准东大井矿区巨厚煤层开采覆岩含水层渗透特性研究

曾 强，李根生，杨 洁，赵龙辉，高 坡

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学干旱生态环境研究所，新疆 乌鲁木齐 830046；3.绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046)

新疆准东矿区煤炭资源丰富，矿区东西走向长约200 km，面积约15 334 km2，单一可采煤层厚达90 m。由于煤层赋存厚，矿区煤炭资源开采强度大，矿区地下水与邻近绿洲水系联系密切，该区域煤炭资源开采对矿区及邻近绿洲生态环境产生深远影响[1-4]。其中，煤炭开采活动如何影响区域地下水及地表水资源分布，进而影响矿区及区域地表植被生长与分布是其生态环境影响研究的核心问题之一。基于该问题研究，采场覆岩含水层渗透性随开采活动变化规律是需首要研究的问题。覆岩含水层渗透性与覆岩应力、覆岩裂隙等密切相关，具有耦合效应。针对覆岩应力-渗流耦合过程，国内外学者开展了大量相关研究：彭苏萍等[5]基于室内试验开展了砂岩孔隙渗流特性研究；许家林等[6]采用现场测试和模拟实验方法，研究了松散承压含水层下采煤顶板导水裂隙发育特征；杨天鸿等[7]研究了岩体破裂与渗透率的关系；孟召平等[8]研究了采空区岩体应力-应变与渗透性分布规律；李利平等[9]研究了突水灾变过程中应力场、位移场和渗流场的耦合演化规律；王金安等[10]研究了不同开采尺度下岩体断裂模式与渗流规律；潘力[11]研究了边坡裂隙岩体的水力特性及渗流-应力耦合关系；DAVID等[12]研究了砂岩渗透率和孔隙率的关系；PAN等[13]室内测得围压和孔隙压力对渗透率具有显著影响。

本文针对新疆准东矿区巨厚煤层开采，采用相似材料模拟与数值模拟方法，尝试研究矿区覆岩含水层渗透率随开采过程的变化规律，以期为该区域煤炭开采覆岩地下水运移响应机制研究提供借鉴。

1 研究区概况

准东矿区位于准噶尔盆地东部、克拉麦里山南麓，气候干旱少雨，生态环境脆弱。大井矿区位于其北部。矿井主采煤层平均厚度56 m，地层倾角1～3°。煤层顶板多为细砂岩、泥岩、粗砂岩、粉砂质泥岩等，底板多为炭质泥岩、含碳泥岩及细砂岩，覆岩力学参数见表1。

根据矿区水文地质资料，矿区含水层2层，分别为白垩系下统吐谷鲁群裂隙孔隙弱含水层和石树沟群裂隙孔隙弱含水层，见表2和图1。本文研究对象为含水层Ⅱ，即石树沟群裂隙孔隙弱含水层。

表1 覆岩层力学性质Table 1 Mechanic properties of overlying rocks

表2 含水层划分Table 2 Divisions of overlying aquifers

图1 水文地质平面、立面图Fig.1 Hydrogeology chart

2 采场覆岩渗透率特征

采场覆岩主要由孔隙与裂隙介构成，其与应力的关系如下所述。

1) 孔隙介质：孔隙渗透率受覆岩含水层孔隙率及有效应力控制，岩体孔隙率见式(1)。

φσ=Vσ/Vt

(1)

式中：φσ为岩体在应力为σ时的孔隙率；Vσ为岩体在应力σ时的孔隙体积；Vt为岩体总体积。

由饱和状态Terzaghi有效应力原理计算[14]，见式(2)。

σ′=σ-ρgH

(2)

式中：σ′为岩体有效应力；σ为岩体总应力；ρ为流体密度；g为重力加速度；H为水头高度。

由低有效应力(0～15 MPa)低渗透沉积砂岩环境[15]，有效应力与岩体孔隙率关系[16-17]见式(3)。

φσ′=φ0exp(-cσ′)

(3)

式中：φσ′为有效应力为σ′时的孔隙率；φ0为初始孔隙率；c为物质常数。

对孔隙系统渗透率而言，煤岩渗透率随孔隙率变化规律呈三次指数关系，其岩体孔隙渗透率计算公式见式(4)。

kp=k0(φσ/φ0)3

(4)

式中：kp为岩体孔隙渗透率；k0为岩体孔隙初始渗透率；φ0为岩体初始孔隙率。

2) 裂隙介质：裂隙渗透率受覆岩含水层隙宽及有效应力控制。根据应力应变关系σ=Eε,Terzaghi有效应力原理[18]，σ′=σ-γH,计算公式见式(5)和式(6)。

bσE=σ-γH

(5)

bσ=(σ-ρgH)/E

(6)

式中：σ为岩体有效应力；bσ为岩体在应力σ时隙宽；E为岩体弹性模型。

对于岩体单一裂隙，其渗透率可用平行板模型表示[19-20]，计算公式见式(7)。

Kf=βρgbσ/12μC

(7)

式中：Kf为单一裂隙渗透率；β为裂隙内联通面积与总面积之比；μ为流体运动黏滞系数；C为裂隙内粗糙度修正系数。

3 试验模拟研究

3.1 模型构建

根据钻孔柱状图、水文地质及关键层识别理论[21]，岩体物理力学参数，计算相似材料模拟配比(表3)，构建物理模型见图2(a)，数值模型见图2(b)。模拟大采高分层开采，采高7 m，沿煤层走向自左向右开挖，走向推进长度600 m，首分层开挖步距10 m，后续分层开挖步距20 m。分别选取覆岩含水层典型区域切眼侧点1#、采空区中部测点2#和停采线侧点3#为监测点，监测各点随煤层开采位移及应力动态值。

表3 相似材料模拟配比Table 3 Mixing ratios of similar materials

续表3

图2 物理模型与数值模型Fig.2 Physical model and numerical model

图3 覆岩含水层参考点位移变化特征Fig.3 Changes of displacement of reference points with overlying aquifers

3.2 模拟结果分析

1) 覆岩含水层位移变化特征。开采首分层时，相似材料模拟与数值模拟参考测点1#、测点2#、测点3#位移动态变化特征见图3，覆岩运动特征见图4。

由图3可知，覆岩含水层各测点位移随开挖长度的增加而增加。其中，测点2#位移量接近开挖高度。测点1#物理模拟开挖至70～250 m及数值模拟开挖至100～300 m时，位移快速增加，其后位移变化稳定；测点2#物理模拟开挖至70～420 m及数值模拟开挖至250～500 m时，位移快速增加，其后位移稳定；测点3#物理模拟开挖至430～600 m及数值模拟开挖至450～600 m时，位移快速增加。物理相似模拟及数值模拟各测点变化趋势基本一致。由图4可知，物理相似模拟与数值模拟覆岩运动特征基本一致。

2) 覆岩含水层渗透率变化特征。根据水文地质资料、各测点应力值、应力-渗透率方程， 确定参数见表4。通过数值模拟获得首分层开采覆岩含水层各监测点随工作面推进其有效应力与孔隙率、隙宽及渗透率动态变化特征，见图5和图6。

图4 物理模拟与数值模拟覆岩运动特征Fig.4 Comparison of movements of overlying rocks with physical and numerical simulation

表4 渗透率计算所需参数值Table 4 Parameters for calculation of permeability

图5 首分层开采有效应力、孔隙率及渗透率动态变化特征Fig.5 Changes of effective stress,porosity andpermeability with mining of the first sub-layer

由图5可知，各测点孔隙率、渗透率与有效应力变化呈负相关。测点1#有效应力总体呈波动递减趋势，孔隙率及渗透率呈波动递增趋势。开挖至0～90 m，有效应力迅速降低，此时孔隙率及渗透率迅速增加；开挖至90～270 m，有效应力、孔隙率及渗透率波动较大；开挖至270～310 m，有效应力迅速下降，此时孔隙率及渗透率迅速增加；开挖至360～600 m，有效应力呈缓慢增加，孔隙率及渗透率缓慢降低。测点2#开挖至0～200 m，有效应力呈增加趋势，此时孔隙率及渗透率降低；开挖至200～430 m，有效应力呈急剧降低趋势，此时孔隙率及渗透率急剧增加；开挖至430～600 m，有效应力迅速增加，孔隙率及渗透率迅速降低。测点3#有效应力总体呈增加趋势，孔隙率及渗透率呈降低趋势；开挖至0～200 m，有效应力基本不变，其孔隙率及渗透率亦保持不变；开挖至200～380 m，有效应力呈快速增加，孔隙率及渗透率快速减小；开挖至500～600 m有效应力呈急剧增加后降低趋势，孔隙率及渗透率呈急剧先降低后增加趋势。各测点渗透率可得：测点1#>测点3#；开挖350～600 m，测点2#>测点1#>测点3#。

图6 首分层开采有效应力、隙宽及渗透率动态变化特征Fig.6 Changes of effective stress,fracture width andpermeability with mining of the first sub-layer

由图6可知，各测点隙宽、渗透率与有效应力变化呈正相关。测点1#开挖至0～90 m，有效应力、隙宽及渗透率迅速减小；开挖至90～230 m，有效应力、隙宽及渗透率增加；开挖至230～360 m，有效应力、隙宽及渗透率迅速减小；开挖至360～600 m，有效应力、隙宽及渗透率呈缓慢减小。测点2#开挖至0～200 m，有效应力、隙宽及渗透率呈减小趋势；开挖至200～430 m、430～600 m，有效应力先急剧减小后快速增加；开挖至360～550 m，隙宽及渗透率趋近0。测点3#开挖至0～200 m，有效应力、隙宽及渗透率保持不变；开挖至200～380 m，有效应力、隙宽及渗透率快速增加；开挖至380～470 m，有效应力、孔隙率及渗透率缓慢减小；开挖至470～570 m，有效应力、隙宽及渗透率呈急剧增加趋势；开挖至500～600 m，有效应力、隙宽及渗透率呈急剧先增加后减小趋势，570 m时达到最大值。由各测点渗透率可得：测点3#>测点1#；开挖至0～300 m：测点2#>测点3#>测点1#；开挖至360～600 m：测点3#>测点1#>测点2#。

模拟开采二分层时，覆岩含水层各监测点随工作面推进,其有效应力与孔隙率、隙宽及渗透率动态变化特征，见图7和图8。

图7 二分层开采有效应力、孔隙率及渗透率动态演化特征Fig.7 Changes of effective stress,porosity and permeabilitywith mining of the second sub-layer

图8 二分层开采有效应力、隙宽及渗透率动态演化特征Fig.8 Changes of effective stress,fracture width andpermeability with mining of the second sub-layer

由图7可知，测点1#开挖至430～600 m，孔隙率及渗透率达最大值后趋于稳定，此时有效应力达最小值后趋于稳定；测点2#有效应力大、孔隙率及渗透率波动频次较开采首分层时明显，开挖至100～220 m，有效应力迅速增加至最大值，此时孔隙率及渗透率迅速减小至最小值；开挖至420 m，有效应力达最小值，孔隙率及渗透率达最大值；开挖至520～600 m，有效应力、孔隙率及渗透率趋于稳定。测点3#开挖0～480 m，有效应力先缓慢降低后迅速减小至最小值，此时孔隙率及渗透率先缓慢增加后迅速增加至最大值，开挖480～600 m有效应力先迅速增加后缓慢增加，此时孔隙率及渗透率先迅速增加后缓慢减小；当工作面趋于测点时有效应力、孔隙率及渗透率变化幅度较大，其中测点2#渗透率变化幅度较大。

由图8可知，测点1#开挖至120～180 m，有效应力、隙宽及渗透率迅速增加至最大值；开挖至430～600 m，有效应力、隙宽及渗透率达最小值后趋于稳定。测点2#开挖至100～220 m，有效应力、隙宽及渗透率迅速增加至最大值；开挖至280～400 m有效应力、孔隙率及渗透率波动较大；开挖至520～600 m，有效应力、孔隙率及渗透率趋于稳定。测点3#开挖至480～600 m，有效应力、隙宽及渗透率先迅速增加后缓慢增加。各测点渗透率大小大致为：测点3#>测点2#>测点1#，当工作面趋于测点时有效应力、孔隙率及渗透率变化幅度较大，其中测点2#渗透率变化幅度较大。

继续模拟后续分层开采，获得测点1#、测点2#、测点3#对应有效应力、孔隙率、孔隙渗透率、隙宽、裂隙渗透率动态变化，见图9和图10。

图9 不同分层开采有效应力、孔隙率及渗透率动态变化特征Fig.9 Changes of effective stress,porosity and permeabilitywith mining of different sub-layers

图10 不同分层开采有效应力、隙宽及渗透率动态变化特征Fig.10 Changes of effective stress,fracture width andpermeability with mining of different sub-layers

由图9可知，测点1#随开挖层数增加，有效应力呈降低趋势，孔隙率及渗透率呈增加趋势。测点2#随开挖层数增加，有效应力、孔隙率及渗透率波动较大，有效应力呈先增后减趋势；采完4分层，有效应力达最大，此时孔隙率及渗透率达最小；采完2分层有效应力达最小，孔隙率及渗透率达最大。测点3#随开挖层数增加，有效应力不断减小；开挖5分层时有效应力快速降低至稳定，此时孔隙率及渗透率迅速增加至最大稳定值。开挖1～5分层渗透率大小大致为：测点1#>测点3#>测点2#；开挖6～8分层渗透率大小：测点3#>测点1#>测点2#。

由图10可知，测点1#随开挖层数增加，有效应力呈降低趋势，隙宽及渗透率快速减小；测点2#随开挖层数增加，有效应力、孔隙率及渗透率波动较大，有效应力呈先增后减趋势；测点3#随开挖层数增加，有效应力不断减小；5分层开挖时，有效应力快速降低至稳定。开挖6～8分层渗透率大小：测点2#>测点1#=测点3#。

4 结 论

1) 开采首分层赋岩位移数值模拟结果与相似材料模拟结果趋势基本一致；覆岩孔隙介质渗透率与有效应力呈负相关；覆岩裂隙介质渗透率与有效应力呈正相关；开挖1～5分层渗透率大小为：测点1#>测点3#>测点2#；开挖6～8分层渗透率大小为：测点3#>测点1#>测点2#。

2) 覆岩裂隙集中分布于采空区两侧；切眼侧覆岩含水层应力小于停采线侧；切眼侧覆岩含水层应力总体呈减小趋势；采空区中部覆岩含水层应力先增加后降低；停采线侧覆岩含水层应力总体呈增加趋势。

3) 覆岩含水层渗透特性与覆岩孔隙-裂隙双重介质动态变化特征有关，与采动覆岩应力变化具有耦合效应。