重复采动区域煤层顶板含水层的富水性评价

2021-07-27梁少剑刘美乐

黑龙江科技大学学报 2021年4期

樊敏，梁少剑，刘美乐

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，西安 710065)

正确评价煤层开采充水含水层富水性，对于矿井防治水工作具有重要的指导意义。目前含水层富水性评价主要采用“三图双预测”方法[1-2]，它能综合多种地学因素评价含水层富水性，应用效果良好，对该方法中的地学因素的选取、因素权重的确定等环节进行优化，也能获得更适合区域地质条件的评价结果[3-4]。

下石节煤矿作为铜川矿务局较早开采的主力矿井之一，近年采掘工作进入近距离煤层重复采动区域，上组煤回采过程中曾出现过明显的异常涌水现象，下组煤回采后，导水断裂带发育高度增加，矿井面临更加严重的顶板水害威胁，对上组煤开采扰动后的含水层富水性评价，对矿井防治水安全具有重要意义。

1 开采概况

下石节矿井位于陕西省铜川市耀州区，主采侏罗系延安组4号煤层，井田西北部区域4号煤层分岔为4-1煤和4-2煤，两个煤层均可采，煤层间距为0.80～48.91 m，一般10～30 m，平均13.71 m。4-1煤层平均厚度4.17 m，以综采工作面为主，4-2煤层平均厚度13.67 m，以综放开采为主。

近年矿井布设2301～2303、2305工作面对4-1煤层进行开采，首个重复采动的222工作面位于4-1煤的2301工作面采空区正下方，与2301工作面两巷道内错20 m布置。随着煤层分岔区域4-1煤层资源量开采殆尽，矿井主要采掘工作将在下伏的4-2煤层布设。矿井采掘工程示意图见图1。

图1 矿井采掘工程示意Fig. 1 Schematic of mine mining engineering

2 顶板含水层水文地质条件

在上覆4-1煤层已采情况下，4-2煤回采主要面临的水害问题包括4-1煤采空区积水和顶板巨厚洛河组砂岩含水层水，采空区积水可在掘进中施工探查，钻孔进行疏放，可基本排除采空区积水隐患。而洛河组含水层水在上组煤开采导水断裂带波及情况下，含水层底部裂隙发育，其富水性对于4-2煤开采影响较为严重。

2.1 洛河组含水层厚度特征

研究区范围内洛河组含水层一般厚度在290.0～330.0 m，局部地段厚度达到343.0 m(8944号钻孔)，平均厚度321.9 m。井田西部及西北部厚度较小，约310.0 m，由西北向东南厚度逐渐增大。洛河组底板标高+1 070～+1 130 m，呈倾向NW的单斜构造，在研究区西北部洛河组底板平缓，向东南部底板抬升明显(图2)。总体上洛河组含水层发育较为稳定且厚度较大，为含水层储水提供了条件。

图2 洛河组含水层厚度等值线Fig. 2 Isoline of aquifer thickness of Luohe formation

2.2 洛河组含水层岩性特征

基于矿井以往地质资料，对洛河组含水层岩性发育及岩层组合结构进行统计可得，洛河组地层岩性以中粗粒砂岩、砾岩为主，中粗粒砂岩在洛河组全段均有发育，泥质胶结为主；砾岩主要位于洛河组中上部，泥钙质胶结为主，较为坚硬。根据洛河组地层砾岩主要发育在中上部的特征可以将洛河组划分为上下两段，上段为厚层砾岩与中粗粒砂岩互层，平均厚度170.04 m，下段为巨厚层状中粗粒砂岩，平均厚度151.50 m。洛河组地层岩性对比见图3洛河组砂岩以中粗砂岩为主，偶见细砂岩、粉砂岩，砂岩厚度占总厚度的68%，其中洛河组下段的巨厚层状砂岩占总厚度的48%；砾岩主要在洛河组中上部发育，厚度占总厚度的32%，见图4，占洛河组上段厚度的64%，上段砾岩厚度占比更大。

图3 洛河组地层岩性对比 Fig. 3 Stratigraphic lithologic correlation of Luohe formation

图4 洛河组各岩性占比Fig. 4 Lithologic proportion of Luohe formation

2.3 涌水特征

下石节煤矿在进入深部工作面回采后各工作面涌水现象逐渐突显，涌水水源主要为顶板洛河组含水层水。4-1、4-2煤各工作面在回采过程中均出现不同程度的涌水量异常波动现象，类似于“离层涌水”情况，4-1煤各工作面在回采前期涌水量相对较小且稳定，在回采中后期开始出现涌水量波动，单次出水持续数天，涌水量Q整体较大，回采末期涌水持续且较为稳定。以2301工作面为例，在回采至0～1 200 m时，工作面涌水量保持在50 m3/h以内；1 200 m以后出现多次异常涌水现象，最大涌水量可达250 m3/h以上，回采结束后水量逐渐下降稳定在50～60 m3/h。2301工作面涌水量变化曲线见图5。

图5 2301工作面涌水量变化曲线 Fig. 5 Variation curve of water inflow in 2301 working face

2.4 采后导水裂隙变化规律

长期的开采经验及相关研究表明，煤层覆岩中的采动裂隙随与煤层距离的增加而扰动破坏程度降低，从研究初期定性认识到后期学者对碎胀系数及渗透性的定量描述，目前已经明确采空区垂向上的渗透系数随着与煤层距离的增大而逐渐减小，并且服从对数递减分布，渗透系数最终在导水断裂带顶部趋近于原岩渗透系数[5]。

另外，采后裂隙受应力恢复影响逐渐闭合也已经得到广泛认知，赵永树等[6]对采动过程中松散含水层水位进行现场监测指出，风化基岩的隔水性在采动后期将逐渐恢复。王文学等[7]对采动15 a后的采空区覆岩裂隙进行了重新观测，多种观测方法表明，导水断裂带高度比开采初期降低40%，从定量方面反映出裂隙岩体渗透性的后期演化。

以往勘探时期XK6孔抽水试验说明，渗透系数K=0.012 1 m/d，单位涌水量q=0.036 3 L/(s·m)；矿井在2303工作面施工的TC3采后探查孔说明下石节煤矿4-1煤采后导水断裂带已经波及洛河组砂岩含水层底部，波及厚度约45 m，在回采后洛河组含水层水位逐渐上升并稳定，抽水试验获取的K=0.072 78 m/d，q=0.071 0 L/(s·m)，远大于原始情况下含水层的渗透系数及单位涌水量，采动导水断裂带改变了洛河组含水层的富水性，也使含水层内孔隙水更多变为裂隙水。随着采空区覆岩应力的恢复，裂隙逐渐趋于闭合，垂向渗流更加微弱，最终现象是采空区涌水量衰减以及受破坏的含水层渗透系数逐渐恢复至接近破坏前。距2301工作面回采结束约7 a，回采结束时涌水量达50～60 m3/h，目前涌水量已经衰减为15 m3/h，导水断裂带波及的洛河组含水层对于2301采空区涌水的贡献量已经非常小。但已受开采扰动的含水层裂隙水丰富，在重复开采下组煤时，导水断裂带再次波及洛河组含水层，含水层静储量释放将远大于上组煤初次扰动时的涌水，即下组煤开采波及洛河组时，可能形成突水。

3 含水层富水性评价

含水层富水性的影响因素众多，目前能综合多种因素评价含水层富水性且应用成熟的就是多源地学信息融合方法，该方法选取多个含水层主控因素并确定其权重，以权重及各因素量化值建立富水性评价模型，经多源信息叠加得到含水层富水性的量化值[8]。

分析下石节重复采动区域洛河组含水层岩性及充水特征，选择含水层砂岩厚度、含水层砂岩厚度与地层厚度之比(砂地比)、岩心采取率、褶皱分维值作为洛河组含水层富水性评价的主控因素，下石节井田洛河组含水层富水性评价与以往不同之处在于，洛河组含水层下段已受上组煤开采扰动，导水断裂带部分波及洛河组下段。在上组煤采后该段裂隙逐渐闭合，含水层垂向渗流减弱，裂隙发育导致含水层静储量增大，富水性增强，因此在评价下组煤开采时的洛河组含水层水害时，加入上组煤开采导水断裂带波及洛河组含水层厚度，作为重复采动条件下洛河组含水层富水性评价的重要控制因素之一。

选取主控因素的单因素专题图见图6，将主控因素分类、分层次建立层次分析评价模型，如图7所示。

图6 单因素专题图Fig. 6 Single factor thematic map

图7 层次分析评价模型Fig. 7 Analytic hierarchy process evaluation model

采用标度评分方法对各主控因素进行打分[9-11]，得出的各因素权重见表1。

表1 主控因素权重值

将权重值赋给各主控因素形成富水性评价模型：

CI=0.15f1(x,y)+0.05f2(x,y)+0.111 7f3(x,y)+

0.266 0f4(x,y)+0.422 3f5(x,y)，

式中：CI——富水性指数；

fk(x,y)——第k个主控因素归一化后的值，其中(x,y)是该值所在地理坐标点。

根据富水性指数法建立的富水性评价模型，在Surfer中将多个主控因素的单因素专题图进行叠加计算，多源地学信息融合得出受导高部分波及的洛河组含水层富水性分区图，按照研究区内的富水性指数值进行自然间断点分级，将区内洛河组含水层富水性划分为弱富水区(CI<0.23)、中等富水区(0.230.41)这3个等级，如图8所示。