巖溶塌陷柱水文地質(zhì)模型研究

巖溶塌陷柱水文地質(zhì)模型研究

1礦井涌突水預(yù)測(cè)研究進(jìn)展突然的煤炭開(kāi)采是安全生產(chǎn)的主要災(zāi)難之一，也是世界上煤炭生產(chǎn)國(guó)家面臨的安全開(kāi)采的主要問(wèn)題。我國(guó)煤田地質(zhì)條件十分復(fù)雜，受水威脅的煤炭?jī)?chǔ)量占探明儲(chǔ)量的27%，采礦中頻繁發(fā)生的突水事故嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。中奧陶統(tǒng)灰?guī)r層是北方煤田主要的充水含水層，具有很高的承壓水頭，巖溶陷落柱的基底一般又均發(fā)育其中，若柱體充填物的壓密、膠結(jié)程度較差，在采動(dòng)等外部因素的影響下，陷落柱很可能成為奧灰含水巖層的導(dǎo)水通道，危及礦井安全。開(kāi)灤范各莊礦2171綜采面因揭露陷落柱，發(fā)生了世界采礦史上罕見(jiàn)的特大型突水，最大涌水量達(dá)2053m3/min，歷時(shí)20小時(shí)55分便淹沒(méi)了一個(gè)開(kāi)采近20a、年產(chǎn).31×106t的大型機(jī)械化礦井，3個(gè)臨近礦井被淹。隨著開(kāi)采深度和強(qiáng)度的增加，開(kāi)采環(huán)境日趨復(fù)雜，水壓、地應(yīng)力和瓦斯不斷增大，水害問(wèn)題更加突出。我國(guó)從“六五”計(jì)劃將煤礦防治水列入國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，到“七五”、“八五”煤礦防治水一期和二期工業(yè)性試驗(yàn)的完成，許多專(zhuān)家學(xué)者在煤礦涌(突)水量預(yù)測(cè)研究方面進(jìn)行了不懈的探索，取得了豐碩成果，為防治水工程的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。早期礦井突水量預(yù)測(cè)以解析和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法為主，此后數(shù)值模型、地下水系統(tǒng)及管理在礦井涌水量預(yù)測(cè)中被廣泛應(yīng)用，文提出了華北型煤田礦井防治水決策系統(tǒng)。近年來(lái)，廣義雙重或三重介質(zhì)滲流模型、廣義雙重介質(zhì)滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合模型已經(jīng)被應(yīng)用于礦井涌水量預(yù)測(cè)中。盡管理論方法及數(shù)學(xué)模型取得了較大進(jìn)展，但礦井涌(突)水量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性仍然不盡人意，其中原因不是方法和模型不足以滿足預(yù)測(cè)的需要，而是基礎(chǔ)地質(zhì)背景信息不能滿足模型的要求，地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及由于認(rèn)識(shí)不清而導(dǎo)致人為模擬簡(jiǎn)化的不合理性，是其主要原因。因此，對(duì)地質(zhì)條件的深刻認(rèn)識(shí)以及含水介質(zhì)特征的掌握，是礦井涌(突)水量準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。本文僅以巖溶陷落柱為例，用系統(tǒng)論的方法，將其作為獨(dú)特的水文地質(zhì)子系統(tǒng)，同時(shí)又是礦井地下水系統(tǒng)中的一種特殊介質(zhì)，以礦井充水特征及規(guī)律的研究和建立模型為目標(biāo)，深入探討其水文地質(zhì)背景、類(lèi)型及控制因素等，以期探索水文地質(zhì)模型刻畫(huà)、逼近地質(zhì)原型的思路和方法。2溶溶柱的水文特征2.1早或半封式結(jié)構(gòu)在北方煤田中，陷落柱基底發(fā)育于奧陶系灰?guī)r中，向上塌陷穿過(guò)煤層或接近煤層底板，常成為奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層地下水和煤系地層之間的聯(lián)系通道。這樣，灰?guī)r地下水是其補(bǔ)給源，柱體本身是徑流通道，井巷或采煤工作面是其排泄點(diǎn)，構(gòu)成獨(dú)特的巖溶陷落柱水文地質(zhì)子系統(tǒng)。陷落柱導(dǎo)水性主要取決于柱體內(nèi)物質(zhì)組成、壓實(shí)和膠結(jié)情況以及承受水壓大小。一般形成比較早的陷落柱，壓實(shí)膠結(jié)比較好，導(dǎo)水性弱；而形成較新或正在形成中的陷落柱，膠結(jié)不好，導(dǎo)水性強(qiáng)。從北方礦區(qū)目前揭露的眾多陷落柱資料分析，多數(shù)礦區(qū)或井田的陷落柱都不導(dǎo)水，只有少數(shù)導(dǎo)水。例如：山西陽(yáng)泉礦區(qū)發(fā)現(xiàn)的450個(gè)陷落柱一般都干燥無(wú)水；太原西山礦區(qū)的杜兒坪礦近年強(qiáng)行通過(guò)的400余個(gè)陷落柱無(wú)一例出水事故發(fā)生；河北峰峰礦區(qū)鼓山兩側(cè)十幾個(gè)礦井所揭露的陷落柱均不導(dǎo)水；河北井陘礦區(qū)的120余個(gè)陷落柱中有2/3不導(dǎo)水，其余皆為弱導(dǎo)水或中等導(dǎo)水；魯西煤田目前揭露的陷落柱基本為干燥或少量淋水、滴水。但是，開(kāi)灤范各莊礦2171綜采工作面發(fā)生的世界采礦史上罕見(jiàn)的巖溶陷落柱透水災(zāi)害，皖北任樓礦、安陽(yáng)銅冶一礦、徐州張集煤礦和青山泉1#井等發(fā)生的陷落柱重大突水事故，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和不良的社會(huì)影響，而且改變了過(guò)去陷落柱不突水的觀念。2.2充填巖塊涌壓綜合分析北方礦區(qū)揭露或陷落柱探測(cè)資料，按照柱體充填物質(zhì)特征、壓實(shí)膠結(jié)程度以及其充水和導(dǎo)水特征，可將陷落柱劃分為：全充水強(qiáng)導(dǎo)水型、邊緣充水導(dǎo)水型和不導(dǎo)水或微弱導(dǎo)水疏干型3種類(lèi)型。(1)全充水強(qiáng)導(dǎo)水型。陷落柱內(nèi)充填物尚未膠結(jié)，巖塊梭角顯著、雜亂無(wú)章，存在大量空洞，或者是正在發(fā)育的陷落柱，其導(dǎo)水性極強(qiáng)，一旦與強(qiáng)含水層或含水帶有水力聯(lián)系，在高壓水頭作用下，地下水極易突入井巷工程或采掘工作面，發(fā)生突水，且水量大而穩(wěn)定，危害較大。如：(1)開(kāi)灤范各莊礦2#陷落柱被揭露時(shí)涌水量曾達(dá)7.8m3/min，水壓達(dá)1.756MPa，連續(xù)5a水量保持在3m3/min以上，現(xiàn)已基本疏干。(2)2171綜采面9#陷落柱1984年6月2日發(fā)生突水，高峰期突水量達(dá)2053m3/min,4個(gè)大型礦井被淹，并使東礦區(qū)大部分抽取奧陶系灰?guī)r溶洞裂隙水的供水井失去供水能力，相繼在距突水點(diǎn)3.5km處發(fā)生地面塌陷。經(jīng)大量勘探鉆孔控制，陷落柱規(guī)模和形態(tài)已查明為一高約280m(從奧陶系頂面算起)的彎曲柱體。陷落柱總體積為8.16×105m3，其中在其頂部有8.7～32.1m的空洞，空洞體積為.397×104m3，占總體積的4.5%，其上為二煤頂板砂巖，表明它是一個(gè)正在發(fā)育著的陷落柱。柱體內(nèi)為煤系地層的破碎巖塊，十分松散且有大量的空洞，導(dǎo)水性良好。奧陶系馬家溝組灰?guī)r中的巖溶水，通過(guò)陷落柱上升至工作面附近，突破煤壁而造成特大突水，現(xiàn)已被注漿堵截。(3)鉆孔揭露10#陷落柱最大涌水量達(dá)26.68m3/min，水壓為4.7MPa，穩(wěn)定涌水量為19m3/min。又如，安陽(yáng)銅冶煤礦由于井下超前鉆孔打到富水的陷落柱而突水，涌水量由24→80→860→1500m3/h遞增，導(dǎo)致礦井淹沒(méi)。經(jīng)查明：銅冶煤礦突水陷落柱在±0m標(biāo)高以上的空隙率為11.6%～27.45%，±0～-50m標(biāo)高段的空隙率為2.3%～15.8%，-50～-100m標(biāo)高段的空隙率為2.9%，-100m標(biāo)高以下的空隙率為14.15%～17.87%。說(shuō)明陷落柱內(nèi)巖塊不僅沒(méi)有固結(jié)，反而存在大量的空洞，富含地下水。(2)邊緣充水導(dǎo)水型。陷落柱充填的巖石碎屑?jí)簩?shí)較緊密，柱內(nèi)水力聯(lián)系不好，而柱邊次生裂隙較為發(fā)育且充水，當(dāng)柱體溝通奧灰含水層時(shí)，在較高的水壓力下可發(fā)生滲透。采掘工程揭露時(shí)一般以滴、淋水為主，涌水量不大。開(kāi)灤范各莊井田1#，3#，5#，6#，8#和12#巖溶陷落柱屬于此種類(lèi)型。揭露時(shí)的涌水量：1#為0.54;3#為0.216;5#有少量涌水；6#為2.10m3/min;8#周邊裂隙有少量滴水，加之與該陷落柱有聯(lián)系的小斷層出水，涌水量為5.0m3/min;12#涌水量為0.15m3/min。又如峰峰三礦水源斜井施工中遇11#陷落柱后，從井下分別施工5個(gè)孔徑為89mm的奧灰鉆孔，終孔于陷落柱內(nèi)，5個(gè)孔的涌水量計(jì)1.5m3/min。汾西三教礦9采區(qū)下山揭露的陷落柱涌水量達(dá)0.75m3/min，淹沒(méi)了部分巷道。徐州東城井756工作面揭露陷落柱時(shí)淋水不斷，涌水量最大達(dá)0.8m3/min。井陘礦區(qū)最大的2個(gè)導(dǎo)水陷落柱IJ–1,IJ–2，涌水量分別為0.7～1.2m3/min,0.7～1.9m3/min。(3)不導(dǎo)水或微弱導(dǎo)水疏干型。較早時(shí)期形成的陷落柱，其充填物多以煤系地層的砂巖碎塊為主，摻雜少量的分布不連續(xù)的碳酸鹽碎塊，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中，經(jīng)過(guò)反復(fù)壓實(shí)作用，一般壓實(shí)緊密，呈半膠結(jié)狀態(tài)的非均質(zhì)柱體，且?guī)r塊間又有方解石和泥質(zhì)充填，一般情況下是隔水的。采礦實(shí)踐證明，大多數(shù)陷落柱屬于此類(lèi)，不具備突水條件。開(kāi)灤范各莊井田內(nèi)的4#，7#和11#陷落柱，唐家莊礦的1#，3#，5#陷落柱，陽(yáng)泉礦區(qū)揭露的大部分陷落柱均屬此種類(lèi)型。特點(diǎn)是陷落柱內(nèi)充填物壓實(shí)更加緊密，揭露時(shí)有少量滴水或無(wú)水，其邊緣裂隙水已被疏干，采掘工程可以正常通過(guò)。例如：當(dāng)范各莊2172工作面回采時(shí)遇到7#陷落柱，柱內(nèi)無(wú)水，采面安全通過(guò)，但1984年突水淹井后，其邊緣裂隙又被充水，涌水量達(dá)0.3m3/min。據(jù)井陘礦區(qū)統(tǒng)計(jì)，不導(dǎo)水型陷落柱占該礦區(qū)112個(gè)陷落柱的74.6%。又如峰峰礦區(qū)羊渠河礦揭露的9個(gè)陷落柱，鼓山兩側(cè)十幾個(gè)生產(chǎn)礦井揭露的陷落柱，都屬于不導(dǎo)水的干燥柱體；二礦揭露的21個(gè)陷落柱，不僅無(wú)地下水的痕跡，而且雖長(zhǎng)期處于下部中奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層地下水1.5～3.6MPa水壓作用下，但從未發(fā)現(xiàn)潮濕和滴水現(xiàn)象。在陷落柱分布地段，當(dāng)疏干山青含水層時(shí)，大青灰?guī)r和中奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層水位不變，這也說(shuō)明陷落柱不導(dǎo)水。魯西煤田目前揭露的陷落柱，均屬不導(dǎo)水或弱導(dǎo)水型；新汶煤田協(xié)莊礦在2水平9采區(qū)8煤層揭露的7個(gè)陷落柱都未見(jiàn)滴、淋水，其余的僅有少量淋水；滕縣煤田柴里礦揭露的4個(gè)陷落柱，僅見(jiàn)柱體邊緣有少量滴、淋水；肥城煤田平陰礦先后在4,5,6煤層揭露的1#陷落柱，巷道穿過(guò)時(shí)基本上是干燥無(wú)水；楊莊礦的1#，3#陷落柱，經(jīng)丁42孔沿9煤層鉆進(jìn)，穿過(guò)柱體15m，丁43孔斜穿柱體20m，都是干燥無(wú)水。2.3地下水保水開(kāi)采中充填物控制因素分析(1)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制陷落柱的宏觀水文地質(zhì)特征。比如，若新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)地殼上升速度比較快、幅度比較大，已形成的陷落柱所在地段被抬升到當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之上，則奧灰頂部含水層缺少應(yīng)有的補(bǔ)給水源，陷落柱導(dǎo)水能力減弱甚至喪失；又如，陷落柱所在的井田或塊段，其兩側(cè)如被后期落差較大且阻水的傾向斷層切割破壞，奧灰頂部的補(bǔ)給源即被切斷或阻隔，地下水活動(dòng)受到限制，陷落柱導(dǎo)水能力也會(huì)減弱。(2)地下水徑流條件不僅影響陷落柱導(dǎo)水能力的強(qiáng)弱，而且直接控制強(qiáng)導(dǎo)水型陷落柱的分布。北方煤田多數(shù)陷落柱不導(dǎo)水，強(qiáng)導(dǎo)水者大多分布在現(xiàn)代地下水強(qiáng)徑流帶上，尤其是現(xiàn)代巖溶泉域的排泄區(qū)附近，它們多是正在發(fā)育或復(fù)活的陷落柱，導(dǎo)水能力極強(qiáng)，一旦被揭露常發(fā)生突水。(3)柱體充填物的壓實(shí)和膠結(jié)程度控制陷落柱的水文地質(zhì)特征及導(dǎo)水能力。對(duì)于干燥無(wú)水的陷落柱，其充填物的壓實(shí)膠結(jié)程度比較高，在碎塊和角礫中間，多由較細(xì)至極細(xì)的巖屑、巖粉、粘粒組成基質(zhì)，其含量常超過(guò)60%，它們包裹著大大小小的巖塊，大巖塊似懸浮在基質(zhì)中，膠結(jié)緊密。由于固體物質(zhì)含量大，粘粒成分高，常堵塞巖體內(nèi)的開(kāi)啟裂隙，因此不利于巖溶地下水滲出。最典型的例子是峰峰二礦所揭露的21個(gè)陷落柱，長(zhǎng)期處于下部奧灰1.5～3.6MPa水頭壓力下，卻從未發(fā)現(xiàn)潮濕和滲水現(xiàn)象。當(dāng)壓實(shí)膠結(jié)緊密的柱體遭受風(fēng)化程度較高且發(fā)育裂隙時(shí)，易出現(xiàn)滴、淋水現(xiàn)象，成為弱導(dǎo)水的陷落柱。揭露時(shí)明顯涌水的陷落柱，一般膠結(jié)程度較差，柱體及圍巖中裂隙發(fā)育。可見(jiàn)，柱體充填物的壓實(shí)膠結(jié)程度是陷落柱導(dǎo)水的內(nèi)在因素，是判別其充水與否及導(dǎo)水性強(qiáng)弱和劃分陷落柱導(dǎo)水類(lèi)型的重要指標(biāo)。(4)橫截面上的環(huán)帶構(gòu)造導(dǎo)致陷落柱水文地質(zhì)特征的內(nèi)部差異。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，圍巖可劃分為3個(gè)帶：(1)裂隙帶，巖層產(chǎn)狀基本保持不變但裂隙發(fā)育；(2)破碎帶，巖層產(chǎn)狀異常，巖石破碎；(3)泥化帶，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，巖石松軟，砂巖和粘土巖已風(fēng)化成砂和粘泥。泥化帶寬為2～3m，裂隙帶和破碎帶寬為10～30m。相應(yīng)地，其導(dǎo)水性具有外圍環(huán)帶相對(duì)比較強(qiáng)、中間部位差的環(huán)帶分布特點(diǎn)。此外，還有人為因素的影響。比如，人工大量開(kāi)發(fā)利用巖溶地下水源及礦區(qū)大量抽排放水和實(shí)施各種防治水工程，也會(huì)使地下水位降低，水頭壓力減弱，徑流條件變差，往往造成陷落柱無(wú)水可導(dǎo)。綜上所述，巖溶陷落柱是華北地區(qū)石炭二疊紀(jì)煤田中底板巖溶裂隙水的重要充水通道，溝通各含水層造成極復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，并能直接將奧灰水導(dǎo)入煤系地層，給礦井安全造成極大的威脅。但是，陷落柱的導(dǎo)水性是受多種條件、因素控制和影響的，而各種因素又是彼此促進(jìn)和相互制約的，并非所有巖溶陷落柱都可構(gòu)成充水通道，只有處在現(xiàn)代巖溶水強(qiáng)徑流帶和集中排泄帶并隱伏埋藏在地下水頭面以下者，才能構(gòu)成突水的潛在威脅，造成突水危害，而絕大部分北方巖溶陷落柱并不導(dǎo)水。因此，在分析陷落柱充水性時(shí)，應(yīng)結(jié)合井田的實(shí)際情況，既要認(rèn)真研究充水巖層巖溶發(fā)育特征、水頭壓力大小和柱體充填及壓實(shí)膠結(jié)程度等基本條件，又要全面分析地質(zhì)構(gòu)造和地下水徑流條件等影響因素，為準(zhǔn)確模擬概化陷落柱提供可靠的地質(zhì)基礎(chǔ)信息。3概化的北方礦井地質(zhì)模型能夠充分體現(xiàn)煤系裂隙含水系統(tǒng)滲流場(chǎng)的空間特征，特別是強(qiáng)徑流帶和局部非連續(xù)滲流特征，而且應(yīng)用最廣的，是礦井地下水系統(tǒng)廣義三重介質(zhì)滲流模型。按上述理論，三重介質(zhì)分別為主干裂隙、主干陷落柱和裂隙–孔隙巖塊，耦合組成如下數(shù)學(xué)模型：式中：kij為滲透系數(shù)張量；Hs為孔隙–裂隙介質(zhì)中水頭值；sW為水量交換值；μs′為孔隙–裂隙彈性給水度；bij為主干裂隙節(jié)點(diǎn)上的裂隙寬度；hij為節(jié)點(diǎn)上水頭高度；?Hf為主干裂隙中水頭差；lij為水頭差(?Hf)相應(yīng)的距離；dk為管狀通道的直徑；?HT為管狀通道中的水頭差；lk為相應(yīng)水頭差(?HT)的距離；ν，γ分別為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)及容重；wf為主干裂隙中水量交換值；Qf為排水量或補(bǔ)給量；kn為法向滲透系數(shù)。圖1是概化的北方煤田礦井地質(zhì)模型。其中，全充水強(qiáng)導(dǎo)水型的陷落柱，垂向上起著溝通各含水層垂向水力聯(lián)系和突水通道的作用，將其概化為垂直管道。根據(jù)水力學(xué)中管道流的計(jì)算方法，假定水在管道中的運(yùn)動(dòng)服從管道流方程，突水量取決于管道直徑、突水點(diǎn)與突水水源間的水頭差和流經(jīng)距離等，其算式為式中：Q為突水量，d為陷落柱半徑，ν為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，?H為突水點(diǎn)與突水水源間的水頭差，l為突水點(diǎn)與突水水源間的距離。而邊緣充水導(dǎo)水型陷落柱，按充水狀況概化為等效主干裂隙或垂向越流介質(zhì)；對(duì)不導(dǎo)水或微弱導(dǎo)水疏干型陷落柱，可以概化為隔水體或不考慮其存在的影響。具體實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)以地質(zhì)條件及充水特征的研究為基礎(chǔ)，合理選擇參數(shù)，進(jìn)行地下水水量研究與預(yù)測(cè)，實(shí)例見(jiàn)文討論。4巖溶區(qū)別充填的地質(zhì)意義巖溶陷落柱是中