工作面回采期间地下承压水位变化规律分析

冯国财，杨 倩，刘文生

（1.辽宁经济管理干部学院科研处，辽宁 沈阳 110122；2.辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000）

0 引言

大平煤矿三台子水库下压煤工业储量132，725kt，占矿井工业储量的49.4％。矿井采用综合机械化放顶煤方法开采库下特厚煤层。为提高库下开采安全保障能力，2008年底建立了库下采煤水文自动监测系统。目的在于实时监测地面库水、煤层上覆各含水层水等水体的水位、水质变化，通过分析采掘过程中各水体以及与矿井涌水间的水力联系，确定库水威胁程度，实现水害危险预警。

N1S2综放开采工作面回采期间，监测系统获得了对包括白垩系下部含水层在内的地下各水体水位变化的大量观测数据。如何根据采煤岩层移动与覆岩破坏理论，利用地下水动力学基本原理，从丰富的监测数据中科学解译出井下采掘过程中承压含水层水位变化规律，对于科学建立水害威胁程度判据，充实和完善大平矿库下开采水文自动监测系统，发挥其安全保障作用等具有重要意义。

1 含水层及其采动情况

1.1 含水层概况

大平矿井田地层主要由前震旦系变质岩系（煤系地层基底）、侏罗系、白垩系和第四系地层组成。白垩系地层自下至上有下部承压含水层和上风化带承压含水层两个含水层。白垩系下部含水层主要由灰绿色砂岩及砂砾岩组成，为泥质胶结，含水性及透水性较弱。据184号钻孔抽水资料：q=0.00192L/m·s，K=0.00101m/d。含水层厚度约120m，赋存深度160～280m，水质为 ClHCO3－Na型。

1.2 工作面情况

N1S2工作面为矿井第四个库下开采工作面，开采时间为2008年11月2日至2010年4月30日。工作面走向长1392m，倾斜宽227m。开采煤层厚度8.6～15.17m，开采标高 －310～ －390m，煤层倾角5～9°，采用综放采煤方法。

1.3 覆岩破坏与含水层水位变化情况

通过地面布设“三带孔”，采用钻孔冲洗液耗失量法观测，采高15.17m区域，实测覆岩破坏导水裂缝带发育高度234.10m，深度159.88m。沿工作面倾向中心线，在停采线外102m位置设置有D1号水文孔，观测白垩系下部含水层水位变化。观测孔位置见图1，观测结果见图3。

2 含水层水位采动变化原因

2.1 岩层采动裂隙导水影响

煤层采出后，采空区上方岩层将发生复杂的移动与破坏。一般移动稳定后的岩层按其破坏程度，自下而上分为垮落带、裂缝带、弯曲带三个不同的开采影响带。垮落带内垮落岩块呈无序堆积状态，空隙发育，透气、导水、漏砂。裂缝带内岩层离层、裂缝发育，具导水透气性。弯曲带岩层以岩层组形式处于整体弯曲变形状态，不具导水透气性。

垮落带与裂缝带合称为导水裂缝带。煤矿采掘时，如果导水裂缝带波及到含水层，含水层中的水将沿采动裂缝进入采空区。从地下水动力学角度，岩层采动裂隙导水可看成是一个抽水井以一定流量向采空区抽水。

图1 水文观测孔平面位置图Fig.1 Layoutplanofobservesurfacedrilling

2.2 岩层采动变形压力影响

采煤引起的岩层移动是一个复杂的物理力学过程。煤层的采出，承压在煤层上的顶板岩层悬空，部分重量传递到周围未直接采动的岩体上，使采空区周围岩体内应力重新分布。采空区煤柱一侧岩层内形成支撑压力区，采空区上方顶板岩层内形成卸压区。

岩层采动变形压力相当于原始应力产生的增量，作用在含水层固体骨架和孔隙水上。由于含水层固体骨架压缩或膨胀变形很小，含水层压力变化主要体现为孔隙水水头升降。压力增加，使水位上升；压力降低，水位下降［1］。

3 含水层水位采动变化数学模型

回采期间，含水层水位降深由采动裂隙导水引起的降深和采动变形压力引起的降深叠加形成，用式（1）表示：

式中：s（x）——x位置含水层水位降深（m）；

sd（x）——x位置裂隙导水引起的降深（m）；

sy（x）——x位置变形压力引起的降深（m）。

以下分析，除满足地下水渗流基本假设外，还假定工作面倾向半无限开采，地层水平，含水层无越流补给。覆岩破坏导水裂缝带恰好发育到含水层顶板，抽水井为完整井。

3.1 采动裂隙导水引起含水层水位降深

工作面回采过程中，导水裂缝带随工作面推进不断前移，其过程相当于一个与工作面推进同步移动的一定井径抽水井的抽水过程。工作面采止，抽水井停抽。

为此，将承压含水层定流量完整井非稳定流泰斯公式近似式——雅可布公式［2］对距离进行积分，即可建立工作面推进过程中，观测井水位降深函数。以观测井为坐标原点，工作面推进到影响半径R范围内任意x（x≤R）位置时观测井水位降深用式（2）表示（影响半径R范围外测井水位降深为零）。

其中：

T=KM；a=K/μs

式中：x——工作面至观测井的距离（m）；

c——测井距工作面停采线距离（m）；

Q——抽水井流量（m3/d）；

R——影响半径（m）；

T——含水层导水系数（m2/d）；

K——含水层渗透系数（m/d）；

M——含水层厚度（m）；

a——含水层压力传导系数（d－1）；

μs——含水层的贮水率（m－1）；

t——工作面推进单位井径距离所需时间（d）。

3.2 采动变形压力引起的含水层水位降深

采动情况下，岩体内应力将发生改变。岩层压力P将在原始应力P0基础上，产生压力增量ΔP，即：

ΔP即为采动应力Pc。

根据地下水水头高度H与压力P关系式

式中：H0——初始水头（m）；

ρ——含水层内水的密度（kg/m3）；

g——重力加速度（N/kg）。

忽略水的压缩性，对式（4）两边微分可得含水层压力变化与水头高度变化间关系式（5）。

据此，由采动压力Pc引起的含水层降深sy为：

式中：Pc（x）——x位置的采动应力（MPa）。含水层采动变形压力可根据岩层变形量求得。假设岩层为弹性变形，采动压力为：

式中：E——承压含水层的弹性模量（MPa）；

ε（x）——x位置含水层竖向压缩变形量（mm/m）。

根据岩层移动理论，岩体内不同深度水平岩层移动可当作不同开采深度的地表移动问题处理。对倾向达到充分采动、走向半无限开采条件，走向主断面岩体内部A（x，z）点沿Z方向垂直压缩变形量按式（8）计算［3］：

式中：r、rz——地表和z水平主要影响半径（m）；

b、bz——地表和z水平水平移动系数；

n——与岩性结构有关的参数；

m——煤层厚度（m）；

q——地表下沉系数；

α——煤层倾角；

h——地表到开采水平的距离（m）；

z——地表到预计水平距离（m）。

4 含水层水位变化计算及结果分析

4.1 主要计算参数含义及选取

（1）井流量Q

井流量为采动含水层水通过导水裂缝带进入工作面的水量。对于大平矿水文地质条件，即相当于开采工作面涌水量。根据矿井实测，工作面回采期间（一矿一面）矿井涌水量0.6～1.0m3/h。计算中取Q=15m3/d.

（2）单位井径距离推进时间t

计算中t取1.5d。工作面实际推进度3m/d，换算成抽水井直径为4.5m。N1S2工作面回采过程中，采动裂隙导水形成的工作面涌水，即相当于一个井径4.5m抽水井以15m3/d流量向采空区抽水。

（3）岩性结构参数n

由地表移动变形参数计算岩体内移动变形时取用的参数。该参数反映的是不同岩性结构岩体内Z水平采动应力分布特征。n与工作面采动变形压力（或含水层含水降深）分布关系见图2。其他主要计算参数取值见表1。

图2 n值变化与水位降深s（x）关系Fig.2 n-s（x）curveforthemathematical modelwhilenchange

表1 主要计算参数表Table1 Maincalculateparameters

4.2 模拟计算结果分析

根据已建立数学模型，按照选定的计算参数，通过编程计算，得出大平矿N1S2工作面回采期间白垩系下部承压含水层水位变化曲线（图3）。

从模型计算结果看，工作面从开切眼向前推进388m，观测井（距工作面1106m）进入抽水影响半径和超前支撑压力影响区，水位开始产生变化。此后，工作面推进过程中，由于移动抽水井一直处于抽水状态，导水裂隙向采空区泄水引起的含水层水位变化曲线Sd（L）为一持续下降形态曲线。而变形压力导致的含水层水位变化曲线Sy（L）与工作面超前支撑压力曲线形态一致。随工作面推进，支撑压力增大，含水层水位逐渐上升。工作面推进1186m，观测井（距离工作面308m）含水层支撑压力达到峰值，水位升至最高点，随后回落。

图3 工作面不同位置含水层水位变化Fig.3 Waterleverchangecurvesof differentworkingposition

含水层采动水位变化曲线S（L）为 Sd（L）与Sy（L）两曲线的叠加。采动初期，变形压力引起的降深很小，观测井水位呈下降状态。随工作面推进，由于变形压力引起的降深增速加大，含水层水位下降逐渐趋缓。到工作面推进至889m（距观测井距离605m）时，变形压力引起的水位降深增加值与导水裂隙向采空区泄水引起的水位降深增加值正负抵消，观测井水位触底回升，直至含水层变形压力达到最大值并由此回落，水位又重回下降趋势，直至停采。

模拟计算结果与测井33个时点的实测数据比较，平均误差0.72m。模拟计算停采时水位 +51.75m，较初始计算水位 +60.50m下降了 8.93m。实测停采时水位 +50.0m，降深 10.5m，相差14.9％。模拟计算结果较为理想。

5 结论

（1）工作面回采过程中，采动承压含水层水位变化是岩层采动裂隙导水和采动变形压力共同作用的结果。（2）根据岩层移动与覆岩破坏理论，利用地下水动力学原理，可建立采动承压含水层水位数学模型，描述工作面回采过程中含水层水位变化规律。（3）尚需对数学模型、计算参数等做深入的研究，以更全面准确的反映矿井工作面水文、地质、采矿条件，提高模型模拟计算精度。

［1］王旭生，陈崇希，焦赳赳.承压含水层井流——盖板弯曲效应的解析理论［J］.地球科学 －中国地质大学学报，2003，28（5）：545 －549.WANGXusheng，CHENChongxi，JIAOJiujiu.Theoryon couplingofradialflowinaconfinedaquiferandbendingof confining unit［J］. Earth Science-JournalofChina UniversityofGeosciences，2003，28（5）：545－549.

［2］陈崇希，林敏.地下水动力学［M］.武汉：中国地质大学出版社，1999：73 －77.CHENChongxi，LINMin.Groundwaterdynamics［M］.WUHan：ChinaUniversityofGeosciencesPress，1999：73－77.

［3］何国清，杨伦，凌庚娣，等.矿山开采沉陷学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1991：183－185.HEGuoqing，YANGLun，LINGGengdi，etal.Mining andsubsidence［M］.XUzhou：ChinaUniversityofMining andTechnologyPress，1991：183 －185.