蓮盛煤礦地下開采對地下水資源影響的預測與分區(qū)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(tài)環(huán)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(fā)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(xù)開發(fā)提供依據(jù)[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(qū)域劃分、條帶式開采等技術,實現(xiàn)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(qū)存儲和利用礦井水資源實現(xiàn)煤礦水資源保護[4-6]。

基于“保水采煤”發(fā)展戰(zhàn)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(jīng)驗方程來預測導水裂縫帶的高度;建立分區(qū)標準,得到開采對目標含水層影響的分區(qū)圖;利用實測數(shù)據(jù)對導水裂隙帶和水資源量預測結果進行驗證,根據(jù)分區(qū)結果提出地下水資源保護措施[7]。

1 研究區(qū)水文地質條件

蓮盛煤礦隸屬于晉能控股煤業(yè)集團,生產(chǎn)規(guī)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(wěn)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(qū),那么由于附近有豐富的靜態(tài)和動態(tài)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(qū)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(shù)(FtFD)和褶皺分形維數(shù)(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(shù)據(jù)歸一化和影響因子權重確定;③狀態(tài)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(shù)(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(shù)據(jù),巖性組合指數(shù)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(jù)地質勘探數(shù)據(jù)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(shù)可以使用塊計數(shù)維數(shù)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(wǎng)格單元個數(shù),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(shù)據(jù)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(shù)量級不同,采用如下歸一化方程:

(3)

其中,x為給定參數(shù)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(shù)權重。

2.1.3變權狀態(tài)向量的建立

為滿足水資源量變權評價的特點,構建指數(shù)狀態(tài)向量,如式(4)所示。

(4)

Sj(x)為狀態(tài)向量,其中a1、a2、a3為調整參數(shù)。根據(jù)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(shù)設為20次,分類等級為4。

2.1.4水資源量分區(qū)

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(qū)大部分呈低水資源量,東部為極低值區(qū),中部為中等值區(qū),北部為小高值區(qū)。

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(nèi)廣泛使用導水裂隙帶高度的經(jīng)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(qū)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(shù),通過對附近礦區(qū)的導水裂隙帶高度進行現(xiàn)場測量確定,根據(jù)附近兩個礦山k的平均值,確定研究區(qū)k為1.45。

根據(jù)改進后的經(jīng)驗方程,預測研究區(qū)導水裂隙帶高度,如圖2(b)所示,研究區(qū)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(qū)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(qū)域內(nèi)含水層為富含水區(qū),存在豐富的靜態(tài)和動態(tài)水資源,當目標含水層通過采煤活動產(chǎn)生的裂隙與采空區(qū)連接時,將導致目標含水層水資源大量損失,嚴重時貫通頂?shù)装逶斐擅旱V突水事故。

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

3)若煤礦開采區(qū)域內(nèi)含水層為富含水區(qū),但采煤活動產(chǎn)生的導水裂隙帶未與含水層聯(lián)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(qū)域發(fā)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(qū)時,導水裂隙帶長度與水資源損失量及煤礦突水事故發(fā)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(fā)生的可能性越高。

3 4-1含水層采煤對水資源影響的分區(qū)研究

根據(jù)建立的分區(qū)標準,將2.1節(jié)計算得到的水資源量與2.2節(jié)預測得到的導水裂隙帶疊加,得到研究區(qū)4-1含水層采煤對水資源影響的分區(qū)圖。如圖3所示,研究區(qū)大部分地區(qū)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(qū),無中、高值區(qū)。

圖3 煤礦開采對4-1#含水層水資源影響分區(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表明,研究區(qū)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(shù)據(jù)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(tǒng)支持基于光學理論的勘探技術,可以直接觀測井眼內(nèi)部,鉆孔攝像系統(tǒng)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(tǒng)對導水裂隙帶預測結果進行了驗證,應用于研究區(qū)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(xiàn)深度為279 m,裂縫數(shù)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(xiàn)場測量值和預測值的比較。驗證結果表明,預測數(shù)據(jù)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(xiàn)場實測基本一致。

表2 現(xiàn)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(qū)結果的地下水資源保護措施

低、中以上等級地區(qū)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(qū)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(qū)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(fā)育高度并消除煤礦采空區(qū)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(xiàn)降低導水裂隙帶發(fā)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(qū),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(wěn)定的抗水層,可以減少地下水進入礦井的損失。

6 結論

根據(jù)蓮盛煤礦覆巖開采破壞機理和地下水資源分布規(guī)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(jīng)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(qū)標準,5個區(qū)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(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行了對比驗證。根據(jù)區(qū)劃結果,制定了相應的煤礦區(qū)承壓地下水資源保護措施。