基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究

王 乐,赵岳然

(1.太原煤气化 龙泉能源发展有限公司,山西 娄烦 030300;2.中煤科工集团 沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122;3.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122)

煤炭开采会破坏地下水资源和地表生态系统,地下水通过采动裂隙流入工作面,对井下安全生产造成威胁。针对“保水采煤”要求,国内外学者从地质分区、“三带”发育高度、结构关键层等方面开展了大量的理论研究。黄庆享[1]针对浅埋煤层的赋存特点,对采动过程中隔水层的裂隙发育情况进行了研究;刘治国[2]提出工作面上覆黏性红土层在采动过程中具有“泥盖”效应;刘洪林[3]认为隔水层的隔水性体现在内部裂隙发育情况;张玉军等[4]研究了厚基岩浅层粘土的阻水效应;王佳奇[5]研究了保水开采效果的影响因素,并建立了评价模型;李邵东[6]研究了工作面开采后含破碎带底板的渗透性演化规律;张东升等[7]提出工作面上覆岩层“等效阻水厚度”的研究思路。

当前保水开采措施主要包括井下充填、优化采煤方法和注浆。李猛等[8]研究了固体充填充实率的计算模型;柳晶等[9]对充填开采上覆岩层裂隙发育情况进行了研究;孙健等[10]研究了隔水层在工作面回采过程中的动态受力情况;马立强等[11]提出改变工作面布置方式和采煤方法可以减少对水资源的破坏;董书宁等[12]优化了注浆方法,提出注浆帷幕截流技术;秦洪岩等[13]在对充填效果的研究中引入了“板壳理论”,发现随着充填高度的变化,覆岩裂隙发育存在临界效应;此外还有学者对浅埋厚煤层条带充填保水效果进行了研究[14-15],并优化了充填材料[16-17]。

在煤炭开采过程中,最直观的影响是地面沉陷,对浅表水资源造成破坏。当前对保水开采的研究主要集中在顶板水和底板水,对浅表水的研究较少。在此,以龙泉煤矿4301工作面为工程背景,基于“等效阻水厚度”保水开采理论对工作面开采过程中浅表水资源的破坏情况进行研究。

1 “等效阻水厚度”保水开采理论

张东升等[7]以覆岩等效渗透系数为基础,将煤层顶板至目标含水层之间所有岩层作为整体研究对象,称为等效阻水层,示意图见图1所示,覆岩渗流情况见图2所示。

图1 等效阻水层示意图Fig.1 Equivalent water resistance layer

图2 覆岩渗流情况Fig.2 Seepage in overlying rock

假设等效阻水层在垂直方向的渗流特点符合达西定律,将等效阻水层理想化为n层厚度无变化的岩层(岩层序号为p—q),垂直方向上的等效渗透系数可表示为:

(1)

式中:Keq为垂直方向的等效渗透系数,m/d;di为单层岩层的厚度,m;Ki为单层岩层的渗透系数,m/d。

保水开采的临界条件为采动覆岩垂向渗流速度v1与含水层水的补给速度vr相等。假设覆岩两端水头压差ΔH和含水层水的补给速度vr一定,如图2所示,隔水岩层厚度为M时,保水开采的最大临界渗透系数可表示为:

Kcr=vrd/Δh.

(2)

式中:Kcr为垂直方向的最大临界渗透系数,m/d;vr为含水层水补给速度,m/d;d为隔水岩层厚度,m;Δh为覆岩两端水头高度差,m。

采动覆岩的渗透系数与等效阻水厚度成反比,设等效渗透系数Keq所对应的等效阻水厚度为deq,则等效渗透系数Keq与最大临界渗透系数Kcr的比值等于隔水岩层厚度d与等效阻水厚度deq之比,等效阻水厚度可表示为:

(3)

满足以下条件时认为可实现保水开采:Keq≤Kcr,即Keq/Kcr≤1。

2 工程概况

2.1 矿井地质概况

龙泉煤矿地处太原市娄烦县,生产能力5.0 Mt/a,为高瓦斯矿井。井田位于吕梁山脉的芦芽山南部,地表为黄土梁峁地貌,井田范围内约35%的地区存在“V”字型冲沟。地表水系丰富,流经井田范围内的河流主要为岚河及其支流龙泉川。地下含水层5层,其中顶板上覆含水层主要为K4、K5砂岩含水层裂隙水,底板主要受K3砂岩裂隙含水层、太原组石灰岩及奥陶系中统石灰岩含水层的影响,4#煤层距奥陶系灰岩140.49～156.19 m。水文地质条件复杂。井田地层总体为走向北西、倾向北东的单斜构造,地质构造简单。

2.2 4301工作面概况

4301工作面开采4#煤层,采用综采放顶煤采煤方法,全部垮落法管理顶板,机采高度为3.5 m,放煤厚度为2.75 m,走向可采长度721 m,倾向长度250 m。工作面伪顶为砂质泥岩,直接顶为K4砂岩,基本顶为砂质泥岩;直接底为中砂岩,基本底为细砂岩。4301工作面地表发育有5处规模较大的冲沟,其中对工作面开采影响较大的为冲沟4(四圪塔沟)。地表冲沟发育情况如图3所示。

图3 4301工作面地表冲沟分布Fig.3 Surface gully distribution of 4301 working face

2.3 4301工作面顶底板岩石性能测试

对4301工作面顶底板岩石物理与水理性能进行测试,以便为物理模拟、数值计算及理论分析提供必要的基础参数。将岩样加工为Φ50 mm的圆柱体,根据实验要求用切割机分别切成25 mm、50 mm、100 mm长的圆柱块。

2.3.1物理力学性能测试

本次对不同岩样分别进行了单轴抗压强度、单轴抗拉强度及剪切试验,试验过程见图4—图6所示,测试结果见表1所示。

图4 单轴抗压强度测试Fig.4 Uniaxial compressive strength test

图5 单轴抗拉强度测试Fig.5 Uniaxial tensile strength test

图6 剪切强度测试Fig.6 Shear strength test

表1 岩石物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

2.3.2水理性能参数测试

使用DahoMeter多功能密度测试仪DA-300VP,对奥陶系峰峰组灰岩和石炭系本溪组灰岩的孔隙率分别进行测定;使用SS-15数显渗透仪,对奥陶系峰峰组灰岩和石炭系本溪组灰岩渗透系数分别进行测定。试样设计6组,每组3份岩样,采用3次测量取平均法减小误差。测试过程见图7所示,测试结果见表2所示。

图7 岩样孔隙率及渗透性测试Fig.7 Porosity and permeability test on rock samples

根据表2所示,奥陶系峰峰组有效孔隙率在12.43%～24.27%之间,总孔隙率在17.97%～26.02%之间;石炭系本溪组有效孔隙率在17.30%～20.39%之间,总孔隙率在19.45%～22.31%之间;由此判断奥陶系峰峰组岩体结构完整性有一定程度破坏,隐伏裂隙较发育。

奥陶系峰峰组渗透系数波动较大,变化幅度可达145%,而石炭系本溪组渗透系数比较稳定,变化幅度在10%以内。渗透系数变化规律与孔隙率测试结果相吻合,进一步验证了孔隙率变化较大,岩层裂隙发育,造成渗透系数大幅变化这一结论。

表2 岩样孔隙率测定结果Table 2 Porosity measurement results of rock samples

3 上覆岩层移动特征数值模拟研究

UDEC目前被广泛应用于模拟非连续介质在不同载荷下产生的响应,为掌握4301工作面回采过程中对浅表水资源的破坏程度,采用UDEC数值模拟软件对上覆岩层移动特征进行研究。

3.1 数值模拟模型

根据4301工作面地质条件构建UDEC数值计算模型。4301工作面地表冲沟较发育,冲沟区域基岩出露属于生态薄弱区,选取冲沟4(四圪塔沟)为研究对象,分析煤层开采对其的影响。四圪塔沟坡顶处煤层埋深约为690 m,坡底处煤层埋深约为630 m,模型尺寸为长×高=800 m×708 m,开挖步距为10 m。模型上部设置为自由边界,左右边界水平方向设置固定约束,模型底部在水平和垂直双向设置位移约束。设定各岩层单元均为均质各向同性的线弹性体,采用Mohr-Coulomb准则作为单元破坏的强度判据。模型见图8所示。

图8 数值计算模型Fig.8 Numerical calculation model

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1上覆岩层裂隙发育特征

工作面在回采过程中上覆岩层裂隙发育模拟结果见图9所示。根据模拟结果可知,工作面回采50 m时顶板初次来压,顶板上方25 m范围内产生裂隙;工作面回采60 m时顶板周期来压,上覆岩层裂隙继续发育;工作面回采100 m时上覆岩层裂隙高度趋于稳定,最终达到75 m。

3.2.2地表沉陷规律

通过沿工作面地表及冲沟坡体表面布置测线1,得到工作面不同推进距离距地表不同测点的位移结果。工作面回采130 m时地表出现下沉,之后随着工作面回采距离增加,地表下沉量及沉陷范围持续增大;工作面回采240 m之后,地表沉陷区域开始对冲沟产生影响,此后随着工作面回采的推进,冲沟区域出现下沉。在工作面整个回采过程中,非冲沟区域最大下沉量为2.85 m,冲沟区域最大下沉量为2.95 m,均出现在回采400 m时。冲沟区域以冲沟坡底为中心,两侧坡体向中间滑移下沉,最大下沉量较非冲沟区域有所增大。

3.2.3冲沟坡体下浅表水位变化规律

浅表含水层水压可直接反应水位变化情况。通过在含水层底部布置测线2,监测开采过程中测线水位变化,根据不同开采阶段含水层水压的变化规律,将工作面浅表水位影响情况分为3个阶段:

1)稳定阶段:工作面推进0～200 m范围内,采动影响未能到达含水层或对含水层影响较小,水压变化相对稳定。

2)过渡阶段:工作面推进200～290 m范围内,采动影响作用到浅表含水层,采空区上方浅表含水层水压出现明显下降。

3)周期性变化阶段:工作面推进290～600 m范围内,浅表含水层水压变化出现周期性起伏趋势,前期水压下降区域由于下方隔水层裂隙的闭合水压有所上升,距离工作面较近区域浅表水压下降。

综上,工作面回采引起的地面沉陷对浅表含水层有一定影响,工作面推进至200～290 m范围内浅表含水层水压发生明显下降。

(a) 回采50 m

(b) 回采60 m

(c) 回采100 m

(d) 回采600 m图9 工作面回采过程上覆岩层裂隙发育模拟结果Fig.9 Simulation results of fracture development of overburden strata in the caving process

4 地表沉陷观测

为准确考察4301工作面回采引起的地表沉陷,同时验证数值模拟结果的准确性,在地表布置测点进行观测,统计测点沉陷情况并进行分析。

4.1 测点布置

设计在4301工作面地表布置1条倾向观测线和2条走向观测线,采用剖面线观测站,观测线布置见图10所示,测点情况见表3所示。

4.2 观测内容

采用LeicaTS-06型全站仪、DS3型水准仪及南方S-86型双频GPS接收机进行地表沉陷测量,观测各点下沉值及对应工作面的推进位置。

表3 观测线测点情况Table 3 Observation lines and points

4.3 观测结果及分析

本次测试共对4301工作面进行了15次观测,计算得到各测线移动变形情况如下。

1)工作面走向观测结果。工作面走向观测线(A线)切眼附近测点最先出现下沉,随着工作面回采的推进,切眼位置附近产生小型移动盆地。在工作面回采过程中各测点的下沉值变化量逐渐减小,最终趋于稳定后A线整体呈中间低两边高的形态,其中下沉量最大的测点为A31号,下沉值达到2 787 mm。

2)工作面倾向观测结果。工作面倾向观测线(B线及C线)下沉量最大的测点分别为B20号和C21号,下沉值分别为2 719 mm和2 750 mm,2个测点均位于工作面采空区正上方。B线及C线在工作面回采结束后整体呈中间低两边高的形态,且与采空区对称分布。

3)依据地表实测结果,4301工作面开采引起了地表沉陷和变形,A测线最外侧影响点为A7,B测线最外侧影响点为B7、B34,C测线最外侧影响点为C7、C34。4301工作面距龙泉川最近距离约585 m,距岚河最近约976 m,该工作面开采并未影响到地表附近河流。

图10 观测线布设示意图Fig.10 Layout of observation lines

5 工作面浅表水资源承载力评价

浅表水资源承载力在广义上指满足区域内生产活动的同时可以保证生态环境不被破坏,以实现可持续发展;在狭义上指矿区内煤体开采带来的覆岩移动变形不会对浅表水资源造成永久破坏,通过人为干预等措施可以恢复地表生态。当前主要从水文地质、覆岩情况和生产条件等3方面对水资源承载力进行评价,其中水文地质方面主要考察含水层和隔水层条件,覆岩情况主要考察顶底板情况和采动裂隙发育情况,生产条件主要考察工作面布置参数和回采方法[5]。本次通过数值模拟和地表实地观测的方法对4301工作面开采后浅表水资源的破坏情况进行了研究,得到如下结论。

4301工作面地表水系丰富,其基本顶具有隔水性,数值模拟结果显示,按照当前回采技术参数,工作面回采过程中顶板上覆岩层导水裂隙发育高度最大为75 m左右,地表最大沉陷量为2.85 m,在冲沟发育区下沉量达到2.95 m,且浅表含水层水压出现明显下降。通过在工作面布置走向及倾向观测线,实测工作面回采后地面最大下沉点位于采空区正上方,最大沉陷量2.78 m,地面沉陷未对河流造成影响,实测结果同数值模拟结果基本一致。根据研究结果认为,4301工作面开采对浅表水资源的破坏在承载力范围内。

6 结论

基于“等效阻水厚度”保水开采理论开展研究,得到工作面实现保水开采的临界条件为,等效渗透系数小于等于最大临界渗透系数,分析了4301工作面地表冲沟发育及顶底板含水层情况,测试了工作面顶底板关键岩层单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、孔隙率及渗透性,根据关键岩层性能测定结果,采用UDEC数值模拟软件对4301工作面回采过程中上覆岩层裂隙发育情况进行计算,在地表布置测线对工作面回采过程中地表沉陷量进行观测。分析数值模拟和地表沉陷观测结果认为,4301工作面浅表水资源承载力满足保水开采要求。