張建民，李全生，曹志國(guó)，溫建忠，池明波，杜文鳳，馬正龍，楊英明，郭俊廷，趙會(huì)國(guó)

(1.煤炭開采水資源保護(hù)利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102209；2.內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021100；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；4.國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)源電力有限公司,北京 100033)

地下水資源保護(hù)是大型煤電基地可持續(xù)開發(fā)的重要支撐[1]，含水層保護(hù)則是其煤炭高強(qiáng)度開采和生態(tài)修復(fù)解決的難點(diǎn)問題。前人在分析煤礦水害特征及影響因素[2]基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實(shí)踐[3]、建立煤礦地下水庫(kù)理論框架和技術(shù)體系[4]，提出生態(tài)脆弱礦區(qū)含(隔)水層特征及保水開采分區(qū)方案[5]、特厚煤層保水開采分區(qū)及實(shí)踐[6]、開采關(guān)鍵層理論[7]、現(xiàn)代煤-水仿生共采理念與關(guān)鍵技術(shù)[8]、控水采煤方法[9]和保水采煤臨界采高[10]、采動(dòng)覆巖保水采煤臨界滲透系數(shù)[11]、量化有效隔水層厚度[12]等新認(rèn)識(shí)。近年來高強(qiáng)度開采研究中擴(kuò)展到采動(dòng)覆巖破壞及滲透性、地下水、土壤包氣帶、地表植被等地下水環(huán)境影響和地表生態(tài)響應(yīng)[13-17]，提出導(dǎo)水裂隙帶“四帶”空間分帶特征和滲透系數(shù)與開采工藝參數(shù)關(guān)系[18]、采動(dòng)覆巖應(yīng)力損傷變形時(shí)不同應(yīng)力區(qū)段介質(zhì)滲透能力差異性[19]、導(dǎo)水裂隙帶確定方法[20-21]、基于微震能量密度和視電阻率的導(dǎo)水通道識(shí)別方法[22]、基于地震波阻抗與TEM 聯(lián)合反演的陷落柱及富水性[23]、“三軟”煤層綜放工作面覆巖裂隙導(dǎo)水集中區(qū)[24]、礦井涌水與地下水系統(tǒng)關(guān)系[25]等，探討了含水層人工修復(fù)技術(shù)途徑[26]和地下水環(huán)境保護(hù)性對(duì)策[27-28]；在地下水流場(chǎng)經(jīng)典模型及理論分析方法[29]基礎(chǔ)上，深入研究了第1 類越流系統(tǒng)井流非理想條件影響[30]，采用各種有限元和可視化方法模擬分析礦區(qū)地下水流場(chǎng)[31]，構(gòu)建了集地表生態(tài)、地下水和采礦要素等為一體的采礦生態(tài)系統(tǒng)[32]等，為含水層保護(hù)和保水開采積累大量成果。

煤炭高強(qiáng)度地下開采中含水層保護(hù)是安全綠色開采的重要指標(biāo)，而采動(dòng)局域滲流響應(yīng)規(guī)律是含水層保護(hù)方法的認(rèn)知基礎(chǔ)。筆者針對(duì)開采中采動(dòng)滲流場(chǎng)形成及變化，采用多源耦合分析思路，通過剖析開采激勵(lì)-覆巖損傷-滲流場(chǎng)響應(yīng)耦合關(guān)系，研究采動(dòng)局域滲流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和分析采動(dòng)滲流場(chǎng)時(shí)-空演化規(guī)律及累積效應(yīng)，充分利用有限的長(zhǎng)周期水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析高強(qiáng)度開采中采動(dòng)滲流響應(yīng)和含水層保護(hù)開采若干問題，并結(jié)合軟巖區(qū)典型案例應(yīng)用及效果總結(jié)，形成面向礦區(qū)地下水保護(hù)的采動(dòng)滲流場(chǎng)分析方法，為地下水保護(hù)和工程實(shí)踐提供適用理論分析方法。

1 采動(dòng)滲流系統(tǒng)

1.1 采動(dòng)–滲流耦合機(jī)制

礦區(qū)地下水系統(tǒng)(Mining Groundwater System,MGS)是一個(gè)具有確定空間邊界、含水介質(zhì)和補(bǔ)、徑、排循環(huán)關(guān)系的地下水系統(tǒng)，而采動(dòng)局域地下水系統(tǒng)空間是與煤層開采關(guān)系密切、且具有顯著的覆巖應(yīng)變和水流場(chǎng)紊亂的空間，其滲流場(chǎng)具有顯著的“采動(dòng)激勵(lì)”激發(fā)特點(diǎn)，即：開采形成導(dǎo)水裂隙帶(或“導(dǎo)水通道”)引發(fā)采動(dòng)工作面涌水，導(dǎo)致MGS 局域地下水滲流場(chǎng)異常變化(或稱采動(dòng)滲流場(chǎng))。在多場(chǎng)視角下可簡(jiǎn)化為采動(dòng)“激勵(lì)”作用導(dǎo)致原始狀態(tài)“覆巖應(yīng)變”和含水層導(dǎo)通，引發(fā)含水層“泄流”和外部“補(bǔ)給”等地下水滲流場(chǎng)時(shí)序響應(yīng)，采動(dòng)滲流通過應(yīng)變裂隙進(jìn)一步持續(xù)作用應(yīng)變巖石，“耗散”采動(dòng)激勵(lì)效應(yīng)，形成應(yīng)力–應(yīng)變–滲流的多場(chǎng)耦合作用，即 “采動(dòng)激勵(lì)–覆巖應(yīng)變–流場(chǎng)響應(yīng)”耦合關(guān)系(Mining Exciting-Over Rock Strain-Field Response，ESR)，稱為“采-滲耦合”機(jī)制(圖1)。

圖1 采-滲耦合機(jī)制Fig.1 Mining-seepage coupling mechanism

(1)采動(dòng)激勵(lì)。開采“觸發(fā)”覆巖介質(zhì)應(yīng)變引發(fā)滲流介質(zhì)導(dǎo)水性“變化”的行為。采動(dòng)激勵(lì)強(qiáng)度越大，覆巖介質(zhì)應(yīng)變響應(yīng)越強(qiáng)，則激勵(lì)影響區(qū)域和影響強(qiáng)度越大。采動(dòng)激勵(lì)強(qiáng)度可采用開采方式(綜采、放采)和采高等工藝參數(shù)綜合表征，如相同類型覆巖條件下的綜放較綜采工藝的采動(dòng)激勵(lì)強(qiáng)度大，采高越大則激勵(lì)強(qiáng)度越強(qiáng)。

(2)覆巖應(yīng)變。采動(dòng)激勵(lì)作用下覆巖介質(zhì)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)及滲流性變化。采動(dòng)應(yīng)力作用劇烈的近區(qū)覆巖介質(zhì)應(yīng)變顯現(xiàn)為導(dǎo)水裂隙帶，延伸至主含水層時(shí)使含水層與采空區(qū)導(dǎo)通，形成覆巖內(nèi)“導(dǎo)通區(qū)”和含水層“釋水”通道；而延伸區(qū)覆巖裂隙擴(kuò)展，與次含水層耦合形成“越層”導(dǎo)通滲流和補(bǔ)給作用。

(3)流場(chǎng)響應(yīng)。覆巖應(yīng)變作用下地下水滲流場(chǎng)異常狀態(tài)(水頭及導(dǎo)水性等)變化。宏觀上，采動(dòng)滲流場(chǎng)的近場(chǎng)響應(yīng)反映了覆巖應(yīng)變引發(fā)的含水層“釋水”或次含水層越層補(bǔ)給的滲流狀態(tài)，含水層補(bǔ)給反映采動(dòng)滲流遠(yuǎn)場(chǎng)狀態(tài)變化；微觀上，采動(dòng)應(yīng)變巖石與滲流的水-巖物理與化學(xué)作用(如泥化、鈣化作用等)，影響應(yīng)變區(qū)巖石力學(xué)性質(zhì)和滲流性，隨著覆巖應(yīng)變狀態(tài)趨穩(wěn)，導(dǎo)水裂隙水–巖作用降滲效果逐步顯現(xiàn)，滲流場(chǎng)耦合響應(yīng)狀態(tài)逐步趨穩(wěn)。

根據(jù)系統(tǒng)能量守恒關(guān)系，理論上MGS 中采動(dòng)激勵(lì)對(duì)圍巖作用產(chǎn)生的動(dòng)能與采動(dòng)滲流量形成的勢(shì)能是相等的。此時(shí)，若以Fc(t)代表采動(dòng)激勵(lì)輸入、Wc(t)代表覆巖介質(zhì)應(yīng)變狀態(tài)、EN(t)和QP(t)代表采動(dòng)滲流場(chǎng)水頭和采動(dòng)滲流量變化響應(yīng)時(shí)，數(shù)學(xué)上可將采動(dòng)區(qū)域的采–滲耦合關(guān)系描述為

式中，∩F為“激勵(lì)–應(yīng)變”耦合算子；∩E為“應(yīng)變–響應(yīng)”協(xié)同算子；fn為獨(dú)立工作面采動(dòng)應(yīng)力形成對(duì)圍巖的沖擊動(dòng)量函數(shù)，(kg·m)/s；M1為開采工作面總數(shù)；wi為覆巖應(yīng)變體積單位時(shí)間變化量函數(shù)，m3/s；M2為所有含水層與工作面滲流“導(dǎo)通區(qū)”總數(shù)；Hdi和Hki分別為第i導(dǎo)通區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度和垮落帶高度，m；ej為單位滲流量勢(shì)能函數(shù)，(kg·m)/s2。

式(1)反映了采動(dòng)行為–采動(dòng)覆巖狀態(tài)變化–滲流場(chǎng)變化間能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。當(dāng)兩側(cè)耦合算子為“積”算子時(shí)，量綱分析顯示左式代表采礦系統(tǒng)的采動(dòng)能量，右式為地下水系統(tǒng)采動(dòng)滲流場(chǎng)勢(shì)能。

1.2 采動(dòng)滲流系統(tǒng)及特征

采動(dòng)滲流場(chǎng)是采動(dòng)行為引發(fā)的地下水流場(chǎng)采區(qū)局域效應(yīng)和非采區(qū)輻射響應(yīng)。為精細(xì)刻畫采動(dòng)局域滲流場(chǎng)變化規(guī)律，研究基于MGS、以采礦場(chǎng)景相關(guān)局域?yàn)橛邢蘅臻g、采–滲耦合機(jī)制為內(nèi)在關(guān)系，局域覆巖應(yīng)變區(qū)和含/隔水層為采動(dòng)滲流載體、滲流場(chǎng)變化顯著且水文測(cè)量控制區(qū)域作為相對(duì)獨(dú)立的似MGS 地下水滲流單元(Vs)，建立開采情景下局域地下水系統(tǒng)，即以采動(dòng)局域?yàn)橹行牡牟蓜?dòng)滲流系統(tǒng)(MSS,Mining Seepage System)(圖2)。

圖2 采動(dòng)滲流系統(tǒng)(MSS)Fig.2 Mining-seepage system (MSS)

MSS 作為MGS 一部分，聚焦開采行為及過程與采動(dòng)滲流場(chǎng)響應(yīng)關(guān)系，且具有以下顯著特征：

(1)系統(tǒng)尺度較大。與MGS 相比具有相同的含、隔水邊界組成的含水系統(tǒng)，但有不同的系統(tǒng)邊界，即以礦區(qū)有限觀測(cè)支點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)為邊界，以采動(dòng)滲流場(chǎng)變化(水頭或水位測(cè)點(diǎn)、滲流量等)實(shí)測(cè)區(qū)域作為系統(tǒng)空間范圍，聚焦于采動(dòng)影響區(qū)與MGS 交集區(qū)的局域大尺度時(shí)空演變狀態(tài)。

(2)滲流狀態(tài)多樣。與MGS 滲流狀態(tài)相比，除含水層順層滲流和越層滲流外，還有與采動(dòng)激勵(lì)有關(guān)的導(dǎo)水裂隙帶垂直滲流、覆巖損傷形成的“越層”滲流等非穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)，且導(dǎo)水裂隙帶的導(dǎo)通性越好，含水層厚度和導(dǎo)水性越大，采動(dòng)局域滲流狀態(tài)越復(fù)雜。

(3)“補(bǔ)–排”關(guān)系復(fù)雜。由于采動(dòng)裂隙非均勻發(fā)育和采動(dòng)覆巖沉陷作用周期性，MSS 具有“多通道”非穩(wěn)定導(dǎo)通滲流特點(diǎn)，與MSS 外部滲流形成補(bǔ)給–平衡–再補(bǔ)給–再平衡的動(dòng)態(tài)非穩(wěn)定周期性補(bǔ)–排關(guān)系，即采動(dòng)–滲流耦合改變了MGS 局域滲流場(chǎng)的原態(tài)關(guān)系，建立了與采動(dòng)覆巖應(yīng)變特點(diǎn)相關(guān)的采動(dòng)區(qū)域補(bǔ)–排關(guān)系。

(4)動(dòng)態(tài)連續(xù)邊界。MSS 是以采動(dòng)滲流場(chǎng)變化顯著且水文測(cè)量實(shí)際控制區(qū)域作為系統(tǒng)的“邊界”，采動(dòng)滲流量“補(bǔ)給”(外源)是通過邊界向?qū)▍^(qū)匯集排泄(內(nèi)源)，邊界兩側(cè)流場(chǎng)連續(xù)，水頭響應(yīng)(位點(diǎn))反映了內(nèi)源排泄與外源補(bǔ)給共同作用，以邊界“位點(diǎn)”為中心確立的“位–源”關(guān)系顯示了MSS 的“補(bǔ)給”與“排泄”協(xié)同響應(yīng)關(guān)系(圖3)。

圖3 采動(dòng)滲流場(chǎng)“位–源”關(guān)系示意Fig.3 “Potential-source” relationship of mining-seepage field

1.3 采動(dòng)滲流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

基于采動(dòng)滲流場(chǎng)滲流類型和時(shí)–空變化特點(diǎn)，可將采動(dòng)滲流場(chǎng)單元(Vs)概化為3 個(gè)區(qū)(圖4)。

圖4 采動(dòng)滲流場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structural model of mining-seepage field

(1)導(dǎo)通區(qū)(Vd∈Vs)。該區(qū)以采動(dòng)激勵(lì)–覆巖應(yīng)變作用為主，空間上位于主含水層與煤層間導(dǎo)水裂隙帶，且以垂直紊亂強(qiáng)滲流作用為主，形成采動(dòng)工作面滲流水，當(dāng)單位時(shí)間滲流量超過礦井水流量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)形成采動(dòng)涌水。導(dǎo)通區(qū)滲流狀態(tài)和滲流量不僅取決于導(dǎo)水裂隙帶滲流性和含水層特性，還與導(dǎo)水裂隙帶與主含水層相交的采動(dòng)滲流界面(簡(jiǎn)稱為“導(dǎo)通面”)位置有關(guān)，當(dāng)含水層與裂隙帶頂部接觸時(shí)顯現(xiàn)為弱滲流、裂隙帶接觸為中等滲流、垮落帶接觸時(shí)呈湍流狀態(tài)，無侵入時(shí)則為微滲流到無滲流狀態(tài)。

(2)擾動(dòng)區(qū)(Vr∈Vs)。該區(qū)以覆巖應(yīng)變–滲流場(chǎng)耦合作用為主，空間上位于導(dǎo)通界面上部滲流變化顯著區(qū)域且介于導(dǎo)通區(qū)垂直滲流邊界至含水層順層滲流變化閾值確定邊界內(nèi)。導(dǎo)水裂隙帶對(duì)主含水層“侵入深度”越大，裂隙越發(fā)育和導(dǎo)通區(qū)滲透率越大，則擾動(dòng)響應(yīng)和影響范圍越大，當(dāng)采動(dòng)裂隙導(dǎo)通上覆次含水層時(shí)顯現(xiàn)次級(jí)擾動(dòng)響應(yīng)。

(3)輻射區(qū)(Vf≠Vs)。該區(qū)以采動(dòng)滲流傳導(dǎo)作用為主，空間上位于擾動(dòng)區(qū)之外至采動(dòng)滲流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的邊界。輻射區(qū)滲流呈順層滲流近穩(wěn)定變化，輻射范圍主要取決于含水層滲透率，滲流性越好則輻射影響區(qū)邊界越遠(yuǎn)，區(qū)域地下水向?qū)▍^(qū)補(bǔ)給越暢，且隨采動(dòng)滲流作用持續(xù)，輻射區(qū)邊界逐步外擴(kuò)至穩(wěn)定區(qū)域場(chǎng)。

2 采動(dòng)滲流場(chǎng)模型及參數(shù)

2.1 導(dǎo)通區(qū)滲流模型

設(shè)導(dǎo)通區(qū)是以垂直滲流為主，基于Darcy 定律分析模型，可將導(dǎo)通區(qū)簡(jiǎn)化為柱狀滲流體，采動(dòng)滲流面為滲流體上界面，煤層頂板至含水層的距離Hs為柱體高度，導(dǎo)水裂隙帶分布范圍為柱體水平截面積Sc，kt為時(shí)刻t的導(dǎo)通區(qū)等效滲流系數(shù)，單位時(shí)間通過導(dǎo)通區(qū)的滲流量為Qc。此時(shí)，由含水層進(jìn)入導(dǎo)通區(qū)的實(shí)際滲流量滿足

式中，Δhc為采動(dòng)滲流引起的水頭差。

式(2)表明，當(dāng)Hs確定時(shí)，導(dǎo)通區(qū)滲流量與導(dǎo)通面滲流面積Sc、水頭差和kt呈正比變化關(guān)系。導(dǎo)水裂隙帶對(duì)含水層“侵入深度”和發(fā)育程度決定了含水層導(dǎo)通滲流面位置和滲流狀態(tài)，此時(shí)kt為與開采激勵(lì)強(qiáng)度、覆巖介質(zhì)性質(zhì)相關(guān)的函數(shù)，即

式中，k0為煤層頂板原巖滲流系數(shù)。

開采實(shí)踐中可將導(dǎo)水裂隙帶劃分為垮落帶與裂隙帶，其中垮落帶多為湍流狀態(tài)，裂隙帶多為漸增型滲流狀態(tài)，滲流狀態(tài)決定了導(dǎo)通區(qū)滲流性。如設(shè)導(dǎo)水裂隙帶高度Hd，垮落帶高度Hk與裂隙帶高度Hl之和，此時(shí)當(dāng)Hk達(dá)到Hs時(shí)(即Hs≤Hk)，導(dǎo)通區(qū)處于“暢通”狀態(tài)，kt≥ks；當(dāng)Hd未觸及到主含水層(Hd

式(4)表明，導(dǎo)通區(qū)滲流系數(shù)為k0與采動(dòng)激勵(lì)增量產(chǎn)生的?k之和?？紤]到k0?ks，簡(jiǎn)化得

系數(shù)εt近似反映導(dǎo)通區(qū)滲流 “通暢”性，kt反映采動(dòng)滲流區(qū)的滲流性變化。比較式(5)和式(6)時(shí)顯示了采動(dòng)行為與滲流響應(yīng)在導(dǎo)通區(qū)的耦合關(guān)系，故也稱為采-滲耦合系數(shù)。

2.2 擾動(dòng)-輻射區(qū)滲流模型

基于傳統(tǒng)地下水滲流連續(xù)性研究成果，當(dāng)將導(dǎo)通區(qū)簡(jiǎn)化為等效非穩(wěn)定滲流井結(jié)構(gòu)，即擾動(dòng)區(qū)–輻射區(qū)采動(dòng)滲流場(chǎng)近似為承壓–無壓井流模式下特殊地下水井非穩(wěn)定滲流場(chǎng)狀態(tài)。當(dāng)主含水層為水平各向同性介質(zhì)時(shí)，以承壓區(qū)情景為例，采動(dòng)滲流場(chǎng)任意點(diǎn)水頭H(r,t)近似滿足[33]：

式中，H0為區(qū)域水頭高度，m；H(r,t)為承壓區(qū)水頭，m；r為含水層滲流井到水頭觀測(cè)點(diǎn)徑向距離，m；Qc(t)為與采動(dòng)滲流面有關(guān)井流量，m3/d；as為主含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；W(u)為反映滲流系統(tǒng)時(shí)–空狀態(tài)的井函數(shù)，u=r2/(4ast)。

式(7)表明任意時(shí)刻滲流場(chǎng)響應(yīng)與滲流介質(zhì)基本耦合關(guān)系，F(xiàn)H反映水頭測(cè)點(diǎn)(或“位”點(diǎn))與滲流井(或采動(dòng)滲流“源”點(diǎn))間通過含水層建立的“位–源”耦合關(guān)系。

采動(dòng)滲流場(chǎng)是隨開采行為時(shí)–空改變而變化，其水頭、滲流量等狀態(tài)參量具有時(shí)變性。為分析采動(dòng)行為觸發(fā)的滲流場(chǎng)時(shí)序變化，對(duì)式(7)兩側(cè)t變量求導(dǎo)并簡(jiǎn)化得

式(9)表明采動(dòng)滲流場(chǎng)水頭變化量由滲流介質(zhì)變化影響的ΔHa和滲流量變化影響的ΔHb組成。當(dāng)初態(tài)確定時(shí)，介質(zhì)變化量和滲流量變化共同決定水頭變化。而當(dāng)滲流介質(zhì)狀態(tài)或采動(dòng)滲流量無變化且穩(wěn)定時(shí)，水頭時(shí)變響應(yīng)有

式(10)表明，Qc穩(wěn)定時(shí)，滲流介質(zhì)狀態(tài)變化驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定滲流且使等相同水頭線逐步外擴(kuò)；F(r,t)穩(wěn)定時(shí)，導(dǎo)通區(qū)滲流性變化引起周邊水頭升降。

如用F(r,t1)與F(r,t2)和Qc(t1)與Qc(t2)代表任意時(shí)刻t1和t2的狀態(tài)函數(shù)，由式(7)可得

又取W(u)近似值解得

代入式(13)整理得

式中，t1和t2為水頭觀測(cè)時(shí)間；rR為“位-源”等效距離；為等效導(dǎo)水系數(shù)(稱視導(dǎo)水系數(shù))，均勻介質(zhì)時(shí)=as；AR為與ωH和ωQ相關(guān)的函數(shù)(稱 “位–源耦合”函數(shù))，反映t1→t2時(shí)段“位–源耦合”累積狀態(tài)。

式(14)顯示AR和rR均與采-滲耦合作用時(shí)間有關(guān)，隨t2-t1增加，AR和rR反映采-滲耦合累積效應(yīng)與感應(yīng)距離，作用越強(qiáng)和持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，影響范圍越大；反映了瞬時(shí)介質(zhì)滲流狀態(tài)，當(dāng)>0時(shí)反映MSS 滲流“導(dǎo)通”的排泄作用，rR=r+為位點(diǎn)至導(dǎo)通區(qū)距離；反之為“補(bǔ)給”作用，rR=r-為位點(diǎn)至補(bǔ)給源距離。由該式可得采動(dòng)滲流場(chǎng)2 種特殊情境：

2.3 采動(dòng)滲流場(chǎng)參數(shù)

與MGS 類同，研究采用了采動(dòng)滲流量、介質(zhì)導(dǎo)水性、位-源關(guān)系等參數(shù)描述滲流狀態(tài)，含水層損傷及衍生參數(shù)分析含水層保護(hù)效果。

2.3.1 采動(dòng)滲流量

采動(dòng)滲流量指采動(dòng)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)下地下水滲流異常量，包括受采動(dòng)影響的外部含水層補(bǔ)給和層間耦合滲流補(bǔ)給及“外排”量。當(dāng)采動(dòng)滲流量ΔQc未知時(shí)，根據(jù)開采工作面分步推進(jìn)實(shí)際，考慮到采動(dòng)激勵(lì)在t1-t2-t3時(shí)段的瞬時(shí)滲流場(chǎng)效應(yīng)，設(shè)其初始流量和引發(fā)測(cè)點(diǎn)水頭響應(yīng)為同源且ΔQc均勻變化，即，代入式(12)解得

2.3.2 采動(dòng)介質(zhì)導(dǎo)水性

采動(dòng)覆巖介質(zhì)(導(dǎo)水裂隙帶和局域受損含水層)導(dǎo)水性也是采動(dòng)滲流場(chǎng)的介質(zhì)異常表示。針對(duì)實(shí)際開采環(huán)境中含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和覆巖介質(zhì)非均勻性，當(dāng)考慮t1-t3時(shí)段瞬時(shí)采動(dòng)滲流介質(zhì)效應(yīng)時(shí)，如設(shè)at為導(dǎo)通面視導(dǎo)水系數(shù)，考慮到相同采-滲瞬時(shí)耦合作用與采動(dòng)滲流面導(dǎo)水性變化相關(guān)性和相鄰時(shí)段at連續(xù)性，即時(shí)段t1～t2和t1～t3的a3-1≈a2-1及位-源距r+相等，應(yīng)用式(13)時(shí)在t1≤t≤t3時(shí)段at可近似表達(dá)為

式中，ρt為采動(dòng)滲流介質(zhì)導(dǎo)水性異常響應(yīng)幅度，m2/d；ft為采動(dòng)滲流時(shí)間響應(yīng)因子。

式(17)表明at呈現(xiàn)幾種狀態(tài)：at>0 時(shí)，采動(dòng)滲流與水頭響應(yīng)異向變化狀態(tài)，含水層水從采動(dòng)滲流面經(jīng)導(dǎo)通區(qū)滲流進(jìn)入工作面；at→0 時(shí)無采動(dòng)滲流異常響應(yīng)，含水層趨近于原始滲流狀態(tài)；at<0 時(shí)采動(dòng)滲流和水頭響應(yīng)向遞減方向變化，當(dāng)位-源耦合狀態(tài)近于均勻變化時(shí)at出現(xiàn)“奇異”狀態(tài)。

2.3.3 “位–源”距及軌跡

如將非均勻介質(zhì)下距離rR與均勻介質(zhì)情景下rt比較，將式(14)簡(jiǎn)化得

式(18)表明：非均勻介質(zhì)時(shí)采動(dòng)滲流影響距離可簡(jiǎn)化為類均勻介質(zhì)時(shí)穩(wěn)定滲流影響距離rt與τh和τq之積。τh反映位-源協(xié)同響應(yīng)，介質(zhì)導(dǎo)水性和耦合作用越強(qiáng)，影響距離越遠(yuǎn)；τq反映采動(dòng)滲流時(shí)序涌動(dòng)效應(yīng)，隨滲流量變化速率下降和影響時(shí)間越長(zhǎng)，采–滲耦合影響距離趨遠(yuǎn)。

式(14)中，基于位點(diǎn)滲流狀態(tài)感應(yīng)分析，其水頭變化反映了系統(tǒng)外“補(bǔ)給源”與內(nèi)部“排泄源”的“位–源”耦合狀態(tài)。當(dāng)以測(cè)點(diǎn)(位點(diǎn))為參考點(diǎn)時(shí)，實(shí)際采動(dòng)滲流影響范圍可界定為

此時(shí)，r-代表區(qū)域流場(chǎng)對(duì)MSS 采動(dòng)滲流場(chǎng)“補(bǔ)給”外邊界感應(yīng)距離；r+代表MSS 中含水層采動(dòng)滲流導(dǎo)通區(qū)感應(yīng)距離，可簡(jiǎn)稱為外源距和內(nèi)源距。

式(14)確定的距離在非均勻介質(zhì)條件下為采動(dòng)滲流源等效距離，如設(shè)采動(dòng)滲流源位置為(xt,yt)，測(cè)點(diǎn)(xj,yj)(j=1,2,…,N)時(shí)刻t水頭變化與采動(dòng)滲流量變化響應(yīng)具同源性，由式(18)獲得均勻介質(zhì)時(shí)任意測(cè)點(diǎn)“位–源”距rj滿足：

當(dāng)以采動(dòng)激勵(lì)作用始點(diǎn)(x0,y0)為參考點(diǎn)，代入解得t時(shí)刻輻射源等效位置為

其中，“±”代表“位→源”半徑指向方向，參考點(diǎn)(x0,y0)在單工作面分析時(shí)可取工作面開切眼位置，采區(qū)分析時(shí)針對(duì)非均勻介質(zhì)時(shí)采動(dòng)滲流場(chǎng)響應(yīng)不均衡，可依各測(cè)點(diǎn)處導(dǎo)水性aj和相對(duì)距離rj等因素確定貢獻(xiàn)權(quán)重Aj和同步相同導(dǎo)通滲流源對(duì)各測(cè)點(diǎn)水頭響應(yīng)時(shí)間，求取均衡參考點(diǎn)和異常值，即

式中，Dj為測(cè)點(diǎn)至參考點(diǎn)距離；at為測(cè)點(diǎn)處t時(shí)刻含水層等效導(dǎo)水系數(shù)。

由式(17)和(19)確定了采動(dòng)滲流場(chǎng)t時(shí)刻瞬時(shí)導(dǎo)水性變化ajt及導(dǎo)通區(qū)等效位置。當(dāng)采用測(cè)點(diǎn)處含水層實(shí)際厚度Mj歸一化得采動(dòng)滲流狀態(tài)時(shí)刻t時(shí)視滲流系數(shù)kjt。考慮到含水層非均勻性，進(jìn)一步采用該點(diǎn)處含水層滲流系數(shù)kjs歸一化，得相對(duì)采動(dòng)滲流異常κjt=kjt/kjs。此時(shí)任一觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻t的異常軌跡點(diǎn)為

此時(shí)，采動(dòng)期響應(yīng)集X(xjt,yjt,κjt)(j=1,2,…,N；t=1,2,…,T,T?N)代表采–滲耦合空間在采動(dòng)滲流發(fā)生時(shí)間采動(dòng)滲流區(qū)的滲流性變化累積效應(yīng)；同理可得相對(duì)導(dǎo)水系數(shù)異常變化軌跡，其反映了采–滲耦合空間采動(dòng)滲流區(qū)導(dǎo)水性變化累積效應(yīng)。

2.3.4 采動(dòng)含水層損傷

含水層受損是采動(dòng)滲流場(chǎng)導(dǎo)水介質(zhì)變化的標(biāo)志之一。含水層被導(dǎo)通面積越大，導(dǎo)通區(qū)單位時(shí)間滲流量越大則采動(dòng)對(duì)含水層影響越大。此時(shí)若將含水層單位時(shí)間通過導(dǎo)通面的滲流量定義為導(dǎo)通面導(dǎo)水率ψt，即

聯(lián)立式(2)和式(5)得

鑒于導(dǎo)通面滲流性相對(duì)變化，定義ψt與ks比為含水層損傷系數(shù)λc，即

式(21)表明含水層損傷程度取決于采-滲耦合效應(yīng)及采動(dòng)環(huán)境參數(shù)，且與Δhc(t)成正比。當(dāng)ks、Δhc(t)和Hs等參數(shù)確定時(shí)，εt為反映含水層受損的主控參數(shù)，采高Hc是關(guān)鍵因子。εt<0 時(shí)含水層呈無損狀態(tài)，反之含水層則處于受損狀態(tài)；若將λc→0-時(shí)含水層在受損臨界狀態(tài)時(shí)Hs定義為受損臨界厚度Hλs，聯(lián)立式(5)和式(21)解得

其中，αc=Hl/Δhc(t)為裂壓比；Hλs為Hc時(shí)損傷閾值λc約束下煤層頂板至含水層的覆巖安全厚度。將Hλs與實(shí)際Hs(x,y)比較得

式中，φc(x,y)為λc約束時(shí)含水層相對(duì)受采-滲耦合影響狀態(tài)，也稱為保水安全開采系數(shù)，φc(x,y)>0 時(shí)含水層相對(duì)安全；Hλc(x,y)為λc約束時(shí)(x,y)處保水安全采高；bs為裂采比(Hl/Hc)，當(dāng)Hc>Hλc時(shí)含水層處于不安全狀態(tài)。

3 采動(dòng)滲流場(chǎng)特征分析

3.1 采-滲耦合作用特征

為便于直觀分析，研究引用導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗(yàn)評(píng)估方法[21]，將式(5)中Hd或Hk與Hc簡(jiǎn)化為

式中，al,k、bl,k和cl,k為與覆巖性質(zhì)有關(guān)的裂隙帶Hl和垮落帶Hk的情景系數(shù)。

不同覆巖硬度和厚度及采高時(shí)采-滲耦合效應(yīng)分析表明：εt隨Hs增加由正變負(fù)，隨覆巖硬度增加過零點(diǎn)厚度(Hl=Hs)增加。當(dāng)εt>0 時(shí)(Hl≥Hs)，εt越大對(duì)含水層影響越大，導(dǎo)通區(qū)滲流越暢；當(dāng)εt<0 時(shí)(Hl

圖5 采-滲耦合系數(shù)變化分析Fig.5 Change analysis of mining-seepage coupling coefficient

實(shí)例分析表明：當(dāng)取Hc=8 m、工作面寬度Lc=200 m和推進(jìn)速度vc=5 m/d、III 含水層底板厚度Hs時(shí)，εt東區(qū)總體低于西區(qū)，西區(qū)除局部較弱外，普遍εt>0(圖6(a))；以II 含隔水層為Hs時(shí)，εt全區(qū)水平均較低，僅W01 工作面和W03 工作面處局部較高，導(dǎo)致II 含與III 含極易導(dǎo)通(圖6(b))。

圖6 采-滲耦合分析實(shí)例(Hc=8 m)Fig.6 Mining-seepage coupling analysis example (Hc=8 m)

3.2 采動(dòng)滲流擾動(dòng)特征

采動(dòng)滲流擾動(dòng)是指擾動(dòng)區(qū)以采動(dòng)滲流面為中心形成的采動(dòng)滲流“紊亂”區(qū)，參數(shù)采動(dòng)滲流量和介質(zhì)導(dǎo)水性變化反映了采動(dòng)滲流擾動(dòng)主要特征。

3.2.1 采動(dòng)滲流量

研究區(qū)應(yīng)用式(16)分析時(shí)取水頭測(cè)點(diǎn)處含水層導(dǎo)水系數(shù)as和Qc=0(t=0)(即初始無采動(dòng)滲流源)，采用瞬時(shí)滲流增量ΔQc累積法確定t時(shí)刻采動(dòng)滲流量Qct。實(shí)例分析顯示：續(xù)采期間III、II 含Qct異常響應(yīng)總體顯示以幅值水平較高且波動(dòng)較強(qiáng)的正異常為主，其中III 含點(diǎn)異常響應(yīng)呈分段差異態(tài)時(shí)序分布，如鋸齒形型(267～514 d)、平穩(wěn)型(605～800 d)、波浪態(tài)(955～1 705 d)和脈沖態(tài)(1 905～2 105 d)等。而II 含響應(yīng)分時(shí)段顯現(xiàn)齒型(267～514 d)、平穩(wěn)型(605～735 d)、巨浪態(tài)(755～1 405 d)和脈沖態(tài)(1 905～2 155 d)等；同期，III、II 含ΔQc異常總體幅值水平較低且呈現(xiàn)“齒形”正負(fù)異常相間時(shí)序分布，III、II 含相對(duì)瞬時(shí)滲流初量增減幅值分別為±100～200 m3/h 和±300～500 m3/h(圖7(a))。分析表明：II 含Qct負(fù)異常反映其采動(dòng)滲流響應(yīng)以導(dǎo)通型越層滲流“補(bǔ)給”為主，而III、II含 ΔQct正負(fù)異常分布則反映采動(dòng)滲流持續(xù)呈現(xiàn)III 含“導(dǎo)通”排泄和II 含次“補(bǔ)給”狀態(tài)，形成采動(dòng)滲流“涌動(dòng)”過程中脈動(dòng)式補(bǔ)-排平衡。同期觀測(cè)證實(shí)：礦井水以W01 工作面涌水為主，占比達(dá)90%～95%，2019年約占70%。W03 工作面采動(dòng)初期涌水量平均約200 m3/h，后期持續(xù)下降。其他工作面涌水量平均約50 m3/h，波動(dòng)區(qū)間40～100 m3/h。與 ΔQct比較表明2者具有相同量級(jí)和變化趨勢(shì)，前者對(duì)采-滲耦合作用響應(yīng)更敏感，后者則反映采動(dòng)局域“導(dǎo)通”排泄結(jié)果，顯示為采動(dòng)滲流量轉(zhuǎn)為礦井水流量的宏觀效應(yīng)。

圖7 不同含水層采動(dòng)滲流場(chǎng)響應(yīng)綜合分析(Δt≈10 d)Fig.7 Comprehensive response to mining-seepage field in different aquifers (Δt≈10 d)

3.2.2 介質(zhì)導(dǎo)水性

導(dǎo)水性異常是采動(dòng)滲流場(chǎng)介質(zhì)變化響應(yīng)，式(17)中ρt和ft分別反映了導(dǎo)水性異常幅度與時(shí)序特點(diǎn)。實(shí)例分析表明：III 含和II 含ρt和ft因子在不同工作面采動(dòng)全周期均有較強(qiáng)異常響應(yīng)，其中，III 含和II 含ρt響應(yīng)在W01 工作面續(xù)采階段(t=230～580 d)顯現(xiàn)異常點(diǎn)多且幅值小特點(diǎn)，在E02、W03、E04、W05、E00、W07 等工作面采動(dòng)期顯示異常幅值相對(duì)較大，且周期性顯現(xiàn)特征點(diǎn)，II 含特征點(diǎn)顯現(xiàn)時(shí)間滯后于III 含；同步ft在W01 工作面初采(20～100 d)涌水發(fā)生期及工作面終止線時(shí)均出現(xiàn)較強(qiáng)異常，其后異常響應(yīng)總體較弱，而III 含強(qiáng)度總體高于II 含(圖7(b))。與礦井水觀測(cè)比較表明涌水期間ft異常明顯，非涌水期ft響應(yīng)弱，說明導(dǎo)水裂隙帶未形成導(dǎo)通區(qū)。

典型時(shí)段多工作面采動(dòng)期相對(duì)導(dǎo)水系數(shù)at/as分析結(jié)果表明，III 含變化顯著弱于II 含，但均有不等時(shí)周期性強(qiáng)異常顯現(xiàn)。其中，W01 工作面(t=230～580 d)III 含異常比II 含大1 倍，進(jìn)入E02→W03 →E04 等工作面順采階段時(shí)，呈現(xiàn)點(diǎn)多且幅值小特點(diǎn)，反映多滲流源共存狀態(tài)和累積效應(yīng)(圖7(c))。同期II 含異常顯現(xiàn)幅值大和周期性變化，表明采動(dòng)影響至上覆次含水層導(dǎo)致衍生導(dǎo)通區(qū)，形成與III 含導(dǎo)通區(qū)共存及耦合影響狀態(tài)；不同含水層at變化的不等時(shí)周期性和正、負(fù)相間性顯示采動(dòng)滲流面異常和采動(dòng)滲流源補(bǔ)、排狀態(tài)，其中，III 含正異常表明采動(dòng)滲流通過導(dǎo)通區(qū)進(jìn)入工作面形成礦井水，II 含正異常滯后表明其受采動(dòng)影響與III 含導(dǎo)通形成越層補(bǔ)給，而II 含負(fù)異常響應(yīng)反映局域流場(chǎng)向衍生導(dǎo)通區(qū)補(bǔ)給狀態(tài)。

為探究采動(dòng)滲流場(chǎng)變化細(xì)節(jié)，研究采用日觀測(cè)(Δt=1 d)水頭數(shù)據(jù)分析了2020 年9 月至2022 年9 月時(shí)段異常變化。期間，III 含水位總體處于下降趨勢(shì)，II 含水位為漸升趨勢(shì)，在多時(shí)段出現(xiàn)明顯水頭變化(如123、253、372、423 d 等附近)(圖8(a))；116～446 d分析顯示：III 含B4 點(diǎn)處ΔQ排泄和補(bǔ)給量為431 和-399 m3/h，B5 點(diǎn)處91 和-86 m3/h。II 含B2 點(diǎn)處為1 482 和-1 302 m3/h，B14 點(diǎn)處1 440 和-1 480 m3/h。比較發(fā)現(xiàn)III 含2 處增/降比為1.08 和1.06，II 含2 處1.14 和0.97，II 含比III 含的采動(dòng)滲流變化量 Δ平均幅值大1 個(gè)數(shù)量級(jí)。觀測(cè)期間，III 含與II 含均處于“釋水”狀態(tài)，III 含導(dǎo)通區(qū)釋水量大于補(bǔ)水量，致使測(cè)點(diǎn)水頭趨降，II 含局域補(bǔ)給量因感應(yīng)點(diǎn)不同顯現(xiàn)大于或小于“釋水量”，致使感應(yīng)點(diǎn)水頭增減不同。同層點(diǎn)比較時(shí)導(dǎo)水性越強(qiáng)則增量幅度和增減比越大(圖8(b))；導(dǎo)水性分析表明：III 含的相對(duì)變化強(qiáng)于II 含，且均有不等幅周期性脈沖異常顯現(xiàn)，而II 含更加顯著，反映采動(dòng)覆巖周期性沉陷裂隙導(dǎo)致越層滲流補(bǔ)給異常，采動(dòng)區(qū)平行于推進(jìn)面地表沉陷裂縫間接證實(shí)II 含周期性斷陷導(dǎo)通隔水層形成的“脈沖”型異常(圖8(c))。

圖8 不同含水層采動(dòng)滲流場(chǎng)響應(yīng)綜合分析(Δt=1 d)Fig.8 Comprehensive response to mining-seepage field of different aquifers (Δt=1 d)

3.3 采動(dòng)滲流輻射特征

采動(dòng)滲流輻射指以導(dǎo)通區(qū)(輻射源)為中心形成的異常場(chǎng)向區(qū)域“輻射”擴(kuò)展，其滲流性at和影響距離rt反映了采動(dòng)滲流輻射特征，而rt的因子τh和τq具體顯示了導(dǎo)水介質(zhì)與采動(dòng)滲流場(chǎng)耦合異常狀態(tài)和采動(dòng)滲流量時(shí)序異常效應(yīng)。

實(shí)例分析表明：W01 工作面涌水期和續(xù)采初期(t<370 d)，III 含、II 含的τh和τq均顯現(xiàn)不等時(shí)周期性強(qiáng)顯著異常，E02、W03、E04 等工作面順序開采時(shí)，τh變化顯示II 含與III 含滲流場(chǎng)有強(qiáng)偶合(如705 d)和弱偶合(如1 005 d 附近)現(xiàn)象，強(qiáng)偶合說明III 含滲流場(chǎng)影響波及到II 含，弱耦合則顯示采動(dòng)滲流影響局限在III 含；τq異常顯示III 導(dǎo)通區(qū)滲流處于穩(wěn)定變化趨勢(shì)，而II 含衍生導(dǎo)通裂隙出現(xiàn)周期性不等強(qiáng)度異常，表明采動(dòng)覆巖裂隙周期性發(fā)育形成的次級(jí)涌動(dòng)現(xiàn)象(圖9)；對(duì)應(yīng)不同含水層t時(shí)刻at均出現(xiàn)異常響應(yīng)，且II 含水平顯著高于III 含。III 含異常呈現(xiàn)短時(shí)小幅震蕩，t時(shí)刻內(nèi)源距rRt+(rR>0)均值和最大值約為440 m和1 300 m，外源距rRt-(rRt<0)約為為450 m 和680 m。II 含異常顯現(xiàn)周期性強(qiáng)脈沖現(xiàn)象，rRt+均值和最大值約為1 180 m 和3 583 m，rRt-為900 m 和2 800 m。表明低導(dǎo)水性III 含采動(dòng)響應(yīng)區(qū)域窄、頻度高和累積影響距離近，較強(qiáng)導(dǎo)水性II 含的響應(yīng)區(qū)域?qū)?、頻度小但累積影響距離遠(yuǎn)(圖10)。統(tǒng)計(jì)表明：III 含采動(dòng)滲流累積影響半徑介于700～2 760 m，平均超過2 000 m，同期II 含半徑介于4 500～9 000 m，平均達(dá)到6 000 m。

圖9 不同含水層采動(dòng)滲流場(chǎng)的位–源距rt 影響因子分析示例(Δt≈10 d)Fig.9 Influencing factors analysis on potential-source distance rt,in mining-seepage field of different aquifers (Δt≈10 d)

圖10 不同含水層采動(dòng)滲流場(chǎng)rt 與at 響應(yīng)趨勢(shì)分析示例(Δt≈10 d)Fig.10 Trend analysis of rt and at response in mining-seepage field of different aquifers (Δt≈10 d)

4 應(yīng)用案例

4.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾南部伊敏煤田，區(qū)內(nèi)地層由老至新依次為寒武系、泥盆系、白堊系下統(tǒng)興安嶺群的龍江組(K1l)、甘河組(K1g)、扎賚諾爾群南屯組(K1n)、大磨拐河組(K1d)、伊敏組(K1y)及第四系(Q)。K1y為含煤地層，主要以灰白色粉砂巖、砂礫巖、粗砂巖、泥巖為主，夾中砂巖、細(xì)砂巖薄層；厚度0～720 m。含17 個(gè)煤組，15 煤和16 煤為主采煤層，最大厚度達(dá)50.35 m。

區(qū)內(nèi)含水層由上而下分別為第四系砂礫石，中、粗砂含水層和伊敏組煤層間砂礫巖、中、粗砂巖含水巖層，內(nèi)含15 煤層組頂板及層間砂礫巖、砂巖含水巖組(I 含)、16 煤層組頂板礫巖、砂礫巖含水巖組(II 含)16 煤層間礫巖、砂礫巖含水巖組(III 含)3 層含水層。開采水文地質(zhì)條件屬?gòu)?fù)雜，III 和II 含普遍含水層厚和隔水層薄，且分布差異明顯。其中，III 含為主含水層，富水性較弱，隔水層則以泥巖、細(xì)砂巖為主的互層結(jié)構(gòu)易泥化軟巖，西區(qū)局域厚度僅10 m；II 含為間接含水層，富水性強(qiáng)至極強(qiáng)，以砂礫層為主，但厚度差異較大，中心區(qū)大，西區(qū)達(dá)到45～70 m，東區(qū)則 <30 m。

該區(qū)針對(duì)軟覆巖厚煤層條件，采用綜放式開采工藝，采區(qū)分為東區(qū)E 和西區(qū)W，設(shè)計(jì)同層分工作面順序開采，2012—2019 年相繼完成W01、E02、W03、E04、W05、E00 等6 個(gè)工作面。首采工作面W01 推進(jìn)約200 m 時(shí)發(fā)生突水，最大涌水量超過1 000 m3/h。為此，構(gòu)建以W01 為中心和III 含及II 含為主的局域觀測(cè)系統(tǒng)(III 含10 孔和II 含6 孔)。研究選擇近W01工作面導(dǎo)通區(qū)附近觀測(cè)點(diǎn)(表1)的2012—2019 年水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析(>2 500 d)表明：開采對(duì)III 含滲流影響較大且各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)趨勢(shì)基本一致，因?qū)圆町惓尸F(xiàn)異步響應(yīng)，II 含因?qū)詮?qiáng)呈現(xiàn)測(cè)點(diǎn)間同步響應(yīng)為主，且對(duì)III 含滲流變化有協(xié)同響應(yīng)。

表1 MSS 系統(tǒng)水頭觀測(cè)點(diǎn)Table 1 Observation points of underground water head in MSS system

4.2 采動(dòng)滲流導(dǎo)通區(qū)辨識(shí)

4.2.1 導(dǎo)通區(qū)辨識(shí)分析流程

導(dǎo)通區(qū)辨識(shí)是通過采動(dòng)滲流異常空間分布，分析導(dǎo)通區(qū)形成時(shí)間和空間、采動(dòng)影響的主、次含水層補(bǔ)-徑-排的異常關(guān)系，主要包括情境確定、系統(tǒng)構(gòu)建、數(shù)據(jù)預(yù)處理、滲流異常反演、校正與專題制圖和基于導(dǎo)通區(qū)時(shí)空辨識(shí)的趨勢(shì)分析(圖11)。

圖11 導(dǎo)通區(qū)辨識(shí)分析流程Fig.11 Analysis process for conduction-zone identification

針對(duì)含水層導(dǎo)水性不均勻和測(cè)點(diǎn)分布離散性，通過同步各測(cè)點(diǎn)水頭響應(yīng)時(shí)間，采用相對(duì)滲流系數(shù)異常kt/ks表征對(duì)滲流性變化的貢獻(xiàn)，采區(qū)和工作面時(shí)間Δt分別取10 d 和1 d，通過采動(dòng)滲流性異常變化辨識(shí)導(dǎo)通區(qū)位置。

4.2.2 采區(qū)滲流異常區(qū)辨識(shí)

(1)III 含。區(qū)域滲流主導(dǎo)方向?yàn)榻黃EE 向NWW 方向流動(dòng)(異常相對(duì)增加方向)，與區(qū)域水文分析結(jié)果基本一致，但在西采區(qū)及北部的異常變化出現(xiàn)局域“紊亂”現(xiàn)象，表明該區(qū)采動(dòng)滲流作用影響著采區(qū)及周圍區(qū)域滲流場(chǎng)局域分布狀態(tài)；局域滲流異常中，采區(qū)外異?；痉从沉伺c區(qū)域地下水主要來自于SEE 方向補(bǔ)給，經(jīng)過采動(dòng)區(qū)后向NWW 方向滲流，相間分布的局域異?？赡芘c含水層非均勻分布相關(guān)；采區(qū)內(nèi)形成與導(dǎo)通面有關(guān)的“導(dǎo)通”正異常和局域“補(bǔ)給”負(fù)異常的滲流區(qū)異常群，其中，中心帶以負(fù)異常為主，西區(qū)北部以正異常為主，南部以負(fù)異常為主，已采區(qū)域正負(fù)異常相間分布，東區(qū)工作面端部帶則以負(fù)異常為主，僅在E00 工作面和E02 工作面西端出現(xiàn)局域正異常(圖12(a))。

圖12 開采期采動(dòng)滲流場(chǎng)變化累積趨勢(shì)(2012—2019 年)Fig.12 Cumulative trend of seepage field changes in different aquifer during the mining period (2012-2019)

(2)II 含。區(qū)域滲流主導(dǎo)方向?yàn)榻黃SE 向N 方向流動(dòng)(異常相對(duì)遞減方向)，與區(qū)域水文分析結(jié)果基本一致，但在采區(qū)呈現(xiàn)異?！拔蓙y”，表明采動(dòng)滲流作用主要擾動(dòng)采區(qū)局域分布狀態(tài)；采區(qū)局域異常大致分為南區(qū)、采區(qū)和北區(qū)。其中，南區(qū)帶以較大面積負(fù)異常為主，北區(qū)則以小面積正異常為主，采區(qū)以低背景下局域正異常為主，集中在W01 工作面及北側(cè)和W05工作面及W07 工作面局部；采區(qū)外局域異常反映了II 含滲流量主要來自于SSE 方向補(bǔ)給，經(jīng)采動(dòng)區(qū)后向N 方向滲流，采區(qū)內(nèi)局域負(fù)異常反映與II 含局域滲流

“釋水”，推斷采動(dòng)覆巖沉陷使局域?qū)ê笤綄訚B流形成II 含的次級(jí)導(dǎo)通區(qū)(圖12(b))。

(3)導(dǎo)通異常與采區(qū)III 和II 含隔水層厚度比較表明：II 含“導(dǎo)通”異常出現(xiàn)在較薄區(qū)域，厚度僅為20 m左右，III 含“導(dǎo)通”異常出現(xiàn)在采-滲耦合較強(qiáng)區(qū)，特別是W01 工作面附近尤為顯著，推測(cè)此區(qū)采動(dòng)滲流包含II 含局部越層滲流補(bǔ)給。

4.2.3 工作面導(dǎo)通異常區(qū)辨識(shí)

工作面導(dǎo)通區(qū)辨識(shí)基于推進(jìn)時(shí)采動(dòng)激勵(lì)源唯一性，采用約束法將導(dǎo)通異常區(qū)局限在工作面和邊緣區(qū)域內(nèi)。根據(jù)軟巖區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模擬實(shí)驗(yàn)邊緣帶范圍，約束區(qū)域確定在工作面寬度Lc±0.3Lc，初始參考點(diǎn)(x0,y0)取開切眼中點(diǎn)，式(19)中±取值與工作面推進(jìn)方向一致。辨識(shí)分析表明：

(1)W01 工作面。長(zhǎng)1 250 m，寬195 m，采高10 m，推進(jìn)方向W—E 向，推進(jìn)參考時(shí)段11～504 d。續(xù)采階段(216～515 d)將采高由10 m 控制在3～7 m。III 含5 個(gè)異常均為正異常(圖13(a))，其中，A1為0.001 左右，A2大于0.2，A3為0.022，A4為0.051，A5為0.025，表明涌水治理期(A1異常)采-滲耦合作用趨弱，續(xù)采推進(jìn)時(shí)則作用強(qiáng)烈。礦井水觀測(cè)也表明續(xù)采后在600 m 附近導(dǎo)通區(qū)(A2異常)出現(xiàn)次級(jí)偶發(fā)性涌水；后期隨著工作面推進(jìn)顯現(xiàn)的其他異?？傮w趨弱。采后(2013—2021 年)滲流量變化表明導(dǎo)通區(qū)主通道滲流量逐步下降至初始涌水量的1/4，而其他區(qū)域呈現(xiàn)微滲流狀態(tài)。

圖13 典型工作面采動(dòng)期III 含導(dǎo)通區(qū)分析示例Fig.13 Identification example of conduction-zone in III aquifer at a typical working face during mining period

(2)E00 工作面。長(zhǎng)2 100 m，寬216 m，實(shí)際采高6.0～13.9 m，推進(jìn)方向E—W 向，參考時(shí)段2 115～2 555 d。III 含包括B1～B5異常，其中B1和B2均為負(fù)異常，值為-0.015 和-0.005，B3、B4和B5異常值為0.000 5～-0.024 0、0.004～-0.009 和0.028～-0.006(圖13(b))。異常分布表明推進(jìn)過程中以負(fù)異常為主，局部強(qiáng)異常段(B5)為近中心區(qū)采滲耦合作用強(qiáng)烈區(qū)，但采動(dòng)滲流量主要以III 含自補(bǔ)給為主。

4.3 含水層保護(hù)分析

針對(duì)研究區(qū)巨厚含水層保護(hù)問題，應(yīng)用式(20)～(23)分析軟巖類覆巖下綜放開采情境時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)φc，確定保護(hù)含水層和安全采高Hλc(x,y)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)目標(biāo)含水層保護(hù)。

III 含與II 含比較分析表明：采滲耦合強(qiáng)度εt，III含時(shí)西區(qū)普遍大于0，II 含時(shí)僅有中心區(qū)北局部大于0；安全開采風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)φc，東區(qū)顯著低于西區(qū)；當(dāng)II 含為目標(biāo)保護(hù)層時(shí)，西區(qū)Hλc(x,y)提升到8～12 m，東區(qū)達(dá)到16 m 左右(圖14)。

續(xù)采階段(2013—2022 年)，采用“保II 控III”策略和“采高柔性調(diào)控”推進(jìn)方法及 “低進(jìn)、高推、慢?！被夭赡Ｊ胶?表2)，kt異常證實(shí)局域異常水平顯著下降。礦井水觀測(cè)表明：W01 工作面從1 050 m3/h 降至320 m3/h，W03 工作面采動(dòng)期5～160 m3/h，平均29 m3/h；其他工作面合計(jì)29～100 m3/h，均值約50 m3/h。同期采動(dòng)滲流量計(jì)算結(jié)果顯示，III、II 含合計(jì)為400～700 m3/h，其中II 含為300～500 m3/h。證實(shí)了礦井水中以W01 工作面導(dǎo)通區(qū)滲流為主，且主要來自近區(qū)II 含補(bǔ)給，其他工作面滲流量主要來自III 含采動(dòng)裂隙滲流，少量來自II 含周期性沉陷裂縫越層補(bǔ)給。

表2 采動(dòng)期(2013—2019 年)開采參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化Table 2 Dynamic optimization of mining parameters during the mining period (2013-2019)

5 結(jié)論

(1)針對(duì)煤炭高強(qiáng)度井工開采局域地下水響應(yīng)顯著和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，基于“采動(dòng)激勵(lì)-覆巖應(yīng)變-流場(chǎng)響應(yīng)”耦合關(guān)系和采動(dòng)能與滲流場(chǎng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系提出采-滲耦合機(jī)制，從系統(tǒng)學(xué)視角構(gòu)建集導(dǎo)水裂隙帶、含/隔水層和測(cè)點(diǎn)控制邊界的采動(dòng)局域地下水系統(tǒng)——“采動(dòng)滲流系統(tǒng)”(MSS)及采動(dòng)滲流場(chǎng)導(dǎo)通區(qū)、擾動(dòng)區(qū)和輻射區(qū)的框架，具有尺度較大、滲流多態(tài)、補(bǔ)–徑–排復(fù)雜和動(dòng)態(tài)邊界的特點(diǎn)。

(2)針對(duì)導(dǎo)水裂隙帶及局域采動(dòng)滲流場(chǎng)景，構(gòu)建集“導(dǎo)通區(qū)”滲流模型和擾動(dòng)-輻射區(qū)“井滲”模型為一體的采動(dòng)滲流場(chǎng)效應(yīng)分析簡(jiǎn)化模型，提出采-滲耦合系數(shù)、采動(dòng)滲流量、視導(dǎo)水系數(shù)、源-位距等采動(dòng)滲流場(chǎng)描述參數(shù)，含水層損傷、保水安全開采風(fēng)險(xiǎn)、覆巖厚度和采高等含水層保護(hù)分析參數(shù)。

(3)揭示了采-滲耦合系數(shù)是影響局域采動(dòng)滲流響應(yīng)特征的關(guān)鍵因子，顯現(xiàn)為硬巖較軟巖類覆巖耦合強(qiáng)度和影響范圍大，低導(dǎo)水性較高導(dǎo)水性含水層響應(yīng)區(qū)域窄、頻度高和影響距離近；采動(dòng)滲流異常具有周期性、振幅波動(dòng)性和局部脈動(dòng)性等特點(diǎn)，III、II 含的累積影響半徑分別超過2 000 和6 000 m。

(4)應(yīng)用分析確定采動(dòng)區(qū)域III 含和II 含的“導(dǎo)通區(qū)”與“補(bǔ)給區(qū)”關(guān)系和采動(dòng)工作面滲流導(dǎo)通區(qū)，證實(shí)區(qū)域滲流趨勢(shì)與MGS 相近和局域滲流場(chǎng)“紊亂”，III含導(dǎo)水性異常顯著但水平低于II 含，采動(dòng)滲流量源于III 含直接補(bǔ)給和II 含越層“補(bǔ)給”；采動(dòng)滲流異常水平顯著下降證實(shí)巨厚多含水層時(shí)“保II 控III”策略和“低進(jìn)、高推、慢停”柔性回采模式實(shí)施對(duì)目標(biāo)含水層保護(hù)效果顯著。