煤矿井地下水系统与矿井涌水

傅耀军，潘树仁，杜金龙

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

煤矿井地下水系统与矿井涌水

傅耀军，潘树仁，杜金龙

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

遵循空间守恒，采煤空间转化为新增地下含(透)水空间和地面沉降空间。裂隙带、冒落带叠置而成的二元结构体构成矿井地下水含水系统，其中的地下水弹性释放和重力释放是矿井涌水的最初、最直接来源和重要组成。该系统空间为原生地下水系统新的排泄区(汇)，并以此为中心形成矿井地下水流动系统。随着工作面关闭，地下水位(压)回升，矿井地下水系统与原生地下水系统不断叠加、耦合，直至矿井关闭，形成新的区域地下水系统。矿井地下水系统作为局部地下水系统，其非均质性及流线折射规律为矿井污染的扩散提供了水动力条件。矿井地下水系统特性，决定了工作面接替方向对矿井涌水量的重要影响。

原生地下水系统；冒裂二元结构体；承压含水岩块；矿井地下水含水系统；矿井地下水流动系统；矿井地下水系统

煤炭开采形成巨大的地下空间，伴随着煤层顶板含水层结构改变、地下水赋存状态转化以及地表沉降变形、地貌重塑，进而引发地表水小流域形成。这些因素在深刻影响矿井所处原生地下水系统的同时，组合构成了采煤次生地下水系统-矿井地下水系统。

矿井地下水含水系统以工作面为基本单元，相对独立又相互联系，随着工作面的不断接替，形成规律性分布的地下含水空间。工作面由开采期开放的汇水、排泄系统，到关闭后的封闭汇水系统，直至矿井停采闭坑，形成宏大的地下水汇、源和流动系统。随着地下水的汇集、水位(压)回升，矿井地下水系统又作为区域原生地下水系统的局部系统参与其循环。

我国的能源结构及煤炭的赋存规律，必然地造成了其分布广远、星罗棋布，且不断发展延伸。因此，矿井地下水系统研究对矿井涌水机理刻画、涌水量预测、水害防治、地下水资源保护与利用、矿山环境保护与治理以及水文地质勘查等有重要意义。

本文以煤层顶板地下水系统为研究对象，旨在揭示矿井地下水系统特征。

1 矿井地下水含水系统

煤炭资源与地下水资源相伴而生，在空间上呈复杂的叠置关系。按含水层与煤层的空间位置关系，可分为顶板含水系统和底板含水系统；按含水系统的空隙特征又可分为孔隙、裂隙、孔隙-裂隙及岩溶等含水系统。含水系统的空间组合及与地下水流动系统的藕合，构成矿区(区域)原生地下水系统(图1)。

矿井地下水含水系统是指采煤过程中，煤层顶板岩层破断冒落及破裂形成的含水空间区域，由冒落带(空隙层)和裂隙带(裂隙层)组成，称冒裂二元结构体。其中，下部冒落带由岩块冒落堆积而成，含水空间既包括岩块间的空隙，又包括岩块中的破断裂隙和原生空隙，简称空隙层；上部裂隙带由新生裂隙和原生空隙构成含水空间，简称裂隙层。单工作面矿井地下水含水系统以二元结构体顶、底及四周原岩为界，呈不规则六面体展布，空间范围与导水裂隙(缝)带一致，侧向边界往往超出采煤边界(图2)。

图1 原生地下水系统剖面Figure 1 Primary groundwater system section

图2 矿井地下水含水系统二元结构Figure 2 Binary struct of mine underground water-bearing system

由于这种人工形成的含水空间远大于原岩，因此，矿井地下水含水系统主要表现出次生的空隙-裂隙二元结构特征，而原岩的含水空隙处于从属功能地位。在上覆地层沉降变形前，矿井地下水含水系统有着与采出煤岩体体积等量的含水空间。随着上覆地层的下沉、地面沉降，含水空间被压缩。

设定采煤地下空间遵循空间守恒，则矿井地下水含水系统的含水空间可用下式表示：

V采=V巷+V空+V裂+V离+V沉+ΔV

式中：V采—采出煤岩体体积；

V巷—井、巷空间；

V空—空隙层新增含水空间；

V裂—裂隙层新增含水空间；

V离—离层空间；

V沉—地面沉降空间；

ΔV—岩石碎胀等引起的含水空间变化。

用V含表示矿井地下水含水系统含水空间：

V含=V空+V裂

则

V含=V采-(V巷+V离+V沉+ΔV)

单工作面矿井地下水含水系统边界呈空间六面闭合形态，底部边界为煤层底板，通常为隔水边界；顶部边界因触及原生地下水系统而显复杂。为概化覆岩水文地质条件，将导水裂隙带高度小于覆岩厚度且未触及基岩风化带或其顶界含水层者视为“厚”基岩，反之为“薄”基岩。同时考虑松散含水层成因类型及水文地质特征，将松散层底部含水层区分为潜水含水层和承压含水层。据此将顶部边界条件划分为六类(表1)。

表1 矿井地下水含水系统顶部边界特征

显然，“薄”基岩者多为给水或透水边界，“厚”基岩多为隔水边界。

四周边界则是隔、透水相间的局部透水边界，它们结构相同、功能相近，侧方水位(压)的差异决定其断面流量大小。各工作面矿井地下水含水系统被煤岩柱所隔，相对独立，又相互关联，最终形成布满井田复杂而有序的矿井地下水含水系统。

2 矿井地下水流动系统

2.1 矿井水的形成

矿井水通常是指矿井地下水含水系统释放和通过其边界汇入采掘空间的地下水。

随着煤炭采出、工作面推进，矿井地下水含水系统随之延展、逐步形成，赋存其中的地下水不断释放、渗出，汇集成涌转化为矿井水排出地表。由矿井地下水含水系统结构特征及其边界条件不难看出，通常情况下矿井水主要由两部分构成，一是矿井地下水含水系统的二元结构体释水，二是矿井地下水含水系统透水边界外侧含水层侧向补给。二元结构体形成之初，岩层冒裂，煤层顶板承压含水层垮落、破裂为承压含水岩块和裂隙层，承压水头骤降为零，承压水弹性贮存瞬间释放，形成最初的矿井涌水。弹性释放之后便是重力释水，饱水的裂隙含水岩块、裂隙含水岩体涔满水珠，溋涓成流，演绎地下水向矿井水的蜕变。与此同时，矿井地下水含水系统外部地下水通过近乎规则的边界过水断面源源不断汇入矿井。

相邻两次冒落间隔时间内，矿井地下水含水系统释放和汇入矿井的水量表示为：

Q井=Q内+Q外

式中：Q井——矿井水量，m3;

Q内——矿井地下水含水系统冒裂二元结构体释放水量，m3；

Q外——通过矿井地下水含水系统边界汇入水量，m3。

前已述及，二元结构体由冒落空隙层和裂隙层(带)叠置而成，因此其释水量为两层释水之和。

Q内=V含=Q空+Q裂

式中：Q空——冒落空隙层释水量，m3；

Q裂——裂隙层(带)释水量，m3。

冒落空隙层释水量可用下式表示：

式中：d——冒落次数；

n——冒落含水层数；

Fj——第j次冒落面积，m2；

Hi——第i含水层承压水头，m；

mi——第i层含水层厚度，m；

ui——第i含水层给水度。

同理：

式中：p——破断裂隙含水层数；

He——第e含水层承压水头，m；

me——第e层含水层厚度，m；

ue——第e含水层给水度。

则：

上式为矿井地下水含水系统(冒裂二元结构体)释水公式。

采空区逐步扩大，冒裂二元结构体随之积累延展，其释水过程与煤层顶板周期性冒落同步。

基于传统采煤方法、规模等因素的矿井涌水量预测，囿于对矿井水文地质条件的简单概化，对矿井地下水含水系统认识不足，忽略了矿井地下水含水系统冒裂二元结构体的存在，或仅重视其导水作用，而忽视了其自身含水的释放。这是矿井涌水量预测往往误差较大的重要原因之一。如，常用的“大井法”就忽视其“井”中含水介质的存在，漏掉了矿井最初、最直接的涌水，因此用它来预测矿井涌水量，有时就存在一定的误差。

在矿井地下水含水系统冒裂二元结构体释水的同时，原生地下水系统通过矿井地下水含水系统边界过水断面向矿井汇水、排泄。可用计算各断面单宽流量等方法，求得总汇水量。

式中：r——过水断面数；

Qg——第g过水断面流量。

相邻工作面矿井涌水量预测，可用同样方法、原理，但流场已发生变化，形成了水压(位)降落漏斗，计算参数相应改变。余此类推。

矿井地下水含水系统及其释水、汇水研究，进一步揭示了矿井水形成机理。

2.2 矿井地下水流动系统特征

随着矿井地下水含水系统地下水的释放及其边界过水断面地下水汇入形成矿井水，矿井地下水含水系统成为原生地下水系统新的排泄区或汇，并以此为中心形成局部地下水流动系统。其所占据空间随降压(落)漏斗不断扩展，直至在某一空间范围趋于稳定。

工作面接替，局部地下水流动系统流场被扰动，动平衡被打破，叠加形成新的局部地下水流动系统。关闭后的工作面，其矿井地下水含水系统水位(压)回升，汇水强度渐弱，水压(位)与原生地下水系统形成新的平衡时，参与其循环。此时局部地下水流动系统占据空间与矿井地下水含水系统逐步趋同，地下水、矿井水在此混合，并与冒裂二元结构体及采煤遗留物质作用后流向下游。由于矿井地下水含水系统渗透性较原含水层显著增强，其边界为非均质界面，按折射定律，流线通过边界进入矿井地下水含水系统将向下折射，流出则向上折射。这样的流场特征对矿井水污染物扩散十分有利。显然，矿井地下水流动系统具有水质混合功能，容易成为相关含水层的污染源。若矿井地下水含水系统顶部边界为薄基岩型，其环境负效应将更为突出。

由矿井地下水流动系统特征不难看出，由于流场的变化及水头分布的差异，采煤工作面的接替方位(向)将影响其透水边界汇水强度。把采煤工作面接替方向与原生地下水系统径流方向的空间关系概化为同向、反向和垂向三种主要模式。可见，同向模式由于接替工作面位于关闭工作面下游，两者相邻边界地下水位(压)因降落漏斗的不对称扩展，趋于降至煤层地板，断面流量及矿井水量相应减少；反向模式由于接替工作面位于关闭工作面上游，迎水而上，其涌水量显然较同向模式大；垂向模式如集水廊道延展，无疑是涌水量相对最大者。为减少矿井排水、保护水资源，采煤工作面布置应考虑矿井地下水流动系统特征，宜与地下水径流同向。

3 矿井地下水系统

随着采煤工作面的接替，矿井地下水含水系统空间不断扩展，矿井地下水流动系统在变化中趋于动态平衡，局部矿井地下水系统形成。这一过程伴随着较早形成的矿井地下水含水系统水位(压)回升、水资源积聚及水化学场重构。矿井关闭后，以众多工作面为单元构成的矿井地下水含水系统与各期次矿井地下水流动系统组成矿井地下水系统。在与原生地下水系统不断耦合的同时，汇集地下水，犹如地下水库蓄水，生成封闭环境下的矿井水，最终融入新的区域地下水系统，以“采空积水”的别样特征参与区域地下水系统循环(图3)。

图3 矿区(井)区域地下水系统Figure 3 Mine (area) regional groundwater system

矿井地下水系统是采煤产生的矿井地下水含水系统与其汇、源作用控制下的矿井地下水流动系统在时、空上的复杂组合。 由于其伴生于采掘工程，因此发育过程漫长而复杂，所占据的空间也是不断延展的。矿井闭坑或停采后，水位(压)回升，矿井地下水系统与原生地下水系统重新耦合、叠加，生成新的区域地下水系统。若在原生地下水系统空间内有多个矿井采掘生产，则会形成矿井地下水系统间的干扰、袭夺，对原生地下水系统的改造将更为深刻，新生的区域地下水系统将愈加复杂。矿井地下水系统研究须立足原生地下水系统的认识和刻画。

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CoalmineMineGroundwaterSystemandMineWaterInrush

Fu Yaojun, Pan Shuren and Du Jinlong

(Geological Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039)

According to the space conservation principle, the mined-out space can be translated into new added underground water-bearing (permeable) space and surface subsidence space. The binary struct of superimposed fissure zone and caving zone has constituted mine underground water-bearing system; therein groundwater elastic release and gravity release are the mine water inrush initial, direct source and essential component. The space of the system is a new discharge (catchment) area of primary groundwater system, and taking the area as the center formed groundwater flow system. With the working face closing, groundwater level (pressure) is picking up; mine groundwater system and primary groundwater system ceaselessly superimposing and coupling till the mine closed, thus have formed a new regional groundwater system. Mine groundwater system as a local groundwater system, its anisotropy and flow line refraction pattern have provided hydrodynamic conditions for mine water pollution dispersing. The mine groundwater system characteristics have decided the impacts from working face succeeding orientation on mine water inflow.

primary groundwater system; binary struct; confined water-bearing block; mine underground water-bearing system; mine groundwater flow system; mine groundwater system

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.07

1674-1803(2017)10-0041-05

A

傅耀军(1959—)，男，教授级高工，主要研究方向为水文地质、煤矿防治水。

2017-08-20

责任编辑：樊小舟