典型煤矿关闭后地下水富集区域预测研究

陈正华，徐 洪，廖敏言，朱宽义

(1.自然资源部地质灾害自动化监测技术创新中心/重庆地质矿产研究院，重庆 401120；2.自然资源部重庆典型矿区生态修复野外科学观测研究站/重庆地质矿产研究院，重庆 401120)

关闭煤矿矿井水分布范围覆盖了我国绝大多数省份，截止到 2018 年我国关闭煤矿矿井水资源量达 47.86×108m3[1]。众多学者对煤矿矿井水资源利用进行研究[2-6]，但矿井水资源的有效利用程度相对较低，大柳塔矿在煤矿井下采空区对水资源进行循环利用，建立了立体空间网络的庞大地下水库[7]，之后姜素[8]等人对徐州城市规划区内各关闭煤矿采空区储水空间等综合分析，探讨了建设采空区地下水库的可行性；庞义辉[9]等人利用UDEC数值模拟分析方法，研究确定了8.0m大采高工作面储水空间及导水裂隙带高度，满足煤矿地下水库建设对水源，库容，导水通道条件的要求，可以通过建设煤矿地下水库实现对矿井水的储存调用。王丽[10]提出结合抽水蓄能电站，从采空区的可储空间和采空区的地下布置问题初步研究了废弃煤矿采空区抽水蓄能水库的可行性。由于采煤导致含水层破坏[11-12]，关闭煤矿后地下水位上升形成一定的污染，部分学者对闭坑煤矿地下水污染防控[13-15]及生态环境修复[16-17]进行研究。关闭煤矿后可探索用作地下水库的水源和后备水源地可能，通过污水处理，大部分矿井水可以为周边生产、生活用水提供新的水源，可有效缓解地下水资源匮乏问题，改善周边生态环境。

2020年重庆相继发生了松藻煤矿“9·27”重大火灾事故、吊水洞煤矿“12·4”重大事故，2021年1月20日起，重庆能源集团14个煤矿关闭，退出产能1150万 t[18]。在全市关闭煤矿的大环境下，研究重庆国有煤矿关闭后地下水的分布范围对矿区生态环境具有现实意义。鱼田堡煤矿于2015年11月实施关闭，本文通过研究典型大型国有煤矿开采过程中形成一定规模的地下水存储空间，分析可能形成富水区域，可为采煤沉陷区找水及合理利用提供参考。

1 研究区概况

1.1 水文地质概况

鱼田堡煤矿地势总体上南高北低，矿区所处区域地下水最低排泄点在北面温塘，标高为+265 m，而在鱼田堡河的局部排泄点标高为+315 m。区内分布有刘家河、鱼田堡河两条主要河流，矿区整体为单斜构造，沿东西向展布，东西走向长约4 km(如图1所示)，倾向北，倾角22°～45°，平均为32°(如图2所示)。井田构造较为简单，未发现有大、中型褶皱及断裂构造。

图1 鱼田堡煤矿平面图

图2 鱼田堡煤矿典型剖面图

1.2 开采历史

2 数值模拟

通过离散元程序UDEC进行二维数值模拟，直观反映出煤层在开挖过程中上覆岩层的裂缝分布情况，从宏观上分析整个剖面的裂缝(储水空间)变化规律，分析地下水可能富集区域。

2.1 模型建立

本次模拟是以整个剖面(图2)的工程地质条件为基础，模型尺寸1 905.93 m×948.35 m，煤层倾角32°，根据煤系及顶板柱状图地层厚度建立模型(图3)。

图3 建立udec剖面模型

模型采用位移控制边界条件的方法，将模型左右两边在x方向上的速度设为0，模型的底部边界y方向速度设置为0，上部界面为自由面，施加重力加速度达到平衡状态。

2.2 模拟开采工况

根据鱼田堡煤矿开采历史，本次模拟分为三个水平进行模拟：

1)模拟开采一水平(+150 m以上)煤层；

2)模拟开采二水平(+150 m～-100 m)煤层；

采用SAS 30.0软件对数据进行分析处理，学生成绩评价、教学方式评价为计量资料，以（均数±标准差）表示，采用t检验；计数资料以（n，%）表示，采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

3)模拟开采三水平(-100 m～-350 m)煤层。

2.3 裂缝模拟结果分析

2.3.1 开采一水平煤层

图4为开采一水平(+150 m以上)煤层剖面上裂缝分布图，主要特征如下：

1)剖面上主要分布于开采煤层两侧，于一定角度斜交到地面；

2)相应位移影响范围内地面表层有裂缝分布；

图4 开采一水平煤层产生裂缝图

鱼田堡煤矿2401、2403区于1984年至1985年回采，位于+150 m水平，煤层倾角30°～40°，煤厚2.7 m，无大中型构造，全冒法管理顶板，回采70 m时发生顶板透水289 t/h 。1987年5月在地表施工两个水文孔，长兴中上部出现5 cm和10 cm的离层裂隙，冲洗液全漏失，井口出现进风且手能明显感觉到并有呼呼声响。为了保证采区安全在井下采取密闭措施。孔口则由进风变为出风，可闻到H2S气味，取样分析其成分为CO2占2.65 %，O2占0.7% 和CH4占9.55%。实例说明在一水平开采时，采动裂隙己发展到长兴中部上下联通较好，模拟结果可信。

2.3.2 开采二水平煤层

图5为开采二水平(+150 m～-100 m)煤层剖面上裂缝分布图，主要特征如下：

(1)剖面上主要分布于开采煤层两侧覆岩灰岩中，飞仙关泥岩处裂缝连续性有中断，这与泥岩为软岩比灰岩更易变形有关，而灰岩较脆，易产生裂缝；

(2)相应位移影响范围内地面表层有裂缝分布。

图5 开采二水平煤层产生裂缝图

与开采一水平(+150 m以上)裂缝图4对比，原来位于开采煤层下侧的离层裂缝随着采掘面向下拓展，其位置不断下移，原裂缝空间被压密，裂缝空间减小。

2.3.3 开采三水平煤层

图6为开采三水平(-100 m～-350 m)煤层剖面上裂缝分布图，主要特征如下：

(1)剖面上主要分布于开采煤层两侧长兴段灰岩中，接近地表一侧以一定角度斜交到地面，深部一侧仅延伸到长兴段灰岩中；

(2)嘉陵江灰岩浅部有裂缝分布。

图6 开采三水平煤层产生裂缝图

与开采二水平(+150 m～-100 m)裂缝图5对比，原来位于开采煤层下侧长兴段灰岩中裂缝随着采掘面向下拓展，其位置不断下移，原裂缝空间被压密；但是浅部嘉陵江灰岩随着采掘面向下拓展，形成裂缝区域扩大，原已形成裂缝区域未压缩。主要裂缝分布集中在开采煤层两侧长兴段灰岩地区和地表浅部灰岩地区。

图7 裂缝细节图

2.4 局部裂缝细节图分析

图7(a)位于图6中右上角红色方框，长兴段浅部裂缝位置自龙潭组底部一直延伸到地表，可见裂缝形态以垂直层面为主，且整个开采过程中保持不变，是稳定的地表水入渗途径。2015年闭坑前，曾在此处投放NaCl进行连通试验[19]，连通剂沿此裂缝入渗，沿长兴段裂缝运移至采掘面上方裂缝处涌入采掘面，矿区涌水量特征[20]也说明此通道有较好的入渗性，模拟结果可信。

开采煤层下侧长兴段离层裂缝细节图7(b)位于图6中左下角红色方框，离层裂缝位置主要分布于开采煤层边界上方龙潭和长兴组内，裂缝形态平行于层面方向，且随着开采过程不断下移。

嘉陵江浅部裂缝细节图7(c)位于图6中左上角红色方框，裂缝主要位于地表以下浅部嘉陵江灰岩中，形态以垂直层面为主，先期已形成的裂缝仍然存在。

3 煤矿关闭后富水区域分析

裂缝的存在为地下水的运移汇集及储存提供了条件。分析整个剖面的地层岩性，长兴段灰岩及嘉陵江灰岩含水层是地下水最可能富集的区域，然而在裂隙不发育地段的灰岩，渗透系数小，只有当裂隙发育地段才有储水空间形成富水区域。

图8 矿井闭坑后富水区域示意图

3.1 P3c富水区域分析

当开采条件下，地下水沿裂缝运移并汇集到采掘工作面，再由排水系统抽排到矿区外，此时裂缝为矿井地下水疏降的通道；当闭坑后，-350 m矿井排水系统被撤掉，地下水在最低平面不会被排出，作为区域最低位置，则地下水不断的运移汇集到采掘平面储存，一段时间后，地下水位线不断上升，由于鱼田堡煤矿闭坑后为了避免邻矿淹井及顶水开采，维持-100 m水平排水系统，鱼田堡煤矿闭坑后-100 m大巷排水系统至最低采掘平面之间长兴段灰岩区域(Ⅰ)成为矿井地下水富水区域(如图8所示)。一旦所有煤矿关闭，-100 m水平排水系统也被撤掉的情况，可以预见地下水位会进一步上升，长兴段灰岩灰岩裂隙导通，形成富水区域范围与矿区排水系统设置密切相关。

3.2 T1j1段富水区域分析

据开采三水平煤层产生裂缝图(图6)可知，嘉陵江灰岩地表浅部会形成一定范围的裂缝，增大储水空间，随着采掘面向下拓展，形成裂缝区域面积扩大，深度受限。由于裂缝增加了储水空间，地下水水位下降，从而汇集地表高处地下水，形成地下水富集区。由于嘉陵江灰岩下伏有100余m厚的紫红色页岩，阻隔与长兴组灰岩之间水力联系，预测嘉陵江灰岩浅部富水区域(Ⅱ)同样可储存大量地下水(如图8所示)，此区域主要位于侵蚀基准面以上地下水径流途径，且不受是否闭坑停止抽水影响，在开采条件下和矿井闭坑后都同样存在。

3.3 T1f1+5地层富水区域分析

T1f1+5地层为灰岩与泥岩互层，含水性不如前面两者，但是由于表层地表裂缝增大储水空间，预测T1f1+5地层表层富水区域(Ⅲ)具有一定的富水性(如图8所示)。

4 结语

(1)长兴段浅部裂缝位置自龙潭组底部一直延伸到地表，裂缝形态以垂直层面为主，且整个开采过程中保持不变，是稳定的地表水入渗途径，沿长兴段裂缝运移至采掘面上方裂缝处涌入采掘面。

(2)开采煤层下侧长兴段离层裂缝主要分布于开采煤层边界上方龙潭组和长兴组内，裂缝形态平行于层面方向，且随着开采过程不断下移。

(3)嘉陵江浅部裂缝主要位于地表以下浅部嘉陵江灰岩中，形态以垂直层面为主，先期已形成的裂缝仍然存在。

(4)鱼田堡煤矿闭坑关闭-350m排水系统后富水区域包括：现有-100 m大巷排水系统至最低采掘平面之间P3c灰岩区域(Ⅰ)、侵蚀基准面以上T1j1灰岩浅部富水区域(Ⅱ)和地表浅部T1f1+5地层(Ⅲ)。其中Ⅰ富水性好，在矿井闭坑停止-350 m排水系统后逐渐形成，当-100 m排水系统运行，Ⅰ富水区域将维持在-100 m以下，当-100 m排水系统撤掉后，Ⅰ富水区域在P3c灰岩区域逐渐上升；Ⅱ富水性好，位于侵蚀基准面以上，随着采动范围扩大而扩大，在开采条件下和闭坑后都存在；而Ⅲ由于岩性限制富水性一般。