【新锐特刊】赵春虎研究员：陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析（中国煤炭科工集团西安研究院有限公司）

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（1）通过系统整理与分析榆神矿区主采煤层覆岩结构特征，将榆神矿区主采煤层覆岩含（隔）水层划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组，以及主、亚2个隔水保护土层。

（2）根据矿区主采煤层采动导水裂隙与覆岩含（隔）水层组的空间组合关系，提出浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水、深部煤层复合隔水保护微涌水3种含水层涌水模式。

（3）创新构建了采煤工作面尺度上煤层开采涌水预测析模型，定量模拟分析了3种模式涌水规律，研究得出抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系，是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施，论文成果为我国西部干旱、半干旱矿区开展顶板水害防控与水资源协同保护提供了科学依据。

作 者

赵春虎1,2，靳德武1,2，李智学3，申小龙4，王　皓1,2，王世东1,2，许　峰1,2，王强民1,2

单 位

1. 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司；2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,；3. 陕西投资集团有限公司；4. 陕西煤田地质勘查研究院有限公司

研究背景

榆神矿区地处西部干旱与半干旱地区,毛乌素沙漠与陕北黄土高原的接壤地带,是我国陕北煤炭基地的重要组成部分,近地表第四系萨拉乌苏组松散孔隙含水层是区内惟一具有供水意义和重要生态价值的含水层,为矿区保水采煤的目标保护层。煤层开采形成的采动裂隙发育至基岩含水层内部甚至近地表的松散层含水层,导致含水层地下水沿采动导水裂隙间接或直接涌入采掘空间,一般形成大而稳定的顶板涌水问题,也加剧了矿区水资源短缺局面以及生态环境的负效应。因此,煤层开采过程中顶板水害防控与地下水资源协同保护是煤炭可持续开发面临的一项主要问题。

目前保水采煤理论与技术主要以“覆岩分带理论”为研究基础,以分析不同采煤条件下导水裂隙带发育高度与覆岩含水层的空间关系为研究重点[15-16] ,其基本认识为导水裂隙未沟通保水目标层或隔水土层,未造成地下水资源大量漏失,即认为可以实现保水开采。陕北榆神矿区分4个规划期,各期主采煤层赋存特征差异较大,针对煤层开采引起含水层涌水规律的相关研究大多集中在开采程度高、开采煤层埋深相对较浅的一、二期规划区以及北部的神府矿区,其研究成果在榆神中深部的三、四期规划区应用方面存在一定局限性。笔者通过系统整理分析榆神矿区主采煤层地质、水文地质特征以及导水裂隙带的相关研究成果,总结榆神矿区主采煤层开采含水层3 种涌水模式,并采用地下水系统数值分析手段,构建了矿区典型煤矿工作面尺度上3种模式的涌水分析模型,定量分析了采煤导致的含水层地下水的涌水规律。

摘 要

榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分,针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌水规律研究不足等问题,通过系统分析地质与水文地质结构特征,将矿区开采煤层覆岩划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组,以及主、亚2个隔水保护层组。

根据煤层采动导水裂隙与覆岩含(隔)水层组不同组合关系下的含水层涌水特征,提出了浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水,以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3种含水层涌水模式;并采用数值分析方法,以榆神矿区典型矿井为研究对象,构建了采煤工作面尺度上煤层开采3种模式涌水分析模型,模拟结果显示,浅埋煤层侧向直接涌水型(凉水井井田),主采煤层为4-2煤层,采动导水裂隙直接发育至松散含水层,工作面顶部含水层被疏干,总涌水量为47m3/h,地下水流场受采动影响大。

深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型(小壕兔1号井田),主采煤层为1-2煤层,采动导水裂隙发育至基岩含水层,总涌水量为21.87m3/h,以侧向涌水为主,由于主、亚隔水层复合保护,垂向涌水微弱;中深煤层侧向与垂向复合涌水型( 曹家滩井田),主采煤层为2-2煤层( 均厚约为11 m),在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部,其侧向涌水量为23.17m3/h,垂向涌水量为12.67m3/h,地表松散含水层地下水流场变化较小,在一次采全高条件下导水裂隙突破亚隔水层,发育至风化基岩含水层底部,总涌水量增至131m3/h,对松散含水层影响较大。

此外,当导水裂隙带高度小于180m、不能沟通风化基岩含水层时,随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅度不大,当导水裂隙带高度大于180m、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时,涌水量增加幅度较大,由此可见,抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系,是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施。

部分图片

榆神矿区主采煤层埋深等值线(据文献[9]修改)

矿区典型地质钻孔柱状

煤层采动含水层涌水模式示意

凉水井煤矿含水层流场特征

小壕兔煤矿含水层流场特征

曹家滩煤矿含水层流场特征

不同导水裂隙高度下覆岩含水层涌水量曲线

作者简介

赵春虎，男，1981年4月19日生，陕西扶风人，博士，研究员，中国煤炭科工集团西安研究院有限公司高级专家，一直从事矿山水害防治与矿区水环境保护研发工作。主持国家重点研发计划专题2项，陕西省自然科学面上基金项目1项，中国煤炭科工集团创新基金项目2项，获得省部级7项，发表学术论文60余篇，受理授权发明专利7项，出版《陕蒙煤炭开采地下水环境系统扰动与评价》专著1部，参与《晋陕蒙接壤区大型煤炭基地地下水保护利用与生态修复》等3部专著编制。

研究方向

矿山水害防治与矿区水环境保护

主要成果

致力于煤矿水害防治技术与矿区水环境保护技术的研发工作，提出了西部干旱与半干旱矿区地下水环境系统的概念，以及煤层开发引起的侧向直接流失型、侧向与垂向流失型、复合隔水保护微流失型3类含水层失水模式；构建出采煤工作面尺度覆岩变形损伤与含水层失水耦合分析模型、仰斜钻孔尺度上基于应力-渗流的双向流固耦合数值模型，为采煤工作面涌水量精细预测、顶板水害控制疏降治理技术提供了科学依据，完成十二五国家科技支撑计划专题 “晋陕蒙接壤区煤炭资源开发对区域水资源系统的影响规律与调控技术”等项目，推动了顶板水害防治与水资源保护定量化、精细化技术进程。

赵春虎,靳德武,李智学,等. 陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析[J]. 煤炭学报,2021,46(2):523-533.

ZHAO Chunhu,JIN Dewu,LI Zhixue,et al. Analysis of overlying aquifer water inrush above mining seam in Yushenmining area[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(2):523-533.

责任编辑：钱小静编辑整理：郭晓炜审核：常 琛

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