覆巖損害與地表沉陷耦合作用下特厚煤層綜放開采動態(tài)變化規(guī)律

覆巖損害與地表沉陷耦合作用下特厚煤層綜放開采動態(tài)變化規(guī)律

煤炭作為中國的主要能源，短期內(nèi)不會發(fā)生變化。陜北煤炭基地是我國14個大型煤炭基地之一，也是黃河流域九大煤炭基地的重要組成部分采煤對地下水影響方面，王雙明等在水資源保護方面，范立民等以上成果豐富了煤炭開采地下水保護方面理論研究，但對綜采工作面開采過程中地下水位的動態(tài)變化規(guī)律尚無系統(tǒng)觀測、研究。筆者以榆神礦區(qū)3期規(guī)劃區(qū)中部的某礦首采工作面(01工作面)為研究區(qū)，以風(fēng)化基巖含水層和潛水含水層為研究對象，通過布設(shè)水文長觀孔觀測揭示采動過程中風(fēng)化基巖水和潛水的動態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合覆巖損害特征，闡明其動態(tài)變化機理，為煤礦區(qū)水資源保護提供借鑒。研究區(qū)域的地質(zhì)條件01工作面是礦井首采工作面，走向長4560m,傾向長350m,采用綜合機械化一次性采全高的方式回采22涂層水位觀測方案與發(fā)展特點監(jiān)測段的選擇為準確掌握01工作面回采過程中風(fēng)化基巖水和潛水的動態(tài)變化規(guī)律，選取距工作面開切眼2243～3243m段作為監(jiān)測段。采用“十”字布線原則布設(shè)了傾向、走向2條地下水觀測剖面線，分別為層的形成和分布特征(1)風(fēng)化巖含水層發(fā)育和分布特征繪制了(2)地下水層的發(fā)育和分布特征繪制了地下水位的動態(tài)變化規(guī)律風(fēng)化基巖含水層從圖5可以看出，01工作面回采過程中，F(xiàn)11孔風(fēng)化基巖含水層水位基本與初始水位保持一致，未發(fā)生明顯變化，其余孔內(nèi)的風(fēng)化基巖含水層均受到采動影響。在采動影響范圍內(nèi)，風(fēng)化基巖含水層水位具有相對統(tǒng)一的變化過程，均表現(xiàn)出“先下降后回升”的動態(tài)規(guī)律，且恢復(fù)至初始水位。風(fēng)化基巖含水層動態(tài)變化數(shù)據(jù)見表1。結(jié)合工作面回采位置，根據(jù)風(fēng)化基巖含水層水位受采動影響表現(xiàn)出的動態(tài)規(guī)律，將其劃分為3個階段：①快速下降階段；②回升恢復(fù)階段；③穩(wěn)定波動階段。(1)快速下降階段風(fēng)化基巖含水層水位表現(xiàn)出持續(xù)快速下降的變化特征，日平均下降速率在0.86～95.91cm,一般在工作面回采過(2)水文孔調(diào)整速度分析此階段處于快速下降階段之后。風(fēng)化基巖含水層在側(cè)向補給作用下水位開始逐漸回升，直至恢復(fù)至初始水位?；謴?fù)至初始水位的時間是在工作面回采過從圖7(a)可以看出，水位平均回升速率在1.08～8.68cm/d。此階段持續(xù)時間與水文孔距工作面中心距離呈近似的正態(tài)分布，即越靠近工作面中心風(fēng)化基巖含水層受采動影響越嚴重，含水層水位回升恢復(fù)的時間越長。在不考慮水文孔位置方向的基礎(chǔ)上，2者擬合后的函數(shù)表達式為：此外，就面內(nèi)水文孔而言，回升恢復(fù)階段又可分為2個亞階段，分別是波動回升階段和穩(wěn)定回升階段。其中，波動回升出現(xiàn)在回升恢復(fù)階段早期，該階段內(nèi)風(fēng)化基巖含水層水位呈較大的波動起伏變化，但總體表現(xiàn)為上升趨勢。從表2可以看出，F(xiàn)4,F5和F6孔波動回升階段時間分別為34,67和47d,說明越靠近工作面中心波動回升階段的時間越長。穩(wěn)定回升出現(xiàn)在波動回升階段之后，是回升恢復(fù)的后期階段。該階段內(nèi)風(fēng)化基巖含水層水位以一個相對穩(wěn)定的回升速率持續(xù)升高直至恢復(fù)至初始水位。(3)初始水位波動該階段風(fēng)化基巖含水層水位變化特征為：含水層水位恢復(fù)至初始水位后，不再發(fā)生突然性變化或者單趨向的持續(xù)性變化，而是圍繞初始水位呈現(xiàn)小幅度的波動性變化，波動幅度一般在初始水位的±0.5m范圍內(nèi)。包括含水層水位的動態(tài)變化規(guī)律水位抬高期9071d從圖8可以看出，在當水位下降至最低后，潛水位開始回升，分別于過孔后的138,25,90,102,90和73d回升至最高水位但仍低于初始水位，水位平均回升速率在0.81～4.44cm/d。之后潛水處于波動狀態(tài)，波動幅度小于0.50m。潛水位穩(wěn)定后，各水文孔穩(wěn)定水位與初始水位相比仍具有差值，范圍在0.665～3.318m,平均為2.360m,且越接近潛水上游，水位降深越大。-從圖9可以看出，在地下水位動態(tài)變化形成機制風(fēng)化巖含水層水位的動態(tài)變化機制以往研究表明，風(fēng)化基巖含水層結(jié)構(gòu)受到直接損傷即導(dǎo)水裂隙貫通風(fēng)化基巖層是導(dǎo)致其水位發(fā)生變化和水資源量減少的主要因素風(fēng)化基巖層導(dǎo)水裂隙帶以鉆孔巖芯取樣、沖洗液消耗量觀測和鉆孔電視3種方法綜合探查出覆巖“兩帶”(導(dǎo)水裂隙帶)發(fā)育高度為157.39m,其中垮落帶高度為30.47m(圖10)。導(dǎo)水裂隙帶頂界距離地表的垂直高度為156.61m,風(fēng)化基巖底界距離地表垂直高度為99.60m,導(dǎo)水裂隙帶未發(fā)育至風(fēng)化基巖層中，2者仍有57.01m的垂直高度差。表明工作面采動后，風(fēng)化基巖含水層未被導(dǎo)水裂隙切穿，含水層結(jié)構(gòu)不會發(fā)生損害。水位下降規(guī)律圖11為工作面內(nèi)F5孔風(fēng)化基巖水位動態(tài)變化和風(fēng)化基巖層下沉、地表下沉之間的關(guān)系。風(fēng)化基巖含水層水位變化與地表下沉不具有同時性，即2者變化速率之間存在時間差，原因在于風(fēng)化基巖層位于彎曲下沉帶下段，其彎曲下沉量大于同一時間的地表下沉量，借助地表下沉量曲線可近似推斷出風(fēng)化基巖層下沉曲線(圖11中紅色曲線)。由圖11可以看出，風(fēng)化基巖含水層水位變化與風(fēng)化基巖層下沉具有了整體的同時性，風(fēng)化基巖層開始劇烈下沉?xí)r，水位下降速率也隨之加快。進一步分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化基巖含水層水位動態(tài)變化規(guī)律與風(fēng)化基巖層下沉速度密切相關(guān)(圖12)。當工作面回采位置距F5孔39.8m時，風(fēng)化基巖層下沉速度超過10mm/d,風(fēng)化基巖水位開始緩慢下降；當工作面回采過F5孔下方10m時，風(fēng)化基巖層下沉速度達到136mm/d,水位下降速率也急劇增加，由原來的152mm/d增加至1045mm/d。當風(fēng)化基巖層下沉速度逐漸增大并達到峰值234mm/d時，風(fēng)化基巖含水層水位完成快速下降階段，水位達到最低值。其后，風(fēng)化基巖層下沉速度開始減小，而風(fēng)化基巖含水層在側(cè)向補給作用下水位開始回升，進入波動回升階段。當風(fēng)化基巖層下沉速度趨于0時，風(fēng)化基巖含水層水位進入穩(wěn)定回升階段，開始以一個相對穩(wěn)定的回升速率恢復(fù)至初始水位。水位動態(tài)變化機制的探討(1)風(fēng)化基巖含水層原因分析工作面內(nèi)風(fēng)化基巖含水層未被導(dǎo)水裂隙貫穿，不會沿導(dǎo)水裂隙流入采空區(qū)，但其水位變化又與風(fēng)化基巖層下沉密切相關(guān)。因此，推斷認為風(fēng)化基巖含水層主要是以下原因造成的：①風(fēng)化基巖層下沉。風(fēng)化基巖層的下沉速度較快，水位會在短時間內(nèi)因補給不及時而隨巖層發(fā)生下降；②臨時性的覆巖裂隙和離層。據(jù)《開采損害學(xué)》工作面外風(fēng)化基巖含水層水位無超前下降和突變現(xiàn)象，均以小于50.0mm/d的速率持續(xù)穩(wěn)定下降則是其向工作面內(nèi)風(fēng)化基巖含水層進行穩(wěn)定的側(cè)向補給導(dǎo)致的。(2)覆巖裂隙使得水位下降風(fēng)化基巖水位恢復(fù)則與其失水途徑的消失和側(cè)向補給有關(guān)。隨著工作面不斷回采，面內(nèi)風(fēng)化基巖層下沉速度減緩，臨時性覆巖裂隙發(fā)生閉合，離層裂隙逐漸消失，失水途徑減少，在側(cè)向補給與巖層下沉雙重作用下水位開始波動回升。隨著風(fēng)化基巖層逐漸穩(wěn)定，下沉速度達到最低時，在監(jiān)測區(qū)外圍風(fēng)化基巖含水層穩(wěn)定的補給作用下，面內(nèi)風(fēng)化基巖含水層開始穩(wěn)定回升，直至恢復(fù)至初始水位。工作面外鉆孔內(nèi)風(fēng)化基巖含水層水位是在更遠處含水層側(cè)向補給的作用下恢復(fù)至初始水位的。包括含水層水位的動態(tài)變化機制地表裂縫發(fā)育深度導(dǎo)水裂隙和采動發(fā)育深度大的地表裂縫是潛水含水層結(jié)構(gòu)遭受損害的主要途徑對出現(xiàn)在水文孔附近的采動地表裂縫進行人工觀測，結(jié)果顯示，地表裂縫發(fā)育寬度在2.0cm以下，長度較短。對裂縫實施原位充填開挖發(fā)現(xiàn)，地表裂縫深度存在極限值一般不超過2.5m。而監(jiān)測區(qū)工作面內(nèi)上方潛水含水層埋深3.12～8.50m,均大于2.50m,故地表裂縫也不會對潛水含水層結(jié)構(gòu)造成直接損害。地表下沉速度分析潛水含水層處于彎曲下沉帶上段，距離地表較近，且地表裂縫未發(fā)育至潛水含水層內(nèi)。為揭示潛水含水層水位變化與地表下沉的關(guān)系，筆者利用S5孔處GNSS地表下沉自動監(jiān)測數(shù)據(jù)和S5孔潛水含水層水位變化規(guī)律，繪制了潛水變化和地表下沉關(guān)系圖(圖14)。從時間尺度上看，潛水位的快速下降和回升與地表下沉具有同時性，即地表開始下沉?xí)r，潛水位開始下降，下降幅度基本一致。進一步分析發(fā)現(xiàn)，潛水位動態(tài)變化與地表下沉速度密切相關(guān)(圖15)。2019-05-21—08-09即回采過孔前8d至過孔后130d,共138d是地表下沉的活躍階段，而在活躍階段的前35d內(nèi)地表平均下沉速度達到74.3mm/d,累計下沉量為2605mm(2.605m),占總下沉量的91.9%,是地表劇烈下沉期。而潛水位的快速下降也發(fā)生在該時間段內(nèi)，且與地表下沉速度存在一定的正相關(guān)關(guān)系。當?shù)乇碓竭^劇烈下沉期進入活躍階段后期和衰退階段，地表下沉速度減弱直至為0時。潛水位則在大氣降水和高位潛水的側(cè)向補給作用下逐漸回升，進入回升階段。本文研究了波動位動態(tài)變化機制的探討(1)地下水滲流影響結(jié)合潛水位動態(tài)變化與地表下沉耦合關(guān)系和監(jiān)測區(qū)潛水滲流特征發(fā)現(xiàn)，地表下沉和潛水滲流出露是造成面內(nèi)潛水位標高下降的主要原因。地表下沉：潛水賦存在薩拉烏蘇組沙土中，無承壓性，短時間內(nèi)因側(cè)向補給的不及時其水位標高會隨著地表下沉而下降，但其水位埋深基本不會發(fā)生變化，S5孔潛水位最大降深與地表下沉量基本一致說明了這一問題。潛水的滲流、出露：針對01工作面而言，回采方向與潛水滲流方向相反，采動引起的地表下沉加大了回采前方與后方、工作面中央和兩側(cè)潛水含水層之間的水力坡度，使得潛水向工作面中央?yún)R流并加速向回采后方流動，進而出露地表補給地表水(圖16),發(fā)生蒸發(fā)，間接為潛水提供了失水途徑，改變了潛水的水頭差。回采后方鉆孔的潛水含水層厚度均有不同程度的增加，表明了潛水在向后方滲流。此外，工作面外潛水位以小于15mm/d的速率持續(xù)穩(wěn)定下降則是其向工作面內(nèi)進行側(cè)向補給導(dǎo)致的。(2)地下水滲流層水位下降原因分析由圖3和16可以看出，監(jiān)測區(qū)內(nèi)潛水含水層分布局限，側(cè)向補給缺乏，儲量有限。側(cè)向補給量無法彌補潛水發(fā)生滲流的損失量是潛水位無法恢復(fù)的主要原因，尤其是S16孔北西側(cè)無潛水層發(fā)育使得上游潛水補給缺乏，導(dǎo)致面內(nèi)潛水位無法恢復(fù)如初，面外潛水位無回升恢復(fù)過程，上游水文孔(S14,S15和S16)水位穩(wěn)定降深大于下游水文孔穩(wěn)定降深也間接表明了上游潛水在補給下游，而其本身無法得到充分補給。反言之，當潛水側(cè)向補給充足時，潛水完全可以恢復(fù)。綜上，01工作面開采潛水未發(fā)生漏失只是因煤層采動誘發(fā)的地表下沉加快了滲流速度，增大了潛水對地表水的補給量，間接改變了潛水水頭差，導(dǎo)致水位發(fā)生不同程度的下降。側(cè)向補給缺乏、水量有限是潛水位無法恢復(fù)至初始的主要原因。水位下降原因(1)中深埋厚煤層開采條件下，位于彎曲下沉帶內(nèi)的風(fēng)化基巖含水層水位表現(xiàn)出“先下降后回升”并恢復(fù)至初始水位的動態(tài)變化規(guī)律，含“快速下降”“回升恢復(fù)”和“穩(wěn)定波動”3個階段。其中“回升恢復(fù)”階段又分為“波動回升”和“穩(wěn)定回升”兩個亞階段。在水位快速下降階段，水位最大降深、平均下降速率均呈正態(tài)分布且與距工作面中心距離符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，水位回升恢復(fù)階段，持續(xù)時間和平均回升速率與距工作面中心距離呈負相關(guān)關(guān)系。(2)風(fēng)化基巖層劇烈下沉及其產(chǎn)生的臨時性不導(dǎo)水裂隙和離層是面內(nèi)風(fēng)化基巖含水層水位發(fā)生下降的主要因素。水位快速下降階段和回升階段分別對應(yīng)風(fēng)化基巖層下沉速度的增大和減小過程，當風(fēng)化基巖層下沉速度趨于0時，臨時性不導(dǎo)水裂隙和離層閉合、數(shù)量減小，水位在穩(wěn)定的側(cè)向補給下開始逐步回升。面外風(fēng)化基巖的動態(tài)變化則與其側(cè)向補給密切相關(guān)。(3)當潛水含水層分布局限、側(cè)向補給缺乏時，位于彎曲下沉帶的潛水含水層水位主要表現(xiàn)出“先下降后回升”和“持續(xù)下降至穩(wěn)定”2種動態(tài)規(guī)律。這種動態(tài)變化特征與地表下沉密切相關(guān)，水位下降期與地表活躍階段早期劇烈下