準東大井礦區巨厚煤層開采覆巖含水層滲透特性研究

曾 強，李根生，楊 潔，趙龍輝，高 坡

(1.新疆大學資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學干旱生態環境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；3.綠洲生態教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

新疆準東礦區煤炭資源豐富，礦區東西走向長約200 km，面積約15 334 km2，單一可采煤層厚達90 m。由于煤層賦存厚，礦區煤炭資源開采強度大，礦區地下水與鄰近綠洲水系聯系密切，該區域煤炭資源開采對礦區及鄰近綠洲生態環境產生深遠影響[1-4]。其中，煤炭開采活動如何影響區域地下水及地表水資源分布，進而影響礦區及區域地表植被生長與分布是其生態環境影響研究的核心問題之一。基于該問題研究，采場覆巖含水層滲透性隨開采活動變化規律是需首要研究的問題。覆巖含水層滲透性與覆巖應力、覆巖裂隙等密切相關，具有耦合效應。針對覆巖應力-滲流耦合過程，國內外學者開展了大量相關研究：彭蘇萍等[5]基于室內試驗開展了砂巖孔隙滲流特性研究；許家林等[6]采用現場測試和模擬實驗方法，研究了松散承壓含水層下采煤頂板導水裂隙發育特征；楊天鴻等[7]研究了巖體破裂與滲透率的關系；孟召平等[8]研究了采空區巖體應力-應變與滲透性分布規律；李利平等[9]研究了突水災變過程中應力場、位移場和滲流場的耦合演化規律；王金安等[10]研究了不同開采尺度下巖體斷裂模式與滲流規律；潘力[11]研究了邊坡裂隙巖體的水力特性及滲流-應力耦合關系；DAVID等[12]研究了砂巖滲透率和孔隙率的關系；PAN等[13]室內測得圍壓和孔隙壓力對滲透率具有顯著影響。

本文針對新疆準東礦區巨厚煤層開采，采用相似材料模擬與數值模擬方法，嘗試研究礦區覆巖含水層滲透率隨開采過程的變化規律，以期為該區域煤炭開采覆巖地下水運移響應機制研究提供借鑒。

1 研究區概況

準東礦區位于準噶爾盆地東部、克拉麥里山南麓，氣候干旱少雨，生態環境脆弱。大井礦區位于其北部。礦井主采煤層平均厚度56 m，地層傾角1～3°。煤層頂板多為細砂巖、泥巖、粗砂巖、粉砂質泥巖等，底板多為炭質泥巖、含碳泥巖及細砂巖，覆巖力學參數見表1。

根據礦區水文地質資料，礦區含水層2層，分別為白堊系下統吐谷魯群裂隙孔隙弱含水層和石樹溝群裂隙孔隙弱含水層，見表2和圖1。本文研究對象為含水層Ⅱ，即石樹溝群裂隙孔隙弱含水層。

表1 覆巖層力學性質Table 1 Mechanic properties of overlying rocks

表2 含水層劃分Table 2 Divisions of overlying aquifers

圖1 水文地質平面、立面圖Fig.1 Hydrogeology chart

2 采場覆巖滲透率特征

采場覆巖主要由孔隙與裂隙介構成，其與應力的關系如下所述。

1) 孔隙介質：孔隙滲透率受覆巖含水層孔隙率及有效應力控制，巖體孔隙率見式(1)。

φσ=Vσ/Vt

(1)

式中：φσ為巖體在應力為σ時的孔隙率；Vσ為巖體在應力σ時的孔隙體積；Vt為巖體總體積。

由飽和狀態Terzaghi有效應力原理計算[14]，見式(2)。

σ′=σ-ρgH

(2)

式中：σ′為巖體有效應力；σ為巖體總應力；ρ為流體密度；g為重力加速度；H為水頭高度。

由低有效應力(0～15 MPa)低滲透沉積砂巖環境[15]，有效應力與巖體孔隙率關系[16-17]見式(3)。

φσ′=φ0exp(-cσ′)

(3)

式中：φσ′為有效應力為σ′時的孔隙率；φ0為初始孔隙率；c為物質常數。

對孔隙系統滲透率而言，煤巖滲透率隨孔隙率變化規律呈三次指數關系，其巖體孔隙滲透率計算公式見式(4)。

kp=k0(φσ/φ0)3

(4)

式中：kp為巖體孔隙滲透率；k0為巖體孔隙初始滲透率；φ0為巖體初始孔隙率。

2) 裂隙介質：裂隙滲透率受覆巖含水層隙寬及有效應力控制。根據應力應變關系σ=Eε,Terzaghi有效應力原理[18]，σ′=σ-γH,計算公式見式(5)和式(6)。

bσE=σ-γH

(5)

bσ=(σ-ρgH)/E

(6)

式中：σ為巖體有效應力；bσ為巖體在應力σ時隙寬；E為巖體彈性模型。

對于巖體單一裂隙，其滲透率可用平行板模型表示[19-20]，計算公式見式(7)。

Kf=βρgbσ/12μC

(7)

式中：Kf為單一裂隙滲透率；β為裂隙內聯通面積與總面積之比；μ為流體運動黏滯系數；C為裂隙內粗糙度修正系數。

3 試驗模擬研究

3.1 模型構建

根據鉆孔柱狀圖、水文地質及關鍵層識別理論[21]，巖體物理力學參數，計算相似材料模擬配比(表3)，構建物理模型見圖2(a)，數值模型見圖2(b)。模擬大采高分層開采，采高7 m，沿煤層走向自左向右開挖，走向推進長度600 m，首分層開挖步距10 m，后續分層開挖步距20 m。分別選取覆巖含水層典型區域切眼側點1#、采空區中部測點2#和停采線側點3#為監測點，監測各點隨煤層開采位移及應力動態值。

表3 相似材料模擬配比Table 3 Mixing ratios of similar materials

續表3

圖2 物理模型與數值模型Fig.2 Physical model and numerical model

圖3 覆巖含水層參考點位移變化特征Fig.3 Changes of displacement of reference points with overlying aquifers

3.2 模擬結果分析

1) 覆巖含水層位移變化特征。開采首分層時，相似材料模擬與數值模擬參考測點1#、測點2#、測點3#位移動態變化特征見圖3，覆巖運動特征見圖4。

由圖3可知，覆巖含水層各測點位移隨開挖長度的增加而增加。其中，測點2#位移量接近開挖高度。測點1#物理模擬開挖至70～250 m及數值模擬開挖至100～300 m時，位移快速增加，其后位移變化穩定；測點2#物理模擬開挖至70～420 m及數值模擬開挖至250～500 m時，位移快速增加，其后位移穩定；測點3#物理模擬開挖至430～600 m及數值模擬開挖至450～600 m時，位移快速增加。物理相似模擬及數值模擬各測點變化趨勢基本一致。由圖4可知，物理相似模擬與數值模擬覆巖運動特征基本一致。

2) 覆巖含水層滲透率變化特征。根據水文地質資料、各測點應力值、應力-滲透率方程， 確定參數見表4。通過數值模擬獲得首分層開采覆巖含水層各監測點隨工作面推進其有效應力與孔隙率、隙寬及滲透率動態變化特征，見圖5和圖6。

圖4 物理模擬與數值模擬覆巖運動特征Fig.4 Comparison of movements of overlying rocks with physical and numerical simulation

表4 滲透率計算所需參數值Table 4 Parameters for calculation of permeability

圖5 首分層開采有效應力、孔隙率及滲透率動態變化特征Fig.5 Changes of effective stress,porosity andpermeability with mining of the first sub-layer

由圖5可知，各測點孔隙率、滲透率與有效應力變化呈負相關。測點1#有效應力總體呈波動遞減趨勢，孔隙率及滲透率呈波動遞增趨勢。開挖至0～90 m，有效應力迅速降低，此時孔隙率及滲透率迅速增加；開挖至90～270 m，有效應力、孔隙率及滲透率波動較大；開挖至270～310 m，有效應力迅速下降，此時孔隙率及滲透率迅速增加；開挖至360～600 m，有效應力呈緩慢增加，孔隙率及滲透率緩慢降低。測點2#開挖至0～200 m，有效應力呈增加趨勢，此時孔隙率及滲透率降低；開挖至200～430 m，有效應力呈急劇降低趨勢，此時孔隙率及滲透率急劇增加；開挖至430～600 m，有效應力迅速增加，孔隙率及滲透率迅速降低。測點3#有效應力總體呈增加趨勢，孔隙率及滲透率呈降低趨勢；開挖至0～200 m，有效應力基本不變，其孔隙率及滲透率亦保持不變；開挖至200～380 m，有效應力呈快速增加，孔隙率及滲透率快速減小；開挖至500～600 m有效應力呈急劇增加后降低趨勢，孔隙率及滲透率呈急劇先降低后增加趨勢。各測點滲透率可得：測點1#>測點3#；開挖350～600 m，測點2#>測點1#>測點3#。

圖6 首分層開采有效應力、隙寬及滲透率動態變化特征Fig.6 Changes of effective stress,fracture width andpermeability with mining of the first sub-layer

由圖6可知，各測點隙寬、滲透率與有效應力變化呈正相關。測點1#開挖至0～90 m，有效應力、隙寬及滲透率迅速減小；開挖至90～230 m，有效應力、隙寬及滲透率增加；開挖至230～360 m，有效應力、隙寬及滲透率迅速減小；開挖至360～600 m，有效應力、隙寬及滲透率呈緩慢減小。測點2#開挖至0～200 m，有效應力、隙寬及滲透率呈減小趨勢；開挖至200～430 m、430～600 m，有效應力先急劇減小后快速增加；開挖至360～550 m，隙寬及滲透率趨近0。測點3#開挖至0～200 m，有效應力、隙寬及滲透率保持不變；開挖至200～380 m，有效應力、隙寬及滲透率快速增加；開挖至380～470 m，有效應力、孔隙率及滲透率緩慢減小；開挖至470～570 m，有效應力、隙寬及滲透率呈急劇增加趨勢；開挖至500～600 m，有效應力、隙寬及滲透率呈急劇先增加后減小趨勢，570 m時達到最大值。由各測點滲透率可得：測點3#>測點1#；開挖至0～300 m：測點2#>測點3#>測點1#；開挖至360～600 m：測點3#>測點1#>測點2#。

模擬開采二分層時，覆巖含水層各監測點隨工作面推進,其有效應力與孔隙率、隙寬及滲透率動態變化特征，見圖7和圖8。

圖7 二分層開采有效應力、孔隙率及滲透率動態演化特征Fig.7 Changes of effective stress,porosity and permeabilitywith mining of the second sub-layer

圖8 二分層開采有效應力、隙寬及滲透率動態演化特征Fig.8 Changes of effective stress,fracture width andpermeability with mining of the second sub-layer

由圖7可知，測點1#開挖至430～600 m，孔隙率及滲透率達最大值后趨于穩定，此時有效應力達最小值后趨于穩定；測點2#有效應力大、孔隙率及滲透率波動頻次較開采首分層時明顯，開挖至100～220 m，有效應力迅速增加至最大值，此時孔隙率及滲透率迅速減小至最小值；開挖至420 m，有效應力達最小值，孔隙率及滲透率達最大值；開挖至520～600 m，有效應力、孔隙率及滲透率趨于穩定。測點3#開挖0～480 m，有效應力先緩慢降低后迅速減小至最小值，此時孔隙率及滲透率先緩慢增加后迅速增加至最大值，開挖480～600 m有效應力先迅速增加后緩慢增加，此時孔隙率及滲透率先迅速增加后緩慢減小；當工作面趨于測點時有效應力、孔隙率及滲透率變化幅度較大，其中測點2#滲透率變化幅度較大。

由圖8可知，測點1#開挖至120～180 m，有效應力、隙寬及滲透率迅速增加至最大值；開挖至430～600 m，有效應力、隙寬及滲透率達最小值后趨于穩定。測點2#開挖至100～220 m，有效應力、隙寬及滲透率迅速增加至最大值；開挖至280～400 m有效應力、孔隙率及滲透率波動較大；開挖至520～600 m，有效應力、孔隙率及滲透率趨于穩定。測點3#開挖至480～600 m，有效應力、隙寬及滲透率先迅速增加后緩慢增加。各測點滲透率大小大致為：測點3#>測點2#>測點1#，當工作面趨于測點時有效應力、孔隙率及滲透率變化幅度較大，其中測點2#滲透率變化幅度較大。

繼續模擬后續分層開采，獲得測點1#、測點2#、測點3#對應有效應力、孔隙率、孔隙滲透率、隙寬、裂隙滲透率動態變化，見圖9和圖10。

圖9 不同分層開采有效應力、孔隙率及滲透率動態變化特征Fig.9 Changes of effective stress,porosity and permeabilitywith mining of different sub-layers

圖10 不同分層開采有效應力、隙寬及滲透率動態變化特征Fig.10 Changes of effective stress,fracture width andpermeability with mining of different sub-layers

由圖9可知，測點1#隨開挖層數增加，有效應力呈降低趨勢，孔隙率及滲透率呈增加趨勢。測點2#隨開挖層數增加，有效應力、孔隙率及滲透率波動較大，有效應力呈先增后減趨勢；采完4分層，有效應力達最大，此時孔隙率及滲透率達最小；采完2分層有效應力達最小，孔隙率及滲透率達最大。測點3#隨開挖層數增加，有效應力不斷減小；開挖5分層時有效應力快速降低至穩定，此時孔隙率及滲透率迅速增加至最大穩定值。開挖1～5分層滲透率大小大致為：測點1#>測點3#>測點2#；開挖6～8分層滲透率大小：測點3#>測點1#>測點2#。

由圖10可知，測點1#隨開挖層數增加，有效應力呈降低趨勢，隙寬及滲透率快速減小；測點2#隨開挖層數增加，有效應力、孔隙率及滲透率波動較大，有效應力呈先增后減趨勢；測點3#隨開挖層數增加，有效應力不斷減小；5分層開挖時，有效應力快速降低至穩定。開挖6～8分層滲透率大小：測點2#>測點1#=測點3#。

4 結 論

1) 開采首分層賦巖位移數值模擬結果與相似材料模擬結果趨勢基本一致；覆巖孔隙介質滲透率與有效應力呈負相關；覆巖裂隙介質滲透率與有效應力呈正相關；開挖1～5分層滲透率大小為：測點1#>測點3#>測點2#；開挖6～8分層滲透率大小為：測點3#>測點1#>測點2#。

2) 覆巖裂隙集中分布于采空區兩側；切眼側覆巖含水層應力小于停采線側；切眼側覆巖含水層應力總體呈減小趨勢；采空區中部覆巖含水層應力先增加后降低；停采線側覆巖含水層應力總體呈增加趨勢。

3) 覆巖含水層滲透特性與覆巖孔隙-裂隙雙重介質動態變化特征有關，與采動覆巖應力變化具有耦合效應。