烧变岩富水特征与采动水量损失预计

侯恩科，童仁剑，冯 洁,2，车晓阳

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 现代煤炭开采技术研究所，陕西 西安 710065)

烧变岩富水特征与采动水量损失预计

侯恩科1，童仁剑1，冯 洁1,2，车晓阳1

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 现代煤炭开采技术研究所，陕西 西安 710065)

烧变岩含水层是榆神府矿区重要的生态水源。为研究采煤引起的烧变岩水量损失和烧变岩水保护问题，分析了烧变岩的分类、分布特征、水力联系和富水特征，运用数值模拟方法预计了采动引起的烧变岩水量损失，提出了烧变岩水“异地储存”的三种途径。研究表明：烧变岩可分为三大类五小类，烧结岩、类熔岩是主要储水载体；烧变岩分布受地形控制，规模受煤厚、出露高度和自燃条件影响，富水性受补给条件、排泄条件和储水条件决定；烧变岩含水层接受上覆含水层的补给，以泉和矿井疏放水的形式进行排泄；模拟得到需要疏放的烧变岩含水层水量和钻孔布设方案。在总结以往保水采煤经验基础上，提出采用水库储水、采空区储水和地表灌溉三种“异地储存”途径来保护利用烧变岩水资源。

烧变岩；保水采煤；地下水数值模拟；采空区储水；异地储存

烧变岩是煤层等有机质自燃烘烤使围岩发生颜色、成分、结构和构造变化而形成的特殊岩类[1-2]，在榆神府矿区大面积分布。烧变岩因裂隙、孔隙发育，为地下水径流、储存提供了良好空间，常与松散层、风化基岩含水层一起成为矿区的主要含水层[3-4]。对于水资源贫乏的陕北地区而言，烧变岩含水层是重要的生态水源，也是保水采煤的重点研究对象[5-7]。烧变岩常压覆大量优质煤炭资源，在其下方、侧方采煤时会导致烧变岩水涌入矿井，使烧变岩水资源遭到破坏，同时又给煤矿安全生产造成威胁。基于保水采煤的理念，有学者提出在火烧区原地建立供水水源地的观点[4-5]，即利用泄水钻孔使烧变岩水进入矿井供水系统加以利用[8]，但往往因效益因素并未广泛采用。以往关于烧变岩的研究主要集中在形成时代、形成机理、分类、岩石学特征、地球化学特征、探测方法、水文地质特征和静水储量等方面[1-2,9-15]，对烧变岩下覆煤层采动造成的水量损失预计及烧变岩水“异地储存”保护问题研究甚少，故有必要对该问题综合研究，以满足煤矿水害防治和水资源保护的需要。

陕北榆神府矿区以黄土沟壑区和风沙滩地地貌为主，侏罗纪煤层烧变岩广泛分布，整体呈阶梯、条带状展布，局部还存在多煤层重叠火烧区。笔者以该矿区某煤矿典型重叠火烧区为研究对象，在分析烧变岩分布特征、水文地质特征的基础上，建立该区地下水流系统概念模型，对烧变岩下伏煤层开采需要疏放的烧变岩水量进行预测，进而探讨烧变岩水资源保护的保水采煤途径。

1 研究区概况

研究区位于榆神府矿区某煤矿井田内水库的西北侧，面积约15.05 km2。研究区即为本次地下水流场模拟的范围(图1)，它是根据该井田地貌、水系、地下水力联系、火烧区范围和工作面布置情况综合确定的。该研究区目前还未布置工作面，地下水流系统基本未受扰动，且区内火烧区范围大、厚度大、连续性好，又存在2-2，3-1煤层重叠烧变岩，在榆神府矿区代表性强，具有重要研究价值。

图1 研究区地形及烧变岩分布

2 烧变岩富水特征

2.1 烧变岩分类及特征

根据成分、结构、构造和烧变程度差异可对烧变岩进行分类。以往多数学者将烧变岩分为类熔岩、烧结岩和烘烤岩3类[1-2]，也有学者将其分为烧熔岩、烧烤岩2类[10]，还有学者将其分为熔合烧变岩、烘烤烧变岩和熔—烤过渡烧变岩3类[9]。根据笔者在研究区及周边地区实际调查结果，认可将其划分为烘烤岩、烧结岩和类熔岩3类，也可细分为强类熔岩、弱类熔岩、强烧结岩、弱烧结岩和烘烤岩五小类(表1)。不同类型烧变岩的水文地质意义差别很大，烧结岩、类熔岩孔隙、裂隙发育，是主要的储水载体。

2.2 烧变岩分布特征

研究区内发育有2-2，3-1煤层烧变岩，分布上表现为受古冲沟控制、现代冲沟后期改造的特点，总体上沿冲沟呈条带状分布，且经物探、钻探验证存在双煤层重叠火烧区(图1)。烧变岩的分布位置由古地形决定，基本沿古冲沟两侧分布。烧变岩的分布规模则受煤层厚度、出露高度和自燃条件影响。其中煤层越厚，燃烧释放的热量越多，所形成的烧变岩发育深度和高度就越大；煤层出露越高，空气流通相对更好，自燃深度也就越大；自燃条件中与煤层接触的氧气、水分、气温和气压越适宜，就越容易自燃。

表1 烧变岩分类

Table 1 Classification of burnt rock

类型颜色烧变程度成分结构构造裂隙发育情况烘烤岩浅红、土红、灰绿、淡紫色轻微基本不发育烧变、高温矿物原岩结构原岩层理构造裂隙以闭合为主弱烧结岩强烧结岩棕红、紫红、红褐、肉红、灰白色强烈无高温矿物,少量烧变矿物少量高温矿物,以烧变矿物为主变余结构层块状、薄层状、角砾状、瓷化构造,常见胶结物发育裂隙少量发育裂隙较发育、张开性较好弱类熔岩强类熔岩褐红、棕、紫、灰褐、灰黑、黑、黑紫、铜色熔化高温矿物为主熔融结构流纹状、蜂窝状、气孔状、炉渣状构造孔隙、裂隙发育孔隙、孔洞很发育

烧变岩分布特征可从空间上细分为垂向分带特征和平面分布特征。垂向自上而下大体呈现出烘烤岩带—烧结岩带—类熔岩带组合特征，煤层越厚，该组合越完整。平面上烧变岩的分布特征为：2-2，3-1煤火烧区面积分别为7.20,2.51 km2，重叠面积为1.08 km2，最大自燃深度分别为2.40,2.10 km，平均厚度分别为8.73,4.88 m(未计烘烤岩厚度)。可见，2-2煤比3-1煤厚，出露高，自燃条件好，其烧变岩规模就相对更大。此外，烧变岩出露后容易遭受风化剥蚀，故早期烧变岩分布范围可能更大。

根据野外调查和矿井涌水量分析，分布在黄土沟壑区的烧变岩受地形切割剥蚀，分布面积普遍不大，静水储量相对较小；风沙滩地区隐伏的烧变岩，剥蚀程度小，自燃深度大，分布面积广，静水储量大。研究区所在区域为向西缓倾的宽缓向斜构造，风沙滩地分布在主沟西南侧，其松散层含水层富水性比黄土沟壑区好，更容易形成富水性好的储水构造。

2.3 烧变岩水力联系特征

不同地区的火烧区与矿区渗流场水力联系规律基本类似(图2)。即在工作面开采前，地表水入渗到第四系松散层后，通过“天窗”、露头、封闭不良钻孔等通道越流到基岩裂隙含水层或烧变岩含水层，然后沿隔水层向低洼处汇聚，在沟壑区以泉的形式排泄。研究区内保德组红土隔水层局部存在缺失，使风积沙、萨拉乌苏组含水层和风化基岩、2-2煤烧变岩含水层之间存在水力联系。2-2煤烧变岩比3-1煤烧变岩富水性好，受J2y4隔水层的影响，两个含水层之间水力联系可能不大。在汛期，位于洪水水位以下的基岩和烧变岩露头还可直接接受沟道流水补给。随着巷道掘进及煤层开采，冒裂带可沟通各含水层，使其水力联系发生改变，地下水汇聚至工作面，最后通过矿井排水设施将烧变岩水疏排至地表或作其他用途。

2-2煤烧变岩含水层是威胁3-1煤开采的主要含水层，据水位标高可做出含水层流场图(图3)。含水层地下水水位变幅在3 m左右，流场趋势为从南向北，在露头处通过Q08泉进行排泄，泉水流量在5～14.5 L/s波动，受季节影响明显，存在滞后性。

图2 火烧区地下水循环示意

图3 2-2煤层烧变岩含水层流场

2.4 烧变岩富水性特征

烧变岩的富水性分布不均，主要受补给条件、排泄条件和储水条件控制。补给条件包括上覆含水层补给量、补给通道；排泄条件即以泉、基岩露头为主的排泄通道；储水条件即储水空间规模、孔隙裂隙发育情况、储水构造。其中储水构造对烧变岩含水层的静储量起决定因素，储水构造主要为利于储水的宽缓向斜构造。由2-2煤烧变岩底板等高线图可知(图4)，火烧区西部地势低洼，远离沟道，地下水径流缓慢，为良好汇水区域。火烧区西部钻孔(B5、B6)单位涌水量和渗透系数比东部钻孔(B21)大(表2)，表明西部火烧区富水性更好。

图4 2-2煤层烧变岩底板等高线

抽水钻孔揭露的研究区烧变岩含水层厚度为1.45～5.05 m，单位涌水量为0.004 2～2.430 0 L/(s·m)。2-2煤烧变岩渗透系数比3-1煤烧变岩大，以中等—强富水性为主。3-1煤烧变岩富水性受火烧区宽度、规模、向斜构造和隔水层等多种因素制约，表现为弱—中等富水性。

表2 火烧区水文地质参数

Table 2 Hydrogeological parameters of burnt area

抽水层位孔号含水层厚度/m单位涌水量/(L·s-1·m-1)渗透系数/(m·d-1)B211.450.1782.7022-2煤烧变岩B53.102.43011.33B65.052.36755.453-1煤烧变岩B82.400.0040.041B204.950.2050.446

3 采动水量损失预测

采动水量预测方法一般可分为数值模拟法和统计分析法两类，数值模拟法对复杂边界条件及非均质地层结构适应性好，是研究烧变岩含水层的首选方法。

3.1 水文地质概念模型

地下水流场模拟范围的确定，应以研究区水文地质条件为依据，同时充分考虑地下水系统的完整性和独立性。模型范围北至井田大巷，西北、东北、正南以分水岭为界，西以井田边界为界，东南边界位于4-2煤火烧边界以北。

边界条件的概化分为垂向边界概化和侧向边界概化。垂向边界概化即潜水含水层自由水面为模型上边界，3-1煤以下20 m厚的基岩因地层渗透系数和单位储水系数极小，隔水性能良好，将其概化为模型的底部隔水边界。侧向边界据模型层位进行分层概化，具体根据各层位的底板等高线图和水位来大致确定地下水径流方向，并计算侧向径流排泄量。模型层位概化为7层，从上往下依次为第四系(Q)、保德组(N2b)、风化基岩和延安组五段组合(J2z-J2y5)、2-2煤烧变岩(2-2sby)、2-2煤层和延安组四段组合(2-2-J2y4)、3-1煤烧变岩(3-1sby)、3-1煤层和延安组三段组合(3-1-J2y3)。

3.2 地下水流数值模型

模型概化为三维非均质各向异性非稳定地下水流系统，采用GMS软件中的MODFLOW模块进行求解。研究区面积较大，考虑到计算精度和效率，将网格剖分为30行30列，为形象观察地层空间组合关系(图5)，对模型第23行网格进行切剖面显示(图6)。模型识别期从2014-04-01—10-01，验证期从2014-10-01—2015-03-30。长观孔共3个，其中2-2煤烧变岩钻孔2个，3-1煤烧变岩钻孔1个。参数分区是依据抽水试验成果、岩性分布、岩层结构和其它水文地质条件空间变化对模型各层单独分区(图7)。初始水文地质参数来自抽水试验成果、前人相关研究资料和《水利水电工程水文计算规范》中的经验值，再通过参数反演确定最终各分区水文地质参数(表3)。最后对降水入渗补给量、侧向径流补给排泄量、泉水排泄量、潜水蒸发量、矿井排水量等源汇项进行计算并赋值给模型。

图5 水文地质结构模型

图6 模型空间剖分图

图7 数值模拟参数分区

3.3 模型识别验证

模型的识别验证即通过多次调整模型的参数如渗透系数、给水度和储水率等，使模型计算出来的水位值与实际水位观测值的误差尽可能小。本模型识别、验证阶段水位拟合误差基本在1 m以内(图8,9)，其中识别期水位拟合小于0.5 m的绝对误差占已知节点的75.36%，验证期水位拟合小于0.5 m的绝对误差占已知节点的82.61%，拟合效果良好，模型合理可靠，可用于研究区地下水位的预测。

3.4 采动损失量预测

为保证煤矿生产安全，当含水层水位低于该含水层底板时，可认为该含水层地下水已被疏干。由于含水层是一个整体，分布面积广，疏干整个含水层是没有必要的，只需要疏干影响工作面一定范围内的含水层即可达到煤层安全开采的目的。研究区3-1煤A、B工作面在2-2煤烧变岩的直接影响范围内(图10)，矿井疏放水采用Well(抽水井)模块进行模拟。在烧变岩含水层布置抽水井，运行模型，抽水时间为4个月，根据结果优化抽水位置和流量，直到烧变岩含水层水位全部下降至底板以下，该抽水流量即为影响范围内火烧区预计的采动损失量。模拟最终设计的抽水井布置及疏放后火烧区地下水流场如图10所示。

表3 数值模型分区部分参数数值解

Table 3 Numerical solution of partial numerical modeling parameter zonation

参数分区水平渗透系数/(m·d-1)垂向渗透系数/(m·d-1)给水度储水率/(L·m-1)10.30.060.15—20.30.060.15—30.000080.000008—1.0×10-740.000100.000010—0.00005530.6—0.0008060.001330.000133—0.00001710.2—0.0002080.00050.000050—0.00001

图8 识别期实测值与计算值的拟合曲线

图9 验证期实测值与计算值的拟合曲线

图10 抽水井布置及疏放后火烧区地下水流场预测

模拟得到4个月内需要疏放水量0.98×106m3，平均每日疏放水量为8 166.67 m3/d，即340.28 m3/h。该水量主要由烧变岩含水层静储量构成，此外还包括上覆风化基岩、萨拉乌苏组含水层和大气降水等少量补给水量。同时根据抽水井模拟流量发现，B工作面面临的烧变岩水害比A工作面严重，且B工作面西侧的水害要比东侧的严重，南部又要比北部严重。B工作面中部烧变岩水害虽轻，但在沟道处由于采动裂缝会导通到地表，在汛期应采取措施预防暴雨等地表水灌入工作面而引发水害。

此外工作面上覆火烧区可视为一狭长廊道，形状为矩形，采用“廊道法”进行烧变岩含水层矿井涌水量预计，得到由火烧区含水层引起的涌水量为399.17 m3/h，该涌水量会给矿井生产造成极大威胁。火烧区富水性分布不均，目前暂无陕北地区火烧区下采动水量预计相关研究可供参考，考虑到数值法比统计分析法更客观，故认为上述疏放水量等价于采动损失水量，即保水采煤需要“异地储存”的烧变岩含水层水资源量为0.98×106m3。

4 保水采煤途径

煤炭高强度开采和水资源保护往往相互制约，保水采煤的提出就是为了实现陕北脆弱生态环境的可持续发展。保水采煤理论从早前的合理开采区域、合理开采方法深化为生态水位保护及水资源保护利用相结合，取得了丰富的理论和实践成果[5-7,16]。其中生态水位保护即隔水层的保护，本质在“防渗”；水资源保护利用相结合主要指采空区储水、矿井水复用，核心在“转储”利用。针对烧变岩保水采煤的实践，因其裂隙发育、富水性较好，目前主流思想是在火烧区建立供水水源地，暂不进行下覆及侧方煤层的开采，其本质和生态水位保护类似，该方案适合烧变岩下覆无煤或煤层较薄、储量较小或开采不经济的地区。

本研究区及周边地区在烧变岩下还有3-1煤、4-2煤和5-2煤，均属中厚—厚煤层，根据工作面布置计划，2 a后将进行3-1煤综采。若现在建设供水水源地，将会严重打乱生产进度安排、提高生产成本，未来也是威胁下覆煤层开采的重大隐患。烧变岩成条带状展布，水源地建设的效益如何也有待商榷。因此，结合保水采煤理念，研究认为将烧变岩水提前疏放，进行“异地储存”，才是保护水资源、实现矿井水资源化同时达到水煤共采行之有效的途径[17]。具体“储存”模式可分为水库储水、采空区储水和地表灌溉三种。研究区东侧有2个天然水库，完全可储存下98万m3的水量，故烧变岩水疏放后经专用排水管道再适当处理后即可排泄至水库。研究区东部多个5-2煤工作面已开采完毕，其采空区也可储存一部分烧变岩水。此外，矿区生态恢复治理也需要用水，将烧变岩水输送至地表进行灌溉，使其重新入渗到地下也是一种可选的“储存”途径。

5 结 论

(1)烧变岩是陕北保水采煤和矿井防治水的重点研究对象，其分布位置受地形决定，分布规模受煤厚、出露高度和自燃条件影响。富水性受补给条件、排泄条件和储水条件控制，其中利于储水的宽缓向斜构造对烧变岩静水储量大小起决定作用。

(2)数值模拟法能直观有效地模拟采动引起的烧变岩水量损失和疏放水钻孔布设，有利于指导防治水工程布置，对保水采煤有重要参考价值。

(3)保水采煤的实施应该因地制宜。研究区烧变岩水宜采用水库储水、采空区储水和地表灌溉3种“异地储存”途径进行保护利用。

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Water enrichment characteristics of burnt rock and prediction on water loss caused by coal mining

HOU En-ke1，TONG Ren-jian1，FENG Jie1,2，CHE Xiao-yang1

(1.SchoolofGeologyandEnvironment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.ModernCoalMiningTechnologyResearchInstitute,ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstituteCo.,Ltd.,Xi’an710065,China)

The burnt rock aquifer is an important ecological water resources in Yushenfu mining area.In order to study the water loss and protection of burnt rock,this paper analyzed classification,distribution,hydraulic connection and water enrichment feature of burnt rock.Numerical simulation method was used to predict water loss which caused by mining and then concluding three approaches of “offsite storage” burnt rock water.The research shows that burnt rock can be divided into 3 categories and 5 small classes,among them sinter rock and similar lava rock are main water storage carriers.The distribution of burnt rock is controlled by topography,while the scale is affected by coal seam thickness,exposed height and spontaneous combustion conditions.Besides,water abundance of burnt rock is determined by supply condition,excretion condition and water storage condition.The result also shows the burnt rock aquifer is subjected to the recharge of the overlying aquifer and excreting by spring and mine drainage.Additionally,draining water quantity and borehole design was summarized by numerical simulation.On the basis of experience of water-preserved mining,three methods could be summarized to protect and utilize water resource of burnt rock,which are reservoir water storage,goaf water storage and surface water irrigation.

burnt rock；water-preserved mining；numerical simulation of groundwater；goaf water storage；offsite storage

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5055

2016-11-15

2016-12-05责任编辑:毕永华

国家自然科学基金面上资助项目(41472234)；陕西省社会发展攻关资助项目(2014K13-03)

侯恩科(1963—)，男，陕西扶风人，教授，博士生导师。Tel：029-85583057，E-mail：houek@xust.edu.cn

TD745;TD823

A

0253-9993(2017)01-0175-08

侯恩科，童仁剑，冯洁，等.烧变岩富水特征与采动水量损失预计[J].煤炭学报,2017,42(1):175-182.

Hou Enke，Tong Renjian，Feng Jie，et al.Water enrichment characteristics of burnt rock and prediction on water loss caused by coal mining[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):175-182.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5055