突水作用下地下水位降落漏斗演變過(guò)程分析

馬金錄

(鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))楊河煤業(yè)有限公司，河南 新密 452382)

人類治水工程和開(kāi)采地下水等因素是造成華北平原區(qū)水資源減少的重條件[1-4]，礦井疏排水相當(dāng)于人工抽水井對(duì)礦區(qū)地下水進(jìn)行疏排，是煤礦密集區(qū)地下水的主要排泄方式，是造成區(qū)域地下水位持續(xù)下降的決定性因素。長(zhǎng)期疏排水必然產(chǎn)生以礦井為中心的地下水降落漏斗[5]，尤其是在大型底板突水和頂板冒落影響的作用下，將使上部受大氣降水和第四系孔隙水補(bǔ)給的砂巖裂隙含水系統(tǒng)與下部寒武系、奧陶系及石炭紀(jì)太原組巖溶含水系統(tǒng)形成半溝通，改變局部地下水流動(dòng)系統(tǒng)的徑流方向[6-8]，在不同階段與不同的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相結(jié)合，將會(huì)產(chǎn)生截然不同的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題[4]。因此，研究單獨(dú)礦井或整個(gè)礦區(qū)地下水位降落漏斗的演變過(guò)程，在礦井水害防治工作中是一項(xiàng)重要的安全問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域地下水位動(dòng)態(tài)變化影響因素和地下水降落漏斗的成因、分類及危害等方面做了大量的研究[9-15]，發(fā)現(xiàn)區(qū)域地下水的開(kāi)采量長(zhǎng)期超過(guò)補(bǔ)給量并逐漸消耗了儲(chǔ)存量，并在一定補(bǔ)給周期內(nèi)得不到恢復(fù)[5]，從而造成區(qū)域地下水水位下降漏斗。隨著開(kāi)采量的不斷增加，漏斗面積不斷增大[16]，橫向擴(kuò)展趨勢(shì)明顯，垂向發(fā)展逐步變得平緩，漏斗下降速率減緩[17]。研究結(jié)果主要集中在人工開(kāi)采對(duì)區(qū)域地下水位下降的影響程度和漏斗變化趨勢(shì)，單獨(dú)以煤礦礦區(qū)或礦井大型突水單一因素形成地下水降落漏斗為對(duì)象的具體研究較少，以礦井主要疏排點(diǎn)轉(zhuǎn)移引起地下水降落漏斗中心演變過(guò)程的相關(guān)研究亦較少。為此，本文以裴溝煤礦2011—2020年地下水位資料為基礎(chǔ)，研究地下水降落漏斗在大型突水和采掘區(qū)域轉(zhuǎn)移等影響因素下的演變過(guò)程，同時(shí)結(jié)合周邊對(duì)地下水的人工開(kāi)采量變化，分析預(yù)測(cè)未來(lái)幾年的區(qū)域地下水位的變化趨勢(shì)，為裴溝煤礦水害威脅嚴(yán)重的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)?zāi)害治理和采掘布置提出了建議。

1 基本概況

1.1 礦井基本情況

裴溝煤礦位于新密市東南8.5 km，礦區(qū)面積48.755 5 km2，1966年建成投產(chǎn)，經(jīng)3次大規(guī)模改擴(kuò)建后原煤實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)到210萬(wàn)t/a。地質(zhì)類型極復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等、水文地質(zhì)類型復(fù)雜，以東西向發(fā)育的油坊溝斷層和浮山寨斷層為邊界劃分為3個(gè)井田，其中裴溝井田資源枯竭，楊河井田布置3個(gè)采區(qū)(34采區(qū)、32采區(qū)、31采區(qū))自西向東依次開(kāi)采，樊寨井田處于開(kāi)發(fā)階段，42采區(qū)停產(chǎn)，43采區(qū)正在掘進(jìn)開(kāi)拓巷道。

1.2 地下水位監(jiān)測(cè)情況

礦區(qū)位于滎密背斜南翼單斜及斷裂構(gòu)造水文地質(zhì)亞區(qū)的地下水徑流區(qū)中部[18]，區(qū)域徑流方向由北西向南東為主[19-20]，從補(bǔ)給區(qū)到徑流區(qū)的水位傳遞時(shí)間平均為56 d。在礦區(qū)內(nèi)部，北部的裴溝井田和楊河井田，長(zhǎng)期開(kāi)采疏放造成地下水位略低于南部未開(kāi)發(fā)的樊寨井田，邊界浮山寨斷層南盤抬升使深部強(qiáng)含水層向北盤補(bǔ)給，造成區(qū)內(nèi)徑流方向改變?yōu)橛赡舷虮保瑢?dǎo)致礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜化[18-20]。礦區(qū)內(nèi)布置7個(gè)地下水位觀測(cè)孔(圖1)，實(shí)現(xiàn)了L1-3、O2、∈3等灰?guī)r巖溶裂隙含水層水位標(biāo)高的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

圖1 采區(qū)、突水點(diǎn)及觀測(cè)孔分布Fig.1 Distribution of mining areas，water inrush points and observation holes

1.3 突水點(diǎn)基本情況

32051(上炮)工作面位于32采區(qū)下部，2011年11月14日切巷導(dǎo)通底部隱伏構(gòu)造發(fā)生奧灰突水(圖1)，初始涌水量為3 m3/h，48 h后最大突水量達(dá)1 000 m3/h，2011年12月4日在-300 m軌道巷施工的疏水巷從L7-8灰?guī)r中截?cái)鄬?dǎo)水通道并將水引入大巷排出。注漿堵水工程施工后，突水量于2012年2月開(kāi)始持續(xù)下降，并于2012年3月降至300 m3/h左右且穩(wěn)定至今，礦井利用該突水點(diǎn)對(duì)底板太灰及奧灰含水層進(jìn)行疏水降壓，水位從突水前的+95 m左右降至目前的+30 m左右，該突水點(diǎn)水量約占目前礦井實(shí)際涌水量930 m3/h的32.3%。

2 礦區(qū)水位變化過(guò)程分析

2.1 研究樣本選取

據(jù)突水前歷年觀測(cè)顯示，礦區(qū)地下水位主要受礦井疏排影響整體呈單邊穩(wěn)定下降趨勢(shì)，每年降深2～3 m，豐水期大氣降水補(bǔ)給集中在6—9月份，在水位傳遞時(shí)間內(nèi)較小程度抬升水位。為降低豐水期大氣降水補(bǔ)給影響，選取2011—2020年每年1月份水位數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，各觀測(cè)孔水位數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 2011—2020年水位數(shù)據(jù)Tab.1 Water level data during 2011 year to 2020 year

2.2 水位變化過(guò)程

突水后歷年水位變化過(guò)程曲線如圖2所示。由圖2可知，在突水作用下礦區(qū)地下水位2012—2016年呈現(xiàn)大幅下降趨勢(shì)，2017—2020年呈現(xiàn)小幅穩(wěn)定下降趨勢(shì)，各觀測(cè)孔存在明顯差異。

圖2 2011—2020年水位變化曲線Fig.2 Water level curve during 2011 year to 2020 year

(1)突水前，水位維持在+90～+100 m，觀測(cè)已開(kāi)采34采區(qū)、32采區(qū)的觀2、6-補(bǔ)85孔水位明顯低于未開(kāi)采的31采區(qū)2-補(bǔ)81孔和未開(kāi)發(fā)的樊寨井田付5201、4014、4603、5006孔，兩極水位差為8.85 m。

(2)突水后，2011年11月—2012年1月距離突水點(diǎn)最近的6-補(bǔ)85孔、觀2孔水位降差分別為14.05、9.58 m，較遠(yuǎn)的2-補(bǔ)81孔水位降差5.97 m，樊寨井田4個(gè)觀測(cè)孔水位降差分別為1.41、1.10、0.02、-0.49 m。降差表明：楊河井田和樊寨井田以浮山寨斷層為界分屬不同的水文地質(zhì)區(qū)域，楊河井田在突水后短時(shí)間內(nèi)形成以突水點(diǎn)為中心的水位降落漏斗，樊寨井田在此段時(shí)間內(nèi)由于路徑遠(yuǎn)、補(bǔ)給量充足、斷層阻隔等因素而未出現(xiàn)明顯水位降落，處于邊界的付5201鉆孔受斷層南盤補(bǔ)給，雖與突水點(diǎn)距離近但降差不明顯，說(shuō)明在突水過(guò)程中以突水點(diǎn)為中心出現(xiàn)由近及遠(yuǎn)的地下水位階梯降差。

(3)2012年2月—2013年1月，突水點(diǎn)水量從1 000 m3/h逐漸減小并穩(wěn)定在300 m3/h，對(duì)楊河井田區(qū)域地下水疏排能力減弱，同時(shí)處于高水位區(qū)域的楊河井田東西兩翼和樊寨井田開(kāi)始向低水位區(qū)域的漏斗中心徑流大量地下水進(jìn)行補(bǔ)給，受徑流補(bǔ)給影響，漏斗中心水位降落速度減緩，降差為6.97 m，高水位區(qū)域水位降落速度大幅提高，降差為9.42～25.03 m。

(4)2013年2月—2016年1月，各觀測(cè)孔水位標(biāo)高差值減小，同期兩極差值依次為9.22、6.44、9.08、6.03 m，基本與突水前保持一致，各年水位降差基本維持在平均12 m左右。該時(shí)間段水位變化過(guò)程表明，以高水位區(qū)域?yàn)檠a(bǔ)給區(qū)、以突水點(diǎn)為排泄區(qū)的地下水徑流帶形成并穩(wěn)定，突水疏排對(duì)各區(qū)域的水位降幅能力達(dá)到基本一致。

(5)2016年2月—2020年1月，礦區(qū)水位維持在+30～+50 m，每年降差平均為1.1～4.9 m，整體呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)，局部段出現(xiàn)小幅升高，表明該時(shí)段內(nèi)礦區(qū)地下水補(bǔ)給和突水點(diǎn)排泄整體上達(dá)到一定程度的平衡狀態(tài)，當(dāng)其他底板水疏放點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，將較小程度的破壞該平衡，呈現(xiàn)為水位短時(shí)間、小幅度的升高或降低。

3 降落漏斗演變過(guò)程分析

在研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)區(qū)域地下水位降落漏斗的形成及演變主要因素是突水點(diǎn)疏放導(dǎo)致的各區(qū)水位變化，同時(shí)徑流方向、開(kāi)采位置轉(zhuǎn)移及疏水點(diǎn)變化等因素也起到了至關(guān)重要的作用，根據(jù)這些因素繪制了地下水徑流及降落漏斗矢量圖(圖3，圖中數(shù)字編號(hào)為鉆孔編號(hào))，直觀顯現(xiàn)突水作用下地下水位降落漏斗經(jīng)歷了形成—加劇—穩(wěn)定—轉(zhuǎn)移的演變過(guò)程。

圖3 地下水徑流及降落漏斗矢量Fig.3 Vector diagram of groundwater flow and depression cone

(1)形成階段。突水前，主要開(kāi)采地點(diǎn)位于楊河井田的34采區(qū)、32采區(qū)，地下水的正常疏排作用導(dǎo)致其他地方向該區(qū)徑流，形成以該區(qū)為中心排泄的較小程度降落漏斗(圖3(a))。

(2)加劇階段。突水后，位于32采區(qū)下部的突水點(diǎn)排泄量遠(yuǎn)多于礦井正常地段，地下水從四周向漏斗中心流動(dòng)[5]，短時(shí)間內(nèi)提高突水點(diǎn)附近區(qū)域的徑流速度和汲取水量，較遠(yuǎn)區(qū)域受波及程度低而維持原來(lái)徑流方向和速度，形成以突水點(diǎn)為中心的大降深漏斗(圖3(b))。

(3)穩(wěn)定階段。1年后突水量穩(wěn)定，隨著加劇階段地下水補(bǔ)給斷面擴(kuò)大，橫向擴(kuò)展速率大于垂向發(fā)展速率，全區(qū)向突水點(diǎn)徑流速度達(dá)到基本相同，由于水源補(bǔ)給充足，各區(qū)水位呈現(xiàn)等差降落趨勢(shì)，地下水位降落漏斗恢復(fù)至與突水前基本一致的穩(wěn)定狀態(tài)(圖3(c))。

(4)轉(zhuǎn)移階段。2013年2月以后，主要開(kāi)采區(qū)域轉(zhuǎn)移至31采區(qū)、42采區(qū)，礦井除了突水點(diǎn)外的主要疏水點(diǎn)亦隨之轉(zhuǎn)移，以突水點(diǎn)為中心的降落漏斗穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，局部地下水開(kāi)始向開(kāi)采區(qū)域徑流，全區(qū)形成以突水點(diǎn)為主、開(kāi)采區(qū)域?yàn)檩o的雙中心漏斗(圖3(d))。2018年以后開(kāi)始開(kāi)發(fā)43采區(qū)，浮山寨斷層以南區(qū)域的地下水徑流方向開(kāi)始向該區(qū)轉(zhuǎn)移，以北區(qū)域仍維持原來(lái)方向分別向突水點(diǎn)和31采區(qū)徑流，全區(qū)形成以突水點(diǎn)、31采區(qū)、43采區(qū)為中心的3處漏斗(圖3(e))。

4 趨勢(shì)預(yù)測(cè)

4.1 裴溝礦區(qū)

裴溝煤礦未來(lái)5年主要采掘區(qū)域集中在31采區(qū)下部，深部開(kāi)采且距浮山寨斷層越來(lái)越近，屆時(shí)31采區(qū)涌水量將超過(guò)32051(上炮)工作面突水點(diǎn)成為礦井疏排主要集中點(diǎn)，大幅度汲取楊河井田東西部及浮山寨斷層附近地下水，形成以31采區(qū)為主要中心的地下水位降落漏斗，很大程度上改變礦區(qū)內(nèi)部的地下水徑流補(bǔ)給方向，導(dǎo)致該區(qū)的底板水害治理難度增加。突水點(diǎn)疏排能力相對(duì)減弱，附近的地下水位單位時(shí)間內(nèi)降深幅度減小，位于突水點(diǎn)南部和浮山寨斷層北部的32071(西)工作面水害治理和開(kāi)采將處于最佳時(shí)期。

4.2 鄭州礦區(qū)

近年來(lái)，鄭州礦區(qū)地下水位下降的主要因素是礦井和發(fā)電廠疏排，整個(gè)地區(qū)形成以礦井或發(fā)電廠為中心的區(qū)域地下水位降落漏斗。隨著資源整合礦井和資源枯竭的部分直管礦井關(guān)停，鄭煤集團(tuán)所屬礦井總涌水量也由2010年的6 700 m3/h左右減小為2020年的5 200 m3/h左右，東風(fēng)電廠關(guān)停造成用于機(jī)組冷卻的5 400 m3/h水量將不再汲取，同期相比煤礦和電廠對(duì)地下水疏排能力減小6 900 m3/h，大幅減弱了地下水位的降落趨勢(shì)，關(guān)停地方的水位將逐步回升并將填平漏斗，局部徑流補(bǔ)給將發(fā)生改變，整個(gè)礦區(qū)水位降落觸及低谷后預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)逐步抬升趨勢(shì)。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)突水前后地下水位降落漏斗演變過(guò)程的探討和分析，發(fā)現(xiàn)突水作用將破壞和改變?cè)瓉?lái)的地下水徑流方向，地下水向突水點(diǎn)進(jìn)行徑流補(bǔ)給的波及范圍由近及遠(yuǎn)，降落漏斗垂向發(fā)展速率加快，加劇原有地下水位降落漏斗的峰谷差值，使區(qū)域地下水位以突水點(diǎn)為中心呈現(xiàn)階梯下降趨勢(shì)。當(dāng)橫向擴(kuò)展速率大于垂向發(fā)展時(shí)，徑流波及范圍內(nèi)各區(qū)域地下水位將同幅度下降，形成區(qū)域性降落漏斗。

(2)采掘區(qū)域轉(zhuǎn)移使礦井出現(xiàn)多處地下水疏排點(diǎn)，降落漏斗將在疏排點(diǎn)位置產(chǎn)生新的低水位中心，區(qū)域漏斗中心將演變成“一主多輔”的形態(tài)，造成局部徑流方向紊亂，增加該區(qū)域底板水害治理難度。

(3)當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給與排泄達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)并觸及水位降深低谷后，疏排量減小將導(dǎo)致水位逐步抬升、漏斗逐漸被填平，處于突水點(diǎn)中心附近水害威脅嚴(yán)重區(qū)域在地下水位降落漏斗低谷形態(tài)條件下開(kāi)采的安全系數(shù)更高。