煤炭开采对相邻区域生态潜水流场扰动特征

2019-04-11代革联薛小渊蒋泽泉肖乐乐刘美乐

煤炭学报 2019年3期

代革联，薛小渊，牛超，许珂，蒋泽泉，肖乐乐，刘美乐

(1.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054; 2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西西安 710054; 3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西西安 710065)

煤炭作为我国的主要能源和重要的化工原料，在我国经济建设中具有极其重要的战略地位。2017年，全国煤炭产量达到35.2亿t，神东、陕北、黄陇、新疆等14个大型煤炭基地产量占全国的比重达到94.3%，在今后相当长一个时期内，这种地位不会改变[1-2]。陕北煤田作为我国大型的整装煤田，现代化开采程度高，由于煤炭与地下水资源共处于同一地质结构中，在垂向空间构成了有机联系的地表生态环境—地下水资源—煤炭资源系统。在这样一个水资源贫乏，生态环境脆弱地区大规模开发煤炭资源，既造成地面塌陷、地裂缝等地质灾害，又对开采区的水文地质条件产生巨大影响，从而诱发地下水流场改变，造成地下水位急剧下降、泉水干涸、河流基流量大幅度衰减和流域生态环境恶化等一系列环境问题[3-4]，针对以上问题王双明院士、范立民教授等在1992年就提出了保水采煤的思路和方法[5]，此后，通过不断完善保水采煤理论与实践，范立民提出了保水采煤的概念和科学内涵，并构建了保水采煤研究基本框架[6-8]。

随着我国煤炭生产重点的逐步西移和“一带一路”战略的提出与实施，针对西部干旱半干旱地区保水采煤研究这一热点和全国煤炭开采遇到的普遍问题，我国学者做了大量卓有成效的工作。钱鸣高院士提出了煤矿绿色开采的理念，建立了以保水开采、充填减沉开采、煤与瓦斯共采、矸石减排等技术为主的绿色开采技术体系，为我国煤炭资源的安全、绿色开发奠定了重要基础[9-10]，武强院士等提出了“煤-水”双资源型矿井开采概念，并提出了相应的开采技术和方法[11]，王双明院士等划分了保水开采地质条件和保水开采分区，建立了基于生态水位保护的保水开采技术体系[12-13]。目前，保水采煤研究的主要内容包括:煤矿区地质条件的探查、隔水层稳定性评价、导水裂隙带高度的预测与探查、地下水资源与生态环境的耦合影响等。李文平等对西北保水采煤关键隔水层N2红土工程地质特性进行了相关研究[14]，马雄德等研究了我国西部生态脆弱矿区植被与地下水关系及其对煤层开采的约束[15]，黄庆享揭示了浅埋煤层隔水岩组的“上行裂隙”和“下行裂隙”发育规律，建立了保水采煤的岩层控制理论[16-17]，李文平等[18]、王佟等[19]、邓念东等[20]对榆神府矿区水文地质条件进行了不同程度的研究，为榆神府矿区保水开采提供了基础资料，许家林等就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行了深入研究，提出通过覆岩关键层位置来预计导水裂隙带高度的新方法[21-22]。仵拨云等对萨拉乌苏组含水层进行了研究，认为受高强度采煤影响，应采取保水采煤技术，确保开采后生态水位在15 m以内[23]，马立强研究了浅埋煤层保水开采技术工艺[24]，孙亚军等根据神东矿区不同的水文地质结构类型，提出了5种保水开采模式及其关键技术[25]，王苏健等研究了黄土高效注浆关键技术[26]，赵春虎等对西部干旱矿区采煤引起潜水损失量进行了定量评价[27]，马立强等提出“采充并行”式充填保水采煤方法[28]。

笔者在2015年以陕北侏罗纪煤田在开采过程中引起的导水裂隙带发育规律及对萨拉乌苏组生态潜水流场的影响分析，揭示了生态潜水含水层受开采扰动后地下水流场的变动规律[29]。由于陕北侏罗纪煤田主采煤层上方广泛分布有萨拉乌苏组含水层，其水质优良，是目前陕北沙漠滩地前缘地区居民生活与工农业生产的重要水源，也是维系沙漠滩地区植被生长的生态水源，将其称为生态潜水。前人对西部干旱半干旱矿区开采地质条件、地质环境影响和保水采煤等问题，开展了大量研究工作，并取得了丰富的理论与实践成果。随着“十三五”期间陕北能源化工基地的重点开发，开采强度急剧增加，加之井田地质条件相对区域仍存在较大的差异性，特别是在不同岩性结构组合下的保水采煤关键影响因素将发生较大的变化;同时，研究区某井田周边存在自然保护区和水资源保护地，煤炭资源开采对水资源和地质环境的影响成为极为“敏感性”的问题。因此，通过研究煤炭资源开采对相邻区域生态潜水流场的扰动研究是对保水采煤理论的进一步丰富与深化。

1 研究区概况

研究区某井田地貌类型主要为第四系风积半固定沙丘和固定沙丘，地表普遍沉积有第四系风积沙及萨拉乌苏组沙层，新近系上新统保德组红土在井田内有零散出露。主要可采煤层有2-2,3-1,4-2和5-2煤层。地层由老至新依次有:三叠系上统永坪组(T3y)，侏罗系下统富县组(J1f)，侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，新近系上新统保德组(N2b)，第四系上更新统萨拉乌苏组(Q3s)和第四系全新统风积沙(Q4eol)。

第四系萨拉乌苏组在井田内地势相对低洼处分布较厚，多被风积沙掩盖，并与其构成同一含水层，极易接受大气降水补给。汇水面积大，补给条件好，下伏一般又有隔水的离石组黄土和保德组红土分布，故地下水赋存条件较好。根据井田水文地质条件分析，萨拉乌苏组含水层厚度呈对称式分布在井田内分水岭的两侧(图1)。

萨拉乌苏组生态潜水水位埋深小于3 m，水位年变幅1.0～1.5 m，根据井田内勘探资料及长观孔资料，分水岭以东，生态潜水总体向东南方向径流，分水岭以西，生态潜水总体向西北方向径流(图2)，根据井田内抽水试验资料，萨拉乌苏组含水层单位涌水量0.116～1.2 L/(s·m)，富水性中等到强。

图1 生态潜水含水层厚度等值线Fig.1 Quaternary contour map of thickness of loose aquifer

图2 井田内“生态潜水”原始水位分布Fig.2 Distribution of the original water level of Eco-phreatic in the mine field

井田北部边角处存在一面积为14.32 km2自然保护区，其压覆煤炭资源31 146万t;井田东部6 km处存在一处水源保护区。针对煤炭的高强度开采对相邻区域萨拉乌苏组生态潜水流场产生的扰动影响及其程度，煤炭开采与生态环境是否和谐共处是本文研究的重点。

2 研究区水文地质结构系统

研究区某井田内主要的含水层包括上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水(生态潜水)含水层、风化基岩裂隙承压水含水层、侏罗系中统安定组和直罗组基岩裂隙承压水含水层以及侏罗系中统延安组裂隙承压含水层。本次研究的主要对象萨拉乌苏组孔隙潜水(生态潜水)含水层，是以湖相堆积为主，沉积物以粉细砂、中粗砂夹亚黏土为主，地层整体结构疏松、空隙大，其渗透性较好，赋水条件优越。

根据煤层上覆的松散含水层、隔水层、基岩空间分布及其组合形态等特征分类，按王双明等划分的5种煤层工程地质岩组组合类型[13]，研究区覆岩结构以砂土基型和砂基型两类为主，覆岩岩性及其组合关系决定了受采动影响的裂隙发育特征，区内含(隔)水层及其空间结构组合特征如图3所示。

图3 含(隔)水层与煤层空间组合示意Fig.3 Combination diagram of water layer and coal seam space

3 覆岩采动裂隙发育规律

研究区煤层上覆基岩多为砂岩、粉砂岩和泥岩互层。粉砂岩和泥岩呈层状结构，水平层理发育，煤层顶板和底板亦发育有小型交错层理、节理裂隙等结构面。泥岩所含黏土矿物亲水性强，黏塑性泥岩、砂质泥岩在采后虽容易产生垮落，但垮落带发育高度较小，导水性也较差;按照岩石物理力学特征，包括极软岩类、软岩、中硬岩石、硬岩4类。研究区主要以中硬岩、软岩为主要岩性组合，其中，研究区内最为典型的组合为:硬-软-硬、硬-硬-软组合。

对于保水采煤而言，覆岩采动裂隙的发育高度是判断保水采煤方法的决定性影响因素。

实现保水采煤的核心是要准确预测导水裂隙带的发育高度[30]，对采动覆岩的导水裂隙带发育高度的研究方法，主要包括理论分析、经验公式法、物理模拟、数值模拟和现场实测。

根据研究区某井田综合地质条件建立模型，模拟地质体长×宽:700 m×500 m。整个模型由10层煤岩层组成，从煤层到地表松散覆盖层共有9层岩层，其中萨拉乌苏组为主要含水层，隔水性能最好的是保德组亚黏土层，此层是整个保水开采的关键隔水层。根据区内覆岩结构、煤层厚度、煤层埋深、工作面长度及关键层与煤层距离等构建了7种模型，基于数值模拟、物理模拟和相邻矿井现场实测，获得了研究区煤层在不同开采条件下导水裂隙带发育高度的具体值(表1)。

表1 导水裂隙带研究结果Table 1 List of results of development height of water fractured zone

以数值模拟中模型2和相似材料模拟中模型6为例进行详细分析，数值模拟中模型2利用RFPA软件根据表1中的参数建立相应模型，进行覆岩导水裂隙带高度预测。模拟煤层开采后从弹性模量图中可以判断导水裂隙带发育的趋势，模型二开挖前后岩层破坏特征如图4所示。采掘到50 m时，顶板出现离层垮落，上覆岩层中开始形成导水裂隙，裂隙高度为30 m;采掘至100 m时，顶板垮落带高度逐步增加，导水裂隙带发育到60 m;至200 m，裂隙继续向上发育，高度达到150 m;当工作面推进至300 m，裂隙基本不发育，高度基本稳定在200 m左右，导水裂隙带发育形态为箱形。模型6采动破坏前后的结果如图4所示，开挖初期，顶板出现细微离层，采掘至60 m时，离层现象发育明显，直接顶垮落，出现初次来压;至200 m以后垮落带高度稳定在35 m左右，裂隙继续向上扩展;采掘至320 m，裂隙带发育高度稳定在210 m左右，两侧垮落高度、裂隙带发育基本一致。根据数值模拟、相似材料模拟和实测的导水裂隙带发育高度[31]，在硬-硬-软覆岩结构条件下的导水裂隙带发育形态呈现出拱形或拱-箱型。

图4 模型2，6各开挖前后的模型破坏Fig.4 Model 2,6 failure diagram before and after each excavation

导水裂隙带的发育高度受影响的因素较多，单一条件不同引起的高度发育值存在较大的差异，从整个陕北能源基地保水采煤、顶板水害防治全局出发，以数值模拟获得的最大裂采比为研究区导水裂隙带最终发育高度，即研究区导水裂隙带发育高度为采厚的28.1倍。

4 煤炭开采对水资源-生态环境的影响

煤层开采所引发水资源量、水源地保护和生态环境问题是含水系统对外部激励不同程度的响应，是一个相互作用、相互制约的时空有机整体。采用地下水三维可视化数值模拟软件Visual Modflow 对研究区的含水系统进行模拟预测，以揭示煤炭资源开发对相邻区域生态潜水流场的扰动。

4.1 水文地质概念模型

平面上，将模型建模范围外扩到水源地的位置(图5);垂向上，依据实际地质及水文地质条件，将模型概划为3层，第1层为地表到萨拉乌苏组(Q3s)底板的地层，主要为生态潜水含水层;第2层为保德组(N2b)和安定组(J2a)地层，为隔水层;第3层为2-2煤顶板地层，主要含水层为2-2煤顶板含水层(图6)。模型涉及面积约1 240 km2，其中井田面积约220 km2，平面上将模型剖分为100×100的网格，每个单元格的面积约为0.252 km2。模型范围以内设置为活动单元格，模型范围以外为不活动单元格。在计算过程中对局部重点区域进行加密处理。

图5 数值模型平面图Fig.5 Plan of numerical model

图6 三维地质结构模型Fig.6 Three-dimensional geological structure model

模型的顶板设置为补给和蒸散条件，底板为2-2煤层，设置为隔水边界。由于模型边界无自然水文地质边界，均为人为划定边界，各含水层的边界条件地下水流场给定为一般水头边界和隔水边界。

通过对所建立的模型进行识别、验证，确保校正后的模型能够再现所研究的实际地质体。其中，模型的识别采用抽水试验数据，采用识别后的模型对已知水位数据进行验证。

4.2 煤层开采对生态潜水含水层流场的扰动

依据煤层厚度和裂采比计算导水裂隙带发育高度，以导水裂隙带发育高度顶界面为界将煤层顶板含水层划分为2层，上层为未被导水裂隙带破坏的含水层，水文地质参数采用识别验证后的参数;下层为被导水裂隙带破坏的含水层。当裂采比为28.1倍煤厚时，依据通过计算2-2煤层开采所产生的导水裂隙带高度，将模型中2-2煤顶板含水层被导水裂隙带导通区域的垂向渗透系数设置为天然状态下的10倍，水平方向上的渗透系数不变。

通过模拟井田2-2煤层开采，对研究区相应开采地段进行水位疏降，由疏降后生态潜水含水层地下水流场图可知(图7)，在保德组隔水层缺失地段生态潜水含水层局部范围内被疏干，大部分范围内出现了水位降落漏斗，降深为1～10 m，最大降深集中在天窗附近，其他区域地下水流场变化不大，降深范围小于2 m(图8)。

图7 疏降后生态潜水含水层流场Fig.7 Flow field of quaternary aquifer after mining

图8 疏降后生态潜水水位降深Fig.8 Depth chart of the quaternary groundwater level after minning

4.3 煤层开采对水源地的影响

从流域上分析，井田中部的分水岭不仅是生态潜水含水层的分水岭，在一定程度上也控制了2-2煤顶板含水层的流场;研究区南部开采地段东部位于甲河流域，西部位于乙河流域;研究区北部开采地段整体位于乙河流域。因此，北部的开采地段不会跨流域对水源地造成影响，仅南部开采地段会对水源地存在一定的影响。

2-2煤层开采在保德组隔水层缺失的“天窗”附近对生态潜水含水层造成一定程度的影响，预测生态潜水水位最大降幅达到10 m，且“天窗”位于地表分水岭以东，甲河流域的补给区，因此，下伏含水层通过“天窗”的补给量会减少。

建议在“天窗”区域开采时必须采取相应的保水采煤技术，采用特殊的开采技术与工艺，确保水源地的安全。

4.4 煤层开采对自然保护区的影响

该自然保护区是陕西省重点植物保护区，近年来，区内植物的发育速度较快，分布面积不断扩大，自然环境得到了很好的改善。

通过模拟分析可知，煤炭资源开采后在井田北部边角处生态潜水水位局部下降约2 m。王双明、范立民、马雄德等[12,15,32]研究了沙柳、沙蒿、小叶杨、汗柳等4种典型物种对沙漠地下水埋深的敏感性，观测了沙柳对地下水的依赖性，发现水位埋深大于215 cm后，地下水不再给沙柳发育提供水源。而柏树等树木虽适应性强、耐干旱，但目前关于树木生长对地下水的依赖性，以及与生态潜水水位埋深关系的研究较少，应作为下一步的研究重点。