西北生態脆弱區淺埋煤層保水開采隔水層穩定性評價方法

李 恒，何 滔，郭 賓

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.內蒙古煤勘新能源開發有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010；3.內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010；4.包鋼(集團)公司 白云鄂博鐵礦，內蒙古 包頭 014080)

西部煤炭資源具有儲量大、煤質好、埋藏淺、地質條件總體簡單的特點，具備大規模開發的優勢，現已成為中國當前基礎能源供給核心[1-3]。作為煤炭資源的重要支撐點，西北地區面臨著氣候干燥、降水稀少、植被稀疏以及生態環境脆弱等問題，其中煤礦開采與水資源保護之間的矛盾尤為突出[4-6]。當前，在西北生態脆弱區可持續開發煤田的關鍵是在保護淺層地下水資源的條件下開發煤炭資源，即保水開采[7]。近年來，國內不少專家學者從煤層的工程地質條件[8-10]、水文地質條件[11-14]及開采方法[15]等方面開展了系統研究。范立民[16]、馬雄德[17]、王雙明[18]等分別依據突水潰沙、生態安全和地質條件的不同，對保水采煤分區進行了劃分，從整體上為采煤方法的選擇提供了指導。

在保水采煤技術中，煤層開采后導水裂隙的發育是否會波及上覆含水層是首要查明的問題[19]。傳統方法主要通過計算鉆孔點導水裂隙帶高度與覆巖厚度之差作為隔水層穩定性評價指標。筆者在陜北神府東勝煤田淺埋煤層特征及保水開采地質評價實踐中發現，該方法簡單實用，但在鉆孔控制程度較小且西北地形切割強烈的黃土塬地區可能會出現較大的誤差。因此，筆者提出三維地質建模和數值模擬相結合的方法，從全三維角度精準刻畫地形變化及含水層特征，然后采用全三維空間分析計算各空間點的隔水層穩定性，以彌補傳統二維評價方法難以精準刻畫淺埋煤層采動對近地表含水層復雜變化的影響，探索精細化保水開采評價新思路，以期為礦區保水采煤地質分區提供精細化的指導。

1 基于三維地質建模的保水開采隔水層穩定性評價方法

傳統保水開采地質評價在鉆孔控制程度較高、含水層穩定均勻發育的地區能獲得較為準確的評價結果。但本次研究區地形切割較強烈，煤層變化較大，且保護目標含水層分布不均、厚度變化較大，僅根據鉆孔直接分析煤層采動對保護目標含水層的影響將會出現較大的誤差。針對該問題，筆者提出充分利用三維地質建模和數值模擬相結合的方法進行保水開采地質評價。總體步驟(圖1)如下。

圖1 技術路線Fig.1 Technology roadmap

(1)搜集礦區現有鉆孔柱狀圖、剖面圖等地質勘探數據，構建綜合地質數據庫并確定保護目標含水層。

(2)提取綜合地質數據庫的地層、含水層及地形地貌信息構建三維地質模型，根據數據庫里的見煤點信息構建三維煤層模型。

(3)在三維地質模型基礎上選擇典型工作面區域切繪煤層采動數值模擬模型，研究煤層采動覆巖破壞特征及導水裂隙帶高度。

(4)按照DB 61/T 1295-2019《保水采煤技術規范》[20]附錄B 采用δ(導水裂隙帶高度與覆巖厚度之差)判斷隔水層穩定性：δ<0 時，隔水層穩定性為不穩定；0<δ≤20 時，隔水層穩定性為較穩定；δ>20 時，隔水層穩定性為穩定。本次所采用的δ是根據三維地質塊體模型，結合步驟(3)的裂采比獲得的各煤層頂板單元點導水裂隙帶高度與保護目標含水層覆巖厚度之差進行計算的。

傳統方法利用單個鉆孔信息計算導水裂隙帶高度與覆巖厚度之差后進行插值，作為隔水層穩定性評價依據。筆者提出的基于三維地質建模的隔水層穩定性評價方法主要改進在于利用了三維地質建模技術并考慮地形切割與含水層的復雜變化的影響，其次在隔水層穩定性計算時利用了所有煤層點信息從全三維角度來進行。因此，該方法相對傳統方法更為直觀、精準且適應性更強。

2 研究區條件概況

2.1 研究區概況

以內蒙古鄂爾多斯滿都拉煤礦為例分析基于三維地質建模的隔水層穩定性評價方法的應用效果。該研究區位于鄂爾多斯高原東部，東勝煤田區域性分水嶺東勝梁南側。屬高原侵蝕性丘陵地貌，地形切割強烈，基巖裸露，植被稀疏，生態環境脆弱(圖2)。地下水補給貧乏，其補給以大氣降水為主。區內水系較為發育，各溝谷水量隨季節變化而變化，雨季可形成瞬間洪流，且流量大、時間短，水動力強，形成集中補給與集中排泄，快速順地勢向區外徑流，地表水排泄通暢。

圖2 研究區位置及地質簡圖Fig.2 Location and geologic map of the study area

本區屬干燥的半沙漠高原大陸性氣候。冬季嚴寒漫長，夏季炎熱短暫，晝夜溫差大。年總降水量273.7～544.1 mm，且多集中在7、8、9 三個月內。

2.2 水文地質條件

根據地下水賦存條件的不同，將區域含水巖組劃分為兩大類：即新生界第四系松散巖類孔隙潛水含水巖組和中生界碎屑巖孔隙、裂隙潛水–承壓水含水巖組。

(1)第四系含水層(Q)：主要分布于樹枝狀溝谷谷底及溝口，由礫石、沖洪積沙及黏土混雜堆積而成。其次分布于山梁坡腳地帶，由砂、礫石組成，局部地段含少量次生黃土。本組地層厚度0～27 m，平均12 m，不整合于一切老地層之上。地下水位埋深0～5.50 m，涌水量Q=0.011 5～0.236 L/s，水溫4～9℃，礦化度為0.515～1.120 g/L，pH 為7.5～7.7，水化學類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3·Cl-Ca·Mg·K＋Na 型水，水質良好，為潛水。

(2)侏羅系中統直羅組孔隙、裂隙潛水–承壓水含水巖組(J2z)：由灰白、灰黃、灰綠、紫紅色泥巖、砂質泥巖、各粒級的砂巖組成。區內北部梁有出露，厚度0～4.5 m。單位涌水量為0.001 3～0.003 3 L/(s·m)，滲透系數0.007 73 m/d，水化學類型Cl·HCO3-K+Na。

(3)侏羅系中統延安組碎屑巖孔隙、裂隙潛水–承壓水含水巖組：全區分布，區內溝谷及低凹處大量出露，厚度78～183 m，平均120 m。巖性為灰-灰白色粗、中、細、粉砂巖，灰-灰黑色砂質泥巖及煤層。本組地層含砂巖裂隙承壓水，是當前開采4-1 煤層的直接充水含水層。該含水巖組水位埋深65.65 m，單位涌水量0.003 6 L/(s·m)，滲透系數0.030 8 m/d，水化學類型SO4·HCO3-Ca·Mg。其間所發育的砂質泥巖作為本組地層隔水層。

區內構造簡單，為傾向南西的單斜構造，傾角一般1°～3°，未見斷層存在，構造對地下水的儲存、富集及各含水巖組間的連通無影響。該區域煤層埋藏淺，目前主采4-1 煤、4-1 煤層平均埋深45 m。煤層采動導水裂隙帶將直接破壞侏羅系中統延安組含水層，且該含水層上覆紅土和黃土隔水層，不能直接被植被生態利用。因此，該含水層不具有供水意義和保護技術條件。第四系含水層水量豐富、地表水(泉)直接出露，地表水、第四系潛水等淺表層水對西部生態脆弱區具有直接的供水意義和生態價值，也是西部生態脆弱區采煤水資源保護的主要對象。對于第四系含水層，采煤引起的含水層破壞和水資源漏失問題尤為突出。因此，礦井開采過程中重點研究第四系含水層受煤層采動的影響。

在常規工頻電源供電時，電機產生軸電壓主要的原因是磁路不對稱。導致磁路不對稱的原因有很多，常見的有定轉子鐵心沖片的拼縫、沖片的開孔(如軸向通風孔、拉緊螺桿孔等)、沖片的定位槽以及轉子偏心等。其本質是磁通閉合回路中的磁阻不對稱，導致在鐵心中出現了畸變的“環形磁通”，進而產生了軸電壓。以下就以一臺8極異步電機為例，詳細說明其軸電壓產生的原因。

研究區第四系含水層主要分布于較大的河谷階地，為粗砂及卵礫石層夾亞砂土，局部為黃土狀亞黏土。由于地貌和巖性的限制，此含水層富水性比較差，分布范圍有限，水位埋深和平面分布存在較大差異。此外，由于區內鉆孔的控制程度有限，對礦區保水開采的精細化地質分區評價構成了一定挑戰。

3 精細化三維地質模型構建

鑒于本區域為煤系沉積地層，雖構造較為簡單，但地形切割侵蝕強烈，煤層采動對第四系含水層的影響具有明顯的區域性差異特征。為精確刻畫第四系含水層的變化，本次保水采煤精細化三維地質模型采用鉆孔信息與勘探線剖面圖結合的方法構建初步的三維地質模型，然后利用無人機航測的地形等高線及搜集的地形地質圖對以第四系為主的淺部含水層進行精細化刻畫與分割，以快速精準實現研究區三維地質模型的構建，其具體步驟和方法如下(圖3)。

圖3 精細化三維地質模型構建技術路線Fig.3 Refined 3D geological model construction technology roadmap

(1)首先搜集了礦區36 個鉆孔柱狀圖、6 幅地質剖面圖，對鉆孔柱狀圖里的孔位、測斜、地層、巖性等信息數字化后導入Surpac 地質信息數據庫，然后根據數據庫中的鉆孔信息沿勘探線及垂直勘探線2 個方向切剖面并圈定地層，重點圈定第四系含水層的范圍。

(2)將圈定的剖面圖利用Surpac 實體模型里的創建三角網模塊連接三維地質剖面中的地層邊界線，構建三維地質實體模型作為初步的三維地質模型。

(3)根據無人機航測的地形數據建立精細化的三維地形表面。提取該三維地形表面以下的部分并以地形地質圖圈定的出露地層作為參考，修正步驟(2)構建的初始三維地質模型以表征地形深切侵蝕對出露地層和煤層的影響。

(4)對該修正的三維模型提取平面圖和剖面圖作進一步檢驗，如有不符合地質規律區域重新進行三維剖面的含水層和地層圈定。重復步驟(1)-步驟(3)，直到獲得準確可靠的三維地質模型。

圖4 為構建的研究區三維地質模型。從圖4 中可以看到，區內地層總體為一向南西傾斜的單斜構造，中部較平緩，地層傾角1°～3°。井田大部分被新生界地層覆蓋，延安組主要在溝谷中出露。受地形切割及風化剝蝕作用的影響，第四系含水層厚度差異性較大，總體呈東西兩側溝谷階地較厚，南側山梁相對較薄的變化趨勢。

圖4 研究區三維地質模型Fig.4 3D geological model of the study area

圖5 為構建的研究區三維煤層模型。從圖5 中可以看到，4-1 煤層整體受溝谷侵蝕風化影響，除靠近河流溝谷區域出現風化尖滅外，其余區域煤層分布較為穩定。

圖5 研究區三維煤層模型Fig.5 3D coal seam model of the study area

4 煤層采動覆巖破壞特征數值模擬

淺埋煤層開采造成上覆巖層的采動破壞，是煤礦開采損傷含水層和地下水系統的主要因素，尤其是導水裂隙帶高度是本次隔水層穩定性分析的重要參數。由于研究區尚未開展頂板兩帶(垮落帶和導水裂隙帶)高度實測，因此，選擇典型工作面開展數值模擬分析，研究該區的覆巖破壞特征以估算裂采比，根據裂采比和各點煤層采高計算煤層各點的導水裂隙帶高度。最后根據各點導水裂隙帶高度與保護目標含水層覆巖厚度之差作為隔水層穩定性評價標準。

為進一步分析研究區淺埋煤層采動裂隙發育規律，為后續隔水層穩定性評價提供較為準確的導水裂隙帶高度，在三維地質模型基礎上以402 工作面軸線作為典型地質剖面(如圖4 中白色虛線A-A)，采用UDEC數值模擬軟件建立了煤層采動模擬模型(圖6)。根據模擬需要對原始數據進行簡化處理，該模型X方向300 m，Y方向90 m，自上而下共12 層，關鍵層為16 m厚的粉砂巖，開采的4-1 煤層厚度為1 m。模型塊體采用莫爾-庫倫模型，節理模型采用節理面接觸庫倫滑移模型。將模型下邊界與兩側邊界條件均簡化為位移邊界條件，其中側邊界施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束。在計算模型中，從開采空間75 m 處的切眼處向右推進，共模擬推進150 m。通過分析采動后的位移場及裂隙分布等信息綜合判斷導水裂隙帶高度。

圖6 數值模擬模型Fig.6 Numerical simulation model

圖7 為4-1 煤402 工作面上覆巖層裂隙發育及位移分布情況。模型開采完畢后裂隙發育呈現兩側發育、中間緊閉的特征，該區域位移量也呈明顯的分帶特征，即工作面采空區中部覆巖已經基本被壓實，導水裂隙僅在切眼附近及終采線附近大量發育。垂直裂隙自工作面頂部向上最大發育約20 m，上部巖層出現明顯的以工作面中心向兩側沉陷的變化趨勢，兩側僅能看見少量的水平層間裂隙，未見垂向導水裂隙。因此，綜合裂隙場與位移場的變化，初步預估該典型剖面4-1 煤層裂采比為20。

圖7 煤層采動位移場及裂隙分布Fig.7 Displacement field and crack distribution during coal seam mining

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[21](以下簡稱《三下采煤規范》)經驗公式，研究區內見煤鉆孔4-1 煤層厚度為1.28～2.55 m，導水裂隙帶高度為28.26～38.80 m，裂采比平均為18.2，稍小于數值模擬計算的裂采比。總體上，數值模擬計算的裂采比與《三下采煤規范》計算結果比較接近，兩者互為驗證。

5 隔水層穩定性評價

根據三維地質模型，結合數值模擬獲得的裂采比20計算各煤層頂板三維塊體單元點導水裂隙帶高度與保護目標含水層覆巖厚度之差繪制研究區隔水層穩定性分區圖。作為對比，傳統方法按照DB61/T 1295-2019《保水采煤技術規范》[20]利用鉆孔數據的煤層厚度信息計算導水裂隙帶高度與覆巖厚度之差直接進行隔水層穩定性評價。由圖8 可以看出，研究區在不采取保水開采措施下，2 種方法計算的隔水層穩定性分區總體趨勢一致，剩余覆巖厚度小于20 m 的較穩定區域主要位于東西兩側的溝谷。對比圖8a 與圖8b 可以發現，采用三維地質建模新方法計算的隔水層穩定分區圖相對更加精細，充分反映了溝谷區第四系含水層受地形切割、風化、剝蝕的影響。而傳統方法采用鉆孔信息直接進行插值計算則受鉆孔控制程度限制，雖總體趨勢與新方法一致，但難以刻畫第四系含水層受地形地貌及地表徑流條件的影響。由于本次煤層埋深較淺，近地表第四系含水層往往是井下積水區的主要充水水源。因此，工作面積水區可作為評價以往煤礦區開采對第四系含水層影響的一個參考。基于此，本文收集了礦區現有充水水源為第四系含水層的井下工作面積水區域(如圖8 中的藍線劃定范圍)。從圖8 中可以看到，傳統方法計算的隔水層不穩定區未能精確反映南側工作面充水區，而新方法計算的隔水層不穩定區均準確刻畫了當前的2 個井下工作面充水區。由此可見，采用三維建模進行保水開采地質評價更能精準刻畫煤層開采對含水層的擾動影響，尤其是在類似研究區煤層埋藏淺、地形切割強烈的地區。進一步對比2 種方法計算的隔水層穩定性分區圖，可以發現新方法除精準預測了東西兩側溝谷區的隔水層穩定性外，還發現南側局部區域隔水層穩定性也較差，需在保水開采和水害防治中引起重視。經分析研究發現，這是因為南側區域鉆孔控制程度較差，傳統方法受鉆孔控制程度的影響較大，而三維地質建模的方法相對影響較小。

圖8 研究區不同方法的隔水層穩定性分區Fig.8 Stability zoning map of the aquiclude using different methods in the study area

6 結論

a.充分利用鉆孔信息與勘探線剖面圖，并結合無人機航測的地形信息，采用三維建模的方法可快速構建精細化的三維地質模型，有助于保水開采評價獲得直觀可靠的煤層與含水層信息。

b.本文提出的方法根據三維地質塊體模型并利用所有煤層點信息從全三維角度進行隔水層穩定性評價，相對傳統方法更為直觀、精準且適應性更強。

c.根據鄂爾多斯滿都拉煤礦隔水層穩定性評價結果發現，三維地質建模方法受鉆孔控制程度影響較小且更精準，剩余覆巖厚度小于20 m 的較穩定區域除位于東西兩側的溝谷以外，在東南側局部區域也有分布。