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1.呼吉尔特矿区顶板巨厚复合含水层涌水机理

作者：许峰,靳德武,黄欢,,李运江,王世东,党亚堃

作者单位：中煤科工西安研究院(集团)有限公司;煤矿灾害防控全国重点实验室;陕西省煤矿水害防治技术重点实验室;内蒙古昊盛煤业石拉乌素煤矿

关键词：呼吉尔特矿区;巨厚复合含水层;涌水机理;直罗组;志丹群

　　摘要:鄂尔多斯呼吉尔特矿区煤炭开采过程中主要受顶板侏罗系直罗组含水层(平均厚度为 153 m)和白垩系志丹群含水层(平均厚度为 350 m)地下水威胁,2 个含水层之间为安定组相对隔水 层(平均厚度约为 94 m),三者共同构成了顶板巨厚复合承压含水层组。 针对呼吉尔特矿区煤层开采 顶板巨厚复合含水层涌水机理不明等问题,以石拉乌素煤矿为研究对象,通过分析工作面采空区涌水 量与顶板巨厚复合含水层水位响应特征,结合导水裂隙带发育规律,提出“下部含水层侧向补给型” “复合含水层综合补给型”及“上部含水层垂向补给主导型”3 种顶板涌水充水模式,进而揭示了典型工 作面“阶梯递进式”涌水机理。 采用数值模拟方法计算了工作面回采 5 个阶段井下涌水中顶板各含水 层地下水的参与量,结果表明:第一阶段,工作面开采前期,矿井涌水量主要由直罗组含水层贡献,参与 度约占 87. 3%;第二阶段,志丹群含水层涌水参与量增大,占比超过 70. 0%;第三阶段,志丹群含水层地 下水补给量缓慢减少,直罗组含水层地下水参与度缓慢增大至 34. 0%;第四阶段,志丹群含水层地下水 补给量突增,占整个工作面涌水量的 75. 0%;第五阶段,志丹群含水层地下水补给量缓慢减少,直罗组 含水层地下水参与度缓慢增大至 29. 3%。 数值模拟结果与实际观测结果基本一致,进一步验证了“阶 梯递进式”涌水机理。 

　　呼吉尔特矿区位于鄂尔多斯盆地北部,面积约 为 3 332 km 2 ,主要开采侏罗纪煤炭资源。 该矿区总 体规划为 7 个井田、2 个勘查区和 1 个远景区,目前 已建成投产矿井 5 座,是我国煤炭资源开发的重要 后备区[1] 。 矿区具有主采煤层埋深大( 600 m 以 深)、水文地质条件复杂等特点,开采过程中受顶板 多层巨厚含水层影响,矿井充水强度较大[2-6] 。 此 外,各矿不同工作面回采期间,井下采空区涌水规律 不明,水害防控难度较大,严重制约矿区煤炭资源的 安全高效开采[7-10] 。

　　近年来,为查明呼吉尔特矿区顶板含水层富水 性差异及其涌水机理,相关学者开展了系统性研究, 提出了延安组与直罗组含水层沉积控水作用,揭示 了煤层开采过程中覆岩离层水害致灾机理[11-14] 。 贺江辉[15]针对石拉乌素煤矿白垩系巨厚砂岩离层 水害开展了系统性研究,主要包括:建立了离层动态 演化分析计算模型并实现工程应用;构建了白垩系 离层水突水危险性评价体系;提出了离层水害模式 分类方案及相应的防治技术对策。 杨建等[16] 基于 地形地貌与地层沉积特征等关键因素,分析研究了 鄂尔多斯北部深埋煤田的含水层富水性规律。 梁向 阳等[17]通过开展呼吉尔特矿区沉积相与顶板钻孔 出水层位、钻孔涌水量、工作面涌水量等方面的相关 性研究,揭示了煤层顶板沉积相的差异性是控制工 作面回采过程中涌水量的关键因素。 冯洁等[18] 采 用沉积微相划分、微观孔隙测试结合灰色理论等方 法,揭示了陕北侏罗系砂岩地层沉积控水机理,进而 划分了沉积控水模式。

　　现有研究成果主要集中于单一顶板含水层富水 性差异分析及涌水规律研究,而对不同地质历史时 期沉积形成的多层复合型含水层充水模式及涌水机 理尚未形成系统性认识。 基于此,笔者以呼吉尔特 矿区石拉乌素矿井典型工作面作为研究对象,通过 对工作面涌水规律及充水模式等的研究,揭示顶板 巨厚复合含水层涌水机理,以期为鄂尔多斯盆地北 部深埋侏罗纪煤田水文地质条件相似矿井的水害防 治工作提供理论依据和技术支撑。

　　1　 研究区水文地质概况

　　呼吉尔特矿区地处蒙陕交界处,位于毛乌素沙 漠与黄土高原过渡地带。 矿区内生产矿井共 5 座, 其中石拉乌素煤矿为典型的深埋侏罗纪矿井之一。 石拉乌素煤矿主采 2 -2 煤层,平均厚度约 10 m,煤层 上覆地层自下往上依次为侏罗系延安组、直罗组、安 定组、白垩系志丹群及第四系松散层。

　　顶板以上主要含水层为侏罗系直罗组含水层和 白垩系志丹群含水层,其中,直罗组含水层平均厚度 为 153 m,单位涌水量为 0. 008~0. 016 L/ (s·m),渗透 系数为 0. 20 m/ d,富水性弱;志丹群含水层平均厚度 350 m,单位涌水量为 0. 008 ~ 0. 243 L/ (s·m),渗透系 数为 0. 18 m / d,含水层富水性弱—中等。 2 个含水 层之间赋存平均厚度 94 m 的安定组相对隔水层。 上、下含水层厚度大于 150 m,中间隔水层厚度小于 100 m,总体构成了厚含水层、相对薄隔水层组成的 巨厚复合承压含水层组,如图 1 所示。

　　2　 工作面涌水规律与含水层水位响应特征

　　1208 工作面位于石拉乌素矿井南翼,开采 2 -2 煤 层,采用综采放顶煤采煤工艺,平均采厚 10 m,为研究 区南翼首个大长度(推采长度超过 2 000 m)工作面, 目前已推采至 1 300 m。 1208 工作面周边施工了 4 个 水文观测孔,其中,直罗组含水层观测孔 2 个,编号分 别为 ZL-5、ZL-7;志丹群含水层观测孔 2 个,编号分 别为 ZD-2、ZD-4。 1208 工作面位置如图 2 所示。

　　根据 1208 工作面回采期间的涌水量数据,以及 附近水文孔的水位数据,绘制工作面涌水量与顶板巨 厚复合含水层水位同步历时动态曲线,如图 3 所示。

　　1208 工作面回采期间采空区涌水量的变化分为 3 个阶段:

　　第Ⅰ阶段:工作面开始回采至约 317 m(一次 “见方”位置)期间,工作面涌水量呈上升趋势,但总 体保持较低水平,最大涌水量未超过 100 m 3 / h。 此 阶段直罗组含水层水位呈阶梯式大幅下降特征,其 中,ZL-5 观测孔记录的最大水位降幅达 190. 68 m; 而白垩系志丹群含水层水位波动较小,整体保持稳 定状态(依据 ZD2、ZD4 观测孔监测数据)。

　　第Ⅱ阶段:工作面推进至 317 ~ 786 m 期间,涌 水量呈现阶梯式大幅上升特征,由 90 m 3 / h 快速增 至 350 m 3 / h 后趋于稳定,并持续至该阶段结束。 此 阶段直罗组含水层水位仍呈下降趋势,但下降速率 明显减缓;志丹群含水层水位开始大幅下降,降幅达 25~29 m。

　　第Ⅲ阶段:工作面自 786 m 推进至 1 300 m 期 间,涌水量再次呈阶梯式大幅上升特征,由 350 m 3 / h 快速增至 600 m 3 / h 后趋于稳定,并持续至当前开采 位置。 此阶段直罗组含水层仍呈下降趋势,但逐步 趋于稳定; 志丹群含水层水位持续下降, 降幅为 4~17 m,较第Ⅱ阶段下降速率明显减缓。

　　3　 工作面充水模式分类

　　通过对 1208 工作面采空区涌水量变化规律与 巨厚复合含水层的水位响应特征的分析表明,煤层 采动影响已波及直罗组和志丹群含水层。 但在工作 面开采的不同阶段,各个含水层的扰动程度存在明 显差异,这主要取决于采动导水裂隙发育高度与顶 板巨厚复合含水层的空间关系等。 同时结合工作面 采空区涌水规律,可将煤层开采充水分为下部含水 层侧向补给型、复合含水层综合补给型、上部含水层 垂向补给主导型 3 种模式。

　　3. 1　 下部含水层侧向补给型(充水模式一)

　　下部含水层侧向补给型充水模式是指以巨厚复 合含水层下部的侏罗系直罗组含水层侧向补给为 主,含微弱的志丹群含水层垂向越流补给的充水模 式。 该充水模式主要发生在工作面开采的初期(一 次“见方”垮落以内),2 -2 煤层开采导水裂隙发育尚 不稳定,并未达到最大值,导水裂隙仅波及侏罗系直 罗组含水层,未波及侏罗系安定组相对隔水层。 此 时,由于侏罗系延安组和直罗组含水层富水性弱,导 水裂隙带波及范围内的含水层静储量较少,且迅速 疏干,以较弱的侧向动态补给为主,以少量的上部含 水层越流补给为辅,如图 4 所示。

　　3. 2　 复合含水层综合补给型(充水模式二)

　　复合含水层综合补给型充水模式是指以巨厚复 合含水层下部的侏罗系直罗组含水层侧向补给,以 及上部志丹群含水层垂向越流补给相结合的综合补 给充水模式。 该充水模式下,2 -2 煤层开采导水裂隙 继续向上发育,穿透下部直罗组含水层,并达到安定 组的中上部,导水裂隙破坏了安定组隔水层的稳定 性,在上下含水层水力坡度进一步增大的驱动下,上 部志丹群含水层垂向越流量加大,垂向补给作用明 显,此时,工作面涌水由直罗组和志丹群含水层水共 同组成,如图 5 所示。

　　3. 3　 上部含水层垂向补给主导型(充水模式三)

　　上部含水层垂向补给主导型充水模式是指以巨 厚复合含水层上部的志丹群含水层垂向补给为主, 下部侏罗系直罗组含水层侧向补给为辅的充水模 式。 该充水模式下,2 -2 煤层开采导水裂隙继续向上 发育,穿透安定组相对隔水层,波及白垩系志丹群含 水层的下段(底部),使得志丹群含水层下段静储量 短时间内全部释放,并源源不断接受该含水层的侧 向动态补给。 虽然该模式下,直罗组含水层也源源 不断地由侧向涌入井下,但在涌水量组成的贡献上 来看,志丹群含水层的水占大部分,如图 6 所示。

　　4　 典型工作面涌水机理分析

　　对石拉乌素煤矿 1208 综放工作面开采导水裂 隙带发育高度进行了实测,测得导水裂隙带最大发 育高度为 269 m,裂采比为 26. 9。 根据钻孔勘探资 料显示,1208 工作面范围内煤层顶板至志丹群地层 底界面的间距为 234 ~ 347 m。 通过对比可知,1208 工作面开采导水裂隙带部分范围波及志丹群含水层 底部,大部分区域导水裂隙发育进入安定组地层中 部。 1208 工作面充水模式分区如图 7 所示。

　　由图 7 可知,在工作面开切眼至 740 m 范围内, 导水裂隙带最高点已波及志丹群含水层底部,导致 志丹群地下水通过导水裂隙直接涌入井下。 由于志 丹群含水层富水性强于直罗组含水层,该区域工作 面开采顶板涌水总体符合“充水模式三”,即以上部 含水层(志丹群含水层)垂向补给主导型为主,直罗组含水层侧向补给为辅。 由于导水裂隙带向上发育 波及志丹群含水层存在一个周期性过程,并非初采 阶段导水裂隙带就能够发育至最大值。 根据采场顶 板覆岩结构破坏理论,工作面开采覆岩塑性破坏是 一个逐渐发育的过程,相应的导水裂隙带高度也是 逐步上升的。 已有研究表明,当工作面推进距离达 到“见方”时,顶板覆岩塑性破坏最为充分,此时,导 水裂隙带发育至最大高度。 因此,1208 工作面开切 眼至 740 m 范围内并非所有周期来压垮落阶段均符 合“充水模式三”,而是存在充水模式一、二、三相互 转换的动态过程。

　　1208 工作面回采第Ⅰ阶段时导水裂隙带发育过程 与采空区涌水量及志丹群水位变化对比如图 8 所示。

　　由图 8 可以看出,1208 工作面开始回采后,顶板 覆岩塑性破坏逐步发展,导水裂隙带持续向上发育, 波及直罗组含水层的范围逐步扩大(如图 8 中 a、b、c 所示范围)。 该阶段直罗组含水层水位(图 3 中 ZL-5 和 ZL-7)开始逐步下降,特别是当导水裂隙带完全贯 穿直罗组含水层时(图 8 中 c 圈定范围),附近 ZL-5 孔水位急剧下降,表明直罗组含水层地下水大量涌 入采空区。 但由于直罗组含水层富水性相对较弱, 随着导水裂隙带波及程度加大,井下涌水量呈现缓 慢增大趋势(如图 8 绿圈所示)。 此阶段导水裂隙带 并未沟通志丹群含水层,志丹群含水层地下水在上 下含水层水力梯度增大的条件下产生微弱的越流补 给,其地下水水位总体保持稳定(图 8 中 ZD- 2 和 ZD-4 观测孔数据)。 因此,第Ⅰ阶段(0 ~ 300 m)符 合“充水模式一”和“充水模式二”。

　　随着 1208 工作面继续推进至约 310 m(一个 “见方”距离)时,覆岩塑性破坏达到充分发育阶段。 特别是采空区向前边缘一侧,受剪切作用力影响,岩 层垮落断裂,导水裂隙带出现超高发育并达到最大 值(如图 8 中 d 圈定范围),波及志丹群含水层底部, 地下水沿着主要导水裂隙(最大导水裂隙) 涌入井 下,导致工作面采空区涌水量在 310 ~ 400 m 内呈阶 梯式急剧增长,由 140 m 3 / h 左右快速上升至 355 m 3 / h 左右(如图 8 中红圈范围所示)。 同时,由于志丹群 含水层地下水大量涌入井下,该含水层水位开始呈 现持续下降趋势(如图 8 中 ZD-2、ZD-4 观测孔水位 变化曲线所示)。

　　随着工作面继续往前推进(400 ~ 740 m),周期 来压导致顶板垮落后,导水裂隙带发育趋于稳定,主 要波及安定组地层顶部,或裂隙尖端少量沟通志丹 群含水层底部,但主要导水通道仍为一次“ 见方” 垮落形成的高位发育裂隙。 工作面涌水量保持稳 定,维持在 355 m 3 / h 左右(如图 9 红圈所示) 。 志 丹群和直罗组含水层水位持续下降,ZD-2 孔水位 下降 20. 26 m,ZD-4 孔下降 19. 12 m,ZL-5 下降 4 m, ZL-7 下降 13 m(见图 3)。 在此期间,煤层开采顶板 涌水主要符合“充水模式二”,井下涌水以直罗组侧 向补给和白垩系越流补给为主。 与高位裂隙沟通形 成的补给量相比,这两部分补给量较小,采空区涌水 仍以志丹群“直通式”补给为主,水量相对稳定,波动 幅度较小。

　　工作面推进至约 740 m(约二次“见方” 距离) 时,覆岩再次发生充分破断,受到剪切破坏作用影 响,在工作面斜上方发育一系列高位裂隙,沟通志丹 群含水层下段。 志丹群含水层地下水通过裂隙涌入 井下,导致采空区涌水出现二次台阶式上升,由约 355 m 3 / h 增至约 600 m 3 / h(如图 9 绿圈所示)。 在 此期间,直罗组和志丹群含水层水位仍保持持续下 降趋势。

　　随着工作面继续向前推进(900 ~ 1 300 m),采 空区涌水量逐渐稳定在 550 ~ 650 m 3 / h,主要是因为 安定组厚度增加,煤层顶板与志丹群含水层之间距 离变大,导水裂隙仅波及安定组中部,上部地下水以 越流形式进入下部含水层,新的白垩系地下水补给 量较“见方”垮落时的补给量小,采空区涌水依然以 前 2 次的超高裂隙段导通志丹群含水层涌入井下的 地下水为主。 但随着时间推移,超高裂隙顶端逐渐 闭合,过水通道能力降低,志丹群地下水直接进入井 下的水量逐渐减少,同时随着开采范围扩大,直罗组 含水层的静储量补给、侧向补给量及上部志丹群地 下水越流量逐步增大。 以上两方面因素(水量) 叠 加,使得第Ⅲ阶段中后期采空区涌水量呈现相对稳 定的特征。

　　总体而言,1028 工作面在回采前 1 300 m 范围 内,采空区涌水受侏罗系直罗组和白垩系志丹群含 水层地下水共同补给影响。 根据各含水层地下水的 补给贡献程度,可将涌水过程划分为 5 个阶段:第① 阶段,直罗组地下水补给占主导,志丹群地下水微弱 越流补给;第②阶段,工作面开采一次“见方”距离下 导水裂隙超高发育波及志丹群,志丹群涌水量快速 增加,直罗组地下水补给持续缓慢增长,但增长幅度 小于志丹群地下水;第③阶段,由于导水裂隙不再 进一步波及志丹群含水层,在垂向补给通道相对固 定的情况下,志丹群含水层的补给量逐步下降并趋 于稳定;第④阶段与第②阶段涌水过程相似,为导 水裂隙超高发育,又形成一段集中垂向导水通道, 志丹群补给量再次突增;第⑤阶段重复第③阶段涌 水过程。 无论是哪个阶段,直罗组含水层地下水补 给量的增大是由于开采面积增大所驱动的;而志丹 群含水层地下水的补给量的变化是由面积、水力梯 度,以及集中导水通道规模等多种因素共同驱动导 致。 最终在 2 个含水层补给的叠加作用下,形成了 1208 工作面开采“阶梯递进式”涌水特征,如图 10 所示。

　　5　 工作面涌水定量化分析

　　采用地下水流数值模拟方法,对研究区 2 -2 煤层 开采过程中顶板巨厚复合含水层的动态响应特征进 行模拟研究。 通过拟合对比分析,计算直罗组含水 层和志丹群含水层地下水对井下涌水的参与度,进 一步验证和揭示典型工作面涌水机理。

　　5. 1　 模型建立

　　根据地质、水文地质资料,构建物理概化模型, 具体如下:①水平方向,以煤矿区坐标拐点为界外扩 5 km,概化为水头边界;②垂直方向,白垩系含水层 和上覆沙拉乌苏组含水层具有统一的水位,二者无 明显的水位差,由此模型顶部概化为白垩系含水层 顶板,同时根据钻孔资料,模型底部概化为 2 -2 煤层 底板。 因此,模型共划分 5 层:第一层为白垩系含水 层,第二层为侏罗系安定组隔水层,第三层为侏罗系 直罗组含水层,第四层为侏罗系延安组煤系地层,第 五层为 2 -2 煤层。

　　模拟的地下水流概化为非均质各向异性的达西 三维非稳定流,控制方程和边界条件的数学表达式 如下:

　　式中:H 为含水层水位标高,m;Q 为矿井涌水量,m 3 / d; K 为含水层的渗透系数,m / d;Ss 为自由水面以下含 水层储水率,m -1 ;H0(x,y,z)为含水层的初始水位分 布,m;Ω 为渗流区域;Γ1 为研究区边界(第一类边 界);Γ′1为开采工作面(第一类边界)。

　　研究区数值模拟模型立体结构如图 11 所示。

　　5. 2　 模拟计算

　　采用有限元三角形网格剖分方法进行离散,以 及有限元法进行模型求解。 利用以往水文地质勘探 资料作为基础数据,通过拟合地下水流场和工作面 涌水量,模拟计算得到不同阶段顶板各含水层对矿 井涌水的参与量,如图 12 所示。

　　通过计算各含水层地下水对矿井涌水量贡献可 以分为 5 个阶段: 第一阶段(660~ 710 d),在 1208 工作面开采前 期,矿井涌水量主要由直罗组贡献, 参与度约为 87. 3%; 第二阶段(711 ~ 760 d),期间志丹群含水层地 下水位开始下降,志丹群含水层参与量增加,工作面 采空区涌水量主要由志丹群和直罗组含水层地下水 共同 组 成, 但 此 阶 段 志 丹 群 地 下 水 参 与 度 超 过 70. 0%; 第三阶段(761 ~ 818 d),工作面涌水量维持稳 定,期间志丹群含水层地下水补给量缓慢减少,直罗 组含水层地下水参与量缓慢增大,阶段末期涌水量 占比约为 34. 0%; 第四阶段(819 ~ 840 d),工作面采空区涌水量 再次呈现阶梯式增长,志丹群含水层地下水补给量 突增,占整个工作面涌水量的 75. 0%; 第五阶段(841 ~ 884 d),工作面涌水量维持稳 定,期间志丹群含水层地下水补给量缓慢减少,直罗 组含水层地下水参与量缓慢增大,阶段末期涌水量 占比约为 29. 3%。 模拟结果显示,侏罗系直罗组含水层与白垩系 志丹群含水层地下水补给量在工作面开采不同阶段 变化规律符合前述分析的“阶梯递进式”涌水特征, 进一步验证了顶板巨厚复合含水层涌水机理。

　　6　 结论

　　1)呼吉尔特矿区煤炭开采普遍受到侏罗系直罗 组含水层和白垩系志丹群含水层地下水充水影响, 上述 2 个含水层与安定组隔水层共同构成了顶板巨 厚复合含水层。

　　2)根据石拉乌素煤矿典型工作面主采煤层采动 导水裂隙发育高度与顶板巨厚复合含水层的空间关 系,将煤层开采顶板涌水分为 3 种模式:下部含水层 侧向补给型、复合含水层综合补给型及上部含水层 垂向补给主导型。

　　3)通过分析工作面涌水量及顶板巨厚复合含水 层的水位变化特征,揭示了典型工作面“阶梯递进 式”涌水机理。

　　4)采用数值模拟方法,计算了在工作面开采过 程中志丹群与直罗组含水层对工作面采空区涌水的 参与程度,验证了 1208 工作面开采顶板巨厚复合含 水层的涌水机理。