莲盛煤矿地下开采对地下水资源影响的预测与分区研究

任雅杰

(山西地宝能源有限公司,太原 030045)

水资源日渐短缺的情况下,“保水采煤”成为煤矿领域安全开采和生态环境保护的重要技术措施。地下煤炭资源开采扰动地层,可能导致地下水资源的流失,因此有必要在煤炭资源开发前预测煤炭开采对地下水资源的影响,为地下水和煤炭资源的可持续开发提供依据[1-2]。

煤矿地下开采对水资源的主要影响是对覆盖层的破坏,开采过程中可能导致地下水大量流失,导致地下水位下降甚至含水层干涸。此外,地下水可能受到源自矿物质的有机物质污染[3]。煤炭资源开采对地下水水质的影响已被众多学者广泛研究,目前主要采用“堵截法”和“导储用”两种煤炭开采水资源保护技术思路。“堵截法”主要是采用充填开采、限高开采、保水区域划分、条带式开采等技术,实现水资源保护;“导储用”则是通过实施分布式煤矿地下水库技术,利用煤矿井下采空区存储和利用矿井水资源实现煤矿水资源保护[4-6]。

基于“保水采煤”发展战略,以山西省莲盛煤矿为例,利用变权理论建立水资源量评价的变权模型;通过改进的经验方程来预测导水裂缝带的高度;建立分区标准,得到开采对目标含水层影响的分区图;利用实测数据对导水裂隙带和水资源量预测结果进行验证,根据分区结果提出地下水资源保护措施[7]。

1 研究区水文地质条件

莲盛煤矿隶属于晋能控股煤业集团,生产规模90万t/a,目前开采4-2号煤层,采煤方式为综采综放式长壁开采。4-2号煤层平均厚度为5.1 m,平均倾角为8°,顶板砂岩裂隙含水层为直接充水水源,之上的砂岩裂隙含水层及第四系松散层孔隙含水层为间接充水水源;4-1号煤层平均厚度为4.7 m,平均倾角为6°,含水层为中粒砂岩,两个含水层均含有以泥岩为主的稳定水层夹层,平均厚度为10 m。

2 地下水资源影响预测

导水裂隙带高度和含水层性质是煤矿开采对水资源影响的重要因素,若导水裂隙带高度影响至含水层的富含水区,那么由于附近有丰富的静态和动态水资源,则采煤活动对水资源的影响很大,相反,如导水裂隙带高度未沟通含水层或含水层水资源量较少,则采煤活动对水资源的影响较小。

因此,我们将煤矿开采对水资源影响的预测分为4个步骤:含水层水资源量评价;导水裂隙带高度预测;确定综合评价标准;绘制煤矿开采对地下水资源影响分区图。

2.1 目标含水层水资源量的评价

利用地质调查资料对水资源量进行评价,砂岩含水层的岩性和深度常被用来评价其涌水性质,岩心采收率(CR)、含水层深度(AD)、钻井液消耗量(DFC)、断层分形维数(FtFD)和褶皱分形维数(FdFD)已被验证为涌水性质的重要指标[8]。

目前,多采用定权模型进行水资源量评价,但该模型只能反映不同指标的相对重要性,忽略了各指标的变化和组合特征。因此,基于变权理论,建立了水资源量的变权模型,对水资源量进行评价,这一过程包括四个主要步骤:①确定影响因素;②数据归一化和影响因子权重确定;③状态变权向量的构建;④建立变权模型。

2.1.1影响水资源量的因素

岩性组合指数(ILC)已被验证为砂岩含水层涌水量的主要影响因素,钻孔岩心采集基础数据,岩性组合指数可由式(1)计算,为正相关因子[9]。

ILC=Ta×1+Tb×0.8+Tc×0.6+Td×0.2+Te×1.

(1)

式中,Ta、Tb、Tc、Td、Te分别为粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砾岩层厚度,m,计算得到的ILC值如图1(a)所示。

CR能反映地层的完整性,CR越低,水资源量越高,CR的计算方法为岩心长度除以钻孔长度,如图1(b)所示,CR为负相关因子。

含水层越深,由于上覆地层的静压力越高,导致含水层孔隙度越低,因此,砂岩含水层深度与涌水量呈负相关,根据地质勘探数据得到目标含水层埋深等高线图(图1(c)),埋深为负相关因子[10]。

钻井液在钻井过程中一般用于冷却和润滑钻头,DFC反映了含水层渗透率,与涌水量呈正相关,在钻孔过程中获得了DFC,等值线图如图1(d)所示,DFC是一个正相关因素。

FtFD和FdFD是水资源量的构造因素和正相关因素,分形维数可以使用块计数维数来计算,定义为式(2):

(2)

其中,N(r)是块长为r(400/200/100/50 m)的网格单元个数,FtFD和FdFD分别如图1(e)和1(f)所示。

图1 水资源量的影响因素Fig.1 Influencing factors of water resources

2.1.2数据处理和定权

为了将所有指标叠加到信息层上,考虑到各指标的数量级不同,采用如下归一化方程:

(3)

其中,x为给定参数的原始值,max{x}和min{x}分别为原始最大值和最小值。采用层次分析法来确定常数权重。

2.1.3变权状态向量的建立

为满足水资源量变权评价的特点,构建指数状态向量,如式(4)所示。

(4)

Sj(x)为状态向量,其中a1、a2、a3为调整参数。根据特征,其值分别为0.8、1、1.2,采用K-means聚类算法进行迭代分析,确定d1、d2、d3的取值,迭代次数设为20次,分类等级为4。

2.1.4水资源量分区

基于变权重理论,提出改进的以地质、构造和岩性为重点的指标(式(5)),计算得到的水资源量范围为0.16～0.83,分为4个等级。其中,低于0.3为极低,0.3～0.5为低,0.5～0.7为中,高于0.7为高。

(5)

其中,μi为水资源量,x和y分别是横坐标和纵坐标。如图2(a)所示,目标含水层的水资源量在空间上是变化的。研究区大部分呈低水资源量,东部为极低值区,中部为中等值区,北部为小高值区。

2.2 导水裂隙带高度预测

开采后,煤层上覆岩层受到破坏和变形。西长带上覆地层中存在较多的垂向裂缝,垂直裂缝是煤层上方含水层水进入矿井的主要流动通道,因此导水裂隙带的高度对煤层上方含水层的水资源影响显著,国内广泛使用导水裂隙带高度的经验方程,表示为式(6):

(6)

式中,h为导水裂隙带上边界高度,m;∑l为开采厚度(煤层厚度),m。

上述公式具有一般意义,但没有考虑不同地区地质条件的差异,考虑到研究领域,我们对上述方程进行修正,得到式(7):

(7)

其中k为修正系数,通过对附近矿区的导水裂隙带高度进行现场测量确定,根据附近两个矿山k的平均值,确定研究区k为1.45。

根据改进后的经验方程,预测研究区导水裂隙带高度,如图2(b)所示,研究区导水裂隙带高度预测范围为21.5～74.89 m,平均60.14 m。

图2 研究区导水裂隙带高度预测范围Fig.2 Predicted range of the height of water-conducting fracture zone in the study area

2.3 煤矿开采对上覆含水层水资源影响

煤矿地下开采对地下水资源的影响可分为3种类型:

1)若煤矿开采区域内含水层为富含水区,存在丰富的静态和动态水资源,当目标含水层通过采煤活动产生的裂隙与采空区连接时,将导致目标含水层水资源大量损失,严重时贯通顶底板造成煤矿突水事故。

2)若煤矿开采区域内含水层为低含水区或无水区,采煤活动对水资源的影响较小,仅需采取小规模、小范围防治措施。

3)若煤矿开采区域内含水层为富含水区,但采煤活动产生的导水裂隙带未与含水层联通,对水资源的影响较小,需重点关注断层、褶皱等地质构造复杂的区域发生突水事故的可能性,可采取避开断层等措施。

综上可知,导水裂隙带高度贯通至富含水区时,导水裂隙带长度与水资源损失量及煤矿突水事故发生的可能性呈正比,即导水裂隙带在含水层中的长度越长,含水层的水资源损失量越大,突水事故发生的可能性越高。

3 4-1含水层采煤对水资源影响的分区研究

根据建立的分区标准,将2.1节计算得到的水资源量与2.2节预测得到的导水裂隙带叠加,得到研究区4-1含水层采煤对水资源影响的分区图。如图3所示,研究区大部分地区为低水资源量值,中部为低/中水资源量值,东北部为小的中等值区,无中、高值区。

图3 煤矿开采对4-1#含水层水资源影响分区图Fig.3 Zoning map of the impact of mining on the water resources of the No.4-1 aquifer

4 模型准确性评价及导水裂隙带高度验证

4.1 水资源量评价模型的验证

从6个水文孔抽水试验数据用于验证水资源量模型的结果,钻孔位置如图4所示。抽水试验数据表明,研究区4-1含水层单位涌水量为0.004 7～0.241 8 m,与水资源量模型结果相一致(表1)。

图4 检验钻孔分布图Fig.4 Distribution of inspection boreholes

表1 预测结果与实测数据比较Table 1 Comparison between predicted results and measured data

4.2 导水裂隙带预测结果的验证

井眼摄像机系统支持基于光学理论的勘探技术,可以直接观测井眼内部,钻孔摄像系统可用于观察地层岩性、地质构造、裂缝和地下水位,常用于确定导水裂隙带高度。

采用钻孔摄像系统对导水裂隙带预测结果进行了验证,应用于研究区首采工作面上方,观测结果表明:279 m以上岩层相对完整,水平裂缝较少,确定为弯曲下沉带;垂直裂缝出现深度为279 m,裂缝数量随深度增加而增加。因此,在279 m深度处确定了导水裂隙带的顶边界;深度298.9 m以下岩层破裂严重,崩落特征明显,确定为垮落带。

表2提供了现场测量值和预测值的比较。验证结果表明,预测数据的绝对误差和相对误差分别为3.33 m和4.97%,预测结果与现场实测基本一致。

表2 现场实测资料与预测结果的比较Table 2 Comparison between measured data on site and predicted results

5 基于分区结果的地下水资源保护措施

低、中以上等级地区需采取措施保护4-1含水层地下水资源,建议采取以下两项措施。

1)采煤方式。采煤方式的改变可以显著保护4-1含水层的水资源。目前莲盛煤矿采煤工艺为综采综放式长壁开采,该采煤方式虽有利于工作面通风和巷道维护工作,但其对上覆岩层的破坏较为严重,导水裂隙带极易沟通承压含水层,造成水资源损失。为此,可在低、中以上等级地区采取充填开采、限高开采、条带开采等采煤方式。充填开采是回采工作面推进过程中向采空区充填煤矸石、建筑材料等形成充填体以支撑围岩的采煤工艺,可有效对巷道两帮岩石进行支护,降低导水裂隙带发育高度并消除煤矿采空区安全隐患,在保护水资源的同时降低煤矿安全风险;限高开采是通过限制每次采高或总采厚实现降低导水裂隙带发育高度的采煤工艺,该工艺虽降低了煤炭回收率,但其可只应用于工作面的局部地段,总体上并未对煤炭开采量造成太大影响;条带开采是将煤层划分为若干条带,通过条带相间开采,由保留条带对顶板进行支护的采煤工艺,可有效防止导水裂隙带贯通含水层和降低地表变形。此外,可将充填开采和条带开采相结合,实施条带式充填开采,既能够提高煤炭回收率,也可对4-1含水层的水资源进行有效保护。

2)地层改造。在调整采煤方式不能降低影响等级的地区,可以通过改造受影响地层来保护地下水资源,通过注浆将煤层上方岩层改造为稳定的抗水层,可以减少地下水进入矿井的损失。

6 结论

根据莲盛煤矿覆岩开采破坏机理和地下水资源分布规律,预测了采煤对承压地下水资源的影响。结论如下:

1)通过6个图建立了水资源量的变权模型,水资源量分为极低、低、中、高4个等级。

2)利用改进的经验方程预测导水裂隙带高度,建立了导水裂隙带高度分布图。

3)提出了煤矿开采对地下水资源影响的分区标准,5个区域被确定为:低、中低、中、中高和高。

4)水资源量和导水裂隙带高度预测与现场试验数据进行了对比验证。根据区划结果,制定了相应的煤矿区承压地下水资源保护措施。