侏罗系煤层顶板涌水量动态变化及其形成机制分析

许成成，许光泉，张海涛

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

鄂尔多斯盆地浅部为中生代煤层，其开采过程中主要受顶板砂岩裂隙水害威胁，存在富水性的非均匀性、采动过程形成的“离层水”问题。如何准确预测工作面回采过程中涌水量的变化，弄清其形成充水的条件和控制因素，一直是该地区煤矿安全开采的关注焦点。预测工作面涌水量、设计各级排水能力、采取疏排水措施、杜绝重大水害事故的发生也是矿山水害防治的主题[1-4]。其中，“大井法”是最常用的矿坑涌水量预测方法，但对于非均质、各向异性的复杂含水层难以解决实际问题[5-7]，通过对比“大井法”与数值法预测矿坑涌水量，发现数值模拟结果显然更接近实际[8-10]。目前，我国西部矿区在侏罗系煤层开采过程中的顶板砂岩上，多数矿区尚未建立地下水观测系统，在回采过程中，水文地质试验资料难以获取，相关研究由于条件分析不足而存在一定的局限性[11-13]。

针对鄂尔多斯盆地北部矿区的泊江海子煤矿，为确保工作面安全回采，前期在113101、113102工作面的巷道两侧开展煤顶板侏罗系中统砂岩含水层疏放试验研究，并采用“大井法”进行预测，结果发现，预测与实际生产揭露在涌水量上存在大于70%的误差，造成矿井排水设施的巨大浪费，其主要问题是对含水层渗透性在空间上的非均匀性没有考虑到计算中，致使回采过程中的涌水量不能反映客观实际。为此，本次在分析前期水文补充勘探成果及井下疏放水试验资料的基础上，分析了煤层顶板含水层介质及渗透性在空间上的差异性，建立其三维数值模拟模型[14-17]，利用2016年以来的井下放水试验数据[18-20]，进行识别和验证，对研究区——泊江海子煤矿进行了初步参数分区并预测其113106工作面的涌水量变化，最后分析涌水量空间变化规律的客观原因，为科学、合理布置工作面涌水量的排水设施、确保安全回采奠定基础。

2 研究区概况

泊江海子煤矿位于鄂尔多斯盆地北部矿区，其采用深井开采，开采深度大于500 m。该煤矿水文地质条件相对较为复杂，矿区自上而下主要含水层包括第四系(Q)松散层潜水含水层、白垩系下统志丹群(K1zh)孔隙裂隙潜水-承压水含水层、侏罗系中统(J2)承压水含水层、侏罗系中、下统延安组(J1-2y)承压水含水层、三叠系上统延长组(T3y)承压水含水层。

目前开采煤层受夹杂两隔水层之间的侏罗系中统含水层的影响，为主要充水含水层，该含水层单位涌水量为0.0015～0.1171 L/s，富水性弱-中等，渗透系数为0.00077～0.0654 m/d，渗透性在空间上分布不均匀。

现阶段所采的一盘区，包括7个工作面，其中113101、113102工作面已结束，工作面的充水水源主要为侏罗系中统和中下统延安组孔隙-裂隙水。受已采的两个工作面影响，其上白垩系含水层通过采动裂隙，与下部侏罗系中统水含水层发生了较弱水力联系。自然条件下，中统地下水水平径流缓慢，且与上部白垩系及下统延安组基本不存在水力联系,仅在构造发育的位置发育一定的水力联系。通过一盘区开采揭露发现，113101、113102工作面为富水性较弱、渗透性较差块段，向113106工作面方向，其富水性、渗透性逐渐增加，表现为渗透性较好、富水弱-中等。

侏罗系中统在整个井田内南部厚度较大，北部厚度变薄，与下伏延安组呈平行不整合接触，采动后，形成了以回采面为中心的地下水降落漏斗。研究区位置与水文地质图如图1所示。

图1 研究区位置与水文地质图

3 煤层顶板地下水的数值模拟

3.1 水文地质条件的概化

泊江海子矿位于一个小径流盆地区域的中部，第四系松散层和白垩系风化带接受大气降水入渗补给，通过采动裂隙间侏罗系中统含水层接受上覆白垩系含水层的间接补给，然后通过井下疏放水和井下开采进行排泄，最终形成了在无限含水层系统中存在一个“抽水”影响的降落漏斗。

泊江海子矿113106工作面上覆的侏罗系中统含水层在一盘区范围平均厚度为137.5 m，具有非均质性，受113101、113102工作面采动以及井下疏放水的影响，由四周向盘区汇聚。

本次模拟范围东西长3.557 km，南北宽3.363 km。依区内含水层结构特性，模拟含水层的上部发育厚度为11.2 m隔水层，但由于采动影响，发生一定的水量补给，为弱补给边界；其下部砾石层为隔水层，而含水层漏斗周边为侧向补给边界。

可以将模拟区概化为上部与白垩系存在一定水力联系(弱补给边界)、下部为隔水、四周为侧向补给的三维承压非稳定流地下水流模型。

3.2 数学模型

通过上述水文地质条件的分析，将影响泊江海子矿113106工作面开采的含水层地下水运动的数学模型，描述成非均质各向异性的三维承压含水层，其数学表达式为:

式中：kxx、kyy、kzz为x，y，z轴上的渗透系数，m/d；H、H0为地下水水位，m；W为白垩系含水层弱渗透补给量，m3/h；P为井下的疏放水量，m3/h；Ss为含水层的弹性释水率，m-1；t为时间，d ；Γ1为一类边界；Ω为模拟区。

3.3 模型的识别与验证

依据侏罗系中统(J2)承压含水层厚度及其内部渗透性变化，将研究区在平面上剖分为100行，100列，共计10 000个单元格。

利用前期矿井上下的水文地质勘探成果，对含水层参数进行赋初始值。

(1)模拟初始条件。采用2018年3月30日12:00时模拟含水层的各观测孔水位为初始值。

(2)模拟时段选定。选取2018年3月30日12:00时-2018年4月20日12:00时为模型识别期，分为21个地下水应力期，每应力期时间步长设为1，递增因子为1.2；选取2018年4月20日12:00时-5月10日12:00时为为模型的验证期，该阶段为井下疏放试验期，疏放水量和井下水压及地面水位数据较为翔实。

经反复调整不同区块的含水层参数，对模拟含水层的观测孔水位计算值与观测值进行拟合，使其二者误差小于10%，并满足水量均衡条件，不同时段部分观测孔水文3#、水厂6、水文1#、水厂J11水位计算值与模拟值的拟合结果如图2～4所示。

图2 模型识别期部分观测孔水位拟合曲线

图3 模型验证期部分观测孔水位拟合曲线

(3)水文地质参数分区。经对模型识别与验证后，侏罗系中统(J2)承压含水层渗透系数和弹性释水率对地下水流场的形态具有较大影响。各水文地质参数分区如图5所示，具体参数值见表1。

分区结果显示，随着113106工作面推进，从分区6至9至10至2，渗透系数从0.026 m/d逐渐增加至0.038 m/d，在模拟区中部，即113101、113102工作面附近，渗透系数相对较小，分区8处渗透系数仅有0.021m/d，分区3处得到最小值0.017 m/d，在113106工作面西侧，分区1、7的渗透系数相对较大，达到了0.030 m/d。

图4 计算值与观测值相关性分析

图5 水文地质参数分区

表1 各分区水文地质参数

3.4 工作面推进过程不同阶段涌水量预计

从切眼开始，将113106面设计为8个推进回采块段，每个块段回采周期为1个月，并以影响回采范围内中统含水层水位降至其底板，即实现局部疏干进行分段预测，其涌水量空间变化如图6所示。

图6 113106工作面推进过程涌水量变化

由图6可看出，在113106工作面开采推进过程中，导水裂缝带波及侏罗系中统含水层，块段1至块段8工作面回采期间涌水量不断增大，由初期的86.23 m3/h，至第8块段时，累计涌水疏放量为408.05 m3/h。随着工作面的推进，其降深影响范围增大，含水层水位开始疏干，其动态变化趋势如图7所示。

图7 113106工作面回采过程地下水位疏干变化趋势(单位：m)

4 涌水量空间变化规律

涌水量空间的变化主要与含水层富水性大小以及各含水层之间的水力联系、渗透性等因素相关，从利用块段预测涌水量的结果中发现，113106工作面推进过程中，其涌水量异常增大，含水层富水性、各层之间的水力联系、渗透性在不同块段的差异较大，其形成机制分析如下。

4.1 地质构造控制

113106工作面位于苏家村向斜核部，勘探期间揭露两条落差较大的正断层，其走向东西。褶皱不仅导致顶板砂岩含水层中小断层和裂隙较发育(井下巷道掘进过程已得到了进一步的验证，如图8所示)，也是导致3-1煤层底板起伏变化比113101工作面低近50 m。因此，在向斜核部，砂岩裂隙相对发育，为充水良好通道，且在含水层地势低洼处形成了集中汇水区，这也是井下巷道疏放水过程中该处水量较大的缘由，同时也验证了该面由切眼向收作线推进过程中，模拟计算涌水量动态变化的依据。

4.2 沉积环境的变化

利用113106工作面疏放水孔对上覆侏罗系中统直罗组下部含水层的揭露发现，由切眼向收作线方向，其岩性变化规律为：从灰白色粗、中粒砂岩为辅，深灰色粉砂岩、砂质泥岩为主，逐渐向粗、中粒砂岩为主、粉砂岩、砂质泥岩为辅的结构变化，表明中统含水层为辫状河沉积，其中，粗、中粒砂岩为河道沉积，而粉砂岩、砂质泥岩为天然堤和河流涧弯沉积，侏罗系中统含水层地下水主要储存于辫状河道的中细砂岩和中粗砂岩的裂隙-孔隙中，为主要富水区域，而河流涧弯泥岩为隔水层，同时辫状河沉积相富水性强于浅湖、滨湖沉积相，中等富水性是辫状河河道主要富水性[21]，如图8剖面图所示。通过对井田内侏罗系中统直罗组的岩性比例统计发现，粗砂岩分布比例较大，大范围的粗砂分布使得地下水的存储空间进一步加大，进而影响了工作面放水试验涌水量大小。

图8 控制涌水量的构造与沉积因素

5 结 论

通过对研究区水文地质条件分析，结合数值模拟得出以下结果：

(1)通过对矿区的数值模拟，对泊江海子矿做了基础水文参数分区，结果表明随着113106工作面推进，渗透系数不断加大，而已经开采的113101、113102工作面处渗透系数相对较小，此参数分区为下一步矿区安全开采提供一定借鉴。

(2)褶皱的起伏导致向收作线方向顶板砂岩裂隙数逐渐增多，并形成古地貌低洼，再加上顶板含水层岩性由泥质粉砂向中粗砂的沉积相变，共同叠加控制了砂岩水在空间上赋存与富水性程度。