陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 l 陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析 赵春虎1 ’2 ，靳德武1 ’2 ，李智学3 ，申小龙4 ，王皓1 ’2 ，王世东1 ’2 ，许峰1 ’2 ，王强民1 ’2 1 ．中国煤炭科工集团西安研究院有限公司，陕西西安7 1 0 0 5 4 ；2 ．陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安7 10 1 7 7 ；3 ．陕西投资集团 有限公司，陕西西安7 1 0 0 6 l ；4 ．陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西西安7 1 0 0 2 1 摘要榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分，针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌 水规律研究不足等问题，通过系统分析地质与水文地质结构特征，将矿区开采煤层覆岩划分为松散 孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4 个含水层组，以及主、亚2 个隔水保护层组；根据煤层采 动导水裂隙与覆岩合 隔 水层组不同组合关系下的含水层涌水特征，提出了浅埋煤层侧向直接涌 水、中深煤层侧向与垂向复合涌水，以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3 种含水层涌水模式；并 采用数值分析方法，以榆神矿区典型矿井为研究对象，构建了采煤工作面尺度上煤层开采3 种模式 涌水分析模型，模拟结果显示，浅埋煤层侧向直接涌水型 凉水井井田 ，主采煤层为4 。2 煤层，采动 导水裂隙直接发育至松散含水层，工作面顶部含水层被疏干，总涌水量为4 7m 3 ／h ，地下水流场受 采动影响大；深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型 小壕兔1 号井田 ，主采煤层为1 ’2 煤层，采动导 水裂隙发育至基岩含水层，总涌水量为2 1 ．8 7m 3 ／h ，以侧向涌水为主，由于主、亚隔水层复合保护， 垂向涌水微弱；中深煤层侧向与垂向复合涌水型 曹家滩井田 ，主采煤层为2 。煤层 均厚约 为1 1m ，在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部，其侧向涌水量为2 3 ．1 7m 3 ／h ，垂向 涌水量为1 2 ．6 7m 3 ／h ，地表松散含水层地下水流场变化较小，在一次采全高条件下导水裂隙突破 亚隔水层，发育至风化基岩含水层底部，总涌水量增至1 3 lm 3 ／h ，对松散含水层影响较大。此外， 当导水裂隙带高度小于1 8 0m 、不能沟通风化基岩含水层时，随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅 度不大，当导水裂隙带高度大于1 8 0m 、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时，涌水量增 加幅度较大，由此可见，抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系，是控制煤层覆岩涌水 的一项重要措施。 关键词保水采煤；含水层；涌水模式；导水裂隙；榆神矿区 中图分类号T D 7 4 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 5 2 3 一1 1 A n a l y s i so fo V e r l y i n ga q u i f e rw a t e ri n r u s ha b o V em i l l i n gs e a mi n Y u s h e nm i I l i n ga r e a Z H A 0C h u n h u l 一，J I ND e w u l 一，L IZ h i x u e 3 ，S H E NX i a o l o n 9 4 ，W A N GH a 0 1 ’- ，W A N GS h i d o n 9 1 一， X UF e n 9 1 ’2 ，W A N GQ i a n g m i n L 2 1 ．肌’n nR e 5 e Ⅱr c 胁m 把o ，吼i n 口c o o z 死以几。魄r y ＆E 增i 聊P 增c r o 印c o r P ，艇’n n7 1 0 0 5 4 ，醌i 加；2 ，s n n 眦iK 可k 6 0 r n ￡o 叮。厂胁肥n 如n Ⅱn dC D n - ￡r o f 死c ∞2 0 9 y 如rc o 耐心肿耽￡e r Ⅳ以n r d ，崩’o n7 1 0 1 7 7 ，C h i 眦；3 ．S ∞删jh 螂￡m 肌fG r 0 印c o ．，厶d ．，舡’n n7 1 0 0 6 1 ，c i 舳；4 ．J s n 彻矗c o o 圻“d ＆D 妇y 砌∞￡函口￡i o n 胁e o 砌，瑚疵u 把c 0 ．，厶d ．，舡’o n7 1 0 0 2 l ，C 讥o 收稿日期2 0 2 0 0 4 2 6修回日期2 0 2 0 0 9 1 8责任编辑钱小静 D o I l O ．1 3 2 2 5 ／j c nk i j c c s ．2 0 2 0 ．0 7 1 3 基金项目陕西省自然科学基础研究计划资助项目 2 0 2 0 J M 一7 1 5 ；天地科技股份有限公司科技创新基金资助项目 2 0 1 8 一T D M s 0 6 9 ，2 0 1 8 一T D Q N 0 5 2 作者简介赵春虎 1 9 8 1 一 ，男，陕西扶风人，研究员，博士。E m a i l z h a o c h u n h u c c t e 群i a n ．c o m 引用格式赵春虎，靳德武，李智学，等．陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 5 2 3 5 3 3 ． Z H A 0C h u n h u ，J I ND e w u ，L IZ h i x u e ，e ta 1 ．A n a l y s i so fo v e r l y i n ga q u i f e rw a t e ri n n J s ha b o v em i n i “gs e a mi nY u s h e n m i n i n ga r e a [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e l y ，2 0 2 l ，4 6 2 5 2 3 5 3 3 ． 移动阅读 万方数据 5 2 4 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 A b s t r a c t Y u s h e nm i n i n ga r e ai sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ec o a lb a s ei nN o r t h e r nS h a a n x i ．A i m i n ga tt h ep r o b l e m so fi n s u m c i e n tr e s e a r c ho nw a t e ri n r u s ho fa q u i f e ra b o v et h ec o a ls e a mb e i n gm i n e di nY u s h e nm i n i n ga r e a ，t h eo v e d y i n g s t r a t ao ft h ec o a ls e a mb e i n gm i n e di sd i V i d e di n t of o u ra q u i f e rg m u p s l o o s ep o r e ，b e d r o c ka n dw e a t h e r i n gf i s s u r e ，c a v e f i s s u r ea q u i f e ri nb u m tm c k ，a sw e Ua st h em a i na n ds u b 一2w a t e 卜p r o o fs o j l l a y e r sa c c o r d i n gt ot h et y p i c a lg e o l o g i c a l a n dh y d r o g e o l o g i c a ls t l l l c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em i n i n ga r e a ，T h r e et y p e so fa q u i f e rw a t e ri n m s h m o d e sa r ep m p o s e d a n dn a m e da s “s h a l l o wl a t e r a L ld i r e c tw a t e ri n m s hm o d e ”，“m e d i u m d e e pl a t e m la n dv e r t i c a lc o m b i n e dw a t e ri n m s h m o d e “ a n d “d e e p b u r i e dl a t e r a la n dv e n i c a lw e a kw a t e ri n r u s hm o d e ”r e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h ew a t e ri n m s hc h a r a c t e r i s t i c so fa q u i f b r su n d e rd i f 耗r e n tc o m b i n a t i o n so fw a t e r - c o n d u c t i n g6 s s u r ez o n ea n da q u i f b rg r o u p s ．T h ew a t e ri n - 1 1 l s ha n a l y s i sm o d e l so ft h r e ec o a lm i n i n gm o d e so nt h es c a l eo fc o a lm i n i n gf a c ea r ec o n s t l l l c t e d ，w h i c hs h o w st h a tu n - d e rt h el a t e r a ld i r e c tl o s st y p eo fs h a U o ws e a mc o n d i t i o n L i a n g s h u i j i n gc o a lm i n e ，t h em a i nm i n e a b l ec o a ls e a mi s N o ．4 - 2 ，b e c a u s eo ft h ew a t e r c o n d u c t i n g6 s s u r e sd i r e c t l yd e v e l o pt ol o o s ea q u i f e r S ，t h et o pa q u i f e ro ft h em i n i n gf a c ei s d r i e d ，t h et o t a lw a t e ri n m s hi s4 7m 3 ／h ，a n dt h em i n i n ge f f 色c to ng r o u n d w a t e rn o wf i e l di ss i g n i f i c a n t ．I nt h ed e e p b u r - i e dc o m p o s i t ew a t e r - p m o fp m t e c t i o nm i c r o I o s st y p e X i a o h a o t uN o ．1c o a lm i n e ，t h em a i nm i n e a b l ec o a ls e a mi s N o ．1 2 ，t h et o t a ll o s s o fw a t e ri nt h ea q u i f e ri s21 ．8 7m 3 ／h ，i ti sm a i n l yi nt h ef b mo fl a t e r a lw a t e ri n I u s h ，a l t h o u g h t h ew a t e r c o n d u c t i n gf i s s u r e sd e v e l o pi n t ob e d r o c ka q u i f b r s ，t h e h a n g e du n d e rt h ep r o t e c t i o no fm a i na n ds u b s o i ll a y e r s ．I n g r o u n d w a t e rn o wo ft h e1 0 0 s ep o r ea q u i f b ri sb a s i c a l l y t h em e d i u m d e e pl a t e r a la n dv e r t i c a lc o m p o s i t ew a t e r i n m s ht y p e C a o j i a t a nc o a lm i n e ，t h em a i nm i n e a b l ec o a ls e a mi sN o ．2 ～，a n dt h ea v e r a g et h i c k n e s so fN o ．2 ～c o a l s e a mi sa b o u t1 1m ，w a t e r c o n d u c t i n g6 s s u r e sd e v e l o pt ot h ei n t e r i o ro fb e d r o c ka q u i f b ru n d e rt h ec o n d i t i o no fs t r a t i - 6 e dm i n i n go fc o a ls e a mw h i c hl e a d st oal a t e r a lw a t e ri n m s ho fa q u i f e rw i t h2 3 ．1 7m 3 ／ha n dav e r t i c a lw a t e ri n r u s h w i t h1 2 ．6 7m 3 ／h ，t h eg r o u n d w a t e rn o wo fl o o s ea q u i f e rc h a n g e sl i t t l e ．T h et o t a lw a t e ri n l l J s hi n c r e a s e st o131m 3 ／h w h i c hh a sag r e a ti n n u e n c eo nt h el o o s ea q u i f b r sw h e nt h ew a t e r c o n d u c t i n gf i s s u r e sb r e a kt h r o u g ht h es u b a q u i f b ra n d d e v e l o pt ot h eb o t t o mo ft h ew e a t h e r e db e d r o c ka q u i f 宅ru n d e rt h ec o n d i t i o no ff h l lm i n i n gh e i g h t ．I na d d i t i o n ，t h et o t a l a m o u n to fw a t e ri n r u s hi n c r e a s e ss l i g h t l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh e i g h to ft h ew a t e r c o n d u c t i n gf i s s u r e sw h e nt h e h e i g h to fw a t e r - c o n d u c t i n gf i s s u r ez o n ei sl e s st h a n18 0ma n dd o e sn o te x t e n dt ot h ew e a t h e r e db e d r o c ka q u i f b r ．H o w - e v e r ，t h ew a t e r c o n d u c t i n gf i s s u r e se x p o s ew e a t h e r e db e d m c ka q u i f b r sw i t hb e t t e rw a t e r - r i c hw h e nt h eh e i g h to ft h ew a t e 卜c o n d u c t i n g6 s s u r e si sg r e a t e rt h a n18 0m ，w h i c hl e a d st oal a r g e ri n c r e a s ei nt h ew a t e ri n n l s ho fa q u i f e r s ．I tc a nb e s e e nt } l a ti ti sa ni m p o r t a n tm e a s u r et oc o n t m lt h ew a t e ri n l l l s hb yr e s t r a i n i n gt h ec o n t a c tr e I a t i o n s h i pb e t w e e nt h e h e i g h to fw a t e rc o n d u c t i n gf } a c t u r ea n dt h eo v e r b u r d e na q u i f b rw i t hs i g n i 6 c a n tw a t e ry i e l d ．T h eI e s e a r c hr e s u l t so ft h i s p a p e rp r o v i d eas c i e n t i 6 cb a s i sf b rt h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fr o o fw a t e rd i s a s t e ra n dt h ec o o r d i n a t e dp r o t e c t i o no f w a t e rr e s o u I ．c e si nt h ea r i da n ds e m i - a r i dm i n i n ga r e a so fW e s t e r nC h i n a ． K e yw o r d s w a t e rp r e s e r v e dc o a lm i n i n g ；a q u i f e r ；w a t e ri n r u s hm o d e ；w a t e 卜c o n d u c t i n gf r a c t u r e ；Y u s h e nm i n i n ga r e a 榆神矿区地处西部干旱与半干旱地区，毛乌素沙 漠与陕北黄土高原的接壤地带，是我国陕北煤炭基地 的重要组成部分，近地表第四系萨拉乌苏组松散孔隙 含水层是区内惟一具有供水意义和重要生态价值的 含水层⋯，为矿区保水采煤的目标保护层旧J 。煤层 开采形成的采动裂隙发育至基岩含水层内部甚至近 地表的松散层含水层，导致含水层地下水沿采动导水 裂隙间接或直接涌入采掘空间，一般形成大而稳定的 顶板涌水问题∞J ，也加剧了矿区水资源短缺局面以 及生态环境的负效应H q j 。因此，煤层开采过程中顶 板水害防控与地下水资源协同保护是煤炭可持续开 发面临的一项主要问题。 针对矿区“煤水”协调问题，董书宁等【6 。7o 系统提 了西部矿区典型顶板水害防控技术，彭苏萍等⋯ 统总结了煤矿区生态环境修复关键技术。李智学、 申小龙等∽一叫系统分析了榆神矿区最上可采煤层赋 存特征、上覆主要含 隔 水层空间分布规律及组合 类型，李文平等根据主采煤层上覆基岩、松散含水 层及隔水层的空间分布特征，将榆神府矿区“保水采 煤”工程地质条件分为砂土基型、砂基型、土基型、基 岩型、烧变岩型5 类，王双明等⋯根据“三图预测法” 将榆神矿区划分为贫水、保水限定、可控保水和自然 保水4 个保水采煤类型分区。王启庆等23 根据煤层 开采对松散层潜水的影响程度，将矿区划分为不涌 水、轻微涌水、一般涌水、严重涌水4 个分区，邓念东 等纠把白垩系洛河组含水层也作为保水对象，将矿 出系 万方数据 第2 期赵春虎等陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析 5 2 5 区划分为沙一土一洛一基型、沙一土一基型、沙一基型、无 水开采区与烧变岩型5 个保水开采分区，笔者4 l 采 用地下水数值模拟方法研究了神东矿区浅埋煤层开 采松散含水层涌水量，相关研究成果丰富了矿区保水 采煤技术实践。 目前保水采煤理论与技术主要以“覆岩分带理 沦”为研究基础，以分析不同采煤条件下导水裂隙 带发育高度与覆岩含水层的空问关系为研究重 点”m l ，其基本认识为导水裂隙未沟通保水目标层 或隔水土层，未造成地下水资源大量漏失，即认为 可以实现保水开采。陕北榆神矿区分4 个规划期， 各期主采煤层赋存特征差异较大，针对煤层开采引 起含水层涌水规律的相关研究大多集中在开采程 度高、开采煤层埋深相对较浅的一、二期规划区以 及北部的神府矿区，其研究成果在榆神中深部的 三、四期规划区应用方面存在一定局限性。笔者通 过系统整理分析榆神矿区主采煤层地质、水文地质 特征以及导水裂隙带的相关研究成果，总结榆神矿 区主采煤层开采含水层3 种涌水模式，并采用地下水 系统数值分析手段，构建了矿区典型煤矿工作面尺度 上3 种模式的涌水分析模型，定量分析了采煤导致的 含水层地下水的涌水规律。 1 主采煤层水文地质结构特征 1 ．1 主采煤层赋存特征 榆神矿区位于毛乌素沙漠与陕北黄土高原的接 壤地带，地貌单元上划分为风沙地貌、黄土地貌及河 谷地貌3 种类型，地势呈西北高东南低，地层总体表 现为向北西缓倾的单斜，地质构造相对简单。 矿区含煤地层为侏罗系中统延安组 J ，y ，覆岩 由下至上依次为侏罗系直罗组 J 。 、安定组 J ，以 ， 白垩系洛河组 K ．f ，新近系保德组 N ，6 ，第四系离 石组 Q f 、第四系萨拉乌苏组 Q ，s ，以及风积 层 Q 。e o f 与冲积层 Q 。c z f 。如图l ，2 所示，由于地 层剥蚀，侏罗系延安组含煤地层保存不完整，矿区从 东南向西北可采煤层5 ～，4 ～，3 ，2 ～，l 。2 呈阶梯状 分布，覆岩层组合及厚度差异较大，其中东部的榆神 二期主采煤层由西北向东南依次为5 ～，4 ～，3 ～；中东 部的榆神一期主采煤层为2 ～，中部榆神三期主采煤 层除小壕兔一、二号井田为1 。2 外，其他区域均为 2 ‘；西部榆神四期主采煤层为l ，2 ～，总体上各主采 煤层埋深由东至西逐步增大。 榆林『{ J 图l榆神矿区主采煤层埋深等值线 据文献[ 9 ] 修改 万方数据 5 2 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 四期规划k O 谚 N 2 K ，， 0 4 已o ， 0 筘 Q 2 ， K ，， 期规划【 j l I | 规划隧 期规划区} 秃 』苞 洲 2 3 4 ㈥2 矿区典型地质钻孔柱状 卜1 i g ．2H y d I ’ g P 1 l ’g i ‘h i s t o g r a n l fI y f i ‘’a 11 o I e h o l e s i 万方数据 第2 期 赵春虎等陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析 1 ．2 主采煤层覆岩含、隔水层 根据榆神矿区主采煤层覆岩的地层岩性，以及地 层剥蚀、风化、烧变等作用，划分主采煤层覆岩含、隔 水层见表1 。 表1 榆神矿区主采煤层覆岩含隔水层特征 T a b l e1 C h a m c t e n s t i ct a b l eo fo v e r l y i n ga q u i f e r 蛐da q l l i f e ro ft h et o pI I l i n e a b l ec 他ls e a mi nY u s h e nI I I i n i n ga r 明 松散孔隙潜水含水层组，主要指第四系冲积 层 Q 。o z 、风积层 Q 。e o z 以及萨拉乌苏组 Q ，s ，基 本全区分布，一般3 层具有较为统一的水力联系，一 般划分为松散孔隙潜水含水层组，据矿区金鸡滩、锦 界、凉水井、曹家滩、大保当、尔林滩、尔林兔等井田抽 水试验资料，渗透系数o ．0 1 3 2 3 ．5 8 2m ／d ，水位埋 深一般小于3m ，富水性大部分较好，是矿区煤层开 采保水的目标含水层。 基岩裂隙含水层组，矿区主采煤层上覆基岩地层 自下而上分别为延安组 J y 、直罗组 J z 、安定 组 J o 、洛河组 K 。f 正常基岩地层，据榆神一期杭 来湾、曹家滩、大保当、神树畔等井田，二期香水河、何 兴梁、马王庙、朱家塔等井田，三期小壕兔一号、二号 及小保当一号等井田，四期尔林滩、孟家湾西、中鸡等 井田对不同基岩含水层抽水试验资料显示，渗透系数 0 ．0 0 6 ～2 ．1 3 5H ∥d ，基岩裂隙含水层组富水性一般较 弱。如图2 所示，基岩厚度总体由东南向西北增厚， 由于上部受风化剥蚀作用影响，在矿区中东部 区 一、二期 ，洛河组 K 。f 基岩地层缺失，主采煤层 上覆基岩层岩性和厚度变化较大。 风化基岩含水层，基岩顶部岩石顶面受到不同程 度的风化，结构杂乱，松软易碎，受地形地貌、上覆含 水层特征、风化程度等影响，风化基岩含水层富水性 变化较大，渗透系数o ．0 1 2 4 ．9 9 2m ／∥卜1 8J ，矿区由 西向东发育层位依次为洛河组 K 。f 、安定组 J n 、 直罗组 J z 与延安组 J y 9 | 。 烧变岩孔洞裂隙含水层，是指因煤层自燃顶板塌 落及后期风化等形成裂隙孔洞发育的烧变岩带，由于 岩层破碎，透水性好，其富水性变化较大，主要与自燃 煤层、烧变岩特征及烧变岩上覆松散含水层组的富水 性有关，其分布范围相对局限，主要在二期各大沟谷 两侧呈条带状分布，据锦界、西湾、榆树湾、杭来湾、上 河、高家界、河兴梁等井田勘探钻孑L 抽水试验资料，渗 透系数0 ．0 0 6 ～7 4 ．1 0 3r n ／d 。 主隔水层是由第四系离石组 Q z 黄土和新近 系保德组 N 6 红土共同组成的隔水土层啪J ，是上 覆松散孔隙潜水含水层组的直接隔水底板，基本全区 分布，该土层组的连续性、厚度、天然及采动后的渗透 系数变化等对保护松散含水层意义重大，被定为榆神 矿区的隔水关键层心卜22 | 。 亚隔水层，在榆神矿区中一深煤层区，侏罗系地 层中渗透能力弱的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩与渗透能 万方数据 5 2 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 力较好的中、细粒砂岩相互交错，其中侏罗系安定组 地层 J o 以含泥岩、砂质泥岩沉积为主，厚度较为稳 定，一般划分为相对隔水层‘2 3 叫1 。 2 主采煤层开采含水层涌水模式 由于采动导水裂隙具有极强的导水能力，是引起 含水层涌水的控制因素，通过分析榆神矿区主采煤层 开采形成的导水裂隙带与上覆含、隔水层组的空间组 合关系，以及引起含水层涌水特征，提出榆神矿区最 上煤层开采含水层涌水模式。 2 ．1 榆神矿区主采煤层采动导高分析 通过整理分析榆神矿区生产矿井导水裂隙带高 度研究成果，见表2 。矿区煤层埋深、覆岩结构差异 明显，主采煤层开采裂采比变化较大 1 5 ～2 8 倍 ，均 值2 3 倍。其中榆神东部与南部浅埋煤层区，主采煤 层开采 如4 ～，3 叫煤层等 导水裂隙易沟通风化基 岩与松散含水层 如柳巷、凉水井、锦界等煤矿 ；中 南部中埋深煤层区，由于主采煤层2 。2 厚度大，曹家 滩、榆树湾等生产矿井一般采用分层开采，实测分层 开采导水裂隙一般发育至基岩内部，通过相似材料模 拟得出一次采全高条件下导水裂隙易发育至土层甚 至松散层内心L 27 | ；中部与西部深埋煤层区，主采煤 层 如2 一，1 ‘2 煤层 开采导水裂隙仅发育在基岩含 水层内部 如榆树湾、金鸡滩、隆德、小壕兔等煤矿 。 表2 榆神矿区部分矿井开采覆岩导水裂隙带测试统计 T a b I e2D e t 佻t i 蚰r e s l l l t so f 、住t e rn o 耐n gf | a c t u r e dz o n ei ns o m em i n e si nY 邺h e nI I l i n i n ga r e a ●一2 杭来湾‘2 9 ] ‘ H 3 H 4 m 4 ．5 0 4 ．5 0 4 ．5 0 1 0 8 ．3 2 1 1 4 ．3 8 1 0 7 ．8 3 2 4 ．1 0 2 5 ．4 0 基岩含水层 2 3 ，9 6 H 74 ．5 09 3 ．8 72 0 ．8 6 实测 2 ．2 煤层开采含水层涌水模式 根据榆神矿区主采煤层采动导水裂隙与覆岩 含 隔 水层的空间组合关系，以及不同组合关系下 含水层涌水特征，提出3 种涌水模式 1 浅埋煤层侧向直接涌水型 图3 a 。榆神 矿区东部浅埋煤层区 一、二期 主采煤层开发时导 水裂隙带穿越离石、保德组发育至地表风积沙等松散 层内，在工作面顶部局部区段内的松散含水层被迅速 万方数据 第2 期 赵春虎等陕北愉神矿区煤层J I 采顶板涌水规律分析 5 2 9 疏干，该区段含水层不能得到外围含水层侧向补给， 出现干涸；而工作面外围的松散含水层地下水会以侧 向排泄的形式并} 着导水裂缝侧向边界进人采空区内， 造成松散含水层与基岩裂隙含水层地下水沿导水裂 隙侧向直接涌人井下，形成典型的“侧向直接型”涌 水模式。 b 中深侧向与艰向复合涌水 ～～～一 fc 深埋复合隔水保护微涌水 圃曰 导水裂隙带地F 水流向 ①一松散含水层组②主隔水层；⑧一摹岩含水层 洛河组 ④亚隔水层⑤一基岩含水层 直罗组与延安组 吲3 煤层米动含水层澜水模式7 J i 意 F i g ．3 S t 1 1 P 1 1 1 a t i ’d i a g l l a n l fw “I P l Ii n r u s hi na ‘1 u i f 0 1 ． L J I l ‘l P r “1 Pi n f l u e l l | P f 。t n ls e a n ln l i l l i f l g 2 中深煤层侧向与垂向复合涌水型。榆神矿 区中部 三期 煤层埋深相对较大 1 5 0 ～4 0 0m ，如 图3 b 所示，采动导水裂隙直接揭露基岩含水层后 延伸至离石、保德组主隔水土层底部或内部，造成基 岩含水层地下水大量漏失，基崭含水层以侧向涌水为 主；而采动导水裂隙与松散含水层之问残留一定厚度 的隔水土层，f { _ 1 于基岩含水层地下水的大量漏失致使 与松散含水层问的水力梯度增大，以及土层弯曲变形 后垂向渗透能力提高，导致松敞含水层沿主隔水土层 越流涌水，李涛等“ 4 。5 。采用水一电相似模拟技术，测 试得出当采后有效隔水层厚度为4 2 ．6m 的离石黄土 或2 1 ．0m 的保德红土时，潜水才不会显著漏失，可见 中深煤层开采易形成“侧向与垂向复合”涌水模式。 3 深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水型。榆神 矿I X 西部 三、四期 煤层埋深相对较大 4 0 0m ，如 图3 c - 所示，采动导水裂隙发育至直罗组、延安组基 掣含水层内部或安定组亚隔水层1 人J ，采动裂隙直接揭 鳝的直罗组、延安组基岩含水层沿导水裂隙侧向直接 涌水，安定组贬隔水层顶部的洛河组基岩含水层间接 越流涌水，而近地表的松散含水层由于存在安定组亚 隔水层与离石组、保德组主隔水土层保护，地下水越 流漏失微弱，易形成基岩含水层侧向涌水与垂向复合 隔水保护弱涌水模式。 3 典型煤矿煤层开采含水层涌水规律 3 ．1 采煤工作面含水层涌水分析方法 为了便于定量分析煤层，f 采含水层涌水规律，根 据含水层与导水裂隙带间的地下水运动转化特征，将 导水裂隙与正常覆岩接触面概化成地下水达西渗流 的定水压边界 孔隙水压力p 0 ，合理避免了导水 裂隙带难以数值刻画问题，其模拟结果更接近于真实 的渗流场，在c M s o L 数值分析中，将导水裂隙带范 罔概化成倒梯形，在涌水模型巾分别对梯形各面达西 流速u 进行面积积分，即Q f 『洲门，门为导水裂隙 J J 带概化形成倒梯形j f 积采用稳定流分析方法，计算得 f f { 来自导水裂隙带外围侧向和顶部各含水层的地F 水涌水量∞6 ，以建莎采煤工作而尺度上含水层涌水 分析模型。 为了削弱模型边界效应影响，在采煤工作面尺度 上的含水层涌水模型中，采用无限元域方法，将模拟 Ⅸ外围定义为无限展布的含水层“，即将充水含水 层外同数值处理成“大范围”的无限展布的充水含水 层，减少了“小范围”人为水头边界与流量边界对预 测精度的影响，宽度设置为30 0 0m ，走向为1 0 0m ， 图幅显示比例调整为工，’。 l l O 3 。其中覆岩 各含水层主要水力参数根据各矿井含水层实际测试 资料给定 表3 。 3 ．2 浅埋煤层侧向直接涌水型 凉水井井田位于榆神二期中北部，主采为4 。1 煤 层，煤层厚度0 ．8 ～4 ．2r n ，最大埋深1 5 0m ，煤层上覆 松散层孔隙潜水含水层 均厚1 3 ．4 6m ，离石与新保 德组士层 均厚3 1 ．6 lm ，基岩与风化基岩含水 层 一般厚度3 8n ，4 。煤层采动导水裂隙已揭露松 万方数据 5 3 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 散含水层，为侧向直接流失型涌水模式。 表3 模型中含、隔水层渗透系数 T a b l e3 P e r m e a b i l i t yc o e m c i e n t so fm a i na q u i f e r si n t h em o d e l 由于采动裂隙直接发育至松散含水层，如图4 所 示，地下水流场受采动影响较大，形成以导水裂隙带 为中心的降落漏斗，其中工作面顶部与侧向定范围 内的含水层被疏干 空白区段 ，积分得出各含水层 向导水裂隙的总涌水量为4 7m 3 ／h ，均来自松散层、 基岩与风化基岩含水层的侧向涌水。 导水裂隙范围 20 0 0 4o o O 模型长度／m 嚼磐 爹耋 ■1．蛋■■■■■■■■■■■■_ OO 2O ．4 ．6O ．810l2 水义』k ／J ／M P a H4凉水井煤矿含水层流场特征 F 培4 C h d r d 【‘⋯Ⅻ 。so fa I I J j 胁f 1 wf i e l 1i 1 1I ．m 酬1 L l i j i l l g C t a lM i l l P 表4 凉水井煤矿含水层涌水量 T a b l