馮潔 侯恩科 王蘇健

摘 要：針對(duì)黃陵礦區(qū)洛河組砂巖含水層富水不均一的問(wèn)題，采用多源地學(xué)信息融合的方法，綜合沖洗液消耗量、脆弱性指數(shù)、構(gòu)造3個(gè)影響因素，對(duì)洛河組砂巖富水性進(jìn)行了分區(qū);采用太沙基原理揭示了洛河組砂巖含水層的釋水機(jī)理，利用數(shù)值模擬研究煤層開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂縫發(fā)育規(guī)律，總結(jié)洛河組砂巖釋水規(guī)律。結(jié)果表明：按照洛河組砂巖含水層富水性程度由大到小劃分為強(qiáng)、中等、弱3類(lèi)區(qū)域，所占比例分別為0.99%，31.02%，0.23%，抽水試驗(yàn)成果驗(yàn)證了劃分結(jié)果的可靠性;洛河組砂巖含水層可分為積水靜儲(chǔ)量迅速釋放區(qū)—“突水危險(xiǎn)源”與積水靜儲(chǔ)量暫緩釋放區(qū)—“突水可控區(qū)”。

關(guān)鍵詞：洛河組砂巖;多源地學(xué)信息融合;富水性;釋水;黃陵礦區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：P 641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0307 文章編號(hào)：1672-9315（2019）03-0426-09

0 引 言

黃陵礦區(qū)主采煤層上覆巖層存在一組洛河砂巖（K1l），為巨厚、低滲、富水、低強(qiáng)度、弱膠結(jié)、易軟化的中粗粒泥質(zhì)膠結(jié)砂巖，且富水性不均一，隨著煤炭資源的深入開(kāi)采，回采階段的水害問(wèn)題日益突出，生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)經(jīng)物探與鉆探顯示洛河組砂巖含水層富水性強(qiáng)的區(qū)域，疏放水工作困難。以上問(wèn)題的解決需要從2個(gè)方面入手考慮，一方面加強(qiáng)富水性的預(yù)測(cè)精度，即富水性的研究;一方面解釋富水區(qū)水量如何釋出，即釋水規(guī)律的研究。已有學(xué)者在富水性探查[1-2]與預(yù)測(cè)[3-4]方面開(kāi)展了大量的研究工作，富水性探查主要通過(guò)物探先行，鉆探驗(yàn)證的途徑進(jìn)行，富水性預(yù)測(cè)主要在“三圖—雙預(yù)測(cè)”[5-7]的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體地質(zhì)條件[8-9]變換研究區(qū)地學(xué)信息來(lái)預(yù)測(cè)富水性。釋水規(guī)律研究對(duì)象多集中于土層[10-11]，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究釋水過(guò)程對(duì)外界應(yīng)力的響應(yīng)關(guān)系，依據(jù)響應(yīng)關(guān)系，總結(jié)釋水規(guī)律，揭示釋水機(jī)理。文中采用多源地學(xué)信息融合[12-14]的方法開(kāi)展黃陵礦區(qū)洛河組砂巖含水層富水性預(yù)測(cè)，借助生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證、檢驗(yàn)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性;通過(guò)理論與數(shù)值模擬總結(jié)洛河組砂巖含水層的釋水規(guī)律。研究成果可指導(dǎo)黃陵礦區(qū)礦井防治水工作。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

黃陵礦區(qū)位于黃隴侏羅紀(jì)煤田北部，北起葫蘆河，南至建莊，東起店頭鎮(zhèn)、張村驛以東，西至陜、甘兩省交界，面積1 374 km2。該區(qū)屬黃土高原中等切割和侵蝕構(gòu)造山地，總體西北高東南低，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，山巒起伏，標(biāo)高+1 845.6～+920 m.該區(qū)地層由老至新依次有：三疊系、侏羅系、白堊系、新近系、第四系地層，其中，侏羅系延安組為本區(qū)含煤地層，主采煤層為2#煤層，平均厚度2.32 m，層位穩(wěn)定，全區(qū)分布，屬低中灰，特低-低硫，特高-高熱值。主采煤層為優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力煤及民用煤。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體為一個(gè)具有波狀起伏的傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般1°～5°.

2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)所屬溫帶大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫在9.4 ℃左右。年平均降水量691 mm.河流皆屬黃河水系，主要河流由北向南有沮水河、馬欄河、涇河。按含煤組、巖性組合及含水層水力性質(zhì)埋藏條件等，該區(qū)發(fā)育的主要含水層自上而下主要有：第四系全新統(tǒng)潛水含水層、更新統(tǒng)裂隙孔隙含水層，白堊系下統(tǒng)華池環(huán)河組裂隙、洛河組裂隙孔隙含水層，侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組下段、延安組中部含水層;隔水層主要有新近系保德組、侏羅系直羅組上段、侏羅系延安組上部、侏羅系延安組下部及侏羅系富縣組。含（隔）水層劃分及主要參數(shù)如圖1所示，見(jiàn)表1.

洛河組裂隙孔隙含水層是影響煤層開(kāi)采的主要含水層，富水性較強(qiáng)，厚度較大，大氣降水為主要補(bǔ)給來(lái)源，其次有上覆松散層、基巖層水及露頭區(qū)地表水的下滲補(bǔ)給。徑流基本與巖層傾斜方向一致，分水嶺以西，向西徑流，分水嶺以東，徑流與地表水徑流方向一致，河流切割區(qū)形成局部排泄區(qū)。主要排泄方式為泉和面狀排泄，局部地區(qū)（如上畛子百藥溝、五里溝、建莊新村川等大溝之中）地下水滲出地表，形成大片沼澤地，另外還有人工開(kāi)采等排泄方式。

3 洛河組砂巖含水層富水性分區(qū)預(yù)測(cè)影響煤層頂板含水層富水性的地質(zhì)因素眾多，主要有巖性、巖相、構(gòu)造、滲流、鉆孔沖洗液消耗量等[15-16]，影響因素多、復(fù)雜、模糊、非線性，因此，科學(xué)、合理、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)含水層富水性比較困難[17-18]。文中在充分分析影響黃陵礦區(qū)煤層開(kāi)采的各地質(zhì)因素的基礎(chǔ)上，優(yōu)選構(gòu)造、鉆孔沖洗液消耗量、巖性結(jié)構(gòu)等地學(xué)信息，編制構(gòu)造分區(qū)圖、鉆孔沖洗液消耗量分區(qū)圖、脆弱性指數(shù)分區(qū)圖等專(zhuān)題圖件，采用GIS 軟件將各地學(xué)信息專(zhuān)題圖復(fù)合疊加，編制洛河組砂巖含水層富水性分區(qū)圖。

3.1 專(zhuān)題圖編制黃陵礦區(qū)構(gòu)造分區(qū)圖的劃分依據(jù)是以斷層或褶皺的中心為基點(diǎn)，按照向外輻射距離遠(yuǎn)近劃分為3個(gè)等級(jí)，距離越近，構(gòu)造對(duì)富水性的貢獻(xiàn)越大，富水性越強(qiáng);鉆孔沖洗液消耗量分區(qū)圖按照鉆孔沖洗液消耗量的大小，將其劃分為3個(gè)等級(jí)，鉆孔沖洗液消耗量越大，富水性越強(qiáng);脆弱性指數(shù)是巖層中脆性巖石（粗砂巖、中砂巖）與巖層總厚度的比值，脆弱性指數(shù)分區(qū)圖依據(jù)比值的大小將其劃分為3個(gè)等級(jí)，比值越大，脆性巖石比例越高，富水性越強(qiáng)。黃陵礦區(qū)專(zhuān)題圖件具體的編繪標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2～表4.

3.1.1 構(gòu)造分區(qū)根據(jù)表2所列劃分標(biāo)準(zhǔn)，將黃陵礦區(qū)構(gòu)造分為復(fù)雜（Ⅰ級(jí)）、中等（Ⅱ級(jí)）、簡(jiǎn)單（Ⅲ級(jí)）區(qū)。復(fù)雜區(qū)是以構(gòu)造集中區(qū)中心向外輻射500 m范圍，主要集中于黃陵一號(hào)井田南部和黃陵二號(hào)井田中部，以條帶狀為主，面積為51.84 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的9.44%;中等區(qū)為構(gòu)造中心向外500～1 000 m范圍之內(nèi)，分布狀態(tài)以環(huán)形為主，面積59.77 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的10.89%;簡(jiǎn)單區(qū)沿著中等區(qū)外邊界向外延伸1 000 m，在黃陵二號(hào)井田以環(huán)形分布為主，面積為75.96 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的13.84%（圖2）。

3.1.2 鉆孔沖洗液消耗量分區(qū)根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料中的沖洗液消耗量大小（表3），將黃陵礦區(qū)洛河組砂巖含水層鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗液消耗量分為較大（Ⅰ級(jí)）、中等（Ⅱ級(jí)）、較?。á蠹?jí)）3個(gè)區(qū)域。鉆孔沖洗液消耗量較大的區(qū)域主要分布于黃陵二號(hào)井田中部及黃陵一號(hào)井田西南部，具體位于黃陵二號(hào)井田R45，R53，R116，R114，R112，R2，R10，R44，R39，R58，R27，R78，R63等鉆孔附近，黃陵一號(hào)井田SK29，SK21，SK15，SK9，SK3等鉆孔附近，面積30.03 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的6.42%;鉆孔沖洗液消耗量中等區(qū)分布于鉆孔沖洗液消耗量較大區(qū)周邊，黃陵二號(hào)井田分布面積較黃陵一號(hào)井田大，鉆孔沖洗液消耗量中等區(qū)面積為80.45 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的16.63%;鉆孔沖洗液消耗量較小區(qū)分布面積較大，主要位于黃陵二號(hào)井田南北部和黃陵一號(hào)井田西部與北部，面積為372.21 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的76.95%（圖3）。

3.1.3 脆弱性指數(shù)分區(qū)根據(jù)表4所列劃分標(biāo)準(zhǔn)，將黃陵礦區(qū)洛河組砂巖含水層脆弱性指數(shù)分為較大（Ⅰ級(jí)）、中等（Ⅱ級(jí)）、較?。á蠹?jí)）3個(gè)區(qū)域。脆弱性指數(shù)較大值的分布區(qū)域占的比例較大，主要分布于黃陵二號(hào)井田中部及南部、黃陵一號(hào)井田西北部連片區(qū)，面積209.2 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的38.1%;脆弱性指數(shù)中等區(qū)零星分布于黃陵二號(hào)井田中部和黃陵一號(hào)井田中部呈東北方向的條帶區(qū)域，面積為35.02 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的6.38%;脆弱性指數(shù)較小區(qū)在黃陵二號(hào)井田僅分布于井田中部R20與R22鉆孔附近，在黃陵一號(hào)井田分布于井田東北和東南部，且連接呈扇形，脆弱性指數(shù)較小區(qū)分布面積為35.87 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的6.53%（圖4）。

綜合黃陵礦區(qū)構(gòu)造、洛河組砂巖鉆孔沖洗液消耗量、洛河組含水層脆弱性指數(shù)等地學(xué)信息，按照表5所列的劃分標(biāo)準(zhǔn)，提出黃陵礦區(qū)洛河組砂巖含水層富水性分區(qū)方案（圖2）。

從圖5可以看出，黃陵礦區(qū)洛河組砂巖含水層富水性中等區(qū)占絕大多數(shù)比例，富水性強(qiáng)區(qū)僅在黃陵二號(hào)井田中部R10，R27，R58及R45鉆孔附近和黃陵一號(hào)井田西部西峪背斜附近出現(xiàn)，面積5.41 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的0.99%;富水性中等區(qū)分布于黃陵二號(hào)井田中部和黃陵一號(hào)井田西南部大部分區(qū)域，面積為170.33 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的31.02%;富水性弱區(qū)僅在黃陵一號(hào)井田中部HK28，HK21鉆孔附近出現(xiàn)，面積1.26 km2，占黃陵礦區(qū)總面積的0.23%.黃陵二號(hào)井田進(jìn)行一、三盤(pán)區(qū)補(bǔ)充勘探，施工YS7，YS13，YS36，YS41等4個(gè)水文孔，其中，YS13，YS36鉆孔抽水試驗(yàn)層段在洛河組砂巖含水層中，抽水試驗(yàn)所得鉆孔單位涌水量分別為0.378 207 L/s·m和0.243 814 L/s·m，依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄二含水層富水性的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按鉆孔單位涌水量q將含水層的富水性分為四級(jí)，YS13，YS36鉆孔單位涌水量均落于中等富水性級(jí)別“0.1 L/s·m

4 洛河組砂巖釋水規(guī)律4.1 釋水機(jī)理太沙基（K.Terzaghi）早在1923年就提出了有效應(yīng)力原理的基本概念[19]，分析了地下水位變動(dòng)情況下巖石有效應(yīng)力的變化以及由此引起的松散巖石壓密問(wèn)題，同時(shí)解釋了伴隨著壓密含水層中水釋出的過(guò)程（圖6）。有效應(yīng)力原理

σ=σ′+P（1）

式中 σ為總應(yīng)力，Pa;σ′為實(shí)際作用于固體顆粒上的應(yīng)力，也即有效應(yīng)力，Pa;P為孔隙水壓力，Pa.

砂層是通過(guò)顆粒的接觸點(diǎn)承受應(yīng)力的。孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加，顆粒發(fā)生位移，排列更為緊密，顆粒的接觸面積增加，孔隙度降低，砂層受到壓密。與此同時(shí)，砂層中的水則因減壓而有少量膨脹，也即釋水過(guò)程[20-22]。4.2 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律黃陵礦區(qū)主要含水層為洛河組砂巖含水層。文中以洛河組砂巖含水層富水性強(qiáng)區(qū)（黃陵礦區(qū)黃陵二號(hào)井田中部采區(qū)）為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬軟件UDEC建立黃陵二號(hào)井田2#煤層開(kāi)采的力學(xué)模型，總結(jié)2#煤層上覆導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，將其與2#煤層頂板至洛河組砂巖含水層之間距離進(jìn)行比較，研究2#煤層開(kāi)采是否會(huì)溝通洛河組砂巖含水層，指導(dǎo)礦井防治水。

4.2.1 模型構(gòu)建整個(gè)模型的長(zhǎng)度為600 m，高度模擬至洛河組砂巖含水層頂部，為500 m，模擬開(kāi)采2#煤層，每次推進(jìn)長(zhǎng)度為5 m，采高為6 m.模型左右兩側(cè)各留設(shè)100 m的邊界煤柱。上部邊界條件為自由邊界條件;兩邊邊界條件為速度邊界條件，x方向的速度為零，為簡(jiǎn)支;下部邊界為固支，x、y方向的速度都為零。

4.2.2 模擬結(jié)果2#煤層開(kāi)采工作面的推進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)采范圍逐步擴(kuò)大、裂隙發(fā)育逐步增加。工作面發(fā)生初次來(lái)壓時(shí)，導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度約為73 m，且在距煤層頂板144 m處出現(xiàn)離層（橫向裂隙），呈細(xì)條狀，長(zhǎng)度約為55 m，最大寬度為0.3 m。工作面繼續(xù)推進(jìn)過(guò)程中，垮落巖層不斷被壓實(shí)，上覆巖層下沉量持續(xù)增加，離層發(fā)育高度越來(lái)越大。工作面推進(jìn)到120 m時(shí)，采空區(qū)中部的裂隙部分被壓實(shí)閉合，巨厚洛河組砂巖下方的離層繼續(xù)發(fā)育，但未與導(dǎo)水裂縫溝通。工作面推進(jìn)到160 m時(shí)，巨厚洛河組砂巖下方的最大離層量達(dá)到2.6 m，長(zhǎng)度約為135 m，離層區(qū)呈近“半月牙”形。工作面回采結(jié)束，推進(jìn)到400 m（圖7）。從圖7可以看出，隨著開(kāi)采空間的增大，采動(dòng)裂隙被進(jìn)一步壓實(shí)閉合，開(kāi)采空間兩端的導(dǎo)水裂縫高度有所降低，裂隙高度約為100 m.雖導(dǎo)水裂縫尚未與離層區(qū)溝通，正常情況下工作面不會(huì)發(fā)生水害事故。

綜上，在黃陵二號(hào)煤礦洛河組砂巖含水層富水性強(qiáng)區(qū)開(kāi)采2#煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育不會(huì)溝通洛河組砂巖含水層，但存在離層，離層發(fā)育規(guī)律遵循“產(chǎn)生—發(fā)展—閉合穩(wěn)定—產(chǎn)生”。4.3 釋水規(guī)律隨著煤層開(kāi)采，覆巖移動(dòng)、變形、破斷，形成裂隙[23]。覆巖采動(dòng)裂隙分布與煤層上覆含水層水位變化密切相關(guān)，巖石有效應(yīng)力發(fā)生變化，并由此引起松散巖石壓密，太沙基的有效應(yīng)力原理解釋了伴隨著壓密含水層中水釋出的過(guò)程[24-25]。煤層開(kāi)采后覆巖中形成離層裂隙[26-27]與導(dǎo)水裂隙2類(lèi)裂隙，離層裂隙是巖層之間非同步變形形成的層面裂隙，溝通上、下巖層間水的通道[28-29];導(dǎo)水裂隙是貫通的豎向裂隙，也是水涌入工作面的通道。根據(jù)黃陵礦區(qū)2#煤層開(kāi)采覆巖破壞與洛河組砂巖含水層富水性之間的關(guān)系，將該區(qū)煤層開(kāi)采的釋水規(guī)律總結(jié)如下。

4.3.1積水靜儲(chǔ)量迅速釋放區(qū)-“突水危險(xiǎn)源”

主要分布于黃陵礦區(qū)洛河組砂巖含水層富水性強(qiáng)區(qū)（圖8（a）），數(shù)值模擬結(jié)果顯示，煤層開(kāi)采后導(dǎo)水裂縫帶尚未溝通洛河組砂巖含水層，但離層發(fā)育。一般情況，離層突水的共同特征有：① 煤層頂板存在堅(jiān)硬巖層;② 離層空間具有補(bǔ)給水源;③ 重復(fù)采動(dòng)條件，多煤層開(kāi)采或厚的單煤層分層開(kāi)采;④ 離層到導(dǎo)水裂縫帶之間具有隔水層;⑤ 致突誘因，直接誘發(fā)原因都與礦壓有關(guān)，大多由沖擊地壓激發(fā)。該區(qū)2#煤層頂板砂巖抗壓強(qiáng)度605 kg/cm2，普氏系數(shù)6.1，屬硬巖石，從圖1可知，離層空間補(bǔ)給水源為富水性強(qiáng)的洛河組砂巖含水層，離層到導(dǎo)水裂隙帶之間存在直羅組上段隔水層，具備上述①、②、④特征。離層水突水是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，2#煤層開(kāi)采后，上覆巖層發(fā)生移動(dòng)變形，由于上覆各巖層巖性不同，其變形程度有所差異，在關(guān)鍵層（堅(jiān)硬巖層）附近出現(xiàn)了離層（圖7），隨著進(jìn)一步開(kāi)采，離層下部軟巖封閉，形成“再造隔水層”，在富水性強(qiáng)的洛河組砂巖含水層區(qū)域，含水層水沿裂隙下滲進(jìn)入離層空間中，形成離層水體，離層演變?yōu)殡x層水，繼續(xù)開(kāi)采，離層擴(kuò)大，洛河組砂巖含水層水繼續(xù)下滲進(jìn)入離層，當(dāng)積水形成規(guī)模，且超過(guò)巖層的各向所能承受的最大壓力，伴隨周期來(lái)壓，亞關(guān)鍵層（其余堅(jiān)硬巖層）坡斷，在某一薄弱區(qū)破裂，離層水瞬時(shí)涌出，進(jìn)入開(kāi)采工作面，造成突水事故，因此，稱(chēng)為積水靜儲(chǔ)量迅速釋放區(qū)“突水危險(xiǎn)源”。

4.3.2 積水靜儲(chǔ)量暫緩釋放區(qū)-“突水可控區(qū)”

該種類(lèi)型絕大部分屬于洛河組砂巖含水層富水性中等和富水性弱的區(qū)域，2#煤層距離層發(fā)育處的距離大（圖8（b）），煤層回采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫不會(huì)導(dǎo)通洛河組砂巖下部離層，雖能夠產(chǎn)生離層積水，但不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成威脅，因此稱(chēng)為“積水暫緩釋放區(qū)”。

5 結(jié) 論

1）黃陵礦區(qū)主要含水層為洛河組砂巖含水層，采用地學(xué)信息融合的方法將富水性劃分為3種類(lèi)型，富水性強(qiáng)區(qū)、中等區(qū)、弱區(qū)。

2）采用數(shù)值模擬軟件UDEC構(gòu)建洛河組砂巖含水層富水性強(qiáng)區(qū)2#煤層開(kāi)采的力學(xué)模型，離層發(fā)育規(guī)律遵循“產(chǎn)生-發(fā)展-閉合穩(wěn)定-產(chǎn)生”。

3）黃陵礦區(qū)洛河組含水層釋水類(lèi)型主要有積水靜儲(chǔ)量迅速釋放區(qū)-“突水危險(xiǎn)源”與積水靜儲(chǔ)量暫緩釋放區(qū)-“突水可控區(qū)”，前者主要分布于洛河組含水層富水性強(qiáng)區(qū)，后者主要分布于煤層與離層發(fā)育處間距大的區(qū)域。

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