與天然水位相比潛水位降低1.7 m。

由于節(jié)點20天然水位埋深達3.5 m，生態(tài)水位允許降深1.5 m，模擬結果顯示黃土剩余30 m或紅土剩余20 m達不到保護生態(tài)水位的作用，而黃土30 m+紅土20 m或紅土30 m時可以達到保護生態(tài)水位的作用。模擬結果與理論分析結果基本吻合，但模擬結果考慮了具體的采礦和地質條件，如開采周期來壓決定了有效隔水土層厚度非連續(xù)變化的，而是階梯變化的，因此模擬結果更接近實際。

圖3 回采潛水位曲線

表6 節(jié)點20潛水位變化

Table 6 Phreatic level change at No.20

序號工作面推進距離/m有效隔水層土層水位值/m水位降深/m是否保水145黃土30m,紅土60m196.50是285黃土30m,紅土60m195.60.9是3100黃土30m,紅土40m195.41.1是4120黃土30m,紅土20m195.21.3是5130黃土30m194.12.4否6150黃土20m193.53.0否7130紅土30m195.21.3是8150紅土20m194.81.7否

3.4 保水實踐

榆樹灣煤礦某分層開采工作面是已經開采的、為數不多的煤炭開采有效隔水土層較厚的工作面[4,19]。該工作面主采2-2煤，采厚5 m，上覆巖土層見表7，研究結果表明煤層開采風化基巖被導穿，有效隔水層土層為離石黃土25 m+保德紅土70 m，該工作面取得了保水采煤的成功，地表生態(tài)沒有受到明顯影響，這與保護層厚度的理論計算和模擬結果相吻合。

表7 上覆巖土層

Table 7 Overlying rock and soil layers

序號巖石名稱厚度/m1松散砂層102黃土253紅土754風化基巖205基巖100

4 結 論

(1)依據地下水動力學建立了生態(tài)脆弱礦區(qū)保護層合理厚度計算的越流模型，得出了潛水位降深與采動有效隔水土層厚度和滲透性、開采強度及其他因素的關系。計算出研究區(qū)典型地質條件下離石黃土42.6 m或保德紅土21.0 m為最小的保護層厚度。

(2)基于水、電運動相似性，建立了工作面開采的電路模型，并依據采動裂隙場的模擬結果，聯(lián)合模擬了含水層采動后的水位下降特征，模擬結果與理論計算值基本吻合。

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Reasonable thickness of protected loess under loose aquifer in ecologically fragile mining area

LI Tao1,2,3,WANG Su-jian2,3,HAN Lei2,3,GAO Ying2,3

(1.Post-DoctoralMobileResearchCentreofGeologicalResourcesandGeologicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710065,China;2.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstitute,Xi’an710065,China;3.National&LocalUnitedEngineeringResearchCenterofGreenSafetyEfficientMining,Xi’an710065,China)

In order to protect the ecological phreatic level in ecologically fragile mining area,the reasonable thickness of protected loess with mining were studied.Based on groundwater dynamics,the mechanisms of phreatic level leaky with mining had been analyzed.Also,the laws of phreatic level variation with different mining residual thickness and the physical properties of loess had been analyzed by water-electric similar simulations.The results show that the more leaky head and the weaker water isolation,the smaller phreatic decline with mining.While 42.6 m loess of Lishi Group or 21.0 m loess of Baode Group,the mining phreatic level can range in the ecological phreatic level for the typical geological condition of the study area.Water-electric similar simulations of typical geological condition in mining workface is achieved by multiple software.The relationship of mining residual thickness and phreatic decline shows that water-electric simulation results are anastomosing in theoretical results.The results are preliminarily proved by engineering practice.

water-preserved mining;protective layer;similar simulation;loess layer;leaky

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5016

2016-07-02

2016-12-20責任編輯:畢永華

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2014CB047100)

李 濤(1984—)，男，江蘇沛縣人，高級工程師，博士，在站博士后。E-mail:qazwdx521@163.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0098-08

李濤，王蘇健，韓磊，等.生態(tài)脆弱礦區(qū)松散含水層下采煤保護土層合理厚度[J].煤炭學報,2017,42(1):98-105.

Li Tao,Wang Sujian,Han Lei,et al.Reasonable thickness of protected loess under loose aquifer in ecologically fragile mining area[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):98-105.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5016