基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究.pdf

第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号：（）犇 犗 犐：基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究王乐，赵岳然，（太原煤气化 龙泉能源发展有限公司，山西 娄烦 ；中煤科工集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 ；煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 ）摘要：为研究 工作面浅表水资源承载力，基于“等效阻水厚度”保水开采理论确定了保水开采的临界条件，测试了顶底板关键岩层的力学性质和水理特性，采用 数值模拟软件对工作面回采过程上覆岩层的移动特征进行研究。数值模拟结果表明：工作面上覆岩层导水裂隙最大发育高度为，地表冲沟区域最大下沉量为 。通过在地表布置走向及倾向观测线，观测到地表最大下沉量为 ，表明：工作面回采对浅表水资源的破坏程度在承载力范围内。关键词：等效阻水厚度；水资源承载力；地表沉陷；数值模拟中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（犗 犛 犐 犇）：犠 犪 狋 犲 狉犚 犲 狊 狅 狌 狉 犮 犲 狊犆 犪 狉 狉 狔 犻 狀 犵犆 犪 狆 犪 犮 犻 狋 狔狅 犳犛 犺 犪 犾 犾 狅 狑犆 狅 犪 犾 犛 犲 犪 犿 狊犅 犪 狊 犲 犱狅 狀狋 犺 犲“犈 狇 狌 犻 狏 犪 犾 犲 狀 狋犠 犪 狋 犲 狉犚 犲 狊 犻 狊 狋 犪 狀 犮 犲犜 犺 犻 犮 犽 狀 犲 狊 狊”犠 犪 狋 犲 狉犘 狉 狅 狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀犜 犺 犲 狅 狉 狔犠犃 犖 犌犔 犲，犣 犎 犃 犗犢 狌 犲 狉 犪 狀，（犔 狅 狀 犵 狇 狌 犪 狀犈 狀 犲 狉 犵 狔犇 犲 狏 犲 犾 狅 狆 犿 犲 狀 狋犆 狅，犔 狋 犱，犜 犪 犻 狔 狌 犪 狀犆 狅 犪 犾犌 犪 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犌 狉 狅 狌 狆，犔 狅 狌 犳 犪 狀 ，犆 犺 犻 狀 犪；犛 犺 犲 狀 狔 犪 狀 犵犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲，犆 犺 犻 狀 犪犆 狅 犪 犾犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔牔犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵犌 狉 狅 狌 狆犆 狅，犔 狋 犱，犉 狌 狊 犺 狌 狀 ，犆 犺 犻 狀 犪；犛 狋 犪 狋 犲犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犆 狅 犪 犾犕 犻 狀 犲犛 犪 犳 犲 狋 狔犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔，犉 狌 狊 犺 狌 狀 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，“”，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：作者简介：王乐（），男，河北平山人，硕士，工程师，从事煤矿安全、瓦斯治理技术研究工作，：引文格式：王乐，赵岳然基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究山西煤炭，（）：，“”，（）：煤炭开采会破坏地下水资源和地表生态系统，地下水通过采动裂隙流入工作面，对井下安全生产造成威胁。针对“保水采煤”要求，国内外学者从地质分区、“三带”发育高度、结构关键层等方面开展了大量的理论研究。黄庆享针对浅埋煤层的赋存特点，对采动过程中隔水层的裂隙发育情况进行了研究；刘治国提出工作面上覆黏性红土层在采动过程中具有“泥盖”效应；刘洪林认为隔水层的隔水性体现在内部裂隙发育情况；张玉军等研究了厚基岩浅层粘土的阻水效应；王佳奇研究了保水开采效果的影响因素，并建立了评价模型；李邵东研究了工作面开采后含破碎带底板的渗透性演化规律；张东升等提出工作面上覆岩层“等效阻水厚度”的研究思路。当前保水开采措施主要包括井下充填、优化采煤方法和注浆。李猛等研究了固体充填充实率的计算模型；柳晶等对充填开采上覆岩层裂隙发育情况进行了研究；孙健等 研究了隔水层在工作面回采过程中的动态受力情况；马立强等 提出改变工作面布置方式和采煤方法可以减少对水资源的破坏；董书宁等 优化了注浆方法，提出注浆帷幕截流技术；秦洪岩等 在对充填效果的研究中引入了“板壳理论”，发现随着充填高度的变化，覆岩裂隙发育存在临界效应；此外还有学者对浅埋厚煤层条带充填保水效果进行了研究 ，并优化了充填材料 。在煤炭开采过程中，最直观的影响是地面沉陷，对浅表水资源造成破坏。当前对保水开采的研究主要集中在顶板水和底板水，对浅表水的研究较少。在此，以龙泉煤矿 工作面为工程背景，基于“等效阻水厚度”保水开采理论对工作面开采过程中浅表水资源的破坏情况进行研究。“等效阻水厚度”保水开采理论张东升等以覆岩等效渗透系数为基础，将煤层顶板至目标含水层之间所有岩层作为整体研究对象，称为等效阻水层，示意图见图所示，覆岩渗流情况见图所示。假设等效阻水层在垂直方向的渗流特点符合达西定律，将等效阻水层理想化为狀层厚度无变化的岩层（岩层序号为狆狇），垂直方向上的等效渗透系数可表示为：犓犲 狇狇犻狆犱犻狇犻狆犱犻犓犻（）图等效阻水层示意图 图覆岩渗流情况 式中：犓 为垂直方向的等效渗透系数，；犱为单层岩层的厚度，；犓为单层岩层的渗透系数，。保水开采的临界条件为采动覆岩垂向渗流速度狏与含水层水的补给速度狏相等。假设覆岩两端水头压差犎和含水层水的补给速度狏狉一定，如图所示，隔水岩层厚度为犕时，保水开采的最大临界渗透系数可表示为：犓犮 狉狏狉犱犺（）式中：犓犮 狉为垂直方向的最大临界渗透系数，；狏为含水层水补给速度，；犱为隔水岩层厚度，；犺为覆岩两端水头高度差，。采动覆岩的渗透系数与等效阻水厚度成反比，设等效渗透系数犓犲 狇所对应的等效阻水厚度为犱犲 狇，则等效渗透系数犓犲 狇与最大临界渗透系数犓犮 狉的比值等于隔水岩层厚度犱与等效阻水厚度犱犲 狇之比，等效阻水厚度可表示为：犱犲 狇犱犓犮 狉犓犲 狇（）满足以下条件时认为可实现保水开采：犓犲 狇犓犮 狉，即犓犲 狇犓犮 狉。工程概况 矿井地质概况龙泉煤矿地处太原市娄烦县，生产能力 ，为高瓦斯矿井。井田位于吕梁山脉的芦芽山南部，山西煤炭第 卷地表为黄土梁峁地貌，井田范围内约 的地区存在“”字型冲沟。地表水系丰富，流经井田范围内的河流主要为岚河及其支流龙泉川。地下含水层层，其中顶板上覆含水层主要为、砂岩含水层裂隙水，底板主要受砂岩裂隙含水层、太原组石灰岩及奥陶系中统石灰岩含水层的影响，煤层距奥陶系灰岩 。水文地质条件复杂。井田地层总体为走向北西、倾向北东的单斜构造，地质构造简单。工作面概况 工作面开采煤层，采用综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，机采高度为 ，放煤厚度为 ，走向可采长度 ，倾向长度 。工作面伪顶为砂质泥岩，直接顶为砂岩，基本顶为砂质泥岩；直接底为中砂岩，基本底为细砂岩。工作面地表发育有处规模较大的冲沟，其中对工作面开采影响较大的为冲沟（四圪塔沟）。地表冲沟发育情况如图所示。图 工作面地表冲沟分布 工作面顶底板岩石性能测试对 工作面顶底板岩石物理与水理性能进行测试，以便为物理模拟、数值计算及理论分析提供必要的基础参数。将岩样加工为 的圆柱体，根 据 实 验 要 求 用 切 割 机 分 别 切 成 、长的圆柱块。物理力学性能测试本次对不同岩样分别进行了单轴抗压强度、单轴抗拉强度及剪切试验，试验过程见图图所示，测试结果见表所示。图单轴抗压强度测试 图单轴抗拉强度测试 图剪切强度测试 表岩石物理力学参数 序号名称密度（）抗压强度 抗拉强度 内摩擦角（）内聚力 砂质泥岩 细砂岩 中砂岩 泥岩 粉砂岩 粗砂岩 灰岩 水理性能参数测试使 用 多 功 能 密 度 测 试 仪 ，对奥陶系峰峰组灰岩和石炭系本溪组灰岩的孔隙率分别进行测定；使用 数显渗透仪，对奥陶系峰峰组灰岩和石炭系本溪组灰岩渗透系数分别进行测定。试样设计组，每组份岩样，采用次测量取平均法减小误差。测试过程见图所示，测试结果见表所示。第期王乐，等：基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究图岩样孔隙率及渗透性测试 根据表所示，奥陶系峰峰组有效孔隙率在 之间，总孔隙率在 之间；石炭系本溪组有效孔隙率在 之间，总孔隙率在 之间；由此判断奥陶系峰峰组岩体结构完整性有一定程度破坏，隐伏裂隙较发育。奥陶系峰峰组渗透系数波动较大，变化幅度可达 ，而石炭系本溪组渗透系数比较稳定，变化幅度在 以内。渗透系数变化规律与孔隙率测试结果相吻合，进一步验证了孔隙率变化较大，岩层裂隙发育，造成渗透系数大幅变化这一结论。表岩样孔隙率测定结果 编号奥陶系峰峰组石炭系本溪组有效孔隙率犛总孔隙率犛渗透系数犓（）有效孔隙率犛总孔隙率犛渗透系数犓（）上覆岩层移动特征数值模拟研究 目前被广泛应用于模拟非连续介质在不同载荷下产生的响应，为掌握 工作面回采过程中对浅表水资源的破坏程度，采用 数值模拟软件对上覆岩层移动特征进行研究。数值模拟模型根据 工作面地质条件构建 数值计算模型。工作面地表冲沟较发育，冲沟区域基岩出露属于生态薄弱区，选取冲沟（四圪塔沟）为研究对象，分析煤层开采对其的影响。四圪塔沟坡顶处煤层埋深约为 ，坡底处煤层埋深约为 ，模型尺寸为长高 ，开挖步距为。模型上部设置为自由边界，左右边界水平方向设置固定约束，模型底部在水平和垂直双向设置位移约束。设定各岩层单元均为均质各向同性的线弹性体，采用 准则作为单元破坏的强度判据。模型见图所示。数值模拟结果分析 上覆岩层裂隙发育特征工作面在回采过程中上覆岩层裂隙发育模拟结果见图所示。根据模拟结果可知，工作面回采 时顶板初次来压，顶板上方 范围内产生裂隙；工作面回采 时顶板周期来压，上覆岩层裂隙继续发育；工作面回采 时上覆岩层裂隙高度趋于稳定，最终达到。图数值计算模型 地表沉陷规律通过沿工作面地表及冲沟坡体表面布置测线，得到工作面不同推进距离距地表不同测点的位移结果。工作面回采 时地表出现下沉，之后随着工作面回采距离增加，地表下沉量及沉陷范围持续增大；工作面回采 之后，地表沉陷区域开始对冲沟产生影响，此后随着工作面回采的推进，冲沟区域出现下沉。在工作面整个回采过程中，非冲沟区域最大下沉量为 ，冲沟区域最大下沉量为 ，均出现在回采 时。冲沟区域以冲沟坡底为中心，两侧坡体向中间滑移下沉，最大下沉量较非冲沟区域有所增大。冲沟坡体下浅表水位变化规律浅表含水层水压可直接反应水位变化情况。通山西煤炭第 卷过在含水层底部布置测线，监测开采过程中测线水位变化，根据不同开采阶段含水层水压的变化规律，将工作面浅表水位影响情况分为个阶段：）稳定阶段：工作面推进 范围内，采动影响未能到达含水层或对含水层影响较小，水压变化相对稳定。）过渡阶段：工作面推进 范围内，采动影响作用到浅表含水层，采空区上方浅表含水层水压出现明显下降。）周期性变化阶段：工作面推进 范围内，浅表含水层水压变化出现周期性起伏趋势，前期水压下降区域由于下方隔水层裂隙的闭合水压有所上升，距离工作面较近区域浅表水压下降。综上，工作面回采引起的地面沉陷对浅表含水层有一定影响，工作面推进至 范围内浅表含水层水压发生明显下降。（）回采（）回采（）回采 （）回采 图工作面回采过程上覆岩层裂隙发育模拟结果 地表沉陷观测为准确考察 工作面回采引起的地表沉陷，同时验证数值模拟结果的准确性，在地表布置测点进行观测，统计测点沉陷情况并进行分析。测点布置设计在 工作面地表布置条倾向观测线和条走向观测线，采用剖面线观测站，观测线布置见图 所示，测点情况见表所示。观测内容采用 型全站仪、型水准仪及南方 型双频 接收机进行地表沉陷测量，观测各点下沉值及对应工作面的推进位置。表观测线测点情况 线名观测点控制点长度点间距点数点数总点数倾向线（线）走向线（线）走向线（线）合计 （含共用）观测结果及分析本次测试共对 工作面进行了 次观测，计算得到各测线移动变形情况如下。）工作面走向观测结果。工作面走向观测线（线）切眼附近测点最先出现下沉，随着工作面回采的推进，切眼位置附近产生小型移动盆地。在工作面回采过程中各测点的下沉值变化量逐渐减小，最终趋于稳定后线整体呈中间低两边高的形态，其中下沉量最大的测点为 号，下沉值达到 。）工作面倾向观测结果。工作面倾向观测线（线及线）下沉量最大的测点分别为 号和 号，下沉值分别为 和 ，个第期王乐，等：基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究测点均位于工作面采空区正上方。线及线在工作面回采结束后整体呈中间低两边高的形态，且与采空区对称分布。）依据地表实测结果，工作面开采引起了地表沉陷和变形，测线最外侧影响点为，测线最外侧影响点为、，测线最外侧影响点为、。工作面距龙泉川最近距离约 ，距岚河最近约 ，该工作面开采并未影响到地表附近河流。图 观测线布设示意图 工作面浅表水资源承载力评价浅表水资源承载力在广义上指满足区域内生产活动的同时可以保证生态环境不被破坏，以实现可持续发展；在狭义上指矿区内煤体开采带来的覆岩移动变形不会对浅表水资源造成永久破坏，通过人为干预等措施可以恢复地表生态。当前主要从水文地质、覆岩情况和生产条件等方面对水资源承载力进行评价，其中水文地质方面主要考察含水层和隔水层条件，覆岩情况主要考察顶底板情况和采动裂隙发育情况，生产条件主要考察工作面布置参数和回采方法。本次通过数值模拟和地表实地观测的方法对 工作面开采后浅表水资源的破坏情况进行了研究，得到如下结论。工作面地表水系丰富，其基本顶具有隔水性，数值模拟结果显示，按照当前回采技术参数，工作面回采过程中顶板上覆岩层导水裂隙发育高度最大为 左右，地表最大沉陷量为 ，在冲沟发育区下沉量达到 ，且浅表含水层水压出现明显下降。通过在工作面布置走向及倾向观测线，实测工作面回采后地面最大下沉点位于采空区正上方，最大沉陷量 ，地面沉陷未对河流造成影响，实测结果同数值模拟结果基本一致。根据研究结果认为，工作面开采对浅表水资源的破坏在承载力范围内。结论基于“等效阻水厚度”保水开采理论开展研究，得到工作面实现保水开采的临界条件为，等效渗透系数小于等于最大临界渗透系数，分析了 工作面地表冲沟发育及顶底板含水层情况，测试了工作面顶底板关键岩层单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、孔隙率及渗透性，根据关键岩层性能测定结果，采用 数值模拟软件对 工作面回采过程中上覆岩层裂隙发育情况进行计算，在地表布置测线对工作面回采过程中地表沉陷量进行观测。分析数值模拟和地表沉陷观测结果认为，工作面浅表水资源承载力满足保水开采要求。山西煤炭第 卷参考文献：黄庆享浅埋煤层保水开采岩层控制研究煤炭学报，（）：，（）：刘治国泥盖型煤层覆岩采动破坏规律及保水开采应用研究北京：煤炭科学研究总院，刘洪林伊犁弱胶结地层特厚煤层保水开采机理及分类研究徐州：中国矿业大学，张玉军，宋业杰，樊振丽，等鄂尔多斯盆地侏罗系煤田保水开采技术与应用煤炭科学技术，（）：，（）：王佳奇保水开采生态环境效果研究徐州：中国矿业大学，李邵东龙泉煤矿高承压含水层上厚煤层开采底板渗透性演化及控制机理徐州：中国矿业大学，张东升，范钢伟，张世忠，等保水开采覆岩等效阻水厚度的内涵、算法与应用煤炭学报，（）：，：，（）：李猛，张吉雄，邓雪杰，等含水层下固体充填保水开采方法与应用煤炭学报，（）：，（）：柳晶，李根威条带充填保水开采导水断裂带高度多因素影响分析煤矿安全，（）：，（）：孙建，王连国，赵光明神东特殊保水开采煤层条带充填覆岩隔水层稳定性判据中国矿业大学学报，（）：，（）：马立强，张东升，金志远，等近距煤层高效保水开采理论与方法煤炭学报，（）：，（）：董书宁，杨志斌，姬中奎，等神府矿区大型水库旁烧变岩水保水开采技术研究煤炭学报，（）：，（）：秦洪岩，王海东，张帆，等基于板壳理论的充填开采覆岩导水断裂带发育规律煤矿安全，（）：，（）：白二虎，郭文兵，谭毅，等浅埋厚煤层条带充填保水开采分析研究地下空间与工程学报，（）：，（）：王启春，郭广礼村庄下厚煤层综合机械化矸石充填开采地表沉陷与变形分析煤矿安全，（）：，（）：周睿超高水材料充填开采覆岩活动规律分析与应用煤矿安全，（）：，（）：轩召军，常庆粮膏体充填开采底板破坏机理及分区治理技术煤矿安全，（）：，（）：（编辑：安娜）第期王乐，等：基于“等效阻水厚度”保水理论的浅表水资源承载力研究