采区岩溶水文地质条件综合分析及疏放性评价

刘 倩,许光泉,石怡煊,刘晓娟,徐立佳,何文乔

安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南,232001

近年来,华北型煤田随着煤炭开采深度的增加,矿井水文地质条件日趋复杂,岩溶水害威胁程度越来越大[1-2],严重制约煤炭资源安全开采[3-6]。通过系统分析采区岩溶水文地质条件,因地制宜地采取水害防治方法,是防止煤炭资源开发过程中重大突水事故发生的重要举措[7-9]。

华北煤田下部煤层开采时,充水水源为石炭系、奥陶系和寒武系岩溶水,经断层带、岩溶陷落柱等导水通道,使之与煤层发生水力联系[10]。为研究其成因机理,许多学者先后提出“流固耦合”理论[11-13]、板壳理论[14]、“原位张裂”[15]、“下三带”[16]、“突水优势面”[17]、“强通道渗流”等突水理论。此外,在矿山岩溶地下水模拟计算方面,大多采用诸如水均衡法[18]、水文地质条件比拟法[19]、解析法[20]和数值法[21-22]等方法。其中,数值方法通过对复杂水文地质条件分析,采用差分或有限单元方法可再现岩溶地下水流动过程,进而揭示研究区边界性质及含水层内部结构与水力特性[23]。

为进一步查明安全开采水文地质条件,以淮南煤田顾北煤矿中央采区A组煤层下部太原组岩溶含水层为对象,通过对矿井水文地质条件综合分析,结合放水试验与数值模拟计算,不仅查明了采区边界断层的导隔水性质与含水层之间水力联系,还识别了含水层的参数,并进行疏放性评价,从而为煤层安全开采提供重要前提。

1 研究区概况

表1 石炭系太原组含水层参数表

顾北矿井按断层将其划分为南、北和中央三个采区,如图1(a)所示。其中,中央1煤采区包括三个工作面(14121、14221和14321工作面)。通过前期开采揭露发现,新生界松散层与煤系地层之间有黏土隔水层,不发生水力联系;煤层顶板砂岩有淋滴水,水量较小,容易疏干。A组煤层底板直接充水水源为太原组灰岩水,水压较高,补给条件好,其直接充水水源来自C3I组含水层,对A组煤层开采构成直接威胁。

图1 研究区水文地质图

2 中央采区灰岩水文地质条件综合分析

为弄清中央采区A组煤层下部灰岩含水层水力特性以及与相邻采区含水层之间关系,采用井下放水试验方法,确定各采区边界的导、隔水性以及各含水层之间的水力联系。

2.1 放水试验

2.1.1 放水孔和观测孔

放水孔布置原则:考虑与断层带或露头风化带有水力联系的位置,且试验期间出水量大、具有较好瞬时响应性。观测孔布置选择断层带或露头风化带附近,即除了地面已有不同含水层观测孔外,井下测压孔应布置与风化带露头区或与断层带有水力联系位置。放水孔、水位(压)观测孔位置见图1(a)。

2.1.2 试验过程分析

整个放水试验过程分为背景值阶段、试放水阶段、水位恢复阶段、放水阶段,详见图2至图4。试放水前初始水量为13.64 m3/h,试放水结束后水量为48 m3/h,水位恢复后水量为33.4 m3/h,正式放水试验水量为104.23 m3/h。

2.2 断层导隔水性分析

利用上述放水试验工程,通过观测不同采区观测孔水位、井下水压、水质变化情况,确定边界断层的导隔水性,从而为中央采区的水文地质条件分析提供了依据。

2.2.1 F104断层组(F104、F100、Fs23)

通过矿井前期勘探发现,F104断层组为南区和中央采区分界逆断层,走向NW,倾向SW,倾角65°～75°,落差0～130 m,存在多个分支,呈走滑性质。放水试验期间断层组两侧观测孔水位变化如图2、图3所示,该断层组南侧水位变化幅度小,水位差分别为5.04 m(九C3Ⅰ)、8.25 m(九C3Ⅱ)、3.33 m(九C3Ⅲ)、7.17 m(九O1+2);断层组北部水位变化均较大,水位差分别为374.19 m(XLZJ2)、186.78 m(七C3Ⅱ)、123.83 m(七C3Ⅲ)。

图3 南一采区观测孔水位历时变化曲线

为验证断层的隔水性,采集断层南、北两侧岩溶水样进行水质分析,水样点分布见图1,发现断层两侧水化学类型存在一定差异,南部水化学类型主要为Cl·HCO3-Na,其次为Cl-Na,而北部主要以Cl-Na和Cl(SO4)-Na为主,其次为HCO3·Cl-Na。

前期地面及井下勘查发现,F104断层组本身富水性弱,放水期间断层组北部水位响应较好,但南部水位响应性差,表明该断层组两侧水力联系弱,结合水质变化对比,表明该断层组为阻水断层。

2.2.2 F92断层组(Fs930、F924、F910、F92)

F92断层组为北区和中央采区分界正断层,倾向SW,倾角55°～70°,落差0～30 m,走向长度2.4 km。该断层存在多个分支。放水试验期间断层组两侧观测孔水位变化如图2、图4所示,该断层组南部水位变化均较大,水位差分别为374.19 m(XLZJ2)、186.78 m(七C3II)、123.83 m(七C3Ⅲ);北部水位变化均较小,水位差分别为2.548 m(五～六C3I)、5.65 m(五∈)。

图4 北一采区观测孔水位历时变化曲线

为验证断层的隔水性,采集断层南、北两侧岩溶水样进行水质分析,水样点分布如图1所示,发现断层组两侧水化学类型存在一定差异,断层组南部水化学类型主要为Cl-Na,其次为HCO3·Cl-Na和Cl(SO4)-Na,而北部主要以Cl·HCO3-Na为主,其次为HCO3·Cl-Na。

放水期间断层组南部水位响应较好,但北部水位响应性差,表明该断层组两侧水力联系弱,结合水质变化对比,表明该断层组为阻水断层。

2.3 各含水层间水力联系及径流条件

井下放水试验表明:在水平上,中央1煤采区边界断层为隔水性断层。因此,它为一个相对独立水文地质单元,与相邻采区的水力联系弱。只有在浅部露头区,C3I与C3II、C3III组灰岩含水层之间存在一定的水力联系,但无奥灰、寒灰水的补给。

通过上述分析,矿井划分为南区、中央区和北区三个独立的构造区块。C3I组与露头区域的C3II、C3III组含水层之间存在一定的水力联系,而与奥陶系灰岩和寒武系灰岩含水层之间不发生水力联系,A组煤层下部岩溶地下水径流如图5所示。

图5 不同单元的岩溶水地下水流动模式

3 C3I灰岩地下水数值模拟

3.1 水文地质条件概述及数学模型

中央采区长1.011 km,宽2.152 km。C3I组含水层上覆为泥岩,设为隔水边界;中央采区A组煤层下伏的太原组灰岩含水层厚为99.99～129.11 m。其中,C3I组为31.14～41.09 m,与下部C3II与C3III组灰岩含水层之间存在较弱的水力联系;南、北部二组断层,为隔水边界;西边露头区存在侧向补给,为流量边界,东边为深部滞留阻水边界。

因此,采区C3I组灰岩地下水流动可概括为有侧向补给的非均质各向异性三维非稳定流,数学模型为:

(1)

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

(x,y,z,t)∈Γ2

其中,kxx、kyy、kzz分别时表示x、y、z方向上渗透系数,单位为m/d;H、H0分别表示灰岩含水层的水位和初始水位,单位为m;W表示源汇项,单位为d-1;Ss表示弹性释水率,单位m-1;T表示时间,单位d;Ω表示计算区域;K表示渗透系数,单位m/d;q(x,y,z,t)表示单位面积流量,单位m/d;Γ2表示二类边界。

3.2 模拟模型的剖分

依据区内地下水动态变化特征,将中央采区剖分为150行,150列,共22 500个单元网格(图6),以2022年1月20日12:00为初始时刻,C3I组地下水位为西北高东南低,疏放后形成以疏放点为中心降落漏斗。

图6 中央采区网格单元划分平面图和剖面图

3.3 识别与验证

将2022年1月20日—2022年3月20日和2022年3月21日—2022年5月18日分别作为识别期和验证期。多次调整区块含水层参数后,使1个观测孔和井下3个测压孔的水位在满足水均衡条件的基础上,计算值与观测值误差不大于10%,拟合效果较好。

通过模型的识别与验证,发现灰岩露头区含水层渗透系数较大,远离露头区含水层渗透系数逐渐减小;模拟的地下水流方向为NW—NE,与研究区的地层倾向趋势一致。因此,能较为客观地反映地下水流场的变化规律,模拟结果如表2和图7所示。

图7 初始流场与识别的水文地质分区

表2 识别后的水文地质参数分区

4 灰岩水疏放性评价

依承压含水层下安全开采要求[24]:当受到底板岩溶水害威胁时,突水系数应满足T≤0.06 Mpa/m,同时含水层水位应降至煤层底板最低处以下(-660.3 m)。

目前煤层底板承受C3I组含水层最大水压0.93 MPa,隔水层最小厚度M=12.31 m,得出T=0.075 5 Mpa/m >0.06 Mpa/m。为此,采用疏水降压方法,降低含水层的水压,以满足开采安全要求。

通过对C3I组灰岩水文地条件分析,可知C3I灰岩水具有可疏放性,为此,设计两种疏放方案,并利用上述识别的模型进行效果评价。

方案一:保持放水阶段前的疏放量,即33.4 m3/h。此时采区内灰岩含水层的最大突水系数为0.24 Mpa/m,当疏放至293天时突水系数小于0.06 Mpa/m,同时最低点水位降至-660.3 m以下。

方案二:在方案一基础上,增设放水孔在首采面切眼至露头方向增设4个放水孔(图7),单孔疏放量为10 m3/h,总疏放量为120 m3/h,以2022年5月18日作为起点,运行上述的模型,60天后突水系数小于0.06 Mpa/m,满足安全开采条件,同时最低点水位降至-660.3 m以下(图8)。

通过数值模拟计算结果可知,方案二较方案一可节约233天的时间成本,虽然工程造价相对较大,但能够更高效地将C3I组灰岩含水层中的地下水进行疏放。为快速解放A组煤层,并保证工作面安全回采具有更高的安全系数。综合来看,方案二更加能够满足实际工程需要。

5 结 论

通过中央1煤采区放水试验过程中地下水动态对比与分析,以及C3I组含水层模拟及疏放性评价,主要结论为:

(1)矿井以F104和F92均为阻水断层,将其划分为三个相对独立水文地质单元。

(2)采区C3I组含水层富水性由浅部至深部逐渐变差,灰岩水主要来自浅部露头区补给,与深部其他含水层水力联系差。

(3)采用方案二,增加疏水孔后,水位在短期内降至安全开采要求。