煤礦井地下水系統(tǒng)與礦井涌水

傅耀軍，潘樹仁，杜金龍

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

煤礦井地下水系統(tǒng)與礦井涌水

傅耀軍，潘樹仁，杜金龍

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

遵循空間守恒，采煤空間轉(zhuǎn)化為新增地下含(透)水空間和地面沉降空間。裂隙帶、冒落帶疊置而成的二元結(jié)構(gòu)體構(gòu)成礦井地下水含水系統(tǒng)，其中的地下水彈性釋放和重力釋放是礦井涌水的最初、最直接來源和重要組成。該系統(tǒng)空間為原生地下水系統(tǒng)新的排泄區(qū)(匯)，并以此為中心形成礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)。隨著工作面關(guān)閉，地下水位(壓)回升，礦井地下水系統(tǒng)與原生地下水系統(tǒng)不斷疊加、耦合，直至礦井關(guān)閉，形成新的區(qū)域地下水系統(tǒng)。礦井地下水系統(tǒng)作為局部地下水系統(tǒng)，其非均質(zhì)性及流線折射規(guī)律為礦井污染的擴(kuò)散提供了水動(dòng)力條件。礦井地下水系統(tǒng)特性，決定了工作面接替方向?qū)ΦV井涌水量的重要影響。

原生地下水系統(tǒng)；冒裂二元結(jié)構(gòu)體；承壓含水巖塊；礦井地下水含水系統(tǒng)；礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)；礦井地下水系統(tǒng)

煤炭開采形成巨大的地下空間，伴隨著煤層頂板含水層結(jié)構(gòu)改變、地下水賦存狀態(tài)轉(zhuǎn)化以及地表沉降變形、地貌重塑，進(jìn)而引發(fā)地表水小流域形成。這些因素在深刻影響礦井所處原生地下水系統(tǒng)的同時(shí)，組合構(gòu)成了采煤次生地下水系統(tǒng)-礦井地下水系統(tǒng)。

礦井地下水含水系統(tǒng)以工作面為基本單元，相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系，隨著工作面的不斷接替，形成規(guī)律性分布的地下含水空間。工作面由開采期開放的匯水、排泄系統(tǒng)，到關(guān)閉后的封閉匯水系統(tǒng)，直至礦井停采閉坑，形成宏大的地下水匯、源和流動(dòng)系統(tǒng)。隨著地下水的匯集、水位(壓)回升，礦井地下水系統(tǒng)又作為區(qū)域原生地下水系統(tǒng)的局部系統(tǒng)參與其循環(huán)。

我國的能源結(jié)構(gòu)及煤炭的賦存規(guī)律，必然地造成了其分布廣遠(yuǎn)、星羅棋布，且不斷發(fā)展延伸。因此，礦井地下水系統(tǒng)研究對(duì)礦井涌水機(jī)理刻畫、涌水量預(yù)測、水害防治、地下水資源保護(hù)與利用、礦山環(huán)境保護(hù)與治理以及水文地質(zhì)勘查等有重要意義。

本文以煤層頂板地下水系統(tǒng)為研究對(duì)象，旨在揭示礦井地下水系統(tǒng)特征。

1 礦井地下水含水系統(tǒng)

煤炭資源與地下水資源相伴而生，在空間上呈復(fù)雜的疊置關(guān)系。按含水層與煤層的空間位置關(guān)系，可分為頂板含水系統(tǒng)和底板含水系統(tǒng)；按含水系統(tǒng)的空隙特征又可分為孔隙、裂隙、孔隙-裂隙及巖溶等含水系統(tǒng)。含水系統(tǒng)的空間組合及與地下水流動(dòng)系統(tǒng)的藕合，構(gòu)成礦區(qū)(區(qū)域)原生地下水系統(tǒng)(圖1)。

礦井地下水含水系統(tǒng)是指采煤過程中，煤層頂板巖層破斷冒落及破裂形成的含水空間區(qū)域，由冒落帶(空隙層)和裂隙帶(裂隙層)組成，稱冒裂二元結(jié)構(gòu)體。其中，下部冒落帶由巖塊冒落堆積而成，含水空間既包括巖塊間的空隙，又包括巖塊中的破斷裂隙和原生空隙，簡稱空隙層；上部裂隙帶由新生裂隙和原生空隙構(gòu)成含水空間，簡稱裂隙層。單工作面礦井地下水含水系統(tǒng)以二元結(jié)構(gòu)體頂、底及四周原巖為界，呈不規(guī)則六面體展布，空間范圍與導(dǎo)水裂隙(縫)帶一致，側(cè)向邊界往往超出采煤邊界(圖2)。

圖1 原生地下水系統(tǒng)剖面Figure 1 Primary groundwater system section

圖2 礦井地下水含水系統(tǒng)二元結(jié)構(gòu)Figure 2 Binary struct of mine underground water-bearing system

由于這種人工形成的含水空間遠(yuǎn)大于原巖，因此，礦井地下水含水系統(tǒng)主要表現(xiàn)出次生的空隙-裂隙二元結(jié)構(gòu)特征，而原巖的含水空隙處于從屬功能地位。在上覆地層沉降變形前，礦井地下水含水系統(tǒng)有著與采出煤巖體體積等量的含水空間。隨著上覆地層的下沉、地面沉降，含水空間被壓縮。

設(shè)定采煤地下空間遵循空間守恒，則礦井地下水含水系統(tǒng)的含水空間可用下式表示：

V采=V巷+V空+V裂+V離+V沉+ΔV

式中：V采—采出煤巖體體積；

V巷—井、巷空間；

V空—空隙層新增含水空間；

V裂—裂隙層新增含水空間；

V離—離層空間；

V沉—地面沉降空間；

ΔV—巖石碎脹等引起的含水空間變化。

用V含表示礦井地下水含水系統(tǒng)含水空間：

V含=V空+V裂

則

V含=V采-(V巷+V離+V沉+ΔV)

單工作面礦井地下水含水系統(tǒng)邊界呈空間六面閉合形態(tài)，底部邊界為煤層底板，通常為隔水邊界；頂部邊界因觸及原生地下水系統(tǒng)而顯復(fù)雜。為概化覆巖水文地質(zhì)條件，將導(dǎo)水裂隙帶高度小于覆巖厚度且未觸及基巖風(fēng)化帶或其頂界含水層者視為“厚”基巖，反之為“薄”基巖。同時(shí)考慮松散含水層成因類型及水文地質(zhì)特征，將松散層底部含水層區(qū)分為潛水含水層和承壓含水層。據(jù)此將頂部邊界條件劃分為六類(表1)。

表1 礦井地下水含水系統(tǒng)頂部邊界特征

顯然，“薄”基巖者多為給水或透水邊界，“厚”基巖多為隔水邊界。

四周邊界則是隔、透水相間的局部透水邊界，它們結(jié)構(gòu)相同、功能相近，側(cè)方水位(壓)的差異決定其斷面流量大小。各工作面礦井地下水含水系統(tǒng)被煤巖柱所隔，相對(duì)獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)，最終形成布滿井田復(fù)雜而有序的礦井地下水含水系統(tǒng)。

2 礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)

2.1 礦井水的形成

礦井水通常是指礦井地下水含水系統(tǒng)釋放和通過其邊界匯入采掘空間的地下水。

隨著煤炭采出、工作面推進(jìn)，礦井地下水含水系統(tǒng)隨之延展、逐步形成，賦存其中的地下水不斷釋放、滲出，匯集成涌轉(zhuǎn)化為礦井水排出地表。由礦井地下水含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及其邊界條件不難看出，通常情況下礦井水主要由兩部分構(gòu)成，一是礦井地下水含水系統(tǒng)的二元結(jié)構(gòu)體釋水，二是礦井地下水含水系統(tǒng)透水邊界外側(cè)含水層側(cè)向補(bǔ)給。二元結(jié)構(gòu)體形成之初，巖層冒裂，煤層頂板承壓含水層垮落、破裂為承壓含水巖塊和裂隙層，承壓水頭驟降為零，承壓水彈性貯存瞬間釋放，形成最初的礦井涌水。彈性釋放之后便是重力釋水，飽水的裂隙含水巖塊、裂隙含水巖體涔?jié)M水珠，溋涓成流，演繹地下水向礦井水的蛻變。與此同時(shí)，礦井地下水含水系統(tǒng)外部地下水通過近乎規(guī)則的邊界過水?dāng)嗝嬖丛床粩鄥R入礦井。

相鄰兩次冒落間隔時(shí)間內(nèi)，礦井地下水含水系統(tǒng)釋放和匯入礦井的水量表示為：

Q井=Q內(nèi)+Q外

式中：Q井——礦井水量，m3;

Q內(nèi)——礦井地下水含水系統(tǒng)冒裂二元結(jié)構(gòu)體釋放水量，m3；

Q外——通過礦井地下水含水系統(tǒng)邊界匯入水量，m3。

前已述及，二元結(jié)構(gòu)體由冒落空隙層和裂隙層(帶)疊置而成，因此其釋水量為兩層釋水之和。

Q內(nèi)=V含=Q空+Q裂

式中：Q空——冒落空隙層釋水量，m3；

Q裂——裂隙層(帶)釋水量，m3。

冒落空隙層釋水量可用下式表示：

式中：d——冒落次數(shù)；

n——冒落含水層數(shù)；

Fj——第j次冒落面積，m2；

Hi——第i含水層承壓水頭，m；

mi——第i層含水層厚度，m；

ui——第i含水層給水度。

同理：

式中：p——破斷裂隙含水層數(shù)；

He——第e含水層承壓水頭，m；

me——第e層含水層厚度，m；

ue——第e含水層給水度。

則：

上式為礦井地下水含水系統(tǒng)(冒裂二元結(jié)構(gòu)體)釋水公式。

采空區(qū)逐步擴(kuò)大，冒裂二元結(jié)構(gòu)體隨之積累延展，其釋水過程與煤層頂板周期性冒落同步。

基于傳統(tǒng)采煤方法、規(guī)模等因素的礦井涌水量預(yù)測，囿于對(duì)礦井水文地質(zhì)條件的簡單概化，對(duì)礦井地下水含水系統(tǒng)認(rèn)識(shí)不足，忽略了礦井地下水含水系統(tǒng)冒裂二元結(jié)構(gòu)體的存在，或僅重視其導(dǎo)水作用，而忽視了其自身含水的釋放。這是礦井涌水量預(yù)測往往誤差較大的重要原因之一。如，常用的“大井法”就忽視其“井”中含水介質(zhì)的存在，漏掉了礦井最初、最直接的涌水，因此用它來預(yù)測礦井涌水量，有時(shí)就存在一定的誤差。

在礦井地下水含水系統(tǒng)冒裂二元結(jié)構(gòu)體釋水的同時(shí)，原生地下水系統(tǒng)通過礦井地下水含水系統(tǒng)邊界過水?dāng)嗝嫦虻V井匯水、排泄?？捎糜?jì)算各斷面單寬流量等方法，求得總匯水量。

式中：r——過水?dāng)嗝鏀?shù)；

Qg——第g過水?dāng)嗝媪髁俊?/p>

相鄰工作面礦井涌水量預(yù)測，可用同樣方法、原理，但流場已發(fā)生變化，形成了水壓(位)降落漏斗，計(jì)算參數(shù)相應(yīng)改變。余此類推。

礦井地下水含水系統(tǒng)及其釋水、匯水研究，進(jìn)一步揭示了礦井水形成機(jī)理。

2.2 礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)特征

隨著礦井地下水含水系統(tǒng)地下水的釋放及其邊界過水?dāng)嗝娴叵滤畢R入形成礦井水，礦井地下水含水系統(tǒng)成為原生地下水系統(tǒng)新的排泄區(qū)或匯，并以此為中心形成局部地下水流動(dòng)系統(tǒng)。其所占據(jù)空間隨降壓(落)漏斗不斷擴(kuò)展，直至在某一空間范圍趨于穩(wěn)定。

工作面接替，局部地下水流動(dòng)系統(tǒng)流場被擾動(dòng)，動(dòng)平衡被打破，疊加形成新的局部地下水流動(dòng)系統(tǒng)。關(guān)閉后的工作面，其礦井地下水含水系統(tǒng)水位(壓)回升，匯水強(qiáng)度漸弱，水壓(位)與原生地下水系統(tǒng)形成新的平衡時(shí)，參與其循環(huán)。此時(shí)局部地下水流動(dòng)系統(tǒng)占據(jù)空間與礦井地下水含水系統(tǒng)逐步趨同，地下水、礦井水在此混合，并與冒裂二元結(jié)構(gòu)體及采煤遺留物質(zhì)作用后流向下游。由于礦井地下水含水系統(tǒng)滲透性較原含水層顯著增強(qiáng)，其邊界為非均質(zhì)界面，按折射定律，流線通過邊界進(jìn)入礦井地下水含水系統(tǒng)將向下折射，流出則向上折射。這樣的流場特征對(duì)礦井水污染物擴(kuò)散十分有利。顯然，礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)具有水質(zhì)混合功能，容易成為相關(guān)含水層的污染源。若礦井地下水含水系統(tǒng)頂部邊界為薄基巖型，其環(huán)境負(fù)效應(yīng)將更為突出。

由礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)特征不難看出，由于流場的變化及水頭分布的差異，采煤工作面的接替方位(向)將影響其透水邊界匯水強(qiáng)度。把采煤工作面接替方向與原生地下水系統(tǒng)徑流方向的空間關(guān)系概化為同向、反向和垂向三種主要模式?？梢姡蚰Ｊ接捎诮犹婀ぷ髅嫖挥陉P(guān)閉工作面下游，兩者相鄰邊界地下水位(壓)因降落漏斗的不對(duì)稱擴(kuò)展，趨于降至煤層地板，斷面流量及礦井水量相應(yīng)減少；反向模式由于接替工作面位于關(guān)閉工作面上游，迎水而上，其涌水量顯然較同向模式大；垂向模式如集水廊道延展，無疑是涌水量相對(duì)最大者。為減少礦井排水、保護(hù)水資源，采煤工作面布置應(yīng)考慮礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)特征，宜與地下水徑流同向。

3 礦井地下水系統(tǒng)

隨著采煤工作面的接替，礦井地下水含水系統(tǒng)空間不斷擴(kuò)展，礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)在變化中趨于動(dòng)態(tài)平衡，局部礦井地下水系統(tǒng)形成。這一過程伴隨著較早形成的礦井地下水含水系統(tǒng)水位(壓)回升、水資源積聚及水化學(xué)場重構(gòu)。礦井關(guān)閉后，以眾多工作面為單元構(gòu)成的礦井地下水含水系統(tǒng)與各期次礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)組成礦井地下水系統(tǒng)。在與原生地下水系統(tǒng)不斷耦合的同時(shí)，匯集地下水，猶如地下水庫蓄水，生成封閉環(huán)境下的礦井水，最終融入新的區(qū)域地下水系統(tǒng)，以“采空積水”的別樣特征參與區(qū)域地下水系統(tǒng)循環(huán)(圖3)。

圖3 礦區(qū)(井)區(qū)域地下水系統(tǒng)Figure 3 Mine (area) regional groundwater system

礦井地下水系統(tǒng)是采煤產(chǎn)生的礦井地下水含水系統(tǒng)與其匯、源作用控制下的礦井地下水流動(dòng)系統(tǒng)在時(shí)、空上的復(fù)雜組合。 由于其伴生于采掘工程，因此發(fā)育過程漫長而復(fù)雜，所占據(jù)的空間也是不斷延展的。礦井閉坑或停采后，水位(壓)回升，礦井地下水系統(tǒng)與原生地下水系統(tǒng)重新耦合、疊加，生成新的區(qū)域地下水系統(tǒng)。若在原生地下水系統(tǒng)空間內(nèi)有多個(gè)礦井采掘生產(chǎn)，則會(huì)形成礦井地下水系統(tǒng)間的干擾、襲奪，對(duì)原生地下水系統(tǒng)的改造將更為深刻，新生的區(qū)域地下水系統(tǒng)將愈加復(fù)雜。礦井地下水系統(tǒng)研究須立足原生地下水系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和刻畫。

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CoalmineMineGroundwaterSystemandMineWaterInrush

Fu Yaojun, Pan Shuren and Du Jinlong

(Geological Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039)

According to the space conservation principle, the mined-out space can be translated into new added underground water-bearing (permeable) space and surface subsidence space. The binary struct of superimposed fissure zone and caving zone has constituted mine underground water-bearing system; therein groundwater elastic release and gravity release are the mine water inrush initial, direct source and essential component. The space of the system is a new discharge (catchment) area of primary groundwater system, and taking the area as the center formed groundwater flow system. With the working face closing, groundwater level (pressure) is picking up; mine groundwater system and primary groundwater system ceaselessly superimposing and coupling till the mine closed, thus have formed a new regional groundwater system. Mine groundwater system as a local groundwater system, its anisotropy and flow line refraction pattern have provided hydrodynamic conditions for mine water pollution dispersing. The mine groundwater system characteristics have decided the impacts from working face succeeding orientation on mine water inflow.

primary groundwater system; binary struct; confined water-bearing block; mine underground water-bearing system; mine groundwater flow system; mine groundwater system

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.07

1674-1803(2017)10-0041-05

A

傅耀軍(1959—)，男，教授級(jí)高工，主要研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)、煤礦防治水。

2017-08-20

責(zé)任編輯：樊小舟