深埋煤層采動覆巖滲透能力變異與地下水響應模擬

趙春虎

摘要：針對西部深埋礦區煤炭資源開發對地下水擾動的相關研究不足的問題，依據彈塑性相關理論，利用多物理場數值模擬軟件（COMSOL），研究了深埋煤層采動覆巖滲透能力變異與地下水的響應規律，模擬得出案例礦井在不同采動應力狀態區覆巖滲透能力變化具有差異性：采動覆巖應力拉伸區巖體的滲透率相對增大，在采掘空間的直接頂滲透率增大26%，在地表沉陷盆地邊緣增大3%；覆巖壓縮區滲透率相對減小，在煤巖柱兩側滲透率減小43%，在采掘空間正上方約300 m處滲透率減小18%。由于采掘后井下采掘空間直接與大氣聯通，形成了以導水裂縫帶范圍為中心的水壓降落漏斗，導致垂向水力梯度與流速加?。欢诿簩禹敯?00 m以上范圍，水壓水頭基本為原始狀態。研究成果為我國干旱與半干旱礦區煤水資源合理開發、科學管控提供技術依據。

關鍵詞：地下水；滲透；采掘擾動；數值模擬；導水裂縫帶

中圖分類號：TD713文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02017106

Abstract：

There is a lack of research on groundwater disturbance caused by deep coal resource exploitation in western China.Based on the elasticplastic theory，this paper studies the variation mechanism of the seepage capacity of the overlying strata and the response of the groundwater by using the fluid solid coupling numerical simulation software COMSOL.The simulation results showed that the change pattern of overburden permeability is different in different mining stress states.The overburden permeability increased in the tensile stress zone： at the top of the excavation space it increased by 26%，and in the surface subsidence basin it increased by 3%.The overburden permeability decreased in the stress compression zone： on both sides of the coal pillar it decreased by 43%，and at about 300m above the mining space it decreased by 18%.A groundwater drawdown funnel was formed with the waterflowing fractured zone as the center.As a result，the vertical hydraulic gradient and flow velocity of groundwater both increased significantly，while the water pressure was basically in the original state at about 300 m above the mining space.The research results can provide theoretical support for reasonable exploitation of coal resources and scientific management of water resources in the arid area of China.

Key words：

groundwater；permeation；mining disturbance；numerical simulation；waterflowing fractured zone

地下水是西部地區水資源主要組成部分，具有極其重要的資源功能和生態功能。而隨著我國煤炭資源開發西進戰略的實施，全國煤炭基地分布與水資源豐富程度已呈逆向分布。西部干旱礦區在規?；?、現代化的煤炭資源開采不可避免地造成了對地下水影響和破壞，加劇了地區資源性缺水與生態環境破壞[12]。由于能源基礎結構的不同，國外對地下水水動力擾動問題的研究極少，主要以煤礦區水污染風險評價、關閉礦井復墾等為主要研究方向[36]。國內眾多學者采用不同技術方法針對西部地區煤炭開采造成的地下水位下降、地下水水量損失等水動力響應問題進行了研究，但主要集中在煤田的榆、神、府等淺部礦區[79]，深部礦區（榆橫、呼吉爾特等礦區）相關研究較少（主采煤層大于200 m）[1011]，且大多以宏觀分析為主，其中覆巖破壞的“覆巖分帶”[12]理論與巖層控制的“關鍵層”理論[1314]是礦井頂板水害防治、保水采煤技術研發及地下水環境影響評價的最重要依據，其基本認識是以近地表的松散層地下水為“保水”對象，當采掘擾動形成的“導水裂縫帶”未溝通含水層或“隔水關鍵層”，沒有造成地下水資源大量漏失，即認為可以安全回采[1517]，亦或保水成功[1820]，因此，以淺部礦區為主的“上三帶”與“關鍵層”理論對于深部礦區地下水響應的機制分析具有較強的局限性。不僅僅導水裂縫帶對地下水存在直接影響，其采掘擾動引起的覆巖含水介質滲透能力變化對含水層地下水影響明顯。一方面，當采動裂縫僅發育至基巖層內部時（或隔水關鍵層），由于“導水裂縫帶”內的含水層地下水大量漏失，造成松散層地下水與“導水裂縫帶”內含水層地下水的越流水位差加大，加劇含水層間的垂向越流。另一方面“導水裂縫帶”以上覆巖變形導致含、隔水層的滲透能力發生變異，均導致地下水流動狀態發生變化。因此，采動余留的保護層上下越流水位差越大，保護層變異滲透能力越強，采動潛水位降深越大[21]。

文章以采動應力變化-覆巖變形損傷-介質滲透能力變化-地下水響應為研究的技術思路，基于巖體彈塑性相關理論，采用數值模擬方法研究采掘擾動下覆巖滲透能力變異以及地下水動態響應規律，旨在正確認識煤礦開采對地下水環境的擾動機制，為我國干旱礦區煤水資源合理開發、科學管控提供依據。

1案例礦井概況

案例礦井沙拉吉達井田位于陜西省和內蒙古交界地區（圖1），屬于神東煤炭基地深部的呼吉爾特礦區，陜北黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶，生態環境脆弱，水資源貧乏。

井田計劃主采延安組（J12y）31煤層，煤層采厚62 m，工作面采寬為300 m，埋深500 m左右。地表被第四系風積沙所覆蓋，地形平緩，第四系風積層（Qeol4）與薩拉烏素組潛水含水層（Q3s）均厚達96 m左右，且與下伏白堊系洛河組和環河組碎屑巖類裂隙孔隙含水層（K1）之間無穩定的隔水層存在，形成了厚層狀的松散層類含水層組，潛水位埋深一般小于3 m，水位標高與地形基本一致。安定組（J2a）、直羅組（J2z）砂質泥巖地層構成了上覆松散類含水層組與侏羅系中下統延安組（J12y）砂巖裂隙含水層間的穩定隔水層。井田主體為一向北西傾斜的單斜構造（傾向285°），地層傾角1°～3°，未發現大的斷裂等，構造屬簡單類型。

根據《煤礦防治水手冊》中推薦的綜放開采條件下導水裂隙帶高度（包括冒落帶）的計算公式（式1），計算得出井田31煤層導水裂縫帶高度在6150～8450 m之間。

Hf=[SX（]100M[]0.26M+6.88[SX）]±11.49[JY]（1）

式中：Hf為最大導水裂縫帶高度；M為累計采厚，取煤層平均厚度62 m。

由于31煤層位于延安組中部，延安組地層本身砂巖裂隙含水層組，開采后將直接揭露與溝通該含水層，因而構成了直接充水水源；31煤距洛河組、環河組碎屑巖類裂隙孔隙含水層間距大于31煤層頂板冒裂帶的發育高度，導水裂縫帶高度不會直接波及松散類含水層底界，因而根據傳統的采動覆巖分帶理論，可以定性的認為煤層開采對松散含水層無直接影響。

2模型構建

2.1數學模型

（1）基本平衡方程。

本次以巖體彈塑性力學和地下水流體力學理論為基礎建立研究問題的數學模型，其中式2地下水滲流方程描述地下水動態響應機制，式（3）位移場方程以描述采動覆巖損傷變形過程。為了便于模型位移方程與滲流方程進行耦合，將地下水水位、水頭（單位：m）均換算為壓力（單位：MPa），其數學模型可簡化為如下形式：

4結語

應用基于流固耦合數值模擬手段，以采動附加應力變化覆巖變形損傷介質滲透能力變化地下水響應為分析研究的技術思路，研究了案例礦井煤層開采擾動下采動覆巖滲透能力演化及地下水響應機制，得到如下基本結論。

（1）采動覆巖應力狀態分區明顯，在不同采動應力狀態區覆巖滲透能力變化具有差異性，壓應力區巖體滲透能力減小，拉應力區滲透率增加。

（2）采掘后井下采掘空間直接與大氣聯通，即形成井下水壓 “自由表面”，以“自由表面”為中心的降落漏斗明顯，垂向水力梯度、流速加??；在煤層頂板300 m以上范圍，水壓水頭基本為原始狀態。

（3）本模型是基于巖體彈塑性力學相關理論和有限元數值方法構建，巖體在采動前后均為連續介質，模擬冒裂帶內滲透率變化存在局限性，下一步應結合斷裂力學的相關理論和離散元數值處理方法對煤層采動覆巖滲透能力變異進行研究。

以上研究為我國西部干旱礦區煤炭資源的合理開發和水資源科學保護提供一定的技術依據。

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