黄陵矿区洛河组砂岩富水-释水规律

2019-06-06侯恩科王苏健

西安科技大学学报 2019年3期

冯洁，侯恩科，王苏健

(1.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西西安 710065；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心，陕西西安 710065)

0 引言

黄陵矿区主采煤层上覆岩层存在一组洛河砂岩(K1l)，为巨厚、低渗、富水、低强度、弱胶结、易软化的中粗粒泥质胶结砂岩，且富水性不均一，随着煤炭资源的深入开采，回采阶段的水害问题日益突出，生产实践发现经物探与钻探显示洛河组砂岩含水层富水性强的区域，疏放水工作困难。以上问题的解决需要从2个方面入手考虑，一方面加强富水性的预测精度，即富水性的研究；一方面解释富水区水量如何释出，即释水规律的研究。已有学者在富水性探查[1-2]与预测[3-4]方面开展了大量的研究工作，富水性探查主要通过物探先行，钻探验证的途径进行，富水性预测主要在“三图—双预测”[5-7]的基础上，根据具体地质条件[8-9]变换研究区地学信息来预测富水性。释水规律研究对象多集中于土层[10-11]，通过室内试验研究释水过程对外界应力的响应关系，依据响应关系，总结释水规律，揭示释水机理。

文中采用多源地学信息融合[12-14]的方法开展黄陵矿区洛河组砂岩含水层富水性预测，借助生产实践验证、检验预测准确性；通过理论与数值模拟总结洛河组砂岩含水层的释水规律。研究成果可指导黄陵矿区矿井防治水工作。

1 区域地质特征

黄陵矿区位于黄陇侏罗纪煤田北部，北起葫芦河，南至建庄，东起店头镇、张村驿以东，西至陕、甘两省交界，面积1 374 km2。该区属黄土高原中等切割和侵蚀构造山地，总体西北高东南低，区内沟壑纵横，山峦起伏，标高+1 845.6～+920 m.

该区地层由老至新依次有：三叠系、侏罗系、白垩系、新近系、第四系地层，其中，侏罗系延安组为本区含煤地层，主采煤层为2#煤层，平均厚度2.32 m，层位稳定，全区分布，属低中灰，特低-低硫，特高-高热值。主采煤层为优质的动力煤及民用煤。区内构造简单，总体为一个具有波状起伏的倾向北西的单斜构造，地层倾角一般1°～5°.

2 水文地质条件

研究区所属温带大陆性气候区，年平均气温在9.4 ℃左右。年平均降水量691 mm.河流皆属黄河水系，主要河流由北向南有沮水河、马栏河、泾河。

按含煤组、岩性组合及含水层水力性质埋藏条件等，该区发育的主要含水层自上而下主要有：第四系全新统潜水含水层、更新统裂隙孔隙含水层，白垩系下统华池环河组裂隙、洛河组裂隙孔隙含水层，侏罗系中统安定组、直罗组下段、延安组中部含水层；隔水层主要有新近系保德组、侏罗系直罗组上段、侏罗系延安组上部、侏罗系延安组下部及侏罗系富县组。含(隔)水层划分及主要参数如图1所示，见表1.

图1 研究区含隔水层划分Fig.1 Aquifers and aquifuges division of the study area

洛河组裂隙孔隙含水层是影响煤层开采的主要含水层，富水性较强，厚度较大，大气降水为主要补给来源，其次有上覆松散层、基岩层水及露头区地表水的下渗补给。径流基本与岩层倾斜方向一致，分水岭以西，向西径流，分水岭以东，径流与地表水径流方向一致，河流切割区形成局部排泄区。主要排泄方式为泉和面状排泄，局部地区(如上畛子百药沟、五里沟、建庄新村川等大沟之中)地下水渗出地表，形成大片沼泽地，另外还有人工开采等排泄方式。

3 洛河组砂岩含水层富水性分区预测

影响煤层顶板含水层富水性的地质因素众多，主要有岩性、岩相、构造、渗流、钻孔冲洗液消耗量等[15-16]，影响因素多、复杂、模糊、非线性，因此，科学、合理、准确的预测含水层富水性比较困难[17-18]。文中在充分分析影响黄陵矿区煤层开采的各地质因素的基础上，优选构造、钻孔冲洗液消耗量、岩性结构等地学信息，编制构造分区图、钻孔冲洗液消耗量分区图、脆弱性指数分区图等专题图件，采用GIS 软件将各地学信息专题图复合叠加，编制洛河组砂岩含水层富水性分区图。

表1 含水层主要水文地质参数

3.1 专题图编制

黄陵矿区构造分区图的划分依据是以断层或褶皱的中心为基点，按照向外辐射距离远近划分为3个等级，距离越近，构造对富水性的贡献越大，富水性越强；钻孔冲洗液消耗量分区图按照钻孔冲洗液消耗量的大小，将其划分为3个等级，钻孔冲洗液消耗量越大，富水性越强；脆弱性指数是岩层中脆性岩石(粗砂岩、中砂岩)与岩层总厚度的比值，脆弱性指数分区图依据比值的大小将其划分为3个等级，比值越大，脆性岩石比例越高，富水性越强。黄陵矿区专题图件具体的编绘标准见表2～表4.

表2 构造分区图划分标准

表3 钻孔冲洗液消耗量分区图划分标准

3.1.1 构造分区

根据表2所列划分标准，将黄陵矿区构造分为复杂(Ⅰ级)、中等(Ⅱ级)、简单(Ⅲ级)区。复杂区是以构造集中区中心向外辐射500 m范围，主要集中于黄陵一号井田南部和黄陵二号井田中部，以条带状为主，面积为51.84 km2，占黄陵矿区总面积的9.44%；中等区为构造中心向外500～1 000 m范围之内，分布状态以环形为主，面积59.77 km2，占黄陵矿区总面积的10.89%；简单区沿着中等区外边界向外延伸1 000 m，在黄陵二号井田以环形分布为主，面积为75.96 km2，占黄陵矿区总面积的13.84%(图2)。

表4 脆弱性指数分区图划分标准

图2 黄陵矿区构造分区Fig.2 Structural of Huangling mining area

3.1.2 钻孔冲洗液消耗量分区

根据区内钻孔资料中的冲洗液消耗量大小(表3)，将黄陵矿区洛河组砂岩含水层钻进过程中冲洗液消耗量分为较大(Ⅰ级)、中等(Ⅱ级)、较小(Ⅲ级)3个区域。钻孔冲洗液消耗量较大的区域主要分布于黄陵二号井田中部及黄陵一号井田西南部，具体位于黄陵二号井田R45，R53，R116，R114，R112，R2，R10，R44，R39，R58，R27，R78，R63等钻孔附近，黄陵一号井田SK29，SK21，SK15，SK9，SK3等钻孔附近，面积30.03 km2，占黄陵矿区总面积的6.42%；钻孔冲洗液消耗量中等区分布于钻孔冲洗液消耗量较大区周边，黄陵二号井田分布面积较黄陵一号井田大，钻孔冲洗液消耗量中等区面积为80.45 km2，占黄陵矿区总面积的16.63%；钻孔冲洗液消耗量较小区分布面积较大，主要位于黄陵二号井田南北部和黄陵一号井田西部与北部，面积为372.21 km2，占黄陵矿区总面积的76.95%(图3)。

图3 黄陵矿区钻孔冲洗液消耗量分区Fig.3 Wash water quantity of Huangling mining area

3.1.3 脆弱性指数分区

根据表4所列划分标准，将黄陵矿区洛河组砂岩含水层脆弱性指数分为较大(Ⅰ级)、中等(Ⅱ级)、较小(Ⅲ级)3个区域。脆弱性指数较大值的分布区域占的比例较大，主要分布于黄陵二号井田中部及南部、黄陵一号井田西北部连片区，面积209.2 km2，占黄陵矿区总面积的38.1%；脆弱性指数中等区零星分布于黄陵二号井田中部和黄陵一号井田中部呈东北方向的条带区域，面积为35.02 km2，占黄陵矿区总面积的6.38%；脆弱性指数较小区在黄陵二号井田仅分布于井田中部R20与R22钻孔附近，在黄陵一号井田分布于井田东北和东南部，且连接呈扇形，脆弱性指数较小区分布面积为35.87 km2，占黄陵矿区总面积的6.53%(图4)。

综合黄陵矿区构造、洛河组砂岩钻孔冲洗液消耗量、洛河组含水层脆弱性指数等地学信息，按照表5所列的划分标准，提出黄陵矿区洛河组砂岩含水层富水性分区方案(图2)。

图4 黄陵矿区脆弱性指数分区Fig.4 Vulnerability index of Huangling mining area

3.2 综合图

复合叠加各专题图件，编制黄陵矿区洛河组砂岩含水层富水性分区图，划分标准见表5.

表5 黄陵矿区洛河组含水层富水性分区图划分标准

从图5可以看出，黄陵矿区洛河组砂岩含水层富水性中等区占绝大多数比例，富水性强区仅在黄陵二号井田中部R10，R27，R58及R45钻孔附近和黄陵一号井田西部西峪背斜附近出现，面积5.41 km2，占黄陵矿区总面积的0.99%；富水性中等区分布于黄陵二号井田中部和黄陵一号井田西南部大部分区域，面积为170.33 km2，占黄陵矿区总面积的31.02%；富水性弱区仅在黄陵一号井田中部HK28，HK21钻孔附近出现，面积1.26 km2，占黄陵矿区总面积的0.23%.

黄陵二号井田进行一、三盘区补充勘探，施工YS7,YS13，YS36，YS41等4个水文孔，其中，YS13，YS36钻孔抽水试验层段在洛河组砂岩含水层中，抽水试验所得钻孔单位涌水量分别为0.378 207 L/s·m和0.243 814 L/s·m，依据《煤矿防治水规定》附录二含水层富水性的等级标准，按钻孔单位涌水量q将含水层的富水性分为四级，YS13，YS36钻孔单位涌水量均落于中等富水性级别“0.1 L/s·m

图5 黄陵矿区洛河组砂岩含水层富水性分区Fig.5 Water rich partition of Luohe formation in Huangling mining area

4 洛河组砂岩释水规律

4.1 释水机理

太沙基(K.Terzaghi)早在1923年就提出了有效应力原理的基本概念[19]，分析了地下水位变动情况下岩石有效应力的变化以及由此引起的松散岩石压密问题，同时解释了伴随着压密含水层中水释出的过程(图6)。

有效应力原理

σ=σ′+P

(1)

式中σ为总应力，Pa；σ′为实际作用于固体颗粒上的应力，也即有效应力,Pa；P为孔隙水压力,Pa.

图6 有效应力与岩石压密原理示意图(据贝尔，1985，修改)Fig.6 Principle of effective stress and rock compaction(according to Bell，1985，modification)

砂层是通过颗粒的接触点承受应力的。孔隙水压力降低，有效应力增加，颗粒发生位移，排列更为紧密，颗粒的接触面积增加，孔隙度降低，砂层受到压密。与此同时，砂层中的水则因减压而有少量膨胀，也即释水过程[20-22]。

4.2 导水裂缝带发育规律

黄陵矿区主要含水层为洛河组砂岩含水层。文中以洛河组砂岩含水层富水性强区(黄陵矿区黄陵二号井田中部采区)为研究对象，采用数值模拟软件UDEC建立黄陵二号井田2#煤层开采的力学模型，总结2#煤层上覆导水裂缝带发育规律，将其与2#煤层顶板至洛河组砂岩含水层之间距离进行比较，研究2#煤层开采是否会沟通洛河组砂岩含水层，指导矿井防治水。

4.2.1 模型构建

整个模型的长度为600 m，高度模拟至洛河组砂岩含水层顶部，为500 m，模拟开采2#煤层，每次推进长度为5 m，采高为6 m.模型左右两侧各留设100 m的边界煤柱。上部边界条件为自由边界条件；两边边界条件为速度边界条件，x方向的速度为零，为简支；下部边界为固支，x、y方向的速度都为零。

4.2.2 模拟结果

2#煤层开采工作面的推进过程中，开采范围逐步扩大、裂隙发育逐步增加。工作面发生初次来压时，导水裂缝发育高度约为73 m，且在距煤层顶板144 m处出现离层(横向裂隙)，呈细条状，长度约为55 m，最大宽度为0.3 m。工作面继续推进过程中，垮落岩层不断被压实，上覆岩层下沉量持续增加，离层发育高度越来越大。工作面推进到120 m时，采空区中部的裂隙部分被压实闭合，巨厚洛河组砂岩下方的离层继续发育，但未与导水裂缝沟通。

工作面推进到160 m时，巨厚洛河组砂岩下方的最大离层量达到2.6 m，长度约为135 m，离层区呈近“半月牙”形。

工作面回采结束，推进到400 m(图7)。从图7可以看出，随着开采空间的增大，采动裂隙被进一步压实闭合，开采空间两端的导水裂缝高度有所降低，裂隙高度约为100 m.虽导水裂缝尚未与离层区沟通，正常情况下工作面不会发生水害事故。

图7 煤层开采结束后裂隙发育状况Fig.7 Fracture development after the mining

综上，在黄陵二号煤矿洛河组砂岩含水层富水性强区开采2#煤层导水裂缝带发育不会沟通洛河组砂岩含水层，但存在离层，离层发育规律遵循“产生—发展—闭合稳定—产生”。

4.3 释水规律

随着煤层开采，覆岩移动、变形、破断，形成裂隙[23]。覆岩采动裂隙分布与煤层上覆含水层水位变化密切相关，岩石有效应力发生变化，并由此引起松散岩石压密，太沙基的有效应力原理解释了伴随着压密含水层中水释出的过程[24-25]。

煤层开采后覆岩中形成离层裂隙[26-27]与导水裂隙2类裂隙，离层裂隙是岩层之间非同步变形形成的层面裂隙，沟通上、下岩层间水的通道[28-29]；导水裂隙是贯通的竖向裂隙，也是水涌入工作面的通道。

根据黄陵矿区2#煤层开采覆岩破坏与洛河组砂岩含水层富水性之间的关系，将该区煤层开采的释水规律总结如下。

4.3.1 积水静储量迅速释放区-“突水危险源”

主要分布于黄陵矿区洛河组砂岩含水层富水性强区(图8(a))，数值模拟结果显示，煤层开采后导水裂缝带尚未沟通洛河组砂岩含水层，但离层发育。

一般情况，离层突水的共同特征有：① 煤层顶板存在坚硬岩层；② 离层空间具有补给水源；③ 重复采动条件，多煤层开采或厚的单煤层分层开采；④ 离层到导水裂缝带之间具有隔水层；⑤ 致突诱因，直接诱发原因都与矿压有关，大多由冲击地压激发。

该区2#煤层顶板砂岩抗压强度605 kg/cm2，普氏系数6.1，属硬岩石，从图1可知，离层空间补给水源为富水性强的洛河组砂岩含水层，离层到导水裂隙带之间存在直罗组上段隔水层，具备上述①、②、④特征。离层水突水是一个动态的过程，2#煤层开采后，上覆岩层发生移动变形，由于上覆各岩层岩性不同，其变形程度有所差异，在关键层(坚硬岩层)附近出现了离层(图7)，随着进一步开采，离层下部软岩封闭，形成“再造隔水层”，在富水性强的洛河组砂岩含水层区域，含水层水沿裂隙下渗进入离层空间中，形成离层水体，离层演变为离层水，继续开采，离层扩大，洛河组砂岩含水层水继续下渗进入离层，当积水形成规模，且超过岩层的各向所能承受的最大压力，伴随周期来压，亚关键层(其余坚硬岩层)坡断，在某一薄弱区破裂，离层水瞬时涌出，进入开采工作面，造成突水事故，因此，称为积水静储量迅速释放区“突水危险源”。

4.3.2 积水静储量暂缓释放区-“突水可控区”

该种类型绝大部分属于洛河组砂岩含水层富水性中等和富水性弱的区域，2#煤层距离层发育处的距离大(图8(b))，煤层回采产生的导水裂缝不会导通洛河组砂岩下部离层，虽能够产生离层积水，但不会对生产造成威胁，因此称为“积水暂缓释放区”。