榆神礦區(qū)煤層開采頂板覆巖含水層組合組合研究

榆神礦區(qū)位于西部干旱和半干旱地區(qū)。毛烏蘇沙漠與陜西北部的黃土原接壤。它是中國(guó)北方天然氣生產(chǎn)的重要組成部分。靠近地表第四系薩拉烏蘇組的松散間隙含水層，是該地區(qū)唯一具有供水和重要生態(tài)價(jià)值的含水層。針對(duì)礦區(qū)“煤水”協(xié)調(diào)問(wèn)題,董書寧等目前保水采煤理論與技術(shù)主要以“覆巖分帶理論”為研究基礎(chǔ),以分析不同采煤條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與覆巖含水層的空間關(guān)系為研究重點(diǎn)1主要采區(qū)的水文結(jié)構(gòu)特征1.1地貌單元?jiǎng)澐钟苌竦V區(qū)位于毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶,地貌單元上劃分為風(fēng)沙地貌、黃土地貌及河谷地貌3種類型,地勢(shì)呈西北高東南低,地層總體表現(xiàn)為向北西緩傾的單斜,地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。礦區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J1.2風(fēng)化基巖含水層富水性及分布特征根據(jù)榆神礦區(qū)主采煤層覆巖的地層巖性,以及地層剝蝕、風(fēng)化、燒變等作用,劃分主采煤層覆巖含、隔水層見(jiàn)表1。松散孔隙潛水含水層組,主要指第四系沖積層(Q基巖裂隙含水層組,礦區(qū)主采煤層上覆基巖地層自下而上分別為延安組(J風(fēng)化基巖含水層,基巖頂部巖石頂面受到不同程度的風(fēng)化,結(jié)構(gòu)雜亂,松軟易碎,受地形地貌、上覆含水層特征、風(fēng)化程度等影響,風(fēng)化基巖含水層富水性變化較大,滲透系數(shù)0.012～4.992m/d燒變巖孔洞裂隙含水層,是指因煤層自燃頂板塌落及后期風(fēng)化等形成裂隙孔洞發(fā)育的燒變巖帶,由于巖層破碎,透水性好,其富水性變化較大,主要與自燃煤層、燒變巖特征及燒變巖上覆松散含水層組的富水性有關(guān),其分布范圍相對(duì)局限,主要在二期各大溝谷兩側(cè)呈條帶狀分布,據(jù)錦界、西灣、榆樹灣、杭來(lái)灣、上河、高家界、河興梁等井田勘探鉆孔抽水試驗(yàn)資料,滲透系數(shù)0.006～74.103m/d。主隔水層是由第四系離石組(Q亞隔水層,在榆神礦區(qū)中-深煤層區(qū),侏羅系地層中滲透能力弱的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與滲透能力較好的中、細(xì)粒砂巖相互交錯(cuò),其中侏羅系安定組地層(J2主采煤層開采含水層涌水模式由于采動(dòng)導(dǎo)水裂隙具有極強(qiáng)的導(dǎo)水能力,是引起含水層涌水的控制因素,通過(guò)分析榆神礦區(qū)主采煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶與上覆含、隔水層組的空間組合關(guān)系,以及引起含水層涌水特征,提出榆神礦區(qū)最上煤層開采含水層涌水模式。2.1礦井覆巖結(jié)構(gòu)通過(guò)整理分析榆神礦區(qū)生產(chǎn)礦井導(dǎo)水裂隙帶高度研究成果,見(jiàn)表2。礦區(qū)煤層埋深、覆巖結(jié)構(gòu)差異明顯,主采煤層開采裂采比變化較大(15～28倍),均值23倍。其中榆神東部與南部淺埋煤層區(qū),主采煤層開采(如42.2“側(cè)向直接型”涌水模式根據(jù)榆神礦區(qū)主采煤層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙與覆巖含(隔)水層的空間組合關(guān)系,以及不同組合關(guān)系下含水層涌水特征,提出3種涌水模式:(1)淺埋煤層側(cè)向直接涌水型(圖3(a))。榆神礦區(qū)東部淺埋煤層區(qū)(一、二期)主采煤層開發(fā)時(shí)導(dǎo)水裂隙帶穿越離石、保德組發(fā)育至地表風(fēng)積沙等松散層內(nèi),在工作面頂部局部區(qū)段內(nèi)的松散含水層被迅速疏干,該區(qū)段含水層不能得到外圍含水層側(cè)向補(bǔ)給,出現(xiàn)干涸;而工作面外圍的松散含水層地下水會(huì)以側(cè)向排泄的形式沿著導(dǎo)水裂縫側(cè)向邊界進(jìn)入采空區(qū)內(nèi),造成松散含水層與基巖裂隙含水層地下水沿導(dǎo)水裂隙側(cè)向直接涌入井下,形成典型的“側(cè)向直接型”涌水模式。(2)中深煤層側(cè)向與垂向復(fù)合涌水型。榆神礦區(qū)中部(三期)煤層埋深相對(duì)較大(150～400m),如圖3(b)所示,采動(dòng)導(dǎo)水裂隙直接揭露基巖含水層后延伸至離石、保德組主隔水土層底部或內(nèi)部,造成基巖含水層地下水大量漏失,基巖含水層以側(cè)向涌水為主;而采動(dòng)導(dǎo)水裂隙與松散含水層之間殘留一定厚度的隔水土層,由于基巖含水層地下水的大量漏失致使與松散含水層間的水力梯度增大,以及土層彎曲變形后垂向滲透能力提高,導(dǎo)致松散含水層沿主隔水土層越流涌水,李濤等(3)深埋煤層側(cè)向涌水與垂向弱涌水型。榆神礦區(qū)西部(三、四期)煤層埋深相對(duì)較大(>400m),如圖3(c)所示,采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育至直羅組、延安組基巖含水層內(nèi)部或安定組亞隔水層內(nèi),采動(dòng)裂隙直接揭露的直羅組、延安組基巖含水層沿導(dǎo)水裂隙側(cè)向直接涌水,安定組亞隔水層頂部的洛河組基巖含水層間接越流涌水,而近地表的松散含水層由于存在安定組亞隔水層與離石組、保德組主隔水土層保護(hù),地下水越流漏失微弱,易形成基巖含水層側(cè)向涌水與垂向復(fù)合隔水保護(hù)弱涌水模式。3典型煤礦開采含水層的逃水規(guī)律3.1采煤工作面導(dǎo)水裂隙帶面積內(nèi)涌x-t模型分析為了便于定量分析煤層開采含水層涌水規(guī)律,根據(jù)含水層與導(dǎo)水裂隙帶間的地下水運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化特征,將導(dǎo)水裂隙與正常覆巖接觸面概化成地下水達(dá)西滲流的定水壓邊界(孔隙水壓力p=0),合理避免了導(dǎo)水裂隙帶難以數(shù)值刻畫問(wèn)題,其模擬結(jié)果更接近于真實(shí)的滲流場(chǎng),在COMSOL數(shù)值分析中,將導(dǎo)水裂隙帶范圍概化成倒梯形,在涌水模型中分別對(duì)梯形各面達(dá)西流速U進(jìn)行面積積分,即Q=∫∫UdΩ,Ω為導(dǎo)水裂隙帶概化形成倒梯形面積采用穩(wěn)定流分析方法,計(jì)算得出來(lái)自導(dǎo)水裂隙帶外圍側(cè)向和頂部各含水層的地下水涌水量為了削弱模型邊界效應(yīng)影響,在采煤工作面尺度上的含水層涌水模型中,采用無(wú)限元域方法,將模擬區(qū)外圍定義為無(wú)限展布的含水層3.2散含水層導(dǎo)水裂隙發(fā)育機(jī)理涼水井井田位于榆神二期中北部,主采為4由于采動(dòng)裂隙直接發(fā)育至松散含水層,如圖4所示,地下水流場(chǎng)受采動(dòng)影響較大,形成以導(dǎo)水裂隙帶為中心的降落漏斗,其中工作面頂部與側(cè)向一定范圍內(nèi)的含水層被疏干(空白區(qū)段),積分得出各含水層向?qū)严兜目傆克繛?7m3.3基巖地下水流場(chǎng)特征小壕兔一號(hào)井田位于榆神四期西部,最上開采煤層為1如圖5、表5所示,導(dǎo)水裂隙對(duì)直羅組與延安組基巖含水層流場(chǎng)影響較大,形成較為明顯的降落漏斗,由于安定組與離石組、保德組隔水層復(fù)合保護(hù)近地表松散含水層,地下水流場(chǎng)基本未發(fā)生變化,含水層總涌水量為21.87m3.4導(dǎo)高對(duì)含水層涌水量的影響曹家灘井田位于榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)中部,主采煤層為2如圖6,表6所示,上分層開采導(dǎo)高為115m時(shí),導(dǎo)水裂隙發(fā)育至直羅與延安組基巖含水層內(nèi)部,基巖含水層以導(dǎo)水裂隙為中心形成明顯的地下水降落區(qū),由于地表松散含水層受土層的保護(hù),地下水流場(chǎng)基本未發(fā)生變化。各含水層向?qū)严兜目傆克繛?5.84m為了進(jìn)一步分析導(dǎo)高對(duì)含水層涌水量的影響規(guī)律,分別模擬了該煤層開采導(dǎo)高在50～250m條件下含水層總涌水量((圖77)),,結(jié)果顯示,,導(dǎo)高越大,,總涌水量越大,,當(dāng)導(dǎo)高小于118800mm時(shí),,導(dǎo)水裂隙發(fā)育至基巖含水層內(nèi)部,尚未溝通風(fēng)化基巖含水層,含水層涌水量增加幅度不大;當(dāng)導(dǎo)高大于180m時(shí),由于導(dǎo)水裂隙揭露富水性較好的風(fēng)化基巖含水層,導(dǎo)致含水層涌水量增加幅度較大,由此可見(jiàn),通過(guò)限高、分層開采等采煤方法,抑制導(dǎo)水裂隙高度與覆巖強(qiáng)含水層的接觸關(guān)系,是實(shí)現(xiàn)頂板水害防控與水資源協(xié)同保護(hù)的重要措施。4含水層涌隔水模式(1)通過(guò)分析榆神礦區(qū)主采煤層覆巖結(jié)構(gòu)特征,將礦區(qū)主采煤層覆巖含(隔)水層劃分為松散孔隙、基巖與風(fēng)化裂隙、燒變巖孔洞裂隙4個(gè)含水層組,以及主、亞2個(gè)隔水保護(hù)土層。(2)通過(guò)分析主采煤層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙與覆巖含(隔)水層組的空間組合關(guān)系,提出淺