深埋煤层采动覆岩渗透能力变异与地下水响应模拟

赵春虎

摘要：针对西部深埋矿区煤炭资源开发对地下水扰动的相关研究不足的问题，依据弹塑性相关理论，利用多物理场数值模拟软件（COMSOL），研究了深埋煤层采动覆岩渗透能力变异与地下水的响应规律，模拟得出案例矿井在不同采动应力状态区覆岩渗透能力变化具有差异性：采动覆岩应力拉伸区岩体的渗透率相对增大，在采掘空间的直接顶渗透率增大26%，在地表沉陷盆地边缘增大3%；覆岩压缩区渗透率相对减小，在煤岩柱两侧渗透率减小43%，在采掘空间正上方约300 m处渗透率减小18%。由于采掘后井下采掘空间直接与大气联通，形成了以导水裂缝带范围为中心的水压降落漏斗，导致垂向水力梯度与流速加剧；而在煤层顶板300 m以上范围，水压水头基本为原始状态。研究成果为我国干旱与半干旱矿区煤水资源合理开发、科学管控提供技术依据。

关键词：地下水；渗透；采掘扰动；数值模拟；导水裂缝带

中图分类号：TD713文献标志码：A文章编号：

16721683（2018）02017106

Abstract：

There is a lack of research on groundwater disturbance caused by deep coal resource exploitation in western China.Based on the elasticplastic theory，this paper studies the variation mechanism of the seepage capacity of the overlying strata and the response of the groundwater by using the fluid solid coupling numerical simulation software COMSOL.The simulation results showed that the change pattern of overburden permeability is different in different mining stress states.The overburden permeability increased in the tensile stress zone： at the top of the excavation space it increased by 26%，and in the surface subsidence basin it increased by 3%.The overburden permeability decreased in the stress compression zone： on both sides of the coal pillar it decreased by 43%，and at about 300m above the mining space it decreased by 18%.A groundwater drawdown funnel was formed with the waterflowing fractured zone as the center.As a result，the vertical hydraulic gradient and flow velocity of groundwater both increased significantly，while the water pressure was basically in the original state at about 300 m above the mining space.The research results can provide theoretical support for reasonable exploitation of coal resources and scientific management of water resources in the arid area of China.

Key words：

groundwater；permeation；mining disturbance；numerical simulation；waterflowing fractured zone

地下水是西部地區水资源主要组成部分，具有极其重要的资源功能和生态功能。而随着我国煤炭资源开发西进战略的实施，全国煤炭基地分布与水资源丰富程度已呈逆向分布。西部干旱矿区在规模化、现代化的煤炭资源开采不可避免地造成了对地下水影响和破坏，加剧了地区资源性缺水与生态环境破坏[12]。由于能源基础结构的不同，国外对地下水水动力扰动问题的研究极少，主要以煤矿区水污染风险评价、关闭矿井复垦等为主要研究方向[36]。国内众多学者采用不同技术方法针对西部地区煤炭开采造成的地下水位下降、地下水水量损失等水动力响应问题进行了研究，但主要集中在煤田的榆、神、府等浅部矿区[79]，深部矿区（榆横、呼吉尔特等矿区）相关研究较少（主采煤层大于200 m）[1011]，且大多以宏观分析为主，其中覆岩破坏的“覆岩分带”[12]理论与岩层控制的“关键层”理论[1314]是矿井顶板水害防治、保水采煤技术研发及地下水环境影响评价的最重要依据，其基本认识是以近地表的松散层地下水为“保水”对象，当采掘扰动形成的“导水裂缝带”未沟通含水层或“隔水关键层”，没有造成地下水资源大量漏失，即认为可以安全回采[1517]，亦或保水成功[1820]，因此，以浅部矿区为主的“上三带”与“关键层”理论对于深部矿区地下水响应的机制分析具有较强的局限性。不仅仅导水裂缝带对地下水存在直接影响，其采掘扰动引起的覆岩含水介质渗透能力变化对含水层地下水影响明显。一方面，当采动裂缝仅发育至基岩层内部时（或隔水关键层），由于“导水裂缝带”内的含水层地下水大量漏失，造成松散层地下水与“导水裂缝带”内含水层地下水的越流水位差加大，加剧含水层间的垂向越流。另一方面“导水裂缝带”以上覆岩变形导致含、隔水层的渗透能力发生变异，均导致地下水流动状态发生变化。因此，采动余留的保护层上下越流水位差越大，保护层变异渗透能力越强，采动潜水位降深越大[21]。

文章以采動应力变化-覆岩变形损伤-介质渗透能力变化-地下水响应为研究的技术思路，基于岩体弹塑性相关理论，采用数值模拟方法研究采掘扰动下覆岩渗透能力变异以及地下水动态响应规律，旨在正确认识煤矿开采对地下水环境的扰动机制，为我国干旱矿区煤水资源合理开发、科学管控提供依据。

1案例矿井概况

案例矿井沙拉吉达井田位于陕西省和内蒙古交界地区（图1），属于神东煤炭基地深部的呼吉尔特矿区，陕北黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带，生态环境脆弱，水资源贫乏。

井田计划主采延安组（J12y）31煤层，煤层采厚62 m，工作面采宽为300 m，埋深500 m左右。地表被第四系风积沙所覆盖，地形平缓，第四系风积层（Qeol4）与萨拉乌素组潜水含水层（Q3s）均厚达96 m左右，且与下伏白垩系洛河组和环河组碎屑岩类裂隙孔隙含水层（K1）之间无稳定的隔水层存在，形成了厚层状的松散层类含水层组，潜水位埋深一般小于3 m，水位标高与地形基本一致。安定组（J2a）、直罗组（J2z）砂质泥岩地层构成了上覆松散类含水层组与侏罗系中下统延安组（J12y）砂岩裂隙含水层间的稳定隔水层。井田主体为一向北西倾斜的单斜构造（倾向285°），地层倾角1°～3°，未发现大的断裂等，构造属简单类型。

根据《煤矿防治水手册》中推荐的综放开采条件下导水裂隙带高度（包括冒落带）的计算公式（式1），计算得出井田31煤层导水裂缝带高度在6150～8450 m之间。

Hf=[SX（]100M[]0.26M+6.88[SX）]±11.49[JY]（1）

式中：Hf为最大导水裂缝带高度；M为累计采厚，取煤层平均厚度62 m。

由于31煤层位于延安组中部，延安组地层本身砂岩裂隙含水层组，开采后将直接揭露与沟通该含水层，因而构成了直接充水水源；31煤距洛河组、环河组碎屑岩类裂隙孔隙含水层间距大于31煤层顶板冒裂带的发育高度，导水裂缝带高度不会直接波及松散类含水层底界，因而根据传统的采动覆岩分带理论，可以定性的认为煤层开采对松散含水层无直接影响。

2模型构建

2.1数学模型

（1）基本平衡方程。

本次以岩体弹塑性力学和地下水流体力学理论为基础建立研究问题的数学模型，其中式2地下水渗流方程描述地下水动态响应机制，式（3）位移场方程以描述采动覆岩损伤变形过程。为了便于模型位移方程与渗流方程进行耦合，将地下水水位、水头（单位：m）均换算为压力（单位：MPa），其数学模型可简化为如下形式：

4结语

应用基于流固耦合数值模拟手段，以采动附加应力变化覆岩变形损伤介质渗透能力变化地下水响应为分析研究的技术思路，研究了案例矿井煤层开采扰动下采动覆岩渗透能力演化及地下水响应机制，得到如下基本结论。

（1）采动覆岩应力状态分区明显，在不同采动应力状态区覆岩渗透能力变化具有差异性，压应力区岩体渗透能力减小，拉应力区渗透率增加。

（2）采掘后井下采掘空间直接与大气联通，即形成井下水压 “自由表面”，以“自由表面”为中心的降落漏斗明显，垂向水力梯度、流速加剧；在煤层顶板300 m以上范围，水压水头基本为原始状态。

（3）本模型是基于岩体弹塑性力学相关理论和有限元数值方法构建，岩体在采动前后均为连续介质，模拟冒裂带内渗透率变化存在局限性，下一步应结合断裂力学的相关理论和离散元数值处理方法对煤层采动覆岩渗透能力变异进行研究。

以上研究为我国西部干旱矿区煤炭资源的合理开发和水资源科学保护提供一定的技术依据。

参考文献（References）：

[1]王力，卫三平，王全九.榆神府煤田开采对地下水和植被的影响[J].煤炭学报，2008（12）：14081414.（WANG L，WEI S P，WANG Q J.Effect of coal exploitation on groundwater and vegetation in the Yushenfu Coal Mine[J].Journal of China Coal Society，2008，33（12）：14081414.（in Chinese））DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2008.12.023.

[2]李强，李永春，陈大勇，等.神东矿区水资源可持续利用问题研究[J].干旱区资源与环境，2013，27（9）：141147.（LI Q，LI Y C，CHEN D Y，et al.The water resource utilization in Shendong mining area[J].Journal of Arid Land Resources & Environment，2013，27（9）：141147.（in Chinese））DOI：10.13448/j.cnki.jalre.2013.09.033.

[3]CHUGH Y P，BEHUM P T.Coal waste management practices in the USA：an overview[J].International Journal of Coal Science&Technology;，2014，1（2）：163176.）DOI ：10.1007/ s4078901400234.

[4]SKOUSEN J，ZIPPER C E.Postmining policies and practices in the Eastern USA coal region[J].International Journal of Coal Science & Technology，2014，1（2）：135151.DOI：10.1007/s4078901400216.

[5]胡振琪，龍精华，王新静.论煤矿区生态环境的自修复、自然修复和人工修复[J].煤炭学报，2014，39（8）：17511757.（HU Z Q，LONG J H，WANG X J.Institute of land reclamation and ecological restoration.self healing，natural restoration and artificial restoration of ecological environment for coal mining[J].journal of the China Coal Society，2014，39（8）：17511757.（in Chinese））DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2014.9029.

[6]MANCA P P，DESOGUS P，ORR G.The reuse of abandoned acquaresi mine voids for storage of the Masua flotation tailings[J].International Journal of Coal Science & Technology，2014，1（2）：213220.DOI ：10.1007/s4078901400305.

[7]范立民，马雄德，蒋辉，等.西部生态脆弱矿区矿井突水溃沙危险性分区[J].煤炭学报，2016，41（3）：531536.（FAN L M，MA X D，JIANG H，et al.Risk evaluation on water and sand inrush in ecologically fragile coal mine[J].Journal of China CoalSociety，2016，41（3）：531536.（in Chinese））DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2015.1297.

[8]李杨.浅埋煤层开采覆岩移动规律及对地下水影响研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2012.（LI Y.Study on the movement law of overlying strata in shallow coal seam mining and its influence on groundwater[D].Beijing：China University of Mining and Technology （Beijing），2012.（in Chinese））

[9]白乐，李怀恩，何宏谋，等.煤矿开采区地表水地下水耦合模拟[J].煤炭学报，2015，40（4）：931937.（BAI L，LI H E，HE H M，et al.Integrated simulation of surface water and groundwater in a high intensive coal mining area[J].journal of the China Coal Society，2015，40（4）：931937.（in Chinese））DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2014.1655.

[10][ZK（#]李培月.人类活动影响下的地下水环境及其研究的方法体系[J].南水北调与水利科技，2016（1）：1824.（LI P Y.Groundwater environment under human intervention and the methodological system for research in this field[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2016（1）：1824.（in Chinese））DOI：10.13476/ j.cnki.nsbdqk.2016.01.003.

[11]刘丹，王丽萍，李荣波，等.基于水资源系统健康的区域水资源承载力评价[J].南水北调与水利科技，2015（2）：214219.（LIU D，WANG L P，LI R B，et al.Assessment of regional water resources carrying capacity based on the water resources system health[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2015（2）：214219.（in Chinese））DOI：0.13476/j.cnki.nsbdqk.2015.02.006.

[12]刘天泉，仲维林，焦传武.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1981.（LIU T Q，ZHONG W L，JIAO C W.Application of surface movement and overburden failure in coal mine China Coal Industry Publishing House[M].1981.（in Chinese））

[13]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996（3）：225230.（QIAN M G，MIAO X X，XU J L.Theoretical study of key stratum in ground control[J].Journal of China Coal Society，1996（3）：225230.（in Chinese））DOI：10.13225/j.cnki.jccs.1996.03.001.

[14]缪协兴，浦海，白海波.隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究[J].中国矿业大学学报，2008，37（1）：14.（MIAO X X，PU H ，BAI H B.Principle of WaterResisting Key strata and its application in waterpreserved mining[J].Journal of China University of Mining & Technology，2008，37（1）：14.（in Chinese））

[15]朱伟.高强度综采中至坚硬覆岩裂缝带发育规律研究[J].煤炭工程，2011（1）：6063.（ZHU W.Study on rack zone development law of medium and hard overburden strata above high intensive fully mechanized coal mining face[J].Coal Engineering，2011（1）：6063.（in Chinese））