西部淺埋煤層開采頂板含水層水量損失動力學過程特征

2019-04-11 06:06:18靳德武周振方趙春虎馮龍飛

煤炭學報 2019年3期

靳德武,周振方,趙春虎,馮龍飛,許峰

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司礦山災害防治與環境治理技術研發中心，陜西西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西西安 710077; 3.煤炭科學研究總院，北京 100013; 4.中煤科工集團西安研究院有限公司水文地質研究所，陜西西安 710054)

我國侏羅系可采煤炭資源占煤炭總儲量的67%以上，主要分布在干旱半干旱、生態環境脆弱的西部地區[1]，先期煤炭資源以淺部開發為主[2]。煤層開采破壞覆巖結構，形成采動導水裂隙，造成含水層、特別是淺表層水資源大量漏失，加劇了植被退化、土壤沙化等生態環境惡化進程[3-6]。

為化解西部礦區煤炭資源開發與水資源、生態環境保護之間的矛盾，20世紀90年代初期，王雙明、范立民團隊首先提出了“保水采煤”觀點[7-9]。圍繞這一觀點，眾多學者和專家開展了大量的科學研究和工程實踐，研究成果主要集中在以薩拉烏蘇組含水層為保水對象、以古近系紅黏土層為隔水關鍵層的保水采煤分區、導水裂隙帶控制方面[3,4,10-22]。保水采煤分區方面，王雙明等根據煤層頂板覆巖組合特征，將榆神府礦區劃分成自然保水開采區、可控保水開采區、保水限采區和無水開采區4種保水開采分區[3];孫亞軍等根據覆巖隔水層發育及埋藏條件，提出了>70 m厚基巖分布區上覆雙隔水層結構、單隔水層結構以及隔水層缺失結構保水開采模式[16];根據植被與地下水關系，馬雄德等將榆神礦區劃分成植被約束區、地下水約束區和無約束區3種保水開采分區[23]。不管是哪種分區方法，受保護含水層水資源漏失通道(導水裂隙帶)的發育規律與控制技術是實現保水采煤的研究重點[10-11,24-25]。由此，黃慶享通過物理模擬和地裂縫實測分析，提出隔水巖組“上行裂隙”、“下行裂隙”之間的導通性決定了受保護含水層水量漏失程度的觀點，建立了隔水巖組隔水性判據[11];李文平等研究揭示了隔水關鍵層三趾馬紅土具有采動破裂后主動彌合、自修復的功能，從地質結構組成、水-土相互作用及其流變特性方面，闡述了其隔水性自恢復機理[14-15];之后，多位學者結合工程實踐，探討了控制煤層采高、充填采煤技術、隔水關鍵層注漿改造技術、含水層水轉移存儲和轉移存貯技術等[1,5,14-19,22,26-28]，形成了圍繞導水裂隙帶控制為主的保水采煤技術體系，為西部干旱礦區煤—水協調開發、生態環境保護提供了理論和技術參考。

近30 a來，圍繞“保水采煤”取得了豐碩的理論和技術成果，但保水采煤的根本是受保護含水層水資源量的保護，相關研究還較為少見，部分學者僅從礦區或井田尺度計算了采煤引起的水資源損失量[29-30]，以采煤工作面為水資源損失量計算的基本單元，定量計算工作面采動水量損失過程，是推動保水采煤理論定量化研究的關鍵。

筆者以榆神礦區典型覆巖結構組合下煤層開采水量漏失過程為研究對象，通過覆巖破壞數值模擬，歸納不同的水量損失模式，構建采動過程水量損失動力學模型，計算頂板水疏放和無疏放兩種條件下水量損失過程強度以及水資源損失總量，構建頂板水疏放條件下工作面采動水量漏失模型，定量計算薩拉烏蘇組含水層和風化基巖含水層水量損失比例。

1 研究區概況及覆巖破壞特征

陜北煤炭基地侏羅系上組煤開采覆巖結構組合以沙層-土層-風化層-基巖層類型為主，約占全區的65%,主要分布于榆神礦區[12]。研究區某煤礦主采延安組3-1煤層，平均煤厚3.0 m，平均埋深115 m，屬典型淺埋煤層。煤層覆巖結構從上到下依次為新生代薩拉烏蘇組含水層、紅黏土隔水層、侏羅紀直羅組風化基巖含水層以及正常基巖層。根據覆巖厚度分布特征，將井田開采煤層覆巖結構概化為6種工況(表1)。

根據煤層覆巖組合類型，通過改變松散沙層、黏土層以及風化基巖層厚度，設置30 m開挖步距，利用UDEC軟件分別模擬分析了工作面推采過程煤層頂板導水裂隙帶發育規律(圖1,表2)。模擬結果顯示，工作面推采至180 m以后，導水裂隙帶發育范圍達到穩定;基巖段厚度與導水裂隙帶最大高度的大小關系，直接決定了煤層采動導水裂隙帶(上行裂隙)能否與下行裂隙溝通;厚基巖分布區，導水裂隙帶發育最大高度在45～50 m,模擬結果與現場實測45.72 m基本吻合。

表1 研究區3-1煤覆巖組合厚度特征Table 1 Thickness characteristics of overburden combination of No.3-1 coal seam in study area

注:表中巖層厚度是根據井田水文地質補勘報告進行的覆巖特征概化，并非嚴格的實際厚度。

圖1 不同覆巖組合煤層開采導水裂隙帶發育高度范圍Fig.1 Development height range of water conducting fracture zone in coal seam mining with different overburden rock combinations simulated by the UDEC software

總的來看，根據煤層開采上行裂隙和下行裂隙發育特征，頂板含水層水量損失可分為2種模式，當上行和下行裂隙在隔水黏土層未能溝通，頂板含水層水量損失主要來源于單一的風化基巖含水層(模式1);兩種裂隙突破隔水黏土層后相互溝通，形成良好的垂向過水通道，水量損失來源于風化基巖和松散層砂巖復合含水層(模式2)。

2 水量損失動力學模型構建

2.1 頂板水疏放工作面推采水量損失過程動力學模型構建

一般，工作面采前均經過頂板水預疏放[31]，根據前期研究成果，煤層開采引起的頂板水量損失主要來源于靜儲量釋放和采空區大井動態水量損失，兩種形式的水量損失過程可分別用一階指數衰減模型(式(1))和一階指數恢復模型表征(式(2))，相應工作面頂板水量損失過程可用二階動力系統模型描述(式(3))[32]。

表2 工作面推采過程覆巖導水裂隙帶發育最大高度Table 2 Maximun altitude of water-conducting fracture zone in overburden rock with mining m

工作面頂板水量損失過程動力系統模型表述為

Qj=A1exp(-k1at/b)+C1

(1)

Qd=C2-A2exp(-k2at/b)

(2)

Q=Qj+Qd=A1exp(-k1at/b)-

A2exp(-k2at/b)+C

(3)

其中，Qj和Qd分別為at/b位置頂板靜儲量釋放水量和采空區大井動態損失量，m3/h;at/b為推采t時刻工作面推采走向長度與傾向寬度的比值(簡稱“走傾比”);k1和k2分別為靜儲量釋水衰減系數和大井動態損失增長系數，m3/(h·1);C=C1+C2，C1和C2分別為頂板靜儲量釋放水量動態穩定值和大井水量損失動態穩定值，m3/h;根據模型意義，容易推導A1=Qj0-Qje，Qj0為推采直接頂初次垮落時刻位置釋放靜儲量，可表述為Qj0=bvhc，v為直接頂初次垮落位置推采速度，m/h;hc為直接頂初次垮落位置殘余水頭高度，m。根據模型意義，初始時刻至直接頂初次垮落時刻位置，頂板等效于無破壞，大井動態水量損失為0，at/b趨于無窮大時，Qd=C2，據此，容易推導A2>C2;A1和A2分別為工作面推采靜儲量釋放和動態補給初始參量。

工作面推采頂板動、靜儲量疊加水量損失過程，一般呈現兩種變化趨勢:當采動導水裂隙揭露覆巖單一含水層時，地下水損失量一般呈現先增加至峰值，后逐步衰減至動態穩定水量的趨勢;當采動導水裂隙揭露覆巖復合含水層時，地下水水量損失過程呈現逐步增加至動態穩定或基本趨于動態穩定的變化趨勢。據此，工作面推采頂板含水層水量損失過程一般變化規律如圖2所示。

圖2 工作面推采頂板水量損失組成及變化過程Fig.2 Composition and change of water-inflow from roof aquifer with the working face mining process

2.2 無疏放狀態工作面推采頂板含水層水量損失模型構建

工作面推采頂板水量損失規律是推采速度、頂板覆巖組合條件以及含水層水文地質特征共同作用的結果[32-33]。根據采空區實測水量損失數據擬合得到的曲線方程僅僅反映的是頂板水疏放之后的水量損失過程變化規律，對于不同頂板水疏放程度工作面推采水量損失量的求解意義不大。無疏放狀態水量損失過程方程對于計算頂板水頭控制疏降工作面水量損失強度具有重要意義，等效于現狀頂板水疏放條件下水量損失過程與前期鉆孔疏放水量疊加的結果。對于同一工作面，無疏放和有疏放兩個水量損失過程具有相同的初始和動態平衡位置，以及對應相同的特征水量損失強度(圖3)。據此，2種疏放狀態之間的水量損失強度定量關系可以用定積分方程表述(式(4))。

(4)

式中，QT為天然無疏放狀態工作面推采水量損失曲線方程;QS為現狀疏放狀態工作面推采水量損失曲線方程;ΔQ為鉆孔疏放水總量;ate為工作面推采水量損失動態平衡位置;te為工作面推采水量損失動態平衡時間。

圖3 工作面推采水量損失定積分概念模型Fig.3 Definite integral computing model for water resources loss with the working face mining process

3 水量損失模型求解及應用

3.1 頂板水疏放工作面推采覆巖含水層水量損失規律

按照工作面覆巖結構特征進行劃分，M1，M2，M3工作面屬于模式1，N1，N2，N3，N4，N5，N6，N7工作面屬于模式2，工作面推采頂板水量損失過程表現出了顯著差異。單一風化基巖充水條件，水量損失強度呈現初期增加至峰值水量，而后隨推采逐步下降至動態平衡的趨勢(圖4);與之相比，風化基巖與松散層復合充水條件，煤層上覆直羅組風化基巖相對較薄，煤層開采導水裂隙發育至松散層，工作面推采水量損失強度呈現逐步增加的趨勢，但增速逐步下降，基本趨近動態穩定(圖5)。

圖4 模式1工作面推采水量損失過程擬合曲線Fig.4 Variations of water resources loss with the working face mining process described using the double-exponential decay model (Mode 1)

基于麥克勞林公式指數多項式轉化為非線性多項式近似計算的基本思想[32,34]，求解了2種模式工作面覆巖含水層水量損失過程曲線方程相應參數(表3)。兩種模式相比，頂板靜儲量衰減速率和采空區大井動態損失強度增長速率存在數量級的差異，指示模式2采空區水量損失強度的持續增加主要受到復合含水層上段松散層潛水持續疊加補給影響;而模式1單一含水層充水，前期逐段靜儲量釋水量較大，控制著涌水過程逐步增加的趨勢，后期隨著靜儲量釋水量逐步下降，動態損失水量開始占據主導地位，控制著水量損失過程緩慢增加的趨勢，這種增速與前期靜儲量的逐段集中釋放相比，基本可以忽略，這與吳吉春等的研究結果一致[35]。相同模式，特征水量損失強度及發生位置存在差異，且二者存在正比例關系，指示導水裂隙波及層段巖層綜合富水性是控制工作面推采頂板水量損失過程的主要因素，這與其他學者研究結果是一致的[36-37]。

3.2 無疏放狀態工作面推采頂板水量損失規律

選取有鉆孔疏放水觀測記錄的2個工作面(M2和N5工作面)，進行2種模式無疏放狀態工作面推采頂板水量損失過程線求解。M2工作面疏放水總量128.90萬m3，根據式(4)列出實際疏放與無疏放工作面推采頂板水量損失過程線之間的定積分關系式:

圖5 模式2工作面水量損失過程擬合曲線Fig.5 Variations of water resources loss with the working face mining process described using the double-exponential decay model (Mode 2)

工作面A1/(m3·h-1)A2/(m3·h-1)k1/(m3·(h·1)-1)k2/(m3·(h·1)-1)Qe/(m3·h-1)ate/bQm/(m3·h-1)atm/bR2M1518.53 992.30 3.19 14.71 46.67 2.323 268.87 0.189 0.79模式1M2473.37 608.99 6.48 12.73 91.83 1.131 180.70 0.148 0.64M3(a)523.03 475.71 0.12 3.28 42.17 28.500 488.18 1.017 0.84N1385.20 560.03 0.20 0.20 180.00 29.300? ——0.91N2450.20 533.03 1.00 0.92 115.00 6.850? ——0.24N3405.20 443.13 0.20 0.20 160.00 21.600? ——0.22模式2N4583.60 672.93 0.31 0.37 170.00 21.550? ——0.52N5565.60 729.59 0.20 0.22 188.00 12.220? ——0.74N6463.60 666.23 0.30 0.26 290.00 26.600? ——0.89N7175.20 490.37 0.15 0.10 390.00 68.800? ——0.83

注:(a)為M3工作面推采水量損失強度觀測樣本較少，代表性弱;*為曲線斜率等于0.05時近似為水量損失平衡位置。

(5)

式中，QTM為天然無疏放狀態M2工作面推采水量損失曲線方程;QSM為現狀疏放狀態M2工作面推采水量損失曲線方程。

列出現狀疏放狀態M2工作面推采頂板水量損失過程線方程，以及無疏放狀態M2工作面推采頂板水量損失過程線一般模型:

QSM=473.37 exp(-6.48at/b)-

608.99 exp(-12.73at/b)+91.83

(6)

QTM=A1TMexp(-k1TMat/b)-A2TMexp(-k2TMat/b)+

CTM

(7)

式中，A1TM和A2TM分別為無疏放狀態M2工作面推采靜儲量和動態補給初始參量;k1TM和k2TM分別為靜儲量釋水衰減系數和采空區大井動態損失增長系數;CTM為無疏放狀態M2工作面推采頂板靜儲量釋放水量動態穩定值和大井水量損失動態穩定值的疊加。

對式(5)進行化簡，變形得到關系式:

(8)

根據模型概化結果，對于M2工作面，實際疏放和無疏放工作面推采水量損失過程線存在相同的初值、動態平衡值，以及水量損失峰值發生位置，據此，列出上述特征值數學表達式:

QTM|at/b=0=QSM|at/b=0

(9)

QTM|at/b=1.131=QSM|at/b=1.131

(10)

(QTM|at/b=0.148)′=0

觀念是支配人的行為的主觀意識。在科技成果向教學資源轉化之前，科技成果的擁有者要樹立正確的觀念。只有充分認識到科技成果教學轉化的重要意義，才能為科技成果教學轉化提供動力，這種動力就是科技成果擁有者的內在動力。但是，無論是社會還是高校內部，都沒有重視科技成果教學轉化，對其重要意義的認識也不足，其原因主要有以下幾個方面。

(11)

經化簡、變形得到上述條件的對應方程:

A1TM-A2TM=-135.62

(12)

A1TMexp(-1.131k1TM)-A2exp(-1.131k2TM)=0

(13)

-A1TMk1TMexp(-0.148k1TM)+

A2TMk2TMexp(-0.148k2TM)=0

(14)

聯立式(8)，(12)～(14)，求解得到M2工作面無疏放狀態推采過程水量損失過程線模型(式(15)，圖6)。

QTM=3 786.96exp(-4.527at/b)-3 922.58×

exp(-10.356at/b)+91.83

(15)

頂板水預疏放顯著降低了工作面推采過程水量損失峰值強度，從M2工作面來看，峰值水量從1 182.56 m3/h減至180.70 m3/h，減少了84.72%(圖6)，無疏放狀態頂板水靜儲量的集中釋放導致了水量損失陡增陡降過程。從安全角度來看，頂板水預疏放起到了顯著的“削峰”作用，使工作面推采水量變化過程變得相對平緩。從水資源損失方面來看，在煤層開采不可避免破壞覆巖含水層時，頂板預疏放部分水資源能夠避免直接進入采空區受到機械殘油污染的風險，從而得到轉移利用、轉移存儲或轉移存貯[4,16]。

圖6 M2工作面推采水量損失過程線Fig.6 Process line of water loss with the M2 working face mining

與M2工作面不同的是，頂板水疏放后，模式2 N5工作面水量損失過程呈現逐步增加的趨勢，無疏放狀態過程線求解無法準確給出水量損失峰值發生位置，以及對應數學表達式。以往研究成果顯示，覆巖水文地質條件相似工作面推采頂板水量損失過程峰值水量及相應位置主要受控于推采速度和導水裂隙帶發育高度[32]。覆巖破壞數值模擬結果指示模式2導水裂隙帶發育在走傾比在0.5～0.6位置達到穩定，這與模式一導水裂隙帶發育穩定位置類似;同時，N5和M2工作面初期推采速度分別是177.6 m/月和167.8 m/月，基本一致。可以推測，無疏放狀態2個工作面推采峰值水量損失位置走傾比基本接近(<0.2)，筆者通過假定N5工作面水量損失峰值強度走傾比分別在0.2,1.0,3.0三個位置，進行相應近似過程線求解，找出水量損失峰值強度與發生位置之間的數學近似關系。

實測N5工作面頂板水預疏放水量256.29萬m3，參照M2工作面水量損失過程線求解方法，得到3種假設峰值位置水量損失過程線方程(式(16)～(18)，圖7)。

QTN1=4 524.80exp(-0.838at/b)-

4 688.79exp(-15.886at/b)+188.00

(16)

QTN2=3 673.80exp(-0.510at/b)-

3 738.79exp(-1.834at/b)+188.00

(17)

QTN3=1 414.00exp(-0.179at/b)-

1 577.99exp(-0.821at/b)+188.00

(18)

其中，QTN1,QTN2,QTN3分別為水量損失峰值強度在0.2，1.0和3.0三個位置條件下天然無疏放狀態N5工作面推采水量損失曲線方程。

圖7 N5工作面推采水量損失過程線Fig.7 Process line of water loss with the N5 working face mining

3種假設位置對應水量損失峰值強度分別為3 819.05，1 796.74，880.07 m3/h，可以看出，瞬時水量損失峰值強度隨著其發生位置的推移不斷減小，且呈現指數下降關系(圖7)。工作面推采前期，峰值水量發生位置越小，水量集中損失強度越顯著，由于水量損失總量相同，推采后期涌水量呈現相反的特點，即水量損失峰值強度發生位置越大，衰減后期頂板水量損失瞬時值越大。按照研究區峰值水量發生位置<0.2的規律，無疏放條件下N5工作面推采頂板水量損失峰值強度>3 819.05 m3/h。

3.3 工作面推采覆巖含水層水量損失分析

利用定積分方法求解了無疏放狀態水量損失過程線方程，得到了工作面推采水量損失峰值。單一充水水源條件M2工作面和復合充水水源條件N5工作面，頂板水頭分別平均疏降68.42%,66.67%(圖8)，水量損失峰值分別下降84.72%,95.08%，疏放水后，工作面推采過程頂板水量分別損失74.97,94.82萬m3，進入采空區水量分別減少41.84%,72.99%，結果指示鉆孔預疏放對于復合充水水源條件工作面推采頂板涌水“削峰”效果更為顯著。在風化基巖承壓含水層儲水量相似的條件下，采煤分別造成M2和N5工作面頂板含水層總的水量損失203.87,351.11萬m3。與N5工作面相比，M2工作面開采，古近系黏土層至少阻隔了140萬m3松散層水進入采空區。

在工作面推采水量損失過程強度和損失總量計算結果基礎上，根據工作面覆巖與采動裂隙空間結構特征，構建了M2和N5工作面采動頂板水量損失強度數學和數值模型(圖9)，進一步計算頂板水疏放后單位走向長度工作面覆巖含水層水量損失強度。

根據地下水動力學基本原理，導水裂隙帶外圍非采動擾動區為達西滲流區域(式(19))。導水裂隙帶范圍以內含水層由于被迅速疏干，形成導水裂隙帶與含水層空間接觸曲面，曲面水壓力p為大氣壓，定義為0(式(20))，基于Comsol Multiphysics軟件進行了工作面回采過程單位走向長度覆巖地下水損失過程穩定流模擬。

非采動擾動區Darcy線性滲流方程:

(19)

導水裂隙帶與含水層空間接觸曲面:

p=0

(20)

式中，u為流速;p為水壓;k′為含水層滲透率。

單位走向長度水量損失強度薩拉烏蘇組潛水和直羅組風化基巖承壓水占比計算結果指示，2種覆巖組合模式相比，采動導水裂隙揭露不同的覆巖含水層，水量損失規律差異明顯，采動導水裂隙揭露的隔水保護層厚度越大，松散含水層失水強度與占比越高(表4)。工作面推采水量損失總量、水量損失強度計算結果，揭示了研究區古近系黏土隔水層對于保護薩拉烏蘇組松散層潛水的重要意義。