任雅杰

(山西地寶能源有限公司,太原 030045)

水資源日漸短缺的情況下,“保水采煤”成為煤礦領(lǐng)域安全開(kāi)采和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要技術(shù)措施。地下煤炭資源開(kāi)采擾動(dòng)地層,可能導(dǎo)致地下水資源的流失,因此有必要在煤炭資源開(kāi)發(fā)前預(yù)測(cè)煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源的影響,為地下水和煤炭資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)[1-2]。

煤礦地下開(kāi)采對(duì)水資源的主要影響是對(duì)覆蓋層的破壞,開(kāi)采過(guò)程中可能導(dǎo)致地下水大量流失,導(dǎo)致地下水位下降甚至含水層干涸。此外,地下水可能受到源自礦物質(zhì)的有機(jī)物質(zhì)污染[3]。煤炭資源開(kāi)采對(duì)地下水水質(zhì)的影響已被眾多學(xué)者廣泛研究,目前主要采用“堵截法”和“導(dǎo)儲(chǔ)用”兩種煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)技術(shù)思路。“堵截法”主要是采用充填開(kāi)采、限高開(kāi)采、保水區(qū)域劃分、條帶式開(kāi)采等技術(shù),實(shí)現(xiàn)水資源保護(hù);“導(dǎo)儲(chǔ)用”則是通過(guò)實(shí)施分布式煤礦地下水庫(kù)技術(shù),利用煤礦井下采空區(qū)存儲(chǔ)和利用礦井水資源實(shí)現(xiàn)煤礦水資源保護(hù)[4-6]。

基于“保水采煤”發(fā)展戰(zhàn)略,以山西省蓮盛煤礦為例,利用變權(quán)理論建立水資源量評(píng)價(jià)的變權(quán)模型;通過(guò)改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)方程來(lái)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶的高度;建立分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),得到開(kāi)采對(duì)目標(biāo)含水層影響的分區(qū)圖;利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶和水資源量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,根據(jù)分區(qū)結(jié)果提出地下水資源保護(hù)措施[7]。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

蓮盛煤礦隸屬于晉能控股煤業(yè)集團(tuán),生產(chǎn)規(guī)模90萬(wàn)t/a,目前開(kāi)采4-2號(hào)煤層,采煤方式為綜采綜放式長(zhǎng)壁開(kāi)采。4-2號(hào)煤層平均厚度為5.1 m,平均傾角為8°,頂板砂巖裂隙含水層為直接充水水源,之上的砂巖裂隙含水層及第四系松散層孔隙含水層為間接充水水源;4-1號(hào)煤層平均厚度為4.7 m,平均傾角為6°,含水層為中粒砂巖,兩個(gè)含水層均含有以泥巖為主的穩(wěn)定水層夾層,平均厚度為10 m。

2 地下水資源影響預(yù)測(cè)

導(dǎo)水裂隙帶高度和含水層性質(zhì)是煤礦開(kāi)采對(duì)水資源影響的重要因素,若導(dǎo)水裂隙帶高度影響至含水層的富含水區(qū),那么由于附近有豐富的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)水資源,則采煤活動(dòng)對(duì)水資源的影響很大,相反,如導(dǎo)水裂隙帶高度未溝通含水層或含水層水資源量較少,則采煤活動(dòng)對(duì)水資源的影響較小。

因此,我們將煤礦開(kāi)采對(duì)水資源影響的預(yù)測(cè)分為4個(gè)步驟:含水層水資源量評(píng)價(jià);導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè);確定綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);繪制煤礦開(kāi)采對(duì)地下水資源影響分區(qū)圖。

2.1 目標(biāo)含水層水資源量的評(píng)價(jià)

利用地質(zhì)調(diào)查資料對(duì)水資源量進(jìn)行評(píng)價(jià),砂巖含水層的巖性和深度常被用來(lái)評(píng)價(jià)其涌水性質(zhì),巖心采收率(CR)、含水層深度(AD)、鉆井液消耗量(DFC)、斷層分形維數(shù)(FtFD)和褶皺分形維數(shù)(FdFD)已被驗(yàn)證為涌水性質(zhì)的重要指標(biāo)[8]。

目前,多采用定權(quán)模型進(jìn)行水資源量評(píng)價(jià),但該模型只能反映不同指標(biāo)的相對(duì)重要性,忽略了各指標(biāo)的變化和組合特征。因此,基于變權(quán)理論,建立了水資源量的變權(quán)模型,對(duì)水資源量進(jìn)行評(píng)價(jià),這一過(guò)程包括四個(gè)主要步驟:①確定影響因素;②數(shù)據(jù)歸一化和影響因子權(quán)重確定;③狀態(tài)變權(quán)向量的構(gòu)建;④建立變權(quán)模型。

2.1.1影響水資源量的因素

巖性組合指數(shù)(ILC)已被驗(yàn)證為砂巖含水層涌水量的主要影響因素,鉆孔巖心采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù),巖性組合指數(shù)可由式(1)計(jì)算,為正相關(guān)因子[9]。

ILC=Ta×1+Tb×0.8+Tc×0.6+Td×0.2+Te×1.

(1)

式中,Ta、Tb、Tc、Td、Te分別為粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、礫巖層厚度,m,計(jì)算得到的ILC值如圖1(a)所示。

CR能反映地層的完整性,CR越低,水資源量越高,CR的計(jì)算方法為巖心長(zhǎng)度除以鉆孔長(zhǎng)度,如圖1(b)所示,CR為負(fù)相關(guān)因子。

含水層越深,由于上覆地層的靜壓力越高,導(dǎo)致含水層孔隙度越低,因此,砂巖含水層深度與涌水量呈負(fù)相關(guān),根據(jù)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)得到目標(biāo)含水層埋深等高線圖(圖1(c)),埋深為負(fù)相關(guān)因子[10]。

鉆井液在鉆井過(guò)程中一般用于冷卻和潤(rùn)滑鉆頭,DFC反映了含水層滲透率,與涌水量呈正相關(guān),在鉆孔過(guò)程中獲得了DFC,等值線圖如圖1(d)所示,DFC是一個(gè)正相關(guān)因素。

FtFD和FdFD是水資源量的構(gòu)造因素和正相關(guān)因素,分形維數(shù)可以使用塊計(jì)數(shù)維數(shù)來(lái)計(jì)算,定義為式(2):

(2)

其中,N(r)是塊長(zhǎng)為r(400/200/100/50 m)的網(wǎng)格單元個(gè)數(shù),FtFD和FdFD分別如圖1(e)和1(f)所示。

圖1 水資源量的影響因素Fig.1 Influencing factors of water resources

2.1.2數(shù)據(jù)處理和定權(quán)

為了將所有指標(biāo)疊加到信息層上,考慮到各指標(biāo)的數(shù)量級(jí)不同,采用如下歸一化方程:

(3)

其中,x為給定參數(shù)的原始值,max{x}和min{x}分別為原始最大值和最小值。采用層次分析法來(lái)確定常數(shù)權(quán)重。

2.1.3變權(quán)狀態(tài)向量的建立

為滿足水資源量變權(quán)評(píng)價(jià)的特點(diǎn),構(gòu)建指數(shù)狀態(tài)向量,如式(4)所示。

(4)

Sj(x)為狀態(tài)向量,其中a1、a2、a3為調(diào)整參數(shù)。根據(jù)特征,其值分別為0.8、1、1.2,采用K-means聚類算法進(jìn)行迭代分析,確定d1、d2、d3的取值,迭代次數(shù)設(shè)為20次,分類等級(jí)為4。

2.1.4水資源量分區(qū)

基于變權(quán)重理論,提出改進(jìn)的以地質(zhì)、構(gòu)造和巖性為重點(diǎn)的指標(biāo)(式(5)),計(jì)算得到的水資源量范圍為0.16～0.83,分為4個(gè)等級(jí)。其中,低于0.3為極低,0.3～0.5為低,0.5～0.7為中,高于0.7為高。

(5)

其中,μi為水資源量,x和y分別是橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。如圖2(a)所示,目標(biāo)含水層的水資源量在空間上是變化的。研究區(qū)大部分呈低水資源量,東部為極低值區(qū),中部為中等值區(qū),北部為小高值區(qū)。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

開(kāi)采后,煤層上覆巖層受到破壞和變形。西長(zhǎng)帶上覆地層中存在較多的垂向裂縫,垂直裂縫是煤層上方含水層水進(jìn)入礦井的主要流動(dòng)通道,因此導(dǎo)水裂隙帶的高度對(duì)煤層上方含水層的水資源影響顯著,國(guó)內(nèi)廣泛使用導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗(yàn)方程,表示為式(6):

(6)

式中,h為導(dǎo)水裂隙帶上邊界高度,m;∑l為開(kāi)采厚度(煤層厚度),m。

上述公式具有一般意義,但沒(méi)有考慮不同地區(qū)地質(zhì)條件的差異,考慮到研究領(lǐng)域,我們對(duì)上述方程進(jìn)行修正,得到式(7):

(7)

其中k為修正系數(shù),通過(guò)對(duì)附近礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確定,根據(jù)附近兩個(gè)礦山k的平均值,確定研究區(qū)k為1.45。

根據(jù)改進(jìn)后的經(jīng)驗(yàn)方程,預(yù)測(cè)研究區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度,如圖2(b)所示,研究區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)范圍為21.5～74.89 m,平均60.14 m。

圖2 研究區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)范圍Fig.2 Predicted range of the height of water-conducting fracture zone in the study area

2.3 煤礦開(kāi)采對(duì)上覆含水層水資源影響

煤礦地下開(kāi)采對(duì)地下水資源的影響可分為3種類型:

1)若煤礦開(kāi)采區(qū)域內(nèi)含水層為富含水區(qū),存在豐富的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)水資源,當(dāng)目標(biāo)含水層通過(guò)采煤活動(dòng)產(chǎn)生的裂隙與采空區(qū)連接時(shí),將導(dǎo)致目標(biāo)含水層水資源大量損失,嚴(yán)重時(shí)貫通頂?shù)装逶斐擅旱V突水事故。

2)若煤礦開(kāi)采區(qū)域內(nèi)含水層為低含水區(qū)或無(wú)水區(qū),采煤活動(dòng)對(duì)水資源的影響較小,僅需采取小規(guī)模、小范圍防治措施。

3)若煤礦開(kāi)采區(qū)域內(nèi)含水層為富含水區(qū),但采煤活動(dòng)產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶未與含水層聯(lián)通,對(duì)水資源的影響較小,需重點(diǎn)關(guān)注斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域發(fā)生突水事故的可能性,可采取避開(kāi)斷層等措施。

綜上可知,導(dǎo)水裂隙帶高度貫通至富含水區(qū)時(shí),導(dǎo)水裂隙帶長(zhǎng)度與水資源損失量及煤礦突水事故發(fā)生的可能性呈正比,即導(dǎo)水裂隙帶在含水層中的長(zhǎng)度越長(zhǎng),含水層的水資源損失量越大,突水事故發(fā)生的可能性越高。

3 4-1含水層采煤對(duì)水資源影響的分區(qū)研究

根據(jù)建立的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),將2.1節(jié)計(jì)算得到的水資源量與2.2節(jié)預(yù)測(cè)得到的導(dǎo)水裂隙帶疊加,得到研究區(qū)4-1含水層采煤對(duì)水資源影響的分區(qū)圖。如圖3所示,研究區(qū)大部分地區(qū)為低水資源量值,中部為低/中水資源量值,東北部為小的中等值區(qū),無(wú)中、高值區(qū)。

圖3 煤礦開(kāi)采對(duì)4-1#含水層水資源影響分區(qū)圖Fig.3 Zoning map of the impact of mining on the water resources of the No.4-1 aquifer

4 模型準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)及導(dǎo)水裂隙帶高度驗(yàn)證

4.1 水資源量評(píng)價(jià)模型的驗(yàn)證

從6個(gè)水文孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證水資源量模型的結(jié)果,鉆孔位置如圖4所示。抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,研究區(qū)4-1含水層單位涌水量為0.004 7～0.241 8 m,與水資源量模型結(jié)果相一致(表1)。

圖4 檢驗(yàn)鉆孔分布圖Fig.4 Distribution of inspection boreholes

表1 預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較Table 1 Comparison between predicted results and measured data

4.2 導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證

井眼攝像機(jī)系統(tǒng)支持基于光學(xué)理論的勘探技術(shù),可以直接觀測(cè)井眼內(nèi)部,鉆孔攝像系統(tǒng)可用于觀察地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、裂縫和地下水位,常用于確定導(dǎo)水裂隙帶高度。

采用鉆孔攝像系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,應(yīng)用于研究區(qū)首采工作面上方,觀測(cè)結(jié)果表明:279 m以上巖層相對(duì)完整,水平裂縫較少,確定為彎曲下沉帶;垂直裂縫出現(xiàn)深度為279 m,裂縫數(shù)量隨深度增加而增加。因此,在279 m深度處確定了導(dǎo)水裂隙帶的頂邊界;深度298.9 m以下巖層破裂嚴(yán)重,崩落特征明顯,確定為垮落帶。

表2提供了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值和預(yù)測(cè)值的比較。驗(yàn)證結(jié)果表明,預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差分別為3.33 m和4.97%,預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)基本一致。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料與預(yù)測(cè)結(jié)果的比較Table 2 Comparison between measured data on site and predicted results

5 基于分區(qū)結(jié)果的地下水資源保護(hù)措施

低、中以上等級(jí)地區(qū)需采取措施保護(hù)4-1含水層地下水資源,建議采取以下兩項(xiàng)措施。

1)采煤方式。采煤方式的改變可以顯著保護(hù)4-1含水層的水資源。目前蓮盛煤礦采煤工藝為綜采綜放式長(zhǎng)壁開(kāi)采,該采煤方式雖有利于工作面通風(fēng)和巷道維護(hù)工作,但其對(duì)上覆巖層的破壞較為嚴(yán)重,導(dǎo)水裂隙帶極易溝通承壓含水層,造成水資源損失。為此,可在低、中以上等級(jí)地區(qū)采取充填開(kāi)采、限高開(kāi)采、條帶開(kāi)采等采煤方式。充填開(kāi)采是回采工作面推進(jìn)過(guò)程中向采空區(qū)充填煤矸石、建筑材料等形成充填體以支撐圍巖的采煤工藝,可有效對(duì)巷道兩幫巖石進(jìn)行支護(hù),降低導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度并消除煤礦采空區(qū)安全隱患,在保護(hù)水資源的同時(shí)降低煤礦安全風(fēng)險(xiǎn);限高開(kāi)采是通過(guò)限制每次采高或總采厚實(shí)現(xiàn)降低導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的采煤工藝,該工藝雖降低了煤炭回收率,但其可只應(yīng)用于工作面的局部地段,總體上并未對(duì)煤炭開(kāi)采量造成太大影響;條帶開(kāi)采是將煤層劃分為若干條帶,通過(guò)條帶相間開(kāi)采,由保留條帶對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)的采煤工藝,可有效防止導(dǎo)水裂隙帶貫通含水層和降低地表變形。此外,可將充填開(kāi)采和條帶開(kāi)采相結(jié)合,實(shí)施條帶式充填開(kāi)采,既能夠提高煤炭回收率,也可對(duì)4-1含水層的水資源進(jìn)行有效保護(hù)。

2)地層改造。在調(diào)整采煤方式不能降低影響等級(jí)的地區(qū),可以通過(guò)改造受影響地層來(lái)保護(hù)地下水資源,通過(guò)注漿將煤層上方巖層改造為穩(wěn)定的抗水層,可以減少地下水進(jìn)入礦井的損失。

6 結(jié)論

根據(jù)蓮盛煤礦覆巖開(kāi)采破壞機(jī)理和地下水資源分布規(guī)律,預(yù)測(cè)了采煤對(duì)承壓地下水資源的影響。結(jié)論如下:

1)通過(guò)6個(gè)圖建立了水資源量的變權(quán)模型,水資源量分為極低、低、中、高4個(gè)等級(jí)。

2)利用改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)方程預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度,建立了導(dǎo)水裂隙帶高度分布圖。

3)提出了煤礦開(kāi)采對(duì)地下水資源影響的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),5個(gè)區(qū)域被確定為:低、中低、中、中高和高。

4)水資源量和導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。根據(jù)區(qū)劃結(jié)果,制定了相應(yīng)的煤礦區(qū)承壓地下水資源保護(hù)措施。