蓮盛煤礦地下開采對地下水資源影響的預測與分區研究

任雅杰

(山西地寶能源有限公司,太原 030045)

水資源日漸短缺的情況下,“保水采煤”成為煤礦領域安全開采和生態環境保護的重要技術措施。地下煤炭資源開采擾動地層,可能導致地下水資源的流失,因此有必要在煤炭資源開發前預測煤炭開采對地下水資源的影響,為地下水和煤炭資源的可持續開發提供依據[1-2]。

煤礦地下開采對水資源的主要影響是對覆蓋層的破壞,開采過程中可能導致地下水大量流失,導致地下水位下降甚至含水層干涸。此外,地下水可能受到源自礦物質的有機物質污染[3]。煤炭資源開采對地下水水質的影響已被眾多學者廣泛研究,目前主要采用“堵截法”和“導儲用”兩種煤炭開采水資源保護技術思路。“堵截法”主要是采用充填開采、限高開采、保水區域劃分、條帶式開采等技術,實現水資源保護;“導儲用”則是通過實施分布式煤礦地下水庫技術,利用煤礦井下采空區存儲和利用礦井水資源實現煤礦水資源保護[4-6]。

基于“保水采煤”發展戰略,以山西省蓮盛煤礦為例,利用變權理論建立水資源量評價的變權模型;通過改進的經驗方程來預測導水裂縫帶的高度;建立分區標準,得到開采對目標含水層影響的分區圖;利用實測數據對導水裂隙帶和水資源量預測結果進行驗證,根據分區結果提出地下水資源保護措施[7]。

1 研究區水文地質條件

蓮盛煤礦隸屬于晉能控股煤業集團,生產規模90萬t/a,目前開采4-2號煤層,采煤方式為綜采綜放式長壁開采。4-2號煤層平均厚度為5.1 m,平均傾角為8°,頂板砂巖裂隙含水層為直接充水水源,之上的砂巖裂隙含水層及第四系松散層孔隙含水層為間接充水水源;4-1號煤層平均厚度為4.7 m,平均傾角為6°,含水層為中粒砂巖,兩個含水層均含有以泥巖為主的穩定水層夾層,平均厚度為10 m。

2 地下水資源影響預測

導水裂隙帶高度和含水層性質是煤礦開采對水資源影響的重要因素,若導水裂隙帶高度影響至含水層的富含水區,那么由于附近有豐富的靜態和動態水資源,則采煤活動對水資源的影響很大,相反,如導水裂隙帶高度未溝通含水層或含水層水資源量較少,則采煤活動對水資源的影響較小。

因此,我們將煤礦開采對水資源影響的預測分為4個步驟:含水層水資源量評價;導水裂隙帶高度預測;確定綜合評價標準;繪制煤礦開采對地下水資源影響分區圖。

2.1 目標含水層水資源量的評價

利用地質調查資料對水資源量進行評價,砂巖含水層的巖性和深度常被用來評價其涌水性質,巖心采收率(CR)、含水層深度(AD)、鉆井液消耗量(DFC)、斷層分形維數(FtFD)和褶皺分形維數(FdFD)已被驗證為涌水性質的重要指標[8]。

目前,多采用定權模型進行水資源量評價,但該模型只能反映不同指標的相對重要性,忽略了各指標的變化和組合特征。因此,基于變權理論,建立了水資源量的變權模型,對水資源量進行評價,這一過程包括四個主要步驟:①確定影響因素;②數據歸一化和影響因子權重確定;③狀態變權向量的構建;④建立變權模型。

2.1.1影響水資源量的因素

巖性組合指數(ILC)已被驗證為砂巖含水層涌水量的主要影響因素,鉆孔巖心采集基礎數據,巖性組合指數可由式(1)計算,為正相關因子[9]。

ILC=Ta×1+Tb×0.8+Tc×0.6+Td×0.2+Te×1.

(1)

式中,Ta、Tb、Tc、Td、Te分別為粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、礫巖層厚度,m,計算得到的ILC值如圖1(a)所示。

CR能反映地層的完整性,CR越低,水資源量越高,CR的計算方法為巖心長度除以鉆孔長度,如圖1(b)所示,CR為負相關因子。

含水層越深,由于上覆地層的靜壓力越高,導致含水層孔隙度越低,因此,砂巖含水層深度與涌水量呈負相關,根據地質勘探數據得到目標含水層埋深等高線圖(圖1(c)),埋深為負相關因子[10]。

鉆井液在鉆井過程中一般用于冷卻和潤滑鉆頭,DFC反映了含水層滲透率,與涌水量呈正相關,在鉆孔過程中獲得了DFC,等值線圖如圖1(d)所示,DFC是一個正相關因素。

FtFD和FdFD是水資源量的構造因素和正相關因素,分形維數可以使用塊計數維數來計算,定義為式(2):

(2)

其中,N(r)是塊長為r(400/200/100/50 m)的網格單元個數,FtFD和FdFD分別如圖1(e)和1(f)所示。

圖1 水資源量的影響因素Fig.1 Influencing factors of water resources

2.1.2數據處理和定權

為了將所有指標疊加到信息層上,考慮到各指標的數量級不同,采用如下歸一化方程:

(3)

其中,x為給定參數的原始值,max{x}和min{x}分別為原始最大值和最小值。采用層次分析法來確定常數權重。

2.1.3變權狀態向量的建立

為滿足水資源量變權評價的特點,構建指數狀態向量,如式(4)所示。

(4)

Sj(x)為狀態向量,其中a1、a2、a3為調整參數。根據特征,其值分別為0.8、1、1.2,采用K-means聚類算法進行迭代分析,確定d1、d2、d3的取值,迭代次數設為20次,分類等級為4。

2.1.4水資源量分區

基于變權重理論,提出改進的以地質、構造和巖性為重點的指標(式(5)),計算得到的水資源量范圍為0.16～0.83,分為4個等級。其中,低于0.3為極低,0.3～0.5為低,0.5～0.7為中,高于0.7為高。

(5)

其中,μi為水資源量,x和y分別是橫坐標和縱坐標。如圖2(a)所示,目標含水層的水資源量在空間上是變化的。研究區大部分呈低水資源量,東部為極低值區,中部為中等值區,北部為小高值區。

2.2 導水裂隙帶高度預測

開采后,煤層上覆巖層受到破壞和變形。西長帶上覆地層中存在較多的垂向裂縫,垂直裂縫是煤層上方含水層水進入礦井的主要流動通道,因此導水裂隙帶的高度對煤層上方含水層的水資源影響顯著,國內廣泛使用導水裂隙帶高度的經驗方程,表示為式(6):

(6)

式中,h為導水裂隙帶上邊界高度,m;∑l為開采厚度(煤層厚度),m。

上述公式具有一般意義,但沒有考慮不同地區地質條件的差異,考慮到研究領域,我們對上述方程進行修正,得到式(7):

(7)

其中k為修正系數,通過對附近礦區的導水裂隙帶高度進行現場測量確定,根據附近兩個礦山k的平均值,確定研究區k為1.45。

根據改進后的經驗方程,預測研究區導水裂隙帶高度,如圖2(b)所示,研究區導水裂隙帶高度預測范圍為21.5～74.89 m,平均60.14 m。

圖2 研究區導水裂隙帶高度預測范圍Fig.2 Predicted range of the height of water-conducting fracture zone in the study area

2.3 煤礦開采對上覆含水層水資源影響

煤礦地下開采對地下水資源的影響可分為3種類型:

1)若煤礦開采區域內含水層為富含水區,存在豐富的靜態和動態水資源,當目標含水層通過采煤活動產生的裂隙與采空區連接時,將導致目標含水層水資源大量損失,嚴重時貫通頂底板造成煤礦突水事故。

2)若煤礦開采區域內含水層為低含水區或無水區,采煤活動對水資源的影響較小,僅需采取小規模、小范圍防治措施。

3)若煤礦開采區域內含水層為富含水區,但采煤活動產生的導水裂隙帶未與含水層聯通,對水資源的影響較小,需重點關注斷層、褶皺等地質構造復雜的區域發生突水事故的可能性,可采取避開斷層等措施。

綜上可知,導水裂隙帶高度貫通至富含水區時,導水裂隙帶長度與水資源損失量及煤礦突水事故發生的可能性呈正比,即導水裂隙帶在含水層中的長度越長,含水層的水資源損失量越大,突水事故發生的可能性越高。

3 4-1含水層采煤對水資源影響的分區研究

根據建立的分區標準,將2.1節計算得到的水資源量與2.2節預測得到的導水裂隙帶疊加,得到研究區4-1含水層采煤對水資源影響的分區圖。如圖3所示,研究區大部分地區為低水資源量值,中部為低/中水資源量值,東北部為小的中等值區,無中、高值區。

圖3 煤礦開采對4-1#含水層水資源影響分區圖Fig.3 Zoning map of the impact of mining on the water resources of the No.4-1 aquifer

4 模型準確性評價及導水裂隙帶高度驗證

4.1 水資源量評價模型的驗證

從6個水文孔抽水試驗數據用于驗證水資源量模型的結果,鉆孔位置如圖4所示。抽水試驗數據表明,研究區4-1含水層單位涌水量為0.004 7～0.241 8 m,與水資源量模型結果相一致(表1)。

圖4 檢驗鉆孔分布圖Fig.4 Distribution of inspection boreholes

表1 預測結果與實測數據比較Table 1 Comparison between predicted results and measured data

4.2 導水裂隙帶預測結果的驗證

井眼攝像機系統支持基于光學理論的勘探技術,可以直接觀測井眼內部,鉆孔攝像系統可用于觀察地層巖性、地質構造、裂縫和地下水位,常用于確定導水裂隙帶高度。

采用鉆孔攝像系統對導水裂隙帶預測結果進行了驗證,應用于研究區首采工作面上方,觀測結果表明:279 m以上巖層相對完整,水平裂縫較少,確定為彎曲下沉帶;垂直裂縫出現深度為279 m,裂縫數量隨深度增加而增加。因此,在279 m深度處確定了導水裂隙帶的頂邊界;深度298.9 m以下巖層破裂嚴重,崩落特征明顯,確定為垮落帶。

表2提供了現場測量值和預測值的比較。驗證結果表明,預測數據的絕對誤差和相對誤差分別為3.33 m和4.97%,預測結果與現場實測基本一致。

表2 現場實測資料與預測結果的比較Table 2 Comparison between measured data on site and predicted results

5 基于分區結果的地下水資源保護措施

低、中以上等級地區需采取措施保護4-1含水層地下水資源,建議采取以下兩項措施。

1)采煤方式。采煤方式的改變可以顯著保護4-1含水層的水資源。目前蓮盛煤礦采煤工藝為綜采綜放式長壁開采,該采煤方式雖有利于工作面通風和巷道維護工作,但其對上覆巖層的破壞較為嚴重,導水裂隙帶極易溝通承壓含水層,造成水資源損失。為此,可在低、中以上等級地區采取充填開采、限高開采、條帶開采等采煤方式。充填開采是回采工作面推進過程中向采空區充填煤矸石、建筑材料等形成充填體以支撐圍巖的采煤工藝,可有效對巷道兩幫巖石進行支護,降低導水裂隙帶發育高度并消除煤礦采空區安全隱患,在保護水資源的同時降低煤礦安全風險;限高開采是通過限制每次采高或總采厚實現降低導水裂隙帶發育高度的采煤工藝,該工藝雖降低了煤炭回收率,但其可只應用于工作面的局部地段,總體上并未對煤炭開采量造成太大影響;條帶開采是將煤層劃分為若干條帶,通過條帶相間開采,由保留條帶對頂板進行支護的采煤工藝,可有效防止導水裂隙帶貫通含水層和降低地表變形。此外,可將充填開采和條帶開采相結合,實施條帶式充填開采,既能夠提高煤炭回收率,也可對4-1含水層的水資源進行有效保護。

2)地層改造。在調整采煤方式不能降低影響等級的地區,可以通過改造受影響地層來保護地下水資源,通過注漿將煤層上方巖層改造為穩定的抗水層,可以減少地下水進入礦井的損失。

6 結論

根據蓮盛煤礦覆巖開采破壞機理和地下水資源分布規律,預測了采煤對承壓地下水資源的影響。結論如下:

1)通過6個圖建立了水資源量的變權模型,水資源量分為極低、低、中、高4個等級。

2)利用改進的經驗方程預測導水裂隙帶高度,建立了導水裂隙帶高度分布圖。

3)提出了煤礦開采對地下水資源影響的分區標準,5個區域被確定為:低、中低、中、中高和高。

4)水資源量和導水裂隙帶高度預測與現場試驗數據進行了對比驗證。根據區劃結果,制定了相應的煤礦區承壓地下水資源保護措施。