采區巖溶水文地質條件綜合分析及疏放性評價

劉 倩,許光泉,石怡煊,劉曉娟,徐立佳,何文喬

安徽理工大學地球與環境學院,安徽淮南,232001

近年來,華北型煤田隨著煤炭開采深度的增加,礦井水文地質條件日趨復雜,巖溶水害威脅程度越來越大[1-2],嚴重制約煤炭資源安全開采[3-6]。通過系統分析采區巖溶水文地質條件,因地制宜地采取水害防治方法,是防止煤炭資源開發過程中重大突水事故發生的重要舉措[7-9]。

華北煤田下部煤層開采時,充水水源為石炭系、奧陶系和寒武系巖溶水,經斷層帶、巖溶陷落柱等導水通道,使之與煤層發生水力聯系[10]。為研究其成因機理,許多學者先后提出“流固耦合”理論[11-13]、板殼理論[14]、“原位張裂”[15]、“下三帶”[16]、“突水優勢面”[17]、“強通道滲流”等突水理論。此外,在礦山巖溶地下水模擬計算方面,大多采用諸如水均衡法[18]、水文地質條件比擬法[19]、解析法[20]和數值法[21-22]等方法。其中,數值方法通過對復雜水文地質條件分析,采用差分或有限單元方法可再現巖溶地下水流動過程,進而揭示研究區邊界性質及含水層內部結構與水力特性[23]。

為進一步查明安全開采水文地質條件,以淮南煤田顧北煤礦中央采區A組煤層下部太原組巖溶含水層為對象,通過對礦井水文地質條件綜合分析,結合放水試驗與數值模擬計算,不僅查明了采區邊界斷層的導隔水性質與含水層之間水力聯系,還識別了含水層的參數,并進行疏放性評價,從而為煤層安全開采提供重要前提。

1 研究區概況

表1 石炭系太原組含水層參數表

顧北礦井按斷層將其劃分為南、北和中央三個采區,如圖1(a)所示。其中,中央1煤采區包括三個工作面(14121、14221和14321工作面)。通過前期開采揭露發現,新生界松散層與煤系地層之間有黏土隔水層,不發生水力聯系;煤層頂板砂巖有淋滴水,水量較小,容易疏干。A組煤層底板直接充水水源為太原組灰巖水,水壓較高,補給條件好,其直接充水水源來自C3I組含水層,對A組煤層開采構成直接威脅。

圖1 研究區水文地質圖

2 中央采區灰巖水文地質條件綜合分析

為弄清中央采區A組煤層下部灰巖含水層水力特性以及與相鄰采區含水層之間關系,采用井下放水試驗方法,確定各采區邊界的導、隔水性以及各含水層之間的水力聯系。

2.1 放水試驗

2.1.1 放水孔和觀測孔

放水孔布置原則:考慮與斷層帶或露頭風化帶有水力聯系的位置,且試驗期間出水量大、具有較好瞬時響應性。觀測孔布置選擇斷層帶或露頭風化帶附近,即除了地面已有不同含水層觀測孔外,井下測壓孔應布置與風化帶露頭區或與斷層帶有水力聯系位置。放水孔、水位(壓)觀測孔位置見圖1(a)。

2.1.2 試驗過程分析

整個放水試驗過程分為背景值階段、試放水階段、水位恢復階段、放水階段,詳見圖2至圖4。試放水前初始水量為13.64 m3/h,試放水結束后水量為48 m3/h,水位恢復后水量為33.4 m3/h,正式放水試驗水量為104.23 m3/h。

2.2 斷層導隔水性分析

利用上述放水試驗工程,通過觀測不同采區觀測孔水位、井下水壓、水質變化情況,確定邊界斷層的導隔水性,從而為中央采區的水文地質條件分析提供了依據。

2.2.1 F104斷層組(F104、F100、Fs23)

通過礦井前期勘探發現,F104斷層組為南區和中央采區分界逆斷層,走向NW,傾向SW,傾角65°～75°,落差0～130 m,存在多個分支,呈走滑性質。放水試驗期間斷層組兩側觀測孔水位變化如圖2、圖3所示,該斷層組南側水位變化幅度小,水位差分別為5.04 m(九C3Ⅰ)、8.25 m(九C3Ⅱ)、3.33 m(九C3Ⅲ)、7.17 m(九O1+2);斷層組北部水位變化均較大,水位差分別為374.19 m(XLZJ2)、186.78 m(七C3Ⅱ)、123.83 m(七C3Ⅲ)。

圖3 南一采區觀測孔水位歷時變化曲線

為驗證斷層的隔水性,采集斷層南、北兩側巖溶水樣進行水質分析,水樣點分布見圖1,發現斷層兩側水化學類型存在一定差異,南部水化學類型主要為Cl·HCO3-Na,其次為Cl-Na,而北部主要以Cl-Na和Cl(SO4)-Na為主,其次為HCO3·Cl-Na。

前期地面及井下勘查發現,F104斷層組本身富水性弱,放水期間斷層組北部水位響應較好,但南部水位響應性差,表明該斷層組兩側水力聯系弱,結合水質變化對比,表明該斷層組為阻水斷層。

2.2.2 F92斷層組(Fs930、F924、F910、F92)

F92斷層組為北區和中央采區分界正斷層,傾向SW,傾角55°～70°,落差0～30 m,走向長度2.4 km。該斷層存在多個分支。放水試驗期間斷層組兩側觀測孔水位變化如圖2、圖4所示,該斷層組南部水位變化均較大,水位差分別為374.19 m(XLZJ2)、186.78 m(七C3II)、123.83 m(七C3Ⅲ);北部水位變化均較小,水位差分別為2.548 m(五～六C3I)、5.65 m(五∈)。

圖4 北一采區觀測孔水位歷時變化曲線

為驗證斷層的隔水性,采集斷層南、北兩側巖溶水樣進行水質分析,水樣點分布如圖1所示,發現斷層組兩側水化學類型存在一定差異,斷層組南部水化學類型主要為Cl-Na,其次為HCO3·Cl-Na和Cl(SO4)-Na,而北部主要以Cl·HCO3-Na為主,其次為HCO3·Cl-Na。

放水期間斷層組南部水位響應較好,但北部水位響應性差,表明該斷層組兩側水力聯系弱,結合水質變化對比,表明該斷層組為阻水斷層。

2.3 各含水層間水力聯系及徑流條件

井下放水試驗表明:在水平上,中央1煤采區邊界斷層為隔水性斷層。因此,它為一個相對獨立水文地質單元,與相鄰采區的水力聯系弱。只有在淺部露頭區,C3I與C3II、C3III組灰巖含水層之間存在一定的水力聯系,但無奧灰、寒灰水的補給。

通過上述分析,礦井劃分為南區、中央區和北區三個獨立的構造區塊。C3I組與露頭區域的C3II、C3III組含水層之間存在一定的水力聯系,而與奧陶系灰巖和寒武系灰巖含水層之間不發生水力聯系,A組煤層下部巖溶地下水徑流如圖5所示。

圖5 不同單元的巖溶水地下水流動模式

3 C3I灰巖地下水數值模擬

3.1 水文地質條件概述及數學模型

中央采區長1.011 km,寬2.152 km。C3I組含水層上覆為泥巖,設為隔水邊界;中央采區A組煤層下伏的太原組灰巖含水層厚為99.99～129.11 m。其中,C3I組為31.14～41.09 m,與下部C3II與C3III組灰巖含水層之間存在較弱的水力聯系;南、北部二組斷層,為隔水邊界;西邊露頭區存在側向補給,為流量邊界,東邊為深部滯留阻水邊界。

因此,采區C3I組灰巖地下水流動可概括為有側向補給的非均質各向異性三維非穩定流,數學模型為:

(1)

H(x,y,z,0)=H0(x,y,z),

(x,y,z,t)∈Γ2

其中,kxx、kyy、kzz分別時表示x、y、z方向上滲透系數,單位為m/d;H、H0分別表示灰巖含水層的水位和初始水位,單位為m;W表示源匯項,單位為d-1;Ss表示彈性釋水率,單位m-1;T表示時間,單位d;Ω表示計算區域;K表示滲透系數,單位m/d;q(x,y,z,t)表示單位面積流量,單位m/d;Γ2表示二類邊界。

3.2 模擬模型的剖分

依據區內地下水動態變化特征,將中央采區剖分為150行,150列,共22 500個單元網格(圖6),以2022年1月20日12:00為初始時刻,C3I組地下水位為西北高東南低,疏放后形成以疏放點為中心降落漏斗。

圖6 中央采區網格單元劃分平面圖和剖面圖

3.3 識別與驗證

將2022年1月20日—2022年3月20日和2022年3月21日—2022年5月18日分別作為識別期和驗證期。多次調整區塊含水層參數后,使1個觀測孔和井下3個測壓孔的水位在滿足水均衡條件的基礎上,計算值與觀測值誤差不大于10%,擬合效果較好。

通過模型的識別與驗證,發現灰巖露頭區含水層滲透系數較大,遠離露頭區含水層滲透系數逐漸減小;模擬的地下水流方向為NW—NE,與研究區的地層傾向趨勢一致。因此,能較為客觀地反映地下水流場的變化規律,模擬結果如表2和圖7所示。

圖7 初始流場與識別的水文地質分區

表2 識別后的水文地質參數分區

4 灰巖水疏放性評價

依承壓含水層下安全開采要求[24]:當受到底板巖溶水害威脅時,突水系數應滿足T≤0.06 Mpa/m,同時含水層水位應降至煤層底板最低處以下(-660.3 m)。

目前煤層底板承受C3I組含水層最大水壓0.93 MPa,隔水層最小厚度M=12.31 m,得出T=0.075 5 Mpa/m >0.06 Mpa/m。為此,采用疏水降壓方法,降低含水層的水壓,以滿足開采安全要求。

通過對C3I組灰巖水文地條件分析,可知C3I灰巖水具有可疏放性,為此,設計兩種疏放方案,并利用上述識別的模型進行效果評價。

方案一:保持放水階段前的疏放量,即33.4 m3/h。此時采區內灰巖含水層的最大突水系數為0.24 Mpa/m,當疏放至293天時突水系數小于0.06 Mpa/m,同時最低點水位降至-660.3 m以下。

方案二:在方案一基礎上,增設放水孔在首采面切眼至露頭方向增設4個放水孔(圖7),單孔疏放量為10 m3/h,總疏放量為120 m3/h,以2022年5月18日作為起點,運行上述的模型,60天后突水系數小于0.06 Mpa/m,滿足安全開采條件,同時最低點水位降至-660.3 m以下(圖8)。

通過數值模擬計算結果可知,方案二較方案一可節約233天的時間成本,雖然工程造價相對較大,但能夠更高效地將C3I組灰巖含水層中的地下水進行疏放。為快速解放A組煤層,并保證工作面安全回采具有更高的安全系數。綜合來看,方案二更加能夠滿足實際工程需要。

5 結 論

通過中央1煤采區放水試驗過程中地下水動態對比與分析,以及C3I組含水層模擬及疏放性評價,主要結論為:

(1)礦井以F104和F92均為阻水斷層,將其劃分為三個相對獨立水文地質單元。

(2)采區C3I組含水層富水性由淺部至深部逐漸變差,灰巖水主要來自淺部露頭區補給,與深部其他含水層水力聯系差。

(3)采用方案二,增加疏水孔后,水位在短期內降至安全開采要求。