陳正華，徐 洪，廖敏言，朱寬義

(1.自然資源部地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新中心/重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120；2.自然資源部重慶典型礦區(qū)生態(tài)修復(fù)野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站/重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120)

關(guān)閉煤礦礦井水分布范圍覆蓋了我國(guó)絕大多數(shù)省份，截止到 2018 年我國(guó)關(guān)閉煤礦礦井水資源量達(dá) 47.86×108m3[1]。眾多學(xué)者對(duì)煤礦礦井水資源利用進(jìn)行研究[2-6]，但礦井水資源的有效利用程度相對(duì)較低，大柳塔礦在煤礦井下采空區(qū)對(duì)水資源進(jìn)行循環(huán)利用，建立了立體空間網(wǎng)絡(luò)的龐大地下水庫(kù)[7]，之后姜素[8]等人對(duì)徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)各關(guān)閉煤礦采空區(qū)儲(chǔ)水空間等綜合分析，探討了建設(shè)采空區(qū)地下水庫(kù)的可行性；龐義輝[9]等人利用UDEC數(shù)值模擬分析方法，研究確定了8.0m大采高工作面儲(chǔ)水空間及導(dǎo)水裂隙帶高度，滿(mǎn)足煤礦地下水庫(kù)建設(shè)對(duì)水源，庫(kù)容，導(dǎo)水通道條件的要求，可以通過(guò)建設(shè)煤礦地下水庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水的儲(chǔ)存調(diào)用。王麗[10]提出結(jié)合抽水蓄能電站，從采空區(qū)的可儲(chǔ)空間和采空區(qū)的地下布置問(wèn)題初步研究了廢棄煤礦采空區(qū)抽水蓄能水庫(kù)的可行性。由于采煤導(dǎo)致含水層破壞[11-12]，關(guān)閉煤礦后地下水位上升形成一定的污染，部分學(xué)者對(duì)閉坑煤礦地下水污染防控[13-15]及生態(tài)環(huán)境修復(fù)[16-17]進(jìn)行研究。關(guān)閉煤礦后可探索用作地下水庫(kù)的水源和后備水源地可能，通過(guò)污水處理，大部分礦井水可以為周邊生產(chǎn)、生活用水提供新的水源，可有效緩解地下水資源匱乏問(wèn)題，改善周邊生態(tài)環(huán)境。

2020年重慶相繼發(fā)生了松藻煤礦“9·27”重大火災(zāi)事故、吊水洞煤礦“12·4”重大事故，2021年1月20日起，重慶能源集團(tuán)14個(gè)煤礦關(guān)閉，退出產(chǎn)能1150萬(wàn) t[18]。在全市關(guān)閉煤礦的大環(huán)境下，研究重慶國(guó)有煤礦關(guān)閉后地下水的分布范圍對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義。魚(yú)田堡煤礦于2015年11月實(shí)施關(guān)閉，本文通過(guò)研究典型大型國(guó)有煤礦開(kāi)采過(guò)程中形成一定規(guī)模的地下水存儲(chǔ)空間，分析可能形成富水區(qū)域，可為采煤沉陷區(qū)找水及合理利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)概況

魚(yú)田堡煤礦地勢(shì)總體上南高北低，礦區(qū)所處區(qū)域地下水最低排泄點(diǎn)在北面溫塘，標(biāo)高為+265 m，而在魚(yú)田堡河的局部排泄點(diǎn)標(biāo)高為+315 m。區(qū)內(nèi)分布有劉家河、魚(yú)田堡河兩條主要河流，礦區(qū)整體為單斜構(gòu)造，沿東西向展布，東西走向長(zhǎng)約4 km(如圖1所示)，傾向北，傾角22°～45°，平均為32°(如圖2所示)。井田構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，未發(fā)現(xiàn)有大、中型褶皺及斷裂構(gòu)造。

圖1 魚(yú)田堡煤礦平面圖

圖2 魚(yú)田堡煤礦典型剖面圖

1.2 開(kāi)采歷史

2 數(shù)值模擬

通過(guò)離散元程序UDEC進(jìn)行二維數(shù)值模擬，直觀(guān)反映出煤層在開(kāi)挖過(guò)程中上覆巖層的裂縫分布情況，從宏觀(guān)上分析整個(gè)剖面的裂縫(儲(chǔ)水空間)變化規(guī)律，分析地下水可能富集區(qū)域。

2.1 模型建立

本次模擬是以整個(gè)剖面(圖2)的工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，模型尺寸1 905.93 m×948.35 m，煤層傾角32°，根據(jù)煤系及頂板柱狀圖地層厚度建立模型(圖3)。

圖3 建立udec剖面模型

模型采用位移控制邊界條件的方法，將模型左右兩邊在x方向上的速度設(shè)為0，模型的底部邊界y方向速度設(shè)置為0，上部界面為自由面，施加重力加速度達(dá)到平衡狀態(tài)。

2.2 模擬開(kāi)采工況

根據(jù)魚(yú)田堡煤礦開(kāi)采歷史，本次模擬分為三個(gè)水平進(jìn)行模擬：

1)模擬開(kāi)采一水平(+150 m以上)煤層；

2)模擬開(kāi)采二水平(+150 m～-100 m)煤層；

采用SAS 30.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)、教學(xué)方式評(píng)價(jià)為計(jì)量資料，以（均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3)模擬開(kāi)采三水平(-100 m～-350 m)煤層。

2.3 裂縫模擬結(jié)果分析

2.3.1 開(kāi)采一水平煤層

圖4為開(kāi)采一水平(+150 m以上)煤層剖面上裂縫分布圖，主要特征如下：

1)剖面上主要分布于開(kāi)采煤層兩側(cè)，于一定角度斜交到地面；

2)相應(yīng)位移影響范圍內(nèi)地面表層有裂縫分布；

圖4 開(kāi)采一水平煤層產(chǎn)生裂縫圖

魚(yú)田堡煤礦2401、2403區(qū)于1984年至1985年回采，位于+150 m水平，煤層傾角30°～40°，煤厚2.7 m，無(wú)大中型構(gòu)造，全冒法管理頂板，回采70 m時(shí)發(fā)生頂板透水289 t/h 。1987年5月在地表施工兩個(gè)水文孔，長(zhǎng)興中上部出現(xiàn)5 cm和10 cm的離層裂隙，沖洗液全漏失，井口出現(xiàn)進(jìn)風(fēng)且手能明顯感覺(jué)到并有呼呼聲響。為了保證采區(qū)安全在井下采取密閉措施。孔口則由進(jìn)風(fēng)變?yōu)槌鲲L(fēng)，可聞到H2S氣味，取樣分析其成分為CO2占2.65 %，O2占0.7% 和CH4占9.55%。實(shí)例說(shuō)明在一水平開(kāi)采時(shí)，采動(dòng)裂隙己發(fā)展到長(zhǎng)興中部上下聯(lián)通較好，模擬結(jié)果可信。

2.3.2 開(kāi)采二水平煤層

圖5為開(kāi)采二水平(+150 m～-100 m)煤層剖面上裂縫分布圖，主要特征如下：

(1)剖面上主要分布于開(kāi)采煤層兩側(cè)覆巖灰?guī)r中，飛仙關(guān)泥巖處裂縫連續(xù)性有中斷，這與泥巖為軟巖比灰?guī)r更易變形有關(guān)，而灰?guī)r較脆，易產(chǎn)生裂縫；

(2)相應(yīng)位移影響范圍內(nèi)地面表層有裂縫分布。

圖5 開(kāi)采二水平煤層產(chǎn)生裂縫圖

與開(kāi)采一水平(+150 m以上)裂縫圖4對(duì)比，原來(lái)位于開(kāi)采煤層下側(cè)的離層裂縫隨著采掘面向下拓展，其位置不斷下移，原裂縫空間被壓密，裂縫空間減小。

2.3.3 開(kāi)采三水平煤層

圖6為開(kāi)采三水平(-100 m～-350 m)煤層剖面上裂縫分布圖，主要特征如下：

(1)剖面上主要分布于開(kāi)采煤層兩側(cè)長(zhǎng)興段灰?guī)r中，接近地表一側(cè)以一定角度斜交到地面，深部一側(cè)僅延伸到長(zhǎng)興段灰?guī)r中；

(2)嘉陵江灰?guī)r淺部有裂縫分布。

圖6 開(kāi)采三水平煤層產(chǎn)生裂縫圖

與開(kāi)采二水平(+150 m～-100 m)裂縫圖5對(duì)比，原來(lái)位于開(kāi)采煤層下側(cè)長(zhǎng)興段灰?guī)r中裂縫隨著采掘面向下拓展，其位置不斷下移，原裂縫空間被壓密；但是淺部嘉陵江灰?guī)r隨著采掘面向下拓展，形成裂縫區(qū)域擴(kuò)大，原已形成裂縫區(qū)域未壓縮。主要裂縫分布集中在開(kāi)采煤層兩側(cè)長(zhǎng)興段灰?guī)r地區(qū)和地表淺部灰?guī)r地區(qū)。

圖7 裂縫細(xì)節(jié)圖

2.4 局部裂縫細(xì)節(jié)圖分析

圖7(a)位于圖6中右上角紅色方框，長(zhǎng)興段淺部裂縫位置自龍?zhí)督M底部一直延伸到地表，可見(jiàn)裂縫形態(tài)以垂直層面為主，且整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中保持不變，是穩(wěn)定的地表水入滲途徑。2015年閉坑前，曾在此處投放NaCl進(jìn)行連通試驗(yàn)[19]，連通劑沿此裂縫入滲，沿長(zhǎng)興段裂縫運(yùn)移至采掘面上方裂縫處涌入采掘面，礦區(qū)涌水量特征[20]也說(shuō)明此通道有較好的入滲性，模擬結(jié)果可信。

開(kāi)采煤層下側(cè)長(zhǎng)興段離層裂縫細(xì)節(jié)圖7(b)位于圖6中左下角紅色方框，離層裂縫位置主要分布于開(kāi)采煤層邊界上方龍?zhí)逗烷L(zhǎng)興組內(nèi)，裂縫形態(tài)平行于層面方向，且隨著開(kāi)采過(guò)程不斷下移。

嘉陵江淺部裂縫細(xì)節(jié)圖7(c)位于圖6中左上角紅色方框，裂縫主要位于地表以下淺部嘉陵江灰?guī)r中，形態(tài)以垂直層面為主，先期已形成的裂縫仍然存在。

3 煤礦關(guān)閉后富水區(qū)域分析

裂縫的存在為地下水的運(yùn)移匯集及儲(chǔ)存提供了條件。分析整個(gè)剖面的地層巖性，長(zhǎng)興段灰?guī)r及嘉陵江灰?guī)r含水層是地下水最可能富集的區(qū)域，然而在裂隙不發(fā)育地段的灰?guī)r，滲透系數(shù)小，只有當(dāng)裂隙發(fā)育地段才有儲(chǔ)水空間形成富水區(qū)域。

圖8 礦井閉坑后富水區(qū)域示意圖

3.1 P3c富水區(qū)域分析

當(dāng)開(kāi)采條件下，地下水沿裂縫運(yùn)移并匯集到采掘工作面，再由排水系統(tǒng)抽排到礦區(qū)外，此時(shí)裂縫為礦井地下水疏降的通道；當(dāng)閉坑后，-350 m礦井排水系統(tǒng)被撤掉，地下水在最低平面不會(huì)被排出，作為區(qū)域最低位置，則地下水不斷的運(yùn)移匯集到采掘平面儲(chǔ)存，一段時(shí)間后，地下水位線(xiàn)不斷上升，由于魚(yú)田堡煤礦閉坑后為了避免鄰礦淹井及頂水開(kāi)采，維持-100 m水平排水系統(tǒng)，魚(yú)田堡煤礦閉坑后-100 m大巷排水系統(tǒng)至最低采掘平面之間長(zhǎng)興段灰?guī)r區(qū)域(Ⅰ)成為礦井地下水富水區(qū)域(如圖8所示)。一旦所有煤礦關(guān)閉，-100 m水平排水系統(tǒng)也被撤掉的情況，可以預(yù)見(jiàn)地下水位會(huì)進(jìn)一步上升，長(zhǎng)興段灰?guī)r灰?guī)r裂隙導(dǎo)通，形成富水區(qū)域范圍與礦區(qū)排水系統(tǒng)設(shè)置密切相關(guān)。

3.2 T1j1段富水區(qū)域分析

據(jù)開(kāi)采三水平煤層產(chǎn)生裂縫圖(圖6)可知，嘉陵江灰?guī)r地表淺部會(huì)形成一定范圍的裂縫，增大儲(chǔ)水空間，隨著采掘面向下拓展，形成裂縫區(qū)域面積擴(kuò)大，深度受限。由于裂縫增加了儲(chǔ)水空間，地下水水位下降，從而匯集地表高處地下水，形成地下水富集區(qū)。由于嘉陵江灰?guī)r下伏有100余m厚的紫紅色頁(yè)巖，阻隔與長(zhǎng)興組灰?guī)r之間水力聯(lián)系，預(yù)測(cè)嘉陵江灰?guī)r淺部富水區(qū)域(Ⅱ)同樣可儲(chǔ)存大量地下水(如圖8所示)，此區(qū)域主要位于侵蝕基準(zhǔn)面以上地下水徑流途徑，且不受是否閉坑停止抽水影響，在開(kāi)采條件下和礦井閉坑后都同樣存在。

3.3 T1f1+5地層富水區(qū)域分析

T1f1+5地層為灰?guī)r與泥巖互層，含水性不如前面兩者，但是由于表層地表裂縫增大儲(chǔ)水空間，預(yù)測(cè)T1f1+5地層表層富水區(qū)域(Ⅲ)具有一定的富水性(如圖8所示)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)長(zhǎng)興段淺部裂縫位置自龍?zhí)督M底部一直延伸到地表，裂縫形態(tài)以垂直層面為主，且整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中保持不變，是穩(wěn)定的地表水入滲途徑，沿長(zhǎng)興段裂縫運(yùn)移至采掘面上方裂縫處涌入采掘面。

(2)開(kāi)采煤層下側(cè)長(zhǎng)興段離層裂縫主要分布于開(kāi)采煤層邊界上方龍?zhí)督M和長(zhǎng)興組內(nèi)，裂縫形態(tài)平行于層面方向，且隨著開(kāi)采過(guò)程不斷下移。

(3)嘉陵江淺部裂縫主要位于地表以下淺部嘉陵江灰?guī)r中，形態(tài)以垂直層面為主，先期已形成的裂縫仍然存在。

(4)魚(yú)田堡煤礦閉坑關(guān)閉-350m排水系統(tǒng)后富水區(qū)域包括：現(xiàn)有-100 m大巷排水系統(tǒng)至最低采掘平面之間P3c灰?guī)r區(qū)域(Ⅰ)、侵蝕基準(zhǔn)面以上T1j1灰?guī)r淺部富水區(qū)域(Ⅱ)和地表淺部T1f1+5地層(Ⅲ)。其中Ⅰ富水性好，在礦井閉坑停止-350 m排水系統(tǒng)后逐漸形成，當(dāng)-100 m排水系統(tǒng)運(yùn)行，Ⅰ富水區(qū)域?qū)⒕S持在-100 m以下，當(dāng)-100 m排水系統(tǒng)撤掉后，Ⅰ富水區(qū)域在P3c灰?guī)r區(qū)域逐漸上升；Ⅱ富水性好，位于侵蝕基準(zhǔn)面以上，隨著采動(dòng)范圍擴(kuò)大而擴(kuò)大，在開(kāi)采條件下和閉坑后都存在；而Ⅲ由于巖性限制富水性一般。