西部礦區(qū)煤水協(xié)調(diào)開采物理與情景模擬實(shí)驗(yàn)研究

曹志國(guó)，張建民，王 皓，張國(guó)軍，張文忠

(1.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209; 2.北京低碳清潔能源研究院，北京 102209; 3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著東部和中部地區(qū)煤炭資源逐漸枯竭和開采條件日益復(fù)雜，西部晉、陜、蒙、寧、甘已成為我國(guó)煤炭主產(chǎn)區(qū)，煤炭開發(fā)強(qiáng)度處于較高水平[1-2]。但是，西部地區(qū)煤炭生產(chǎn)中礦井水有效利用程度低、生態(tài)環(huán)境脆弱和水資源匱乏嚴(yán)重制約著煤炭可持續(xù)開發(fā)，煤炭規(guī)?；_采引發(fā)的地下水系統(tǒng)破壞和地表生態(tài)損傷加劇了生態(tài)退化，帶來了一系列的環(huán)境問題?；谧匀簧鷳B(tài)規(guī)律和煤炭開采特點(diǎn)，降低煤炭開采生態(tài)損傷和安全綠色開采已成為協(xié)調(diào)煤炭規(guī)?；_采與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵[3]。

對(duì)此，不同學(xué)者展開了一系列西部礦區(qū)煤炭開采與水資源保護(hù)相協(xié)調(diào)的理論研究、技術(shù)探索和工程實(shí)踐活動(dòng)，歸納起來包括3類:① 地下水儲(chǔ)存利用法，即通過構(gòu)筑壩體，將礦井水儲(chǔ)存在采空區(qū)垮落巖體空隙中，充分利用采空區(qū)垮落巖體對(duì)礦井水的凈化作用，實(shí)現(xiàn)礦井水分級(jí)分質(zhì)利用，以顧大釗[4-5]提出的煤礦地下水庫(kù)技術(shù)為代表，在神東礦區(qū)建成煤礦地下水庫(kù)35座，年供水量7 000萬m3，保障了神東礦區(qū)水資源的供應(yīng)。② 含水層保護(hù)法，即通過對(duì)隔水關(guān)鍵層的保護(hù)，使含水層免受煤炭開采的影響，從而堵截地下水運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)保護(hù)地下水目的，王雙明等[6-7]提出了保水開采條件分區(qū)，以實(shí)現(xiàn)控制地下水位為目標(biāo)的區(qū)域采煤方法分區(qū)開采;范立民等[8-9]提出了以生態(tài)水位保護(hù)為原則，開展了基于含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)的充填開采、窄條帶開采、限高(分層)開采等保水采煤技術(shù)和工程實(shí)踐;黃慶享等[10-11]提出了合理增大下沉區(qū)間和減小下沉梯度，控制隔水層穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)地下水保護(hù)利用等。③ 煤水協(xié)調(diào)開采方法，即基于煤炭現(xiàn)代開采工藝，利用現(xiàn)代開采及對(duì)地下水和地表生態(tài)的影響規(guī)律，通過采前分區(qū)設(shè)計(jì)、采中重組調(diào)控和采后控制等技術(shù)的系統(tǒng)集成，控制地下水流場(chǎng)分布，構(gòu)建符合地下水循環(huán)與地表生態(tài)環(huán)境原生狀態(tài)的支撐條件，保持開采生態(tài)系統(tǒng)的“原生”關(guān)系，實(shí)現(xiàn)“煤炭安全高效開采-地下水與地表生態(tài)保護(hù)-水資源利用一體化”[12-13]，國(guó)家能源集團(tuán)通過15 a的生產(chǎn)實(shí)踐，建立了集礦井水資源利用、生態(tài)建設(shè)和大規(guī)模高強(qiáng)度煤炭開發(fā)相適應(yīng)的成套技術(shù)模式，建成了千萬噸礦井群煤炭開采與水資源保護(hù)和利用的“神東”模式，統(tǒng)籌優(yōu)化利用礦井水資源，實(shí)現(xiàn)了礦井水分級(jí)分質(zhì)利用[14-16]。圍繞上述3類技術(shù)方法，眾多科研機(jī)構(gòu)研制了具有不同針對(duì)性的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置，如清華大學(xué)設(shè)計(jì)的目前尺度最大的近水平煤層地下水運(yùn)移規(guī)律模擬平臺(tái)[17]、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的多種工況條件下的煤水共采物理模擬平臺(tái)[18-21]、西安科技大學(xué)研發(fā)的淺埋煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)展規(guī)律物理模擬平臺(tái)[22-23]等，為煤炭資源與水資源協(xié)調(diào)開發(fā)提供了技術(shù)支持。

針對(duì)我國(guó)西部礦區(qū)地下水系統(tǒng)失水形式主要為“雙重失水”[12]特點(diǎn)，以寧東礦區(qū)麥垛山煤礦2號(hào)煤首采區(qū)為背景，仿照開采生態(tài)系統(tǒng)的“原生態(tài)”特征(如補(bǔ)、徑、排關(guān)系和潛水與地表土壤和植被的“原生”基本關(guān)系)，通過構(gòu)筑“隔離層”隔斷煤炭開采對(duì)地下水系統(tǒng)和地表生態(tài)的影響，維護(hù)或重構(gòu)開采生態(tài)系統(tǒng)的“原生”基本關(guān)系，研發(fā)煤水協(xié)調(diào)開采模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研制煤水協(xié)調(diào)開采相似模擬材料，開展煤水共采相似模擬實(shí)驗(yàn)研究，分析構(gòu)筑隔離層與壓裂隔離層對(duì)導(dǎo)水裂隙帶、巖層滲流特征的影響特征，同時(shí)模擬了4種工況條件下地下水流場(chǎng)變化特征，為西部煤礦區(qū)煤炭規(guī)模開采與地下水資源保護(hù)協(xié)調(diào)提供有益參考。

1 煤水協(xié)調(diào)開采物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

我國(guó)西部礦區(qū)煤炭資源開發(fā)具有大規(guī)模高強(qiáng)度特征，大規(guī)模體現(xiàn)在工作面推進(jìn)長(zhǎng)度可達(dá)6 000 m、工作面寬度400 m、采高超過8 m，推進(jìn)速度可達(dá)到20 m/d，單個(gè)礦井年產(chǎn)量可以達(dá)到3 000萬t左右;高強(qiáng)度表現(xiàn)為整裝煤田集中開發(fā)，以神東礦區(qū)為例，中心礦區(qū)毗鄰分布著10余座千萬噸級(jí)礦井。與傳統(tǒng)方式相比，大規(guī)模高強(qiáng)度的煤炭開發(fā)模式對(duì)地下水影響規(guī)律不同，礦井開采初期，形成降水漏斗，第四系松散層孔隙水沿著導(dǎo)水裂隙，滲流進(jìn)入井下，形成礦井水;礦井開采中后期，由于第四系松散層孔隙水已被排泄完畢，礦井水補(bǔ)給來源為基巖裂隙水，這部分地下水依靠傳統(tǒng)的打井抽水方式難以獲取，由于開采形成的覆巖導(dǎo)水裂隙，以采空區(qū)為中心，形成了水源匯集區(qū)域，這部分基巖裂隙水才能夠匯聚到采空區(qū)及周邊區(qū)域，形成礦井水。以神東礦區(qū)大柳塔煤礦為例，近10 a來，礦井涌水量一直保持在400 m3/h，礦井水補(bǔ)給來源以基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給為主。

麥垛山煤礦位于寧東能源基地，處于鴛鴦湖礦區(qū)匯水區(qū)，含水層接受周邊礦區(qū)含水層的側(cè)向補(bǔ)給;井田整體表現(xiàn)為北高南低，地表水從北向南部低洼處匯集，而地下水總體呈由北向南徑流趨勢(shì)，地下水主要通過采礦排水方式排泄;煤炭可采儲(chǔ)量11.4億t，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為8.00 Mt/a，服務(wù)年限為102 a，采用綜合機(jī)械化一次采全高的采煤工藝，采用全部垮落法管理頂板，開采煤層為2號(hào)煤層，2號(hào)煤頂板與直羅組下段含水層之間隔水層不僅厚度較薄，并且局部被剝蝕，煤層與直羅組下段含水層直接接觸，加上直羅組下段含水層厚度大、富水性強(qiáng)、膠結(jié)性差，造成了無論2號(hào)煤巷道掘進(jìn)還是工作面回采，均受到了此含水層的嚴(yán)重威脅。2號(hào)煤首采區(qū)西側(cè)邊界為于家梁逆斷層，東側(cè)邊界為F9,F10,F11,F17逆斷層組，基本切斷了采區(qū)內(nèi)部與東西兩側(cè)地層的水力聯(lián)系，采區(qū)北側(cè)與南側(cè)為井田自然邊界(圖1)。

圖1 麥垛山2號(hào)煤水文地質(zhì)特征Fig.1 Hydrogeological characteristics of the first mining area of No.2 coal seam in Maiduoshan Coal Mine

1.2 物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

煤水協(xié)調(diào)開采相似實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，由實(shí)驗(yàn)材料配制系統(tǒng)、模型框架加載系統(tǒng)、水壓控制系統(tǒng)、柔性隔離層注漿控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5部分組成。其中，實(shí)驗(yàn)材料配制采用模塊化材料，該材料由2部分組成，即塊體和膠結(jié)材料，分別滿足原巖彈性模量、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等相似;水壓控制系統(tǒng)主要通過壓力儲(chǔ)能器、多參數(shù)巡回檢測(cè)儀(UM-70)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退畨杭虞d控制;柔性隔離層注漿控制系統(tǒng)具備水壓致裂和壓裂后注漿功能;電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集和記錄實(shí)驗(yàn)過程中變形、位移、流量和水壓數(shù)據(jù)。煤水協(xié)調(diào)開采實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)體模型，如圖2所示。

圖2 煤水協(xié)調(diào)開采相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Coal-water bionic mining similar simulation experiment platform

1.3 物理模擬實(shí)驗(yàn)方案

為分析煤層開采后覆巖移動(dòng)變化情況，尤其是初次來壓和周期來壓期間導(dǎo)水裂隙帶形成演變特征，以及覆巖層在開采擾動(dòng)影響下內(nèi)部微裂紋萌生、發(fā)育、擴(kuò)展、最后形成宏觀裂隙的整個(gè)過程，相似材料模擬實(shí)驗(yàn)采用具有一定強(qiáng)度的材料，模擬實(shí)際中的巖層，滿足基本的相似理論[24]。

麥垛山煤礦2號(hào)煤層厚度2.8～3.6 m，埋深491.2 m，含水層水位標(biāo)高距離2號(hào)煤層底板高度403.92 m，粗粒砂巖底部水壓力為3.7 MPa。根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)要求，設(shè)計(jì)模型尺寸為2 500 mm×200 mm×1 000 mm(長(zhǎng)×寬×高)，模擬煤層厚度3.2 m，考慮模型兩側(cè)邊界影響，兩端各留450 mm煤柱，通過在模型上表面施加表面張力來代替未鋪設(shè)的巖層。

2號(hào)煤首采區(qū)工作面推進(jìn)平均速度為11.8 m/d，采煤機(jī)滾筒截深800 mm，每天15個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)1.6 h，綜合考慮實(shí)驗(yàn)時(shí)間、時(shí)間參數(shù)換算等因素，時(shí)間相似比設(shè)為16，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭忻總€(gè)循環(huán)的時(shí)間為0.1 h，對(duì)應(yīng)的推進(jìn)距離為5 mm;開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，將需要開挖掉的部分制作成15 mm的標(biāo)準(zhǔn)模塊，每0.3 h挖掉一塊，相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開采4.8 h，工作面推進(jìn)2.4 m(3個(gè)循環(huán));綜合考慮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缫约?號(hào)煤首采區(qū)工作面開采情況，將相似模擬實(shí)驗(yàn)的幾何相似比設(shè)為160，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的相似材料主要由石英砂、土、凡士林、硅油組成;由于麥垛山煤礦煤層上覆巖層平均容重為25 kN/m3，相似材料平均容重為20.8 kN/m3，因此容重相似比設(shè)為1.2，應(yīng)力、強(qiáng)度、彈性模量、水頭壓力、黏聚力相似比為192，應(yīng)變、內(nèi)摩擦角、泊松比相似比為1，經(jīng)計(jì)算，相似材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 原巖與相似材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock and similar materials

2 相似模擬材料研制

2.1 相似材料的力學(xué)特性

基于相似理論基本原理[25-26]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開采實(shí)際情況和相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)，綜合考慮以往相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟蛔?，以骨架結(jié)構(gòu)物作為模型主體材料，以膠結(jié)物作為骨架主體間的黏結(jié)材料，其中骨架結(jié)構(gòu)物由石英砂和土組成，膠結(jié)物由凡士林和硅油組成;骨架結(jié)構(gòu)物和膠結(jié)物的黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗折強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)均滿足相似理論;通過調(diào)控膠結(jié)物中凡士林和硅油比例，可以實(shí)現(xiàn)地層中的軟弱～堅(jiān)硬巖層等不同巖性模擬，利用云母片可以實(shí)現(xiàn)各巖層之間的層理面模擬。根據(jù)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度相似比和麥垛山礦煤巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，配制相應(yīng)的相似材料，并開展單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 不同相似材料單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Uniaxial compression stress-strain curves of different similar materials

圖3中5種相似材料的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線與麥垛山煤礦相應(yīng)巖層的力學(xué)性質(zhì)相似，其抗壓強(qiáng)度和彈性模均量滿足相似模擬實(shí)驗(yàn)的基本要求。

2.2 相似材料的水理特性

相似模擬材料除了要滿足基本的巖石力學(xué)特征之外，還需要滿足相應(yīng)的水理特征，為此進(jìn)行不同材料配比的相似材料吸水量和滲透速度實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。(圖4中，骨為石英砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，膠為硅油和凡士林總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，硅為硅油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，凡為凡士林的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

由圖4可知，相似材料的吸水性，隨材料中石英砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低而降低，隨膠結(jié)材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而降低;當(dāng)砂土比例一定時(shí)，硅與凡比例會(huì)影響相似材料的吸水性，材料的吸水性會(huì)隨凡士林的占比增加而增加;當(dāng)砂土比為1∶3、硅凡比為1∶6時(shí)材料的吸水性最好;當(dāng)砂土比為2∶1、硅凡比為1∶3時(shí)材料的吸水性最差(圖4(a),(b))。相似材料的滲透速度，隨著材料中石英砂的比例降低而降低，隨膠結(jié)材料比例的升高而降低;當(dāng)砂土比例一定時(shí)，硅與凡比例會(huì)影響相似材料的滲透速度，材料的滲透速度與凡士林的占比存在一定的離散性;當(dāng)砂土比為1∶3、硅凡比為1∶2時(shí)材料的滲透速度最快;當(dāng)砂土比為2∶1、硅凡比為1∶3時(shí)材料的滲透速度最慢(圖4(c),(d))。

3 煤水協(xié)調(diào)開采相似模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 導(dǎo)水裂隙帶演化特征

實(shí)驗(yàn)過程中首先統(tǒng)計(jì)了不同來壓階段來壓步距、覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、裂隙帶高度與采高之比等參數(shù)，見表2。

圖4 相似材料水理性質(zhì)Fig.4 Similar material hydraulic properties

表2 不同來壓階段導(dǎo)水裂隙帶高度Table 2 Height of water conduction fracture zone in different weighting

為了更加直觀地展現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶的動(dòng)態(tài)演化特征，選取了部分不同來壓階段煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育變化云圖進(jìn)行進(jìn)一步分析，如圖5所示。

進(jìn)一步分析表明:

(1)隔離層在回采前，盡管采用壓裂處理，但對(duì)覆巖層位移和變形影響較小，工作面從開切眼位置開始向前推進(jìn)(模型中向右側(cè)開采)，2號(hào)煤層直接頂板隨采隨冒，因直接頂板上部為泥巖層，強(qiáng)度較低，當(dāng)工作面開采至228.2 mm時(shí)，采煤工作面基本頂發(fā)生離層垮落現(xiàn)象，基本頂發(fā)生初次來壓，來壓步距為228.2 mm(相當(dāng)于實(shí)際來壓步距36.5 m)，此時(shí)頂板垮落高度僅有104.3 mm(3.26倍采高)，采空區(qū)上方巖層變形影響尚未波及到隔離層底部。

(2)隨工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)頂板巖層斷裂繼續(xù)向上方發(fā)育，當(dāng)工作面開采至360.8 mm時(shí)，煤層頂板發(fā)生第1次周期來壓，頂板垮落高度達(dá)3.7倍采高，此時(shí)采空區(qū)頂板變形仍未影響到隔離層;工作面推進(jìn)到592.9 mm時(shí)，頂板發(fā)生第4次周期來壓，垮落高度達(dá)11.1倍采高，此時(shí)已壓裂的隔離層處于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi);當(dāng)工作面推進(jìn)到1 031.6 mm時(shí)，頂板發(fā)生第8次周期來壓，頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為15.5倍采高，小于第6和7次的導(dǎo)水裂隙帶高度(17.7倍采高)，具備對(duì)左側(cè)隔離層進(jìn)行注漿工藝施工。

(3)當(dāng)工作面推進(jìn)到1 178.7 mm時(shí)，煤層頂板發(fā)生第10次周期來壓，導(dǎo)水裂隙帶高度為7.4倍采高，煤層頂板變形影響范圍接近預(yù)先壓裂的隔離層，對(duì)隔離層進(jìn)行注漿改造。

圖5 不同來壓階段煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育變化Fig.5 Development and change of water guide fissure zone in coal seam roof in different weighting

(4)當(dāng)工作面推進(jìn)到1 471.9 mm時(shí)，煤層頂板發(fā)生第12次周期來壓，導(dǎo)水裂隙帶高度為10.4倍采高，煤層頂板變形影響范圍接近預(yù)先壓裂的隔離層，對(duì)隔離層進(jìn)行注漿改造，同時(shí)對(duì)右側(cè)隔離層進(jìn)行壓裂處理。

(5)當(dāng)工作面推進(jìn)到1 645.2 mm時(shí)，煤層頂板發(fā)生第14次周期來壓，導(dǎo)水裂隙帶高度為13倍采高，煤層頂板變形影響范圍接近預(yù)先壓裂的隔離層，對(duì)隔離層進(jìn)行注漿改造，同時(shí)對(duì)右側(cè)隔離層進(jìn)行壓裂處理。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)行了4次注漿改造，6次隔離層壓裂工藝處理，周期來壓步距平均為96.7 mm(實(shí)際為15.5 m)，最大來壓步距為160.2 mm(實(shí)際26.5 m)，發(fā)生在第11次周期來壓時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度最大值為566.4 mm(17.7倍采高)，發(fā)生在第6～7次周期來壓時(shí)。

3.2 煤水協(xié)調(diào)開采巖層滲流變化特征

煤水協(xié)調(diào)開采實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要分為超前頂板壓裂和采后注漿構(gòu)筑隔離層2部分，模型鋪設(shè)時(shí)，預(yù)先在隔水層埋設(shè)管路，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，對(duì)需要壓裂處理的區(qū)域采用高壓空氣壓力泵進(jìn)行壓裂，對(duì)需要注漿加固的區(qū)域采用注漿泵輸送膠結(jié)材料進(jìn)行注漿隔離。工作面回采3個(gè)周期來壓步距前進(jìn)行超前頂板壓裂，工作面回采3～5個(gè)周期來壓步距后，頂板相對(duì)穩(wěn)定，開始注漿構(gòu)筑隔離層，其中，注漿構(gòu)筑隔離層后覆巖滲流量變化情況主要通過流量觀測(cè)線進(jìn)行測(cè)量，流量監(jiān)測(cè)線共布設(shè)了7條，如圖6所示。其中，1號(hào)觀測(cè)線設(shè)在煤層開采擾動(dòng)基巖變形范圍之外，主要用于監(jiān)測(cè)開切眼上方巖層擾動(dòng)邊界對(duì)隔離層壓裂和注漿的影響;2號(hào)觀測(cè)線布煤層開采引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大值附近，主要用于監(jiān)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶隨開采影響的變化規(guī)律;3～6號(hào)觀測(cè)線布設(shè)隔離層位置，主要研究該位置水流量隨開采擾動(dòng)變化影響情況和超前影響范圍;7號(hào)觀測(cè)線布設(shè)在終采線以外。實(shí)驗(yàn)過程中7條測(cè)線上的流量變化，如圖7所示。

通過系統(tǒng)分析圖7不同來壓階段覆巖滲流特征可知:

(1)1號(hào)和7號(hào)觀測(cè)線設(shè)在煤層開采擾動(dòng)基巖變形范圍之外，煤層開挖對(duì)覆巖滲流特性影響不大，而隔離層進(jìn)行注漿改造和壓裂處理對(duì)覆巖滲流特性的影響較為顯著。在隔離層進(jìn)行注漿處理后，水流量從45.2 mL/min降低至0(1號(hào)測(cè)線)，注漿截流效果顯著;當(dāng)在隔離層進(jìn)行壓裂處理后，水流量從82.4 mL/min上升至95.1 mL/min，壓裂降壓效果顯著。

(2)工作面推進(jìn)至2號(hào)觀測(cè)線前，水流量保持在9.1～10.0 mL/min，基本上不受煤層開采影響，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，引起2號(hào)觀測(cè)線附近巖層裂隙增多、裂縫增大、巖層斷裂和應(yīng)力釋放，巖層滲流量逐漸增多，裂隙帶擴(kuò)展到最大高度(17.7倍采高)，同時(shí)達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，流量達(dá)到最大值;工作面繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)巖層不斷壓實(shí)，覆巖裂隙不斷減少，水流量逐漸減小，隔離層進(jìn)行注漿處理后，水流量降低至0，注漿截流效果顯著。

圖6 流量觀測(cè)線布局示意Fig.6 Flow observation line arrangement

(3)由3～6號(hào)觀測(cè)線的流量變化情況可知，當(dāng)工作面未完全推過3～6號(hào)觀測(cè)線，觀測(cè)線位置處于超前影響范圍內(nèi)，3～6號(hào)觀測(cè)線上的流量變化不明顯，表明超前支承壓力不能導(dǎo)致隔水層的破壞;當(dāng)工作面推過觀測(cè)線所處的位置后，隨工作面不斷推進(jìn)，測(cè)線所在位置采空區(qū)上方巖層經(jīng)歷破斷、垮落、充分采動(dòng)和裂隙壓實(shí)過程，觀測(cè)線上的流量同樣經(jīng)歷先上升再下降(3號(hào)和4號(hào)測(cè)線);當(dāng)對(duì)隔離層進(jìn)行封堵注漿改造后，水流量下降至0(5號(hào)和6號(hào)測(cè)線)，注漿截流效果顯著。

3.3 煤層頂板破斷特征

在2號(hào)煤層工作面推進(jìn)前，首先對(duì)直羅組下段的一段粗粒砂巖層進(jìn)行壓裂處理，而后進(jìn)入開采階段，采用數(shù)字散斑算法對(duì)不同開采階段的圖像進(jìn)行處理，得到不同開采階段基巖影響邊界角和巖層破斷角見表3。

為了進(jìn)一步分析不同開采階段的覆巖運(yùn)移與垮落特征，選取部分來壓階段的數(shù)字散斑圖像進(jìn)行系統(tǒng)分析，如圖8所示。

由表3和圖8可知，隨2號(hào)煤層工作面不斷開采，2號(hào)煤層直接頂隨采隨垮，而頂部為泥巖層，強(qiáng)度相對(duì)較低，初次來壓步距較小，當(dāng)工作面推進(jìn)228.2 mm時(shí)，直接頂發(fā)生斷裂，隨后工作面進(jìn)入周期來壓階段;當(dāng)工作面推進(jìn)726.5 mm時(shí)，發(fā)生第5次周期來壓，此時(shí)采煤工作面右上方基巖層接近首次隔離層壓裂的右邊界，而后暫停煤層開采，開展第2次隔離層壓裂工藝，隨后工作面繼續(xù)開采，基巖影響邊界角達(dá)到75.69°，巖層破斷角為53.21°;當(dāng)工作面開采798.4 mm時(shí)，發(fā)生第6次周期來壓，工作面右上方基巖層影響范圍接近隔離層第2次壓裂右邊界，開展第3次隔離層壓裂工藝，隨后采煤工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，基巖影響邊界角達(dá)到75.33°，巖層破斷角為50.39°;工作面推進(jìn)1 031.6 mm時(shí)，發(fā)生第8次周期來壓，采空區(qū)上部垮落的矸石充分接頂，基巖影響邊界角達(dá)到74.77°，巖層破斷角為57.0°;工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板基巖層將進(jìn)入充分開采階段，煤層開采引起的基巖影響邊界應(yīng)處于隔離層壓裂范圍內(nèi)，而開切眼左上方隔離層注漿需考慮采空區(qū)頂部垮落矸石的充分程度，周而復(fù)始直至工作面開采完畢。

4 煤水協(xié)調(diào)開采情景模擬

煤水共采情景數(shù)值仿真模擬與物理相似模擬實(shí)驗(yàn)相比，實(shí)驗(yàn)周期短，可操作性強(qiáng)，可重復(fù)性強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)還可以對(duì)不同工況條件下的地下水運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，因此，筆者在物理相似模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)煤水仿生共采技術(shù)模式特點(diǎn)，進(jìn)一步開展無人工建造隔水層(工況1)、在直羅組上下段間人工建造隔水層(工況2)、導(dǎo)水裂隙帶頂部人工建造隔水層(工況3)和垮落帶頂部人工建造隔水層(工況4)等4種工況條件下的煤水仿生情景數(shù)值仿真模擬研究。

4.1 情景模型構(gòu)建

依據(jù)地下水滲流連續(xù)性方程和達(dá)西定律，可用下列偏微分方程和定解條件組成的數(shù)學(xué)模型對(duì)研究區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，潛水層和承壓水層非穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)方程可以分別用式(1)和式(2)進(jìn)行表示：

(x,y,z)∈Ω1,t≥0

(1)

(x,y,z)∈Ω2,t≥0

(2)

H0(x,y,z)=H(x,y,z,t)|t=0,(x,y,z)∈Ω

(3)

H1(x,y,z)=H(x,y,z,t)|t=t1,(x,y,z)∈S1,t1≥0

(4)

(5)

式中，kxx,kyy,kzz分別為各含水層沿主軸方向上的滲透系數(shù)，m/d，其中kxx=kyy;w1,w2分別為潛水和承壓水層單位時(shí)間和面積上的源匯項(xiàng)代數(shù)和，m/d;h為各含水層厚度，m;μ為潛水含水層重力給水度;Ω1,Ω2分別為潛水和承壓水滲流區(qū)域;S為自由水面以下承壓含水層貯水率，m-1;H0(x,y,z)，H1(x,y,z)分別為初始水頭和第1類邊界水頭，m;Kn為含水層沿界面外法線方向的滲透系數(shù)，m/d;q(x,y,z,t)為第2類邊界條件的單位面積流量，m3/(d·m2)，流入為正，流出為負(fù);S1,S2分別為第1和第2類邊界，即水頭邊界和流量邊界。

利用Feflow軟件，基于克里金插值算法，在對(duì)流經(jīng)地區(qū)進(jìn)行局部加密的基礎(chǔ)上，將2號(hào)煤首采區(qū)在平面上剖分成由7 850個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的5 064個(gè)三角形單元格，相應(yīng)的在空間上則是由6個(gè)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)的三棱體組成的地質(zhì)體，如圖9所示。

圖9 數(shù)值模擬模型三維高程及離散剖分Fig.9 Numerical simulation model of 3D elevation and discrete profile

為求得與研究區(qū)地下水滲流問題相應(yīng)的特解就要求為模型本身添加約束條件，包括方程參數(shù)值(例如給水度，釋水系數(shù)，滲透系數(shù)等含水層水文地質(zhì)參數(shù)以及源匯項(xiàng))，滲流區(qū)范圍和形狀，區(qū)域初始條件和邊界條件。

(1)初始流場(chǎng)和水文地質(zhì)參數(shù)。2號(hào)煤首采區(qū)初始流場(chǎng)由觀測(cè)井初始時(shí)間水位插值得到。區(qū)內(nèi)有資料的長(zhǎng)期觀測(cè)井共12個(gè)，全部為直羅組含水層觀測(cè)井，觀測(cè)時(shí)段2017年1月至2018年4月。選用補(bǔ)勘觀測(cè)水位值，基于克里金法，利用Feflow軟件形成直羅組含水層初始流場(chǎng);基于2號(hào)煤首采區(qū)補(bǔ)勘期間12個(gè)鉆孔測(cè)定的水文地質(zhì)參數(shù)，以及不同巖性所對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值求得該點(diǎn)參數(shù)初始值，并利用離散點(diǎn)的參數(shù)值運(yùn)用空間區(qū)域化方法形成整個(gè)模擬區(qū)的初始值，參數(shù)的最終值由模型參數(shù)校核后確定。

(2)邊界條件。2號(hào)煤首采區(qū)含水層系統(tǒng)南部與大南湖接壤，模型南部邊界處理為定水頭邊界，水頭值1 310 m;北部及東北部局部地段與外界存在一定的水力聯(lián)系，邊界流量難以確定，但邊界分布有2個(gè)水文長(zhǎng)期觀測(cè)孔，通過水頭插值，可得到邊界連續(xù)的時(shí)序系列水頭值，該部分邊界處理為給定水頭邊界;西部邊界及東部大部分邊界通過大落差的逆斷層隔斷了模型內(nèi)外水力聯(lián)系，因此，該部分邊界處理為定流量邊界，流量為0。2號(hào)煤首采區(qū)地下水系統(tǒng)邊界條件Feflow劃分結(jié)果如圖10所示。

圖10 地下水系統(tǒng)初始水文地質(zhì)參數(shù)Fig.10 Initial hydrogeological parameters of groundwater system

(3)源匯項(xiàng)計(jì)算與處理。2號(hào)煤首采區(qū)屬于戈壁灘區(qū)，區(qū)內(nèi)不發(fā)育常年性或水量較大的河流，區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給項(xiàng)主要考慮有效降水入滲，區(qū)內(nèi)年降水量220 mm，對(duì)于采煤造成的地下水動(dòng)態(tài)影響極小;同時(shí)，研究區(qū)不存在泉水排泄等對(duì)地下水系統(tǒng)影響較大的外排渠道，排泄項(xiàng)主要考慮潛水蒸發(fā)，地下水埋深超過5 m，基本不存在有效蒸發(fā)，因此模擬時(shí)不考慮降水和蒸發(fā)對(duì)地下水流場(chǎng)的影響。綜合來看，在不考慮降水補(bǔ)給和水量蒸發(fā)損失的前提下，地下水流模型主要研究與周圍含水層系統(tǒng)(大南湖水體)之間的補(bǔ)排關(guān)系。

4.2 情景模型參數(shù)校核

為了得到較為精確的模型，模型參數(shù)校核過程顯得極為重要，這一過程需要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試才能得到較為理想的結(jié)果，地下水?dāng)?shù)值模擬過程需要調(diào)試的內(nèi)容主要是含水層參數(shù)。將實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)井水位導(dǎo)入軟件水頭記錄表中，對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)校正，最終得到了參數(shù)校核后的含水層參數(shù)，水位擬合過程，模擬期均衡項(xiàng)，模擬期末流場(chǎng);參數(shù)校核得到的直羅組含水層水平滲透系數(shù)(Kxx,Kyy方向)介于0.02～4.75 m/d，垂向滲透系數(shù)介于0.002～0.500 m/d，釋水系數(shù)<0.01。參數(shù)校核得到的水文地質(zhì)參數(shù)是符合研究區(qū)實(shí)際情況的，擬合曲線顯示各監(jiān)測(cè)井模擬與實(shí)測(cè)水位變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)礦井點(diǎn)各月實(shí)測(cè)與模擬水位值統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，誤差值在±0.5，±(0.5～1.0)，±(1～2)和±(2～3) m的點(diǎn)分別占總體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的43%,42%,7%以及8%，總體來看，誤差小于1 m的數(shù)據(jù)點(diǎn)占到了85%，表明模擬效果良好;模型參數(shù)校核期末，通量面板顯示的井流量為流出842 m3/h，模型總體表現(xiàn)為負(fù)均衡，參數(shù)校核期流出54 527 m3/d，這與觀測(cè)孔總體表現(xiàn)出的下降趨勢(shì)一致。

4.3 常規(guī)開采擾動(dòng)地下水變化特征

2號(hào)煤首采區(qū)首采工作面開采形成的超大井，將會(huì)引起上覆含水層水集中排泄，由于距離較近，原有鉆孔涌水量將會(huì)大幅下降，鉆孔涌水量將遠(yuǎn)小于采空區(qū)涌水量。因此，預(yù)測(cè)期原有涌水點(diǎn)水量不再計(jì)算。工作面回采導(dǎo)水裂隙帶溝通直羅組下段含水層，但未波及直羅組下段含水層頂界，因此，設(shè)置首采工作面上覆隔水層頂?shù)變蓚€(gè)面水頭始終為1 000 m。根據(jù)參數(shù)校核得到的滲透系數(shù)，設(shè)置北側(cè)邊界為定水頭邊界，水頭設(shè)置為模擬期末近似水頭值1 150 m。模擬工作面開采時(shí)間為365 d。

2號(hào)煤首采區(qū)直羅組下段含水層流場(chǎng)在工作面采空區(qū)形成了地下水漏斗，含水層水流集中流向采空區(qū)，模擬所得水文地質(zhì)預(yù)測(cè)期末地下水分布具有顯著負(fù)均衡性，其中第1類邊界地下水排泄量為1 969 m3/h，從補(bǔ)排條件看，這部分排泄量全部為通過采空區(qū)向工作面的涌水量，如圖11所示。

圖11 研究區(qū)預(yù)測(cè)期末地下水分布Fig.11 Prediction of groundwater distribution at the end of the study area

4.4 4種工況條件下地下水變化特征

煤水仿生情景數(shù)值仿真模擬獲得的不同工況條件下地下水流場(chǎng)分布，如圖12所示。

圖12 不同隔水層位置的地下水流場(chǎng)分布Fig.12 Distribution of groundwater flow field at different aquifer

由圖12可知，高位隔水層構(gòu)筑后，地下水同樣表現(xiàn)出向采空區(qū)大井的集中流動(dòng)，采空區(qū)涌水量由改造前的1 969 m3/h降為1 868 m3/h，表明通過改造直羅組上下段間隔水層并不能起到有效“保水”的作用;中位人工隔離層構(gòu)筑后(2號(hào)煤開采導(dǎo)水裂隙帶上覆5 m范圍)，隔離層以下含水層補(bǔ)給采空區(qū)側(cè)向涌水量為628.1 m3/h，通過隔離層的垂向補(bǔ)給量為675.9 m3/h;低位隔離層構(gòu)筑(2號(hào)煤開采垮落帶上覆5 m范圍)后，地下水同樣表現(xiàn)出向采空區(qū)大井的集中流動(dòng)，采空區(qū)側(cè)向涌水量為310.3 m3/h，通過人工隔離層的垂向補(bǔ)給量為733.7 m3/h。上述4種工況條件下的總涌水量、側(cè)向補(bǔ)給量和垂向補(bǔ)給量見表4。

由表4可知，建造人工隔水層均能夠不同程度起到地下水保水作用，其中工況4與天然狀態(tài)相比，人工隔水層建造后，工作面總涌水量減少925 m3/h，阻水率47.0%;總體來看，采用垮落帶頂部人工建造隔水層，阻隔了74.9%的上覆含水層水進(jìn)入采空區(qū)。由于裂隙帶是由下部垮落巖體垮落，由下到上逐漸擴(kuò)展發(fā)育，其下部裂隙較發(fā)育，在該區(qū)域注漿時(shí)，所注漿液與裂隙巖體有較大的接觸面積，可以保證漿液與裂隙巖體充分接觸，注漿加固效果較好，此外，裂隙帶下部注漿，有利于阻斷裂隙帶進(jìn)一步向上擴(kuò)展發(fā)育，從源頭上降低開采過程對(duì)上覆巖層損傷，有利于形成較厚的隔離層，因此，人工隔離層建造位置越靠下，隔水效果越顯著。

表4 4種工況條件2號(hào)煤層首采工作面涌水統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of water inrush in first mining face of the No.2 coal seam under 4 working conditions

5 結(jié) 論

(1)研制了由實(shí)驗(yàn)材料配制系統(tǒng)、模型框架加載系統(tǒng)、水壓控制系統(tǒng)、柔性隔離層注漿控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5部分組成的相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái);配制成以石英砂為骨料、硅油和凡士林為膠結(jié)材料的5種相似模擬實(shí)驗(yàn)材料，該材料的吸水性，隨著材料中石英砂的比例降低而降低，隨膠結(jié)材料的比例升高而降低;相似材料的滲透速度，隨著材料中石英砂的比例降低而降低，隨膠結(jié)材料的比例升高而降低。

(2)開展了煤水協(xié)調(diào)開采相似物理模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)行了4次注漿改造，6次隔離層壓裂工藝處理，煤層開挖對(duì)未受開采擾動(dòng)和超前影響范圍內(nèi)的覆巖滲流特性幾乎沒有影響，煤層開采導(dǎo)致的采空區(qū)上方覆巖經(jīng)歷破斷、垮落、充分采動(dòng)和裂隙壓實(shí)過程對(duì)覆巖滲流特性影響較為顯著，而對(duì)隔離層進(jìn)行注漿改造和壓裂處理對(duì)覆巖滲流特性的影響較為顯著。

(3)通過對(duì)無人工建造隔水層、在直羅組上下段間人工建造隔水層、導(dǎo)水裂隙帶頂部人工建造隔水層和垮落帶頂部人工建造隔水層4種工況條件下的煤水仿生情景模擬研究，得出人工構(gòu)造的隔水層會(huì)影響覆巖滲流特性，在垮落帶頂部人工建造隔水層，可以達(dá)到很好的阻隔上覆含水層水進(jìn)入采空區(qū)，且人工隔離層建造位置越靠下，隔水效果越顯著。