生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土层合理厚度

李 涛，王苏健，韩 磊，高 颖

(1.西安科技大学 地质资源与地质工程博士后流动站 710065；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 710065；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程中心 710065)

生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土层合理厚度

李 涛1,2,3，王苏健2,3，韩 磊2,3，高 颖2,3

(1.西安科技大学 地质资源与地质工程博士后流动站 710065；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 710065；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程中心 710065)

为保护生态脆弱矿区的生态潜水位，对采煤保护土层厚度的合理厚度进行研究。基于地下水动力学，分析了采动潜水位越流变化机理，并采用水-电相似模拟技术，模拟了采后不同有效隔水层厚度及其物理特性条件下潜水位变化规律。研究结果表明：煤炭开采，越流水位差越大，采后有效隔水层隔水能力越差，采动潜水位降深越大。研究区典型地质条件下，采后有效隔水层为42.6 m的离石黄土或21.0 m的保德红土时，潜水不会显著漏失。多种软件耦合实现了煤炭开采工作面水-电相似模拟，得到了研究区典型采矿地质条件下不同有效隔水层厚度与潜水位降深的关系，水-电模拟结果与理论研究结果相吻合，并得到了工程实践的初步验证。

保水采煤；保护层；相似模拟；土层；越流

随着煤炭战略发展西移，我国煤炭开采与生态保护的矛盾日益突出，“保水采煤”成为了研究的热点。范立民等在《我国西部侏罗纪煤田(榆神府矿区)保水采煤及地质环境综合研究》项目中首次提出了“保水采煤”一词[1]；其后，大量研究成果相继涌现，依据“保水”的思路可以分为“保水位”和“保水量”两种。其中，“保水位”为主的研究，关注的是采动煤-水关系的演化，即采矿对含水层的影响控制在可以接受的范围内，相关研究有：王双明等提出了基于生态水位保水采煤理论[2]；黄庆享提出了隔水关键层稳定性理论，揭示了隔水层“上行裂隙”和“下行裂隙”发育规律[3-4]和弥合特性[5]，提出了隔水层稳定性判据和保水开采的分类指标[6],并建立了条带充填保水开采的隔水层稳定性理论[7]；张东升等研究了砂基型“保水采煤”技术等[8]。“保水量”为主的研究，关注的是水资源采动循环、时空均衡、复用等，将采动影响的水资源采用一定的技术重新利用，相关研究有：武强提出了三位一体系统来保护生态环境[9]；彭苏萍提出了煤矿区水资源保护、科学利用和合理配置的战略路径[10]；顾大钊提出了地下水库理论和技术系统[11]；李文平提出了“保水采煤”工程地质条件分区[12]；孙亚军提出了含水层转移存储“保水采煤”技术[13]；李涛研究了煤炭开采含隔水层结构变异及水资源动态变化[14]等。

水位、水量和水质是“保水采煤”关注的水体三个要素，三者是相互关联、相互影响、相互转换，具体的采矿、地质条件采用适用的“保水”技术才能达到协调煤炭开采与水资源保护的目的。其中，在生态水位敏感的流域区域必须控制生态水位[15]，要控制生态水位需要研究采动水位变化机理，特别是采动垂向渗流及越流机理，进而提出相应的“保水采煤”措施。目前对榆神府区采煤“三带”发育规律的研究已相对成熟[16-18]，但配套的隔水保护层厚度的研究较少，特别是考虑保护越流和生态适生水位的保护层厚度研究鲜见报道。随着榆神矿区开采地质条件逐步从“砂-基”型演变为“砂-土-基”型[12]，未来这一区域的开采将面临厚土层条件(土层普遍在40 m以上，甚至超过100 m[19])，基于“保水采煤”的保护土层合理厚度亟待研究。

本文建立“保水采煤”地下水动力学模型，采用水-电模型模拟煤层开采保护层厚度对潜水位降深的影响，分析生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土层的合理厚度。

1 “保水采煤”中保护层意义

1.1 研究区水文地质工程地质条件

研究区为陕北神南矿区，区内主要含隔水层自上而下依次为松散砂层含水层、离石黄土隔水层、保德红土隔水层、风化基岩含水层、基岩相对隔水层(含煤层)，其主要特征见表1。

表1 研究区主要含隔水层特性

Table 1 Characteristics of aquifer and aquifuge in study area

含隔水层特征松散砂层含水层区内主要含水层,平均厚度10m,渗透系数平均3.88m/d,潜水位平均2.5m黄土隔水层两土层区内普遍赋存,厚度集中在40～70m,黄土平均渗透系数红土隔水层0.017m/d,红土平均渗透系数0.0084m/d风化基岩含水层含水层,平均厚度30m,渗透系数平均0.0838m/d基岩相对隔水层(含煤层)粉砂岩为主,局部有极弱富水含水层

1.2 问题的提出

“三下采煤规程”[22]指出导水裂隙带与水体之间应有合理的保护层厚度，防止水害的发生。对于缓倾斜和中倾斜煤层，“三下采煤规程”规定，防水安全煤岩柱的保护层厚度可根据有无松散层以及底部黏性土层厚度等情况按表2中的数值选取。

表2 防水安全煤岩柱保护层厚度

Table 2 Thickness of protective seam of the water barrier

覆岩岩性松散层底板黏性土层厚度大于累计采厚松散层底板黏性土层厚度小于累计采厚松散层全厚大于累计采厚松散层全厚小于累计采厚坚硬4A5A6A7A中硬3A4A5A6A软弱2A3A4A5A极软弱2A2A3A4A

表2中A不分层时为采厚，分层时为各分层的平均采厚。由表2可见，防水煤柱与松散层厚度、黏性土层厚度及采高有关，这在我国东部开采条件下取得了成效，符合我国东部矿区的实际。但在我国西北地区采矿、地质条件发生了较大的变化，主要表现在：

(1)松散层底板黏性土层的渗透性差异没有考虑。黏性土的渗透系数跨越多个数量级，小于10-5cm/s的土层均为黏性土。特别是我国东部矿区底部黏性土与我国西北黄土(红土)渗透性差距在1～2个数量级，因此，不可以忽略土层的渗透性差异，而直接利用我国东部矿区经验。

(2)开采强度加大。采煤工艺已经从过去的炮采为主变化为高强度的长壁综合机械化采煤，这使得采动隔水土层的渗透性影响有较大差异，不可直接借鉴过去开采条件下的经验。

(3)我国东部降水丰富，潜水位低，而我国西北地区总体降水量低，潜水位受采动影响敏感，地表生态环境脆弱，因此保护层的合理存在不仅有防水害的意义，更有保护生态潜水位的意义，应该结合地质、水文条件研究提出符合生态脆弱区的保护层厚度计算方法。

因此，本次研究建立了以下地下水越流模型，并求取其解析解，剖析生态脆弱矿区保护层厚度合理控制的机理。

2 保护层合理厚度的3层越流模型分析

2.1 模型的建立

如图1所示的潜水-弱透水-承压水3层水文模型，图中1～3层分别是松散砂层含水层，弱透水土层(黄土和红土)和风化基岩含水层，mn，Kn，Tn，μn，an分别为第n层的层厚，渗透系数，导水系数，贮水系数(给水度)和压力传导系数。天然状态下，3层有一定的水力联系，有近似的水位。但随着采动依次会发生以下几个过程的变化：

图1 3层结构越流模型

(1)当上行导水裂隙带发育到风化基岩含水层(图1中的第3层)时，风化基岩含水层被疏放使得风化基岩含水层与松散含水层产生水头差，达到土层起始渗透坡度时发生潜水向承压水的越流。

(2)随着上行导水裂隙发育到土层(图1中的第2层)，土层整体渗透性增大，松散含水层通过弱透水含水层补给风化基岩量增大。

(3)考虑“下行裂隙”对隔水土层厚度的侵蚀[5-6]，当土层总体隔水性降低到一个极限时，松散砂层含水层越流补给产生的潜水位降深S1大于生态允许降深，保护土层失效，生态环境大面积破坏。

因此，需要建立对风化基岩含水层以定流量Q抽水驱动下，不同弱透水土层厚度m2与松散砂层潜水降深S1的函数关系模型。当S1为生态允许降深的最大值时，对应土层厚度m2即为该条件下的最小保护层厚度。

2.2 模型的解析

上述模型的非稳定流基本方程式为

式中,h1，h2，h3分别为第1～3层抽水过程中地下水位，m；S2,S3分别为第2，3层的降深，m;r,z分别为抽水模型径向和垂向坐标，如图1所示。

模型的初始及边界条件为

式中,h0为3层的天然统一水位，m。

其次，基于内地股市“杠杆效应”的存在，监管当局应该谨慎对待港股市场的风险输入，防止外部冲击带来的破坏性；另一方面也要采取有效措施控制内地股市的风险因素。具体而言，监管部门应警惕两地市场的动态变化，缩短认识时滞，制定合理的金融机构的业务范围；同时，以各种中介渠道积极引导投资者的理性投资行为，增强投资者风险防范意识。

依据文献[16]中的解析方法，对模型进行拉氏变换后再进行Hankel变换及逆变换，由于研究区工作面开采时间t容易满足式(3)，可以简化模型解析并进行拉氏逆变换，最终得到模型的解析解为

当时间t趋于无穷大时，

s1(r,

式中，R为影响半径，m；rw为虚拟抽水井半径，m；K0(x)为零阶第2类虚宗量Bessel函数。

2.3 保护层厚度理论计算

陕北地区的潜水位埋深最有利于植被生长在1.5～5 m[19]，为了达到“保水采煤”的目的，研究区平均潜水位2.5 m，采动越流平均允许下降2.5 m。

表3 保护层计算

Table 3 Calculation of protective layer

土层性质渗透系数/(m·d-1)保护层厚度/m黄土0.017042.6红土0.008421.0

3 合理保护层厚度的水-电相似模拟

目前，煤炭开采地下水渗流的模拟技术主要包括以采动岩土体裂隙场演化为基础的裂隙渗流模拟技术(如UDEC软件)和地下水动力学为基础的地下水渗流模拟技术(如Visual Modflow软件)。前者对裂隙水理性(如不同裂隙开度的渗透性等)有较好的模拟，但对松散砂层含水层渗流、越流及水力边界条件等模拟有局限性；后者对含隔水层结构稳定的大区域渗流场演化有较好的模拟，但对开采扰动含隔水层结构及连续性变异的地下水渗流模拟有局限性。因此，本次研究采用Matlab软件中电路模块结合采动裂隙场演化模拟软件，模拟采煤工作面多层含隔水结构的渗流场演化，进而得出不同采动有效隔水层对应的潜水位降深，得出合理保护层厚度。

3.1 水-电相似原理

水渗流和电流两个系统均受拉普拉斯方程控制，其满足相似基本条件，因此可以用电路来模拟水渗流[21]。该项技术在20世纪60年代就在国际上广泛应用，电网络模拟技术一般是用电阻来模拟含水层的透水性，用电容储存、释放电量来模拟含水层中水储存和释放的R-C电网络模拟方法。近年来，该方法受限于搭建电路模型实物的大额资金投入和行业跨度大，而发展缓慢，但随着电子计算机的飞速发展，利用Matlab软件中的Simulink仿真系统就能够实现R-C网络模型的搭建，在保留电网络模型优点的同时，摒弃了电网络模拟需要物理设备的缺陷。利用Matlab软件进行地下水电模拟的应用，能够快速实现大量节点的网络模型仿真以及易于研究含水层的多层结构。

3.2 水-电模型建立

(1)模型原型

本次模拟的原型为研究区2-2煤的采煤工作面，模型设计为覆岩构成及其水文参数见表4，模型长400 m，高200 m。

表4 模型原始参数

Table 4 Original parameters

序号岩石名称厚度/m渗透性系数/(m·d-1)储水率/m-11松散砂层(萨拉乌苏组)103.88001.7×10-42黄土310.01701.3×10-33红土600.00162.6×10-34风化基岩19.50.08384×10-55基岩77.90.00103×10-3

(2)模型网格划分

模型建立主要考虑采煤工作面覆岩剖面流动情况。工作面剖面划分为41×21的节点网络结构，节点表达方式为i×j，其中i=1,2,3，…，21，j=1,2,3,…,41，如图2(b)所示。

(3)模型单元建立

根据每层岩土特性，定义如图2(a)所示地下水流动示意图。其中，含水层考虑剖面两个方向的水流，而隔水层只考虑垂向的越流补给情况，离石黄土考虑两个方向的流动，基岩相对隔水层渗透系数较小，在未导通情况下当作绝对隔水层模拟。据上所述，利用Matlab软件中的Simulink可视化仿真功能，建立如图2(b)所示地下水运行电网络模型示意。

(4)模型参数

依据相关的相似定律[21]，模型中考虑各向同性，萨拉乌苏组含水层给水度取0.1，潜水水位埋藏深度自左到右取198～195 m，相关电参数见表5。

图2 水-电模型示意

表5 模型电参数

3.3 水-电模型仿真结果分析

在UDEC软件中，建立相同的地质模型，在留设100 m煤柱条件下模拟2-2煤开采裂隙场演化。然后将裂隙场叠置到电路模型中，对基岩裂隙发育区域的电阻进行短路处理，对含水层疏干区域电压接地处理，对不同应力应变路径的土层的电阻依据以往研究成果对电阻进行处理[14]，并依据相似时间比设置开关时间来连续模拟工作面每次来压的含隔水层结构变异及边界条件变化过程，模拟形成以下成果。如图3所示，分别是未开采前(回采0 m)、初次来压(回采45 m)、裂隙发育至风化基岩(回采85 m)、裂隙发育至土层不同厚度(回采100,120,130,150 m)的潜水位的曲线。

以节点20为例(导水裂隙沟通到土层时，节点20始终在裂隙带直接影响范围内)，对比工作面推进过程中潜水位变化情况进行统计，结果见表6。可知：当风化基岩导通10 m时，与天然水位相比潜水位降低0.9 m；当红土保护层40 m、黄土保护层30 m时，与天然水位相比潜水位降低1.1 m；当红土保护20 m、黄土保护层30 m时，与天然水位相比潜水位降低1.3 m；当黄土保护层30 m时，与天然水位相比潜水位降低2.4 m；当黄土层保护层剩余20 m时，与天然水位相比潜水位降低3 m。将模型黄土全部置换为红土时，剩余红土保护层30 m，与天然水位相比潜水位降低1.3 m，剩余红土保护层20 m，与天然水位相比潜水位降低1.7 m。

由于节点20天然水位埋深达3.5 m，生态水位允许降深1.5 m，模拟结果显示黄土剩余30 m或红土剩余20 m达不到保护生态水位的作用，而黄土30 m+红土20 m或红土30 m时可以达到保护生态水位的作用。模拟结果与理论分析结果基本吻合，但模拟结果考虑了具体的采矿和地质条件，如开采周期来压决定了有效隔水土层厚度非连续变化的，而是阶梯变化的，因此模拟结果更接近实际。

图3 回采潜水位曲线

表6 节点20潜水位变化

Table 6 Phreatic level change at No.20

序号工作面推进距离/m有效隔水层土层水位值/m水位降深/m是否保水145黄土30m,红土60m196.50是285黄土30m,红土60m195.60.9是3100黄土30m,红土40m195.41.1是4120黄土30m,红土20m195.21.3是5130黄土30m194.12.4否6150黄土20m193.53.0否7130红土30m195.21.3是8150红土20m194.81.7否

3.4 保水实践

榆树湾煤矿某分层开采工作面是已经开采的、为数不多的煤炭开采有效隔水土层较厚的工作面[4,19]。该工作面主采2-2煤，采厚5 m，上覆岩土层见表7，研究结果表明煤层开采风化基岩被导穿，有效隔水层土层为离石黄土25 m+保德红土70 m，该工作面取得了保水采煤的成功，地表生态没有受到明显影响，这与保护层厚度的理论计算和模拟结果相吻合。

表7 上覆岩土层

Table 7 Overlying rock and soil layers

序号岩石名称厚度/m1松散砂层102黄土253红土754风化基岩205基岩100

4 结 论

(1)依据地下水动力学建立了生态脆弱矿区保护层合理厚度计算的越流模型，得出了潜水位降深与采动有效隔水土层厚度和渗透性、开采强度及其他因素的关系。计算出研究区典型地质条件下离石黄土42.6 m或保德红土21.0 m为最小的保护层厚度。

(2)基于水、电运动相似性，建立了工作面开采的电路模型，并依据采动裂隙场的模拟结果，联合模拟了含水层采动后的水位下降特征，模拟结果与理论计算值基本吻合。

[1] 范立民.论保水采煤问题[J].煤田地质与勘探,2005,33(5):50-53. Fan Limin.Discussing on coal mining under water-containing condition[J].Coal Geology & Exploration,2005,33(5):50-53.

[2] 王双明,黄庆享,范立民,等.生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究[J].煤炭学报,2010,35(1):7-14. Wang Shuangming，Huang Qingxiang，Fan Limin，et al．Study on overburden aquclude and water protection mining regionazation in the ecological fragile mining area[J].Journal of China Coal Society，2010,35(1)：7-14.

[3] 黄庆享,刘腾飞.浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究[J].煤田地质与勘探,2006,34(5):34-37. Huang Qingxing，Liu Tengfei.Simulating test on the subsidence law of subsurface water resisting layer upon shallow coalbed mining[J].Coal Geology and Exploration，2006，34(5)：34-37.

[4] 黄庆享.浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(5):987-992. Huang Qingxiang.Simulation of clay aquifuge stability of water conservation mining in shallow-buried coal seam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(5)：987-992.

[5] 黄庆享,蔚保宁,张文忠.浅埋煤层黏土隔水层下行裂隙弥合研究[J].采矿与安全工程学报,2010,27(1):35-39. Huang Qingxiang，Wei Baoning，Zhang Wenzhong．Study of downward crack closing of clay aquiclude in shallow-buried coal seam[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2010，27(1):35-39．

[6] 黄庆享．浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类[J].岩石力学与工程学报,2010,29(S2):3622-3627． Huang Qingxiang．Impermeability of overburden rock in shallow buriedcoal seam and classification of water conservation mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S2):3622-3627．

[7] 黄庆享,张文忠．浅埋煤层条带充填保水开采岩层控制[M].北京：科学出版社，2014． Huang Qingxiang,Zhang Wenzhong.Strata control in shallow seam strip filling water preserved mining[M].Beijing:Science Press,2014．

[8] 刘玉德.沙基型浅埋煤层保水开采技术及其适用条件分类[D].徐州:中国矿业大学,2008.

[9] 武强,董东林,石占华,等.华北型煤田排-供-生态环保三位一体优化结合研究[J].中国科学(D辑:地球科学),1999,29(6):567-573. Wu Qiang,Dong Donglin,Shi Zhanhua,et al.Row-for-ecological and environmental protection three-in-one combination of the North China type coal field[J].Science in China(Series D),1999,29(6):567-573.

[10] 彭苏萍,张博,王佟,等.煤炭资源与水资源[M].北京:科学出版社,2014.

[11] 顾大钊.煤矿地下水库理论框架和技术体系[J].煤炭学报,2015,40(2):239-246. Gu Dazhao.Theory framework and technological system of coal mine underground reservoir[J].Journal of China Coal Society,2015,40(2):239-246.

[12] 李文平,叶贵钧,张莱,等.陕北榆神府矿区保水采煤工程地质条件研究[J].煤炭学报,2000,25(5):449-454. Li Wenping,Ye Guijun,Zhang Lai,et al.Study on the engineering geological condition of protected water resouces during coal mining action in Yu-Shen-Fu Mine Area in the North Shaanxi Province[J].Journal of China Coal Society,2000,25(5):449-454.

[13] 邵飞燕.神东矿区含水层转移存储在保水采煤中的应用[D].徐州:中国矿业大学,2008.

[14] 李涛.陕北煤炭大规模开采含隔水层结构变异及水资源动态研究[D].徐州:中国矿业大学,2012.

[15] 李涛,王苏健,李文平,等.沙漠浅滩地表径流保水煤柱留设生态意义及方法[J].采矿与安全工程学报,2016,33(1):134-139. Li Tao,Wang Sujian,Li Wenping,et al.Ecological significance and method to design protective coal pillar on surface runoff in desert shoal area[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33(1):134-139.

[16] 李琰庆.导水裂隙带高度预计方法研究及应用[D].西安:西安科技大学,2007:44-61.

[17] 范立民,马雄德,冀瑞君.西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展[J].煤炭学报,2015,40(8):1711-1717. Fan Limin，Ma Xiongde，Ji Ruijun.Progress in engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area[J].Journal of China Coal Society，2015，40(8)：1711-1717.

[18] 胡小娟,李文平,曹丁涛,等.综采导水裂隙带多因素影响指标研究与高度预计[J].煤炭学报,2012,37(4):613-620. Hu Xiaojuan,Li Wenping,Cao Dingtao,et al.Index of multiple factors and expected height of fully mechanized water flowing fractured zone[J].Journal of China Coal Society，2012，37(4)：613-620.

[19] 王双明,黄庆享,范立民,等.生态脆弱区煤炭开发与生态水位保护[M].北京:科学出版社,2010.

[20] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及注意井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000.

[21] 薛禹群.地下水动力学[M].北京:地质出版社,2003.

Reasonable thickness of protected loess under loose aquifer in ecologically fragile mining area

LI Tao1,2,3,WANG Su-jian2,3,HAN Lei2,3,GAO Ying2,3

(1.Post-DoctoralMobileResearchCentreofGeologicalResourcesandGeologicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710065,China;2.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstitute,Xi’an710065,China;3.National&LocalUnitedEngineeringResearchCenterofGreenSafetyEfficientMining,Xi’an710065,China)

In order to protect the ecological phreatic level in ecologically fragile mining area,the reasonable thickness of protected loess with mining were studied.Based on groundwater dynamics,the mechanisms of phreatic level leaky with mining had been analyzed.Also,the laws of phreatic level variation with different mining residual thickness and the physical properties of loess had been analyzed by water-electric similar simulations.The results show that the more leaky head and the weaker water isolation,the smaller phreatic decline with mining.While 42.6 m loess of Lishi Group or 21.0 m loess of Baode Group,the mining phreatic level can range in the ecological phreatic level for the typical geological condition of the study area.Water-electric similar simulations of typical geological condition in mining workface is achieved by multiple software.The relationship of mining residual thickness and phreatic decline shows that water-electric simulation results are anastomosing in theoretical results.The results are preliminarily proved by engineering practice.

water-preserved mining;protective layer;similar simulation;loess layer;leaky

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5016

2016-07-02

2016-12-20责任编辑:毕永华

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2014CB047100)

李 涛(1984—)，男，江苏沛县人，高级工程师，博士，在站博士后。E-mail:qazwdx521@163.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0098-08

李涛，王苏健，韩磊，等.生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土层合理厚度[J].煤炭学报,2017,42(1):98-105.

Li Tao,Wang Sujian,Han Lei,et al.Reasonable thickness of protected loess under loose aquifer in ecologically fragile mining area[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):98-105.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5016