黃陵礦區洛河組砂巖富水-釋水規律

2019-06-06 06:23:18侯恩科王蘇健

西安科技大學學報 2019年3期

馮潔，侯恩科，王蘇健

(1.西安科技大學地質與環境學院，陜西西安 710054；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西西安 710065；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯合工程研究中心，陜西西安 710065)

0 引言

黃陵礦區主采煤層上覆巖層存在一組洛河砂巖(K1l)，為巨厚、低滲、富水、低強度、弱膠結、易軟化的中粗粒泥質膠結砂巖，且富水性不均一，隨著煤炭資源的深入開采，回采階段的水害問題日益突出，生產實踐發現經物探與鉆探顯示洛河組砂巖含水層富水性強的區域，疏放水工作困難。以上問題的解決需要從2個方面入手考慮，一方面加強富水性的預測精度，即富水性的研究；一方面解釋富水區水量如何釋出，即釋水規律的研究。已有學者在富水性探查[1-2]與預測[3-4]方面開展了大量的研究工作，富水性探查主要通過物探先行，鉆探驗證的途徑進行，富水性預測主要在“三圖—雙預測”[5-7]的基礎上，根據具體地質條件[8-9]變換研究區地學信息來預測富水性。釋水規律研究對象多集中于土層[10-11]，通過室內試驗研究釋水過程對外界應力的響應關系，依據響應關系，總結釋水規律，揭示釋水機理。

文中采用多源地學信息融合[12-14]的方法開展黃陵礦區洛河組砂巖含水層富水性預測，借助生產實踐驗證、檢驗預測準確性；通過理論與數值模擬總結洛河組砂巖含水層的釋水規律。研究成果可指導黃陵礦區礦井防治水工作。

1 區域地質特征

黃陵礦區位于黃隴侏羅紀煤田北部，北起葫蘆河，南至建莊，東起店頭鎮、張村驛以東，西至陜、甘兩省交界，面積1 374 km2。該區屬黃土高原中等切割和侵蝕構造山地，總體西北高東南低，區內溝壑縱橫，山巒起伏，標高+1 845.6～+920 m.

該區地層由老至新依次有：三疊系、侏羅系、白堊系、新近系、第四系地層，其中，侏羅系延安組為本區含煤地層，主采煤層為2#煤層，平均厚度2.32 m，層位穩定，全區分布，屬低中灰，特低-低硫，特高-高熱值。主采煤層為優質的動力煤及民用煤。區內構造簡單，總體為一個具有波狀起伏的傾向北西的單斜構造，地層傾角一般1°～5°.

2 水文地質條件

研究區所屬溫帶大陸性氣候區，年平均氣溫在9.4 ℃左右。年平均降水量691 mm.河流皆屬黃河水系，主要河流由北向南有沮水河、馬欄河、涇河。

按含煤組、巖性組合及含水層水力性質埋藏條件等，該區發育的主要含水層自上而下主要有：第四系全新統潛水含水層、更新統裂隙孔隙含水層，白堊系下統華池環河組裂隙、洛河組裂隙孔隙含水層，侏羅系中統安定組、直羅組下段、延安組中部含水層；隔水層主要有新近系保德組、侏羅系直羅組上段、侏羅系延安組上部、侏羅系延安組下部及侏羅系富縣組。含(隔)水層劃分及主要參數如圖1所示，見表1.

圖1 研究區含隔水層劃分Fig.1 Aquifers and aquifuges division of the study area

洛河組裂隙孔隙含水層是影響煤層開采的主要含水層，富水性較強，厚度較大，大氣降水為主要補給來源，其次有上覆松散層、基巖層水及露頭區地表水的下滲補給。徑流基本與巖層傾斜方向一致，分水嶺以西，向西徑流，分水嶺以東，徑流與地表水徑流方向一致，河流切割區形成局部排泄區。主要排泄方式為泉和面狀排泄，局部地區(如上畛子百藥溝、五里溝、建莊新村川等大溝之中)地下水滲出地表，形成大片沼澤地，另外還有人工開采等排泄方式。

3 洛河組砂巖含水層富水性分區預測

影響煤層頂板含水層富水性的地質因素眾多，主要有巖性、巖相、構造、滲流、鉆孔沖洗液消耗量等[15-16]，影響因素多、復雜、模糊、非線性，因此，科學、合理、準確的預測含水層富水性比較困難[17-18]。文中在充分分析影響黃陵礦區煤層開采的各地質因素的基礎上，優選構造、鉆孔沖洗液消耗量、巖性結構等地學信息，編制構造分區圖、鉆孔沖洗液消耗量分區圖、脆弱性指數分區圖等專題圖件，采用GIS 軟件將各地學信息專題圖復合疊加，編制洛河組砂巖含水層富水性分區圖。

表1 含水層主要水文地質參數

3.1 專題圖編制

黃陵礦區構造分區圖的劃分依據是以斷層或褶皺的中心為基點，按照向外輻射距離遠近劃分為3個等級，距離越近，構造對富水性的貢獻越大，富水性越強；鉆孔沖洗液消耗量分區圖按照鉆孔沖洗液消耗量的大小，將其劃分為3個等級，鉆孔沖洗液消耗量越大，富水性越強；脆弱性指數是巖層中脆性巖石(粗砂巖、中砂巖)與巖層總厚度的比值，脆弱性指數分區圖依據比值的大小將其劃分為3個等級，比值越大，脆性巖石比例越高，富水性越強。黃陵礦區專題圖件具體的編繪標準見表2～表4.

表2 構造分區圖劃分標準

表3 鉆孔沖洗液消耗量分區圖劃分標準

3.1.1 構造分區

根據表2所列劃分標準，將黃陵礦區構造分為復雜(Ⅰ級)、中等(Ⅱ級)、簡單(Ⅲ級)區。復雜區是以構造集中區中心向外輻射500 m范圍，主要集中于黃陵一號井田南部和黃陵二號井田中部，以條帶狀為主，面積為51.84 km2，占黃陵礦區總面積的9.44%；中等區為構造中心向外500～1 000 m范圍之內，分布狀態以環形為主，面積59.77 km2，占黃陵礦區總面積的10.89%；簡單區沿著中等區外邊界向外延伸1 000 m，在黃陵二號井田以環形分布為主，面積為75.96 km2，占黃陵礦區總面積的13.84%(圖2)。

表4 脆弱性指數分區圖劃分標準

圖2 黃陵礦區構造分區Fig.2 Structural of Huangling mining area

3.1.2 鉆孔沖洗液消耗量分區

根據區內鉆孔資料中的沖洗液消耗量大小(表3)，將黃陵礦區洛河組砂巖含水層鉆進過程中沖洗液消耗量分為較大(Ⅰ級)、中等(Ⅱ級)、較小(Ⅲ級)3個區域。鉆孔沖洗液消耗量較大的區域主要分布于黃陵二號井田中部及黃陵一號井田西南部，具體位于黃陵二號井田R45，R53，R116，R114，R112，R2，R10，R44，R39，R58，R27，R78，R63等鉆孔附近，黃陵一號井田SK29，SK21，SK15，SK9，SK3等鉆孔附近，面積30.03 km2，占黃陵礦區總面積的6.42%；鉆孔沖洗液消耗量中等區分布于鉆孔沖洗液消耗量較大區周邊，黃陵二號井田分布面積較黃陵一號井田大，鉆孔沖洗液消耗量中等區面積為80.45 km2，占黃陵礦區總面積的16.63%；鉆孔沖洗液消耗量較小區分布面積較大，主要位于黃陵二號井田南北部和黃陵一號井田西部與北部，面積為372.21 km2，占黃陵礦區總面積的76.95%(圖3)。

圖3 黃陵礦區鉆孔沖洗液消耗量分區Fig.3 Wash water quantity of Huangling mining area

3.1.3 脆弱性指數分區

根據表4所列劃分標準，將黃陵礦區洛河組砂巖含水層脆弱性指數分為較大(Ⅰ級)、中等(Ⅱ級)、較小(Ⅲ級)3個區域。脆弱性指數較大值的分布區域占的比例較大，主要分布于黃陵二號井田中部及南部、黃陵一號井田西北部連片區，面積209.2 km2，占黃陵礦區總面積的38.1%；脆弱性指數中等區零星分布于黃陵二號井田中部和黃陵一號井田中部呈東北方向的條帶區域，面積為35.02 km2，占黃陵礦區總面積的6.38%；脆弱性指數較小區在黃陵二號井田僅分布于井田中部R20與R22鉆孔附近，在黃陵一號井田分布于井田東北和東南部，且連接呈扇形，脆弱性指數較小區分布面積為35.87 km2，占黃陵礦區總面積的6.53%(圖4)。

綜合黃陵礦區構造、洛河組砂巖鉆孔沖洗液消耗量、洛河組含水層脆弱性指數等地學信息，按照表5所列的劃分標準，提出黃陵礦區洛河組砂巖含水層富水性分區方案(圖2)。

圖4 黃陵礦區脆弱性指數分區Fig.4 Vulnerability index of Huangling mining area

3.2 綜合圖

復合疊加各專題圖件，編制黃陵礦區洛河組砂巖含水層富水性分區圖，劃分標準見表5.

表5 黃陵礦區洛河組含水層富水性分區圖劃分標準

從圖5可以看出，黃陵礦區洛河組砂巖含水層富水性中等區占絕大多數比例，富水性強區僅在黃陵二號井田中部R10，R27，R58及R45鉆孔附近和黃陵一號井田西部西峪背斜附近出現，面積5.41 km2，占黃陵礦區總面積的0.99%；富水性中等區分布于黃陵二號井田中部和黃陵一號井田西南部大部分區域，面積為170.33 km2，占黃陵礦區總面積的31.02%；富水性弱區僅在黃陵一號井田中部HK28，HK21鉆孔附近出現，面積1.26 km2，占黃陵礦區總面積的0.23%.

黃陵二號井田進行一、三盤區補充勘探，施工YS7,YS13，YS36，YS41等4個水文孔，其中，YS13，YS36鉆孔抽水試驗層段在洛河組砂巖含水層中，抽水試驗所得鉆孔單位涌水量分別為0.378 207 L/s·m和0.243 814 L/s·m，依據《煤礦防治水規定》附錄二含水層富水性的等級標準，按鉆孔單位涌水量q將含水層的富水性分為四級，YS13，YS36鉆孔單位涌水量均落于中等富水性級別“0.1 L/s·m

圖5 黃陵礦區洛河組砂巖含水層富水性分區Fig.5 Water rich partition of Luohe formation in Huangling mining area

4 洛河組砂巖釋水規律

4.1 釋水機理

太沙基(K.Terzaghi)早在1923年就提出了有效應力原理的基本概念[19]，分析了地下水位變動情況下巖石有效應力的變化以及由此引起的松散巖石壓密問題，同時解釋了伴隨著壓密含水層中水釋出的過程(圖6)。

有效應力原理

σ=σ′+P

(1)

式中σ為總應力，Pa；σ′為實際作用于固體顆粒上的應力，也即有效應力,Pa；P為孔隙水壓力,Pa.

圖6 有效應力與巖石壓密原理示意圖(據貝爾，1985，修改)Fig.6 Principle of effective stress and rock compaction(according to Bell，1985，modification)

砂層是通過顆粒的接觸點承受應力的。孔隙水壓力降低，有效應力增加，顆粒發生位移，排列更為緊密，顆粒的接觸面積增加，孔隙度降低，砂層受到壓密。與此同時，砂層中的水則因減壓而有少量膨脹，也即釋水過程[20-22]。

4.2 導水裂縫帶發育規律

黃陵礦區主要含水層為洛河組砂巖含水層。文中以洛河組砂巖含水層富水性強區(黃陵礦區黃陵二號井田中部采區)為研究對象，采用數值模擬軟件UDEC建立黃陵二號井田2#煤層開采的力學模型，總結2#煤層上覆導水裂縫帶發育規律，將其與2#煤層頂板至洛河組砂巖含水層之間距離進行比較，研究2#煤層開采是否會溝通洛河組砂巖含水層，指導礦井防治水。

4.2.1 模型構建

整個模型的長度為600 m，高度模擬至洛河組砂巖含水層頂部，為500 m，模擬開采2#煤層，每次推進長度為5 m，采高為6 m.模型左右兩側各留設100 m的邊界煤柱。上部邊界條件為自由邊界條件；兩邊邊界條件為速度邊界條件，x方向的速度為零，為簡支；下部邊界為固支，x、y方向的速度都為零。

4.2.2 模擬結果

2#煤層開采工作面的推進過程中，開采范圍逐步擴大、裂隙發育逐步增加。工作面發生初次來壓時，導水裂縫發育高度約為73 m，且在距煤層頂板144 m處出現離層(橫向裂隙)，呈細條狀，長度約為55 m，最大寬度為0.3 m。工作面繼續推進過程中，垮落巖層不斷被壓實，上覆巖層下沉量持續增加，離層發育高度越來越大。工作面推進到120 m時，采空區中部的裂隙部分被壓實閉合，巨厚洛河組砂巖下方的離層繼續發育，但未與導水裂縫溝通。

工作面推進到160 m時，巨厚洛河組砂巖下方的最大離層量達到2.6 m，長度約為135 m，離層區呈近“半月牙”形。

工作面回采結束，推進到400 m(圖7)。從圖7可以看出，隨著開采空間的增大，采動裂隙被進一步壓實閉合，開采空間兩端的導水裂縫高度有所降低，裂隙高度約為100 m.雖導水裂縫尚未與離層區溝通，正常情況下工作面不會發生水害事故。

圖7 煤層開采結束后裂隙發育狀況Fig.7 Fracture development after the mining

綜上，在黃陵二號煤礦洛河組砂巖含水層富水性強區開采2#煤層導水裂縫帶發育不會溝通洛河組砂巖含水層，但存在離層，離層發育規律遵循“產生—發展—閉合穩定—產生”。

4.3 釋水規律

隨著煤層開采，覆巖移動、變形、破斷，形成裂隙[23]。覆巖采動裂隙分布與煤層上覆含水層水位變化密切相關，巖石有效應力發生變化，并由此引起松散巖石壓密，太沙基的有效應力原理解釋了伴隨著壓密含水層中水釋出的過程[24-25]。

煤層開采后覆巖中形成離層裂隙[26-27]與導水裂隙2類裂隙，離層裂隙是巖層之間非同步變形形成的層面裂隙，溝通上、下巖層間水的通道[28-29]；導水裂隙是貫通的豎向裂隙，也是水涌入工作面的通道。

根據黃陵礦區2#煤層開采覆巖破壞與洛河組砂巖含水層富水性之間的關系，將該區煤層開采的釋水規律總結如下。

4.3.1 積水靜儲量迅速釋放區-“突水危險源”

主要分布于黃陵礦區洛河組砂巖含水層富水性強區(圖8(a))，數值模擬結果顯示，煤層開采后導水裂縫帶尚未溝通洛河組砂巖含水層，但離層發育。

一般情況，離層突水的共同特征有：① 煤層頂板存在堅硬巖層；② 離層空間具有補給水源；③ 重復采動條件，多煤層開采或厚的單煤層分層開采；④ 離層到導水裂縫帶之間具有隔水層；⑤ 致突誘因，直接誘發原因都與礦壓有關，大多由沖擊地壓激發。

該區2#煤層頂板砂巖抗壓強度605 kg/cm2，普氏系數6.1，屬硬巖石，從圖1可知，離層空間補給水源為富水性強的洛河組砂巖含水層，離層到導水裂隙帶之間存在直羅組上段隔水層，具備上述①、②、④特征。離層水突水是一個動態的過程，2#煤層開采后，上覆巖層發生移動變形，由于上覆各巖層巖性不同，其變形程度有所差異，在關鍵層(堅硬巖層)附近出現了離層(圖7)，隨著進一步開采，離層下部軟巖封閉，形成“再造隔水層”，在富水性強的洛河組砂巖含水層區域，含水層水沿裂隙下滲進入離層空間中，形成離層水體，離層演變為離層水，繼續開采，離層擴大，洛河組砂巖含水層水繼續下滲進入離層，當積水形成規模，且超過巖層的各向所能承受的最大壓力，伴隨周期來壓，亞關鍵層(其余堅硬巖層)坡斷，在某一薄弱區破裂，離層水瞬時涌出，進入開采工作面，造成突水事故，因此，稱為積水靜儲量迅速釋放區“突水危險源”。

4.3.2 積水靜儲量暫緩釋放區-“突水可控區”

該種類型絕大部分屬于洛河組砂巖含水層富水性中等和富水性弱的區域，2#煤層距離層發育處的距離大(圖8(b))，煤層回采產生的導水裂縫不會導通洛河組砂巖下部離層，雖能夠產生離層積水，但不會對生產造成威脅，因此稱為“積水暫緩釋放區”。