我国西北煤炭开采中的水资源保护基础理论研究进展

张东升，李文平，来兴平，范钢伟，刘卫群

(1.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；4.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116；5.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116;6.中国矿业大学 力学与建筑工程学院,江苏 徐州 221116)

我国西北煤炭开采中的水资源保护基础理论研究进展

张东升1，李文平2，来兴平3，范钢伟4,5，刘卫群6

(1.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；4.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116；5.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116;6.中国矿业大学 力学与建筑工程学院,江苏 徐州 221116)

围绕西北煤炭开采中水资源保护基础理论研究中的关键科学问题,介绍了西北煤田地层结构特征、采动覆岩结构与隔水层稳定性时空演变规律和水资源保护性采煤机理与控制理论等方面的研究进展情况。构建了西北矿区不同生态地质环境类型生态-水-煤系地层空间赋存结构模型，分析了浅表层水分布特征与水循环运移规律；提出了覆岩裂隙表述和重构方法，构建了上位隔水层-中位阻隔层-下位基本顶结构协同变化模型和渐序变化模型；构建了该区初/复采煤层保水开采技术适用性分类方法体系，探索了新式短壁保水采煤方法，为构建基于水资源保护的西北煤炭科学开采方法体系奠定基础。

西北；保水开采；地层结构；适用性分类；短壁采煤

随着东部矿区煤炭资源的枯竭，中部资源与环境约束的矛盾加剧，我国煤炭资源开发重心已快速转移到西部生态环境脆弱的干旱半干旱地区。西北五大煤炭基地(陕北、黄陇、神东、宁东、新疆)年均产煤增量占全国的60%以上(2012)；2012年产量达到12.2亿t，占全国产量的1/3[1-2]。在大规模、高强度开采西部埋藏浅、厚度大的煤炭优势资源中，较少顾及生态环境容量特别是水资源承载力，存在水资源破坏、地表植被死亡等严重的生态环境损害问题，西部脆弱的生态环境特别是水资源条件难以承载大规模、高强度采煤，国家新批的第14个新疆大型煤炭基地(预测资源量占全国39.3%)建设也面临同样问题，引起了国家高度重视[3]。煤炭资源科学规模开发与生态环境特别是水资源保护相协调，已成为国家可持续发展战略要求以及《国家中长期科技发展纲要》重点领域的优先主题，为此，在2015年国家“973”计划项目指南中将“我国西部生态脆弱区煤炭科学规模开发与水资源保护”列入“能源科学领域”资助研究方向之一。

基于我国西部煤田煤层厚、埋藏浅、水资源匮乏和生态脆弱等特征，针对大规模机械化开采方式下的生态环境损害问题，以生态环境容量特别是水资源承载力为约束条件，开展煤炭开采中的水资源保护基础理论研究，实现从“被动恢复”向“主动保护”、从“重开采”向“重协调”的重大转变，是我国西部煤炭资源科学开发面临的迫切任务[4]。为此凝练出3个关键科学问题及其逻辑关系，如图1所示。本文围绕西北煤炭开采中水资源保护基础理论研究中的3个关键科学问题——西北煤田地层结构特征、浅埋厚煤层采动覆岩结构与隔水层稳定性时空演变规律和水资源保护性采煤机理与控制理论介绍相关研究进展。

图1 关键科学问题及逻辑关系

1 西北煤田地层结构特征

对于西北生态脆弱区，煤层之上浅层地下水和地表水(简称浅表层水)，是影响生态环境最为关键的因素之一；而西北煤田的浅埋深、厚煤层的赋存特征极易出现煤层开采引起浅表层水溃涌和漏失现象，诱发生态环境进一步恶化。地层作为地下水的赋存空间，其结构特征与岩土体性质显然会影响浅表层水资源的分布与运移，反之，浅表层水在循环运移过程中又会引起岩土体物理力学、水理性质的变异[5-7]。因此，西北煤田地层结构特征、浅表层水系统分布循环及其与岩土体相互作用机理(简称浅表层水循环作用机理)，是我国西部生态脆弱区煤炭科学规模开发与水资源保护研究中的关键科学问题之一。

1.1 西部煤田生态-水资源分布及生态地质环境类型

经过调查、卫片解释，结合区域地面调查、工程实践等，将生物圈-水圈结合，划分西北煤田天然生态地质环境类型为潜水沙漠滩地绿洲型、地表水沟谷河流绿洲型、区域性(深埋)地下水富集型、地表径流(黄土)沟壑型、水资源贫乏—生态恶劣区[8]。

(1)潜水沙漠滩地绿洲型

榆神矿区中部等：包括大保当井田、锦界煤矿、金鸡滩井田、红柳林井田、转龙湾煤矿、母杜柴登煤矿、石拉乌素矿等。沙漠滩地型地形相对较平坦。

水资源类型主要有：地表水以海子、沙漠湿地、湖泊为主，地下水主要为萨拉乌苏组砂层潜水、基岩风化带水、白垩系洛河组水为主要水源。

(2)地表水沟谷河流绿洲型

沙漠边缘地下水溢出带等：如榆神矿区东部的柠条塔井田、张家峁井田、凉水井井田等，新疆伊犁河谷区的煤矿等。沟谷河流型地表水流(河流、沟谷等)发育，如榆神矿区的榆溪河、考考乌素沟、芦草沟等，属常年性水流。

水资源类型主要有：地表沟谷流水、泉水，萨拉乌苏组潜水、烧变岩水、风化带裂隙水、河谷冲积层水。

(3)区域性(深埋)地下水富集型

鄂尔多斯盆地腹地洛河组含水层、山前盆地边缘大型冲洪积扇等：如永陇、彬长矿区的崔木煤矿、大佛寺矿、胡家河矿等。

水资源类型主要有：以巨厚洛河组砂层水、基岩风化带水、山前大型洪积扇水等为主要水源。

(4)地表径流(黄土)沟壑型

榆神矿区东北部：黄土沟壑发育，地表大部为第四系黄土或风积沙所覆盖；红柳林井田东部、张家峁井田大部、柠条塔井田北翼(考考乌素沟以北)，神东矿区大部等。

水资源类型主要有：以地表季节性径流为主，局部盖砂层水、风化带水(量少)。

图2 现场遥测水位计安装及地下水动态监测系统

1.2 浅表层水区域循环过程机理

为了分析西部煤田地下水动态变化规律，对陕北煤田典型矿区(神南矿区)进行了地下水动态监测，共完成了10个长观孔(红柳林井田7个、柠条塔井田2个、张家峁井田1个)遥测水位监测系统安装工作，并开始对承压水(风化带含水层)或潜水(萨拉乌苏含水层)水位进行动态监测。图2为现场遥测水位计安装图。

在分析研究区水文地质条件的基础上，建立研究区(神南矿区)三维水文地质概念模型，根据已概化的非均质、各向异性三维非稳定流模型，建立如下水文地质数学模型：

式中,Ω为孔隙地下水流场区域的水头函数;Kx,Ky,Kz分别为含水层或者弱透水层的主方向渗透系数，m/d;Ss为未考虑含水层土体变形耦合效应条件下的含水层储水率(m-1)与含水层土层骨架储水率(m-1)之和;ε为单位体积流量， d-1;H(x,y,z,t)为孔隙地下水流场含水层或弱透水层的水头函数，m;q(x,y,z,t)为含水层第2类边界的已知单宽流量函数，m2/d;t为时间；Г0为第1边界条件;Г1为第2边界条件。

以神南矿区为例，通过统计模拟区428个钻孔资料，采用有限元法模拟天然渗流场特征，揭示天然状态下含水层间水力联系、区域浅层水系统水资源分布、水循环运移规律等，对研究区进行浅层地下水资源评价，并预测在给定条件下(采后5 a)矿区地下水流场变化情况(图3)。

1.3 环境工程地质模式初步分区

选取水体与煤层间距、红土厚度、红土与煤层间距、黄土厚度、黄土与煤层间距、风化带厚度、基岩厚度、煤厚、硬岩比例系数、泥岩厚度、降雨量和水体类型等影响导水裂隙带高度、覆岩组成结构及水资源分布因素，确定各因素的量化指标，建立矿区环境工程地质影响的多元信息综合评判模型[9]，在此基础上建立矿区环境工程地质模式，并对神南矿区进行了初步分区(图4)。

2 采动覆岩结构与隔水层稳定性时空演变规律

地下煤炭开采将造成覆岩应力重新分布，由上位隔水层-中位阻隔层-下位基本顶构成的覆岩结构(简称“隔-阻-基”结构)会发生时空演化，导致原生裂隙扩展和次生裂隙发育，减弱整体隔水效果。过度变形开裂还可造成岩层破断、岩体移动，改变原有覆岩结构形式，使隔水效果完全丧失。西部煤田多为浅埋厚煤层，影响渗流的采动覆岩应力、裂隙等关键因子可能存在变幅大、范围广、易突变等特点[10-11]。因此，采动“应力场-裂隙场-渗流场”耦合关系是制约阻隔水效果的关键科学问题，该问题又可细分为外部采动覆岩-水循环相互响应和内部应力-裂隙-渗流相互作用两部分。建立基于耦合因素的隔水层稳定性判据是揭示地下水系统动态响应机制和研究水资源保护性采煤机理的前提。

图3 矿区地下水流场变化情况

图4 神南矿区环境工程地质模式分区

2.1 覆岩强度、变形与渗透性特征

选取神木红柳林矿和哈密大南湖一矿岩样为基础，对比东部兖矿相关岩样。研究结果表明：西部浅埋覆岩峰值渗透率同样滞后于应力幅值，但应力峰值前渗透率波折较多，且数值变化不明显。峰值时渗透率变化几乎是之前的3倍，应力峰值渗透率和峰值渗透率大约10-16m2量级，比东部兖矿埋深300 m岩样还要低3个量级。

2.2 覆岩裂隙探测、重构和模拟

选取陕西红柳林和新疆大南湖一矿部分岩样，分别实验室和现场测试阻隔水岩样裂隙发育状况(图5，6)。实验在中国矿业大学(北京)ACTIS CT系统上进行。裂隙岩样通过压力机加载得到，所有扫描试样均在同一扫描参数下进行；利用Matlab主裂纹识别和灰度处理形成模拟架构，基于图像识别的COMSOL进行裂隙渗流数值模拟。

图5 红柳林岩样单轴压缩破坏CT断面扫描

图6 按CT断面扫描图像识别重构的岩样裂隙通道

图7 覆岩渐序破坏模型

2.3 “隔-阻-基”渐序和协同破坏模型

针对可能出现的阻隔水岩层渐序/协同破坏特征，即底层破坏是否直接影响顶层隔水性能，采用岩层破坏递推关系和层合板模型综合分析。

假定覆岩为自下而上按层序破坏，建立覆岩渐序破坏模型如图7所示(d为覆岩总厚度；dn为第n层岩层厚度；ρn为第n层岩层密度；σn为第n层岩层受力；σθ为面上的法向应力；τθ为面上的剪切应力；θ为面与主应力方向夹角)。利用岩层破坏递推关系分析中间阻隔层渐序破坏对上覆隔水层的影响，各层应力可利用Matlab编程递推计算得到，如图8所示。

图8 σθ的分布情况

假定阻隔水层共包含n层，总厚度为t，zn为第n层距离隔水层中间位置的距离，上表面受均布载荷q(x,y)=q0，模型四边简支，建立阻隔水层协同破坏模型如图9所示。

图9 层合板模型

以崔木K5-2号钻孔为例计算的顶层和覆岩整体应力分布，模型长、宽取6 000 mm，总厚度500 mm，均布载荷1.86 MPa，计算结果如图10所示。

图10 覆岩层合模型顶层应力分布

2.4 侏罗系煤层导水裂隙带高度预计

采用微电阻率成像测井技术及钻孔冲洗液消耗量等方法对研究区6个钻孔进行了导水裂隙带高度现场实测(榆阳煤矿、红柳林井田及崔木煤矿各2个钻孔)，同时收集临近区域侏罗系煤层开采导高实测资料22个；初步建立了侏罗系煤层开采导水裂隙带发育高度Hli与采厚M、采深s、工作面斜长b(单位m)的经验公式。

3 水资源保护性采煤机理与控制

煤炭资源开采造成的水资源流失及生态环境损害问题，必须基于水资源承载力从采矿源头上加以控制。主要面对3个层面的问题：一是从采煤工作面具体条件下的水资源保护的“点”到矿区、煤田大范围内的地下水系统动态平衡的“面”;二是从已采矿区在水资源容量的约束下如何调整矿区规划、矿井设计和工作面生产能力，到未采矿区如何一步到位、做好顶层规划与设计、采区优化与工作面产量以及采矿方法选择与工艺配置；三是从现有的保水采煤理论与技术到二次开采或西部新条件下的适用性。

3.1 初/复采煤层保水开采技术适用性分类方法

研究得出隔水层内不产生导水通道的条件为

临界层采比为

下煤层复采合理采高为

建立了单一煤层和煤层群初/复采煤层保水开采技术适用性分类方法体系，见表1，2。

表1 单一煤层保水开采技术适用性分类

Table 1 Applicablity classification on aquifer protection in mining of single coal seam

类别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ基岩厚度/m<3535～5035～5035～5035～5035～50≥100导水通道控制工艺参数弱含水性中等含水性强含水层开采方法暂不开采长壁综合机械化采煤采高/m2～6采速/(m·d-1)>15>15>10>10>10配套措施局部处理备选开采方法暂不开采短壁开采方法暂不开采长壁综合机械化采煤采高/m2.0～3.53.5～5.05～66采速/(m·d-1)>15>15>15>15>10配套措施局部处理备选开采方法暂不开采短壁开采方法暂不开采长壁综合机械化采煤采高/m2～33.0～4.54.5～5.55.5～6.0采速/(m·d-1)>15>15>15>15>10配套措施局部处理备选开采方法暂不开采短壁

表2 煤层群开采保水开采技术适用性分类方法

Table 2 Applicablity classification on aquifer protection in mining of coal seam group

上煤层基岩厚度/m松散含水层富水性<40强中弱40～60强中弱60～80强中弱80～100强中弱>100强中弱隔水层厚度/m5.4～8.48.4～9.09～308.4～12.012～1515～3611～1717～2020～3614～2222～2424～3622～3624～3636开采方法长壁综合机械化采煤上煤层最大采高/m0.9～1.41.4～1.51.5～5.01.4～2.12.1～2.52.5～6.01.9～2.92.9～3.33.3～6.02.4～3.63.6～4.04～63.6～6.04～66开采速度/(m·d-1)>15>15>10>10>10配套措施对覆岩导水裂隙进行充填或开采边界充填式采煤法层间距/m <1010～2020～3030～40>40开采方法长壁综合机械化采煤(内错布置)最大采高/m0.3～0.40.4～0.50.5～1.70.6～0.80.8～1.01.0～3.40.9～1.21.2～1.51.5～5.11.2～1.61.6～2.02～61.6～6.02～66下煤层(外错布置)最大采高/m1.2～1.81.8～2.12.1～6.31.9～2.92.9～3.33.3～6.02.6～3.93.9～4.64.6～6.03.5～5.05.0～5.85.8～6.05～65.8～6.06开采速度/(m·d-1)>15配套措施优先选择下煤层外错布置方式,结合“一分为二,窄区段煤柱,错开同采法”和开采边界充填式采煤法

3.2 短壁保水采煤方法

提出了宽巷式全采充填充填保水采煤方法，将开采块段内的所有采场支巷分为多个阶段(图11)，形成了“一采一充、采充并行”保水采煤新模式。

图11 宽巷式全采充填短壁保水开采方案

数值模拟分析了不同采高、埋深，块段长度以及区段保护煤柱宽条件下对度导水裂隙带发育规律，并通过多元非线性回归分析，得出各因素与导水裂隙带发育高度的关系为

h=0.07H-0.362l+33.685lnL+

其中，h为导水裂隙带发育高度；H为开采深度，m;l为区段保护煤柱宽,m;L为块段长度,m;m为预测公式拟合度(R2)，为0.945。

通过力学分析(图12(a))和数值模拟(图12(b))研究了直接顶、关键层的变形破断规律和支巷顶板破裂的临界条件，揭示了短壁宽巷式全采充填覆岩结构稳定性控制机理，设计出合理的支巷、间隔体宽度、充填体力学特性等开采参数。研究成果在现场得到了应用，采出率达96.8%，隔水层没有受到破坏，有效保护了矿区的地下和地表水资源。

图12 短壁宽巷式全采充填覆岩结构模型

4 结 语

(1)通过近几年的研究，构建了西北矿区不同生态地质环境类型生态-水-煤系地层空间赋存结构模型、浅表层水系统动态监测网络系统和水文地质数值模型，选取了4种生态地质环境类型典型地质剖面，分析了浅表层水分布特征与水循环运移规律，为西北煤炭保水开采理论研究奠定了地质基础。

(2)分析测试了阻隔岩层初始及变形破坏过程中裂隙分布特征，构建了上位隔水层-中位阻隔层-下位基本顶结构协同变化模型和渐序变化模型，实测了采动导水裂隙带高度及岩土变形-破坏-渗流过程，为研究采动覆岩结构与隔水层稳定性时空演变规律奠定了理论基础。

(3)系统研究了西北典型矿区不同赋存结构类别采动覆岩移动与裂隙发育规律，分析了初/复采隔水层及地下水系统稳定性控制机理，构建了该区初/复采煤层保水开采技术适用性分类方法体系，探索了新式短壁保水采煤方法，为构建基于水资源保护的西北煤炭科学开采方法体系奠定基础。

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Development on basic theory of water protection during coal mining in northwest of China

ZHANG Dong-sheng1，LI Wen-ping2，LAI Xing-ping3,FAN Gang-wei4,5,LIU Wei-qun6

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourceandSafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.SchoolofEnergy,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;4.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducation，ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;5.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;6.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

In terms of the key scientific problems in the research of basic theory on water resources protection during mining on coal seam in northwest China,this paper introduces the following research developments:the stratigraphic structural characteristics of northwest coalfield,the space-time evolution laws on the stabilities of the overlying strata structure and aquiclude,and the mechanism and control theory of water-protection coal mining.The geometrical structure model of ecology-water-coal measure rock strata was established based on different eco-geological types in northwest mining area.Distribution characteristics and water cycle migration regularity of the shallow water resources were analyzed.The expression and reconstruction method of overlying rock fracture was proposed.The coordinated variation model and the gradual variation model on the relationship among upper aquiclude,medium barrier strata and lower main roof were built.A classification system on water-protection mining technology referred to virginal/repeated mining was constructed.A new type of shortwall mining with water protection was explored.The above works lay a foundation for scientific coal mining method on water protection in northwest of China.

northwest of China;water-preserved mining;stratigraphic structure;applicability classification;shortwall mining

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5045

2016-10-10

2016-11-12责任编辑:张晓宁

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2015CB251600);江苏省“青蓝工程”资助项目

张东升(1967—)，男，江苏如皋人，教授。Tel：0516-83590501，E-mail:dshzhang123@126.com。通讯作者：范钢伟(1985—)，男，河南汝州人，副教授。Tel：0516-83590501，E-mail:fangangwei@cumt.edu.cn

TD823;P641

A

0253-9993(2017)01-0036-08

张东升，李文平，来兴平,等.我国西北煤炭开采中的水资源保护基础理论研究进展[J].煤炭学报,2017,42(1):36-43.

Zhang Dongsheng，Li Wenping，Lai Xingping,et al.Development on basic theory of water protection during coal mining in northwest of China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):36-43.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5045