矿冶工程特厚煤层开采地下水响应及工作面涌水量变化特征:以建庄煤矿为例

温军辉; 折亮峰; 王毅; 张文; 薛晓庆; 白宇; 郭康; 孔梓涵

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502960

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8) :3232-3239 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502960

矿冶工程

矿冶工程特厚煤层开采地下水响应及工作面涌水量变化特征:以建庄煤矿为例

温军辉 ¹ ,
折亮峰 ¹ ,
王毅 ¹ ,
张文 ¹ ,
薛晓庆 ² ,
白宇 ¹ ,
郭康 ³ ,
孔梓涵 ⁴^,^*

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Groundwater Response and Variation Characteristics of Inrush Water in Working Faces under Extra-thick Coal Seam Mining Conditions: Jianzhuang Coal Mine

WEN Jun-hui ¹ ,
SHE Liang-feng ¹ ,
WANG Yi ¹ ,
ZHANG Wen ¹ ,
XUE Xiao-qing ² ,
BAI Yu ¹ ,
GUO Kang ³ ,
KONG Zi-han ⁴^,^*

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摘要

研究特厚煤层开采中的地下水响应及涌水量变化特征对矿井水害防治与生态环境保护具有重要意义。以建庄煤矿4^-2403工作面特厚煤层实际开采地质条件为背景,通过物理相似模拟分析特厚煤层开采覆岩覆岩导水裂隙带发育规律,研究特厚煤层开采随导高增大过程中上覆洛河组含水层水位与工作面涌水量变化特征。结果表明:特厚煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度存在阈值效应。覆岩导水裂隙带发育高度随工作面推进呈现“先缓增-后陡增-再不变”的变化特征,导水裂隙带高度陡增点位于工作面顶板初次破断后,同时工作面推进过程中覆岩导水裂隙带高度呈Logistic函数变化;覆岩导水裂隙是影响采动地下水水位变化的主要因素,且采动地下水水位下降时机超前导水裂隙沟通含水层时间。随工作面持续推进,水位等值线沿工作面推进方向呈椭圆形分布;工作面回采过程中涌水量与覆岩导水裂隙发育高度呈正向非线性相关关系。随导水裂隙高度增大,工作面涌水量整体呈现“先缓-后急-再稳”的变化特征。当覆岩导水裂隙带高度不再持续增大,工作面涌水量呈缓慢增大趋势。研究成果可为相似地质条件下特厚煤层开采地下水运移规律分析、工作面涌水量预计、矿井水害防治等提供借鉴。

Abstract

The groundwater response and the variation in water inflow during extra-thick coal seam mining are of great significance for mine water disaster prevention and ecological environmental protection. The geological conditions of the 4^-2403 working face in Jianzhuang Coal Mine were taken as the engineering background. A physical similarity simulation was conducted to analyze the development law of the water-conducting fractured zone in the overburden during extra-thick coal seam mining. The variations in the groundwater level of the overlying Luohe Formation aquifer and the water inflow of the working face were investigated with the increase in the height of the water-conducting fractured zone. The results show that a threshold effect is present in the development height of the overburden water-conducting fractured zone. The development height is characterized by a “slow increase-sharp increase-stable” trend with face advancement. The sharp-increase point is located after the first roof break. A Logistic function is followed by the development height during face advancement. The water-conducting fractures are identified as the dominant factor controlling the mining-induced groundwater level variation. The onset of groundwater level decline is earlier than the time when the fractures connect with the aquifer. As the face continues to advance, water-level contours are distributed in an elliptical pattern along the advancing direction. A positive nonlinear relationship is observed between the water inflow and the development height of the water-conducting fractured zone during mining. A “slow-rapid-stable” trend is exhibited by the inflow with the increase in fracture-zone height. When the fracture-zone height no longer increases, the inflow is still increased slowly. The findings provide a reference for analyzing groundwater migration, predicting working-face inflow, and preventing mine water disasters under similar geological conditions.

Graphical abstract

关键词

特厚煤层 / 导水裂隙带高度 / 地下水响应 / 水位降深 / 工作面涌水量

Key words

ultra-thick coal seam / water-conducting fracture zone height / groundwater response / water level drawdown / working face inflow

引用本文

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温军辉, 折亮峰, 王毅, 张文, 薛晓庆, 白宇, 郭康, 孔梓涵. 矿冶工程特厚煤层开采地下水响应及工作面涌水量变化特征:以建庄煤矿为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(8): 3232-3239 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502960

WEN Jun-hui, SHE Liang-feng, WANG Yi, ZHANG Wen, XUE Xiao-qing, BAI Yu, GUO Kang, KONG Zi-han. Groundwater Response and Variation Characteristics of Inrush Water in Working Faces under Extra-thick Coal Seam Mining Conditions: Jianzhuang Coal Mine[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(8): 3232-3239 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502960

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煤炭开采过程中,覆岩的垮落和裂隙发育可能导致含水层破坏,进而引发地下水位下降、矿井涌水、突水灾害等问题^[1-5]。这不仅影响矿井的安全生产,还可能导致生态系统退化以及地下水资源的枯竭。因此,研究煤层开采对地下水的影响及工作面涌水量的动态变化特征,对保障煤矿安全生产、优化水资源利用以及实现绿色开采具有重要意义^[6-10]。特厚煤层开采条件下,由于煤层采出空间大,覆岩运移和导水裂隙带高度发育更加剧烈,其对上覆含水层水位及工作面涌水的影响更加复杂,也直接关系矿井安全生产。因此,亟待开展特厚煤层开采地下水响应及工作面涌水量变化特征研究。

针对煤层开采对地下水及工作面涌水影响,已有学者进行了相关研究,并取得了丰富的研究成果。郭倩^[11]针对榆阳煤矿开采对地下水的影响进行了深入探讨,发现河流补给区的水位变化与地下水位存在显著关联,河流水位下降会直接导致地下水位的降低范围和程度发生变化。代革联等^[12]通过数值模拟技术,对陕北侏罗纪煤田开采过程中生态潜水的变化进行了系统分析,结果表明,在隔水层(如红土层或黄土层)缺失的区域,潜水水位会出现显著下降。冀瑞君等^[13]以窟野河中下游地区为研究对象,结合野外实地调查和水化学特征分析,揭示了煤层开采对隔水层结构的破坏作用,导致潜水含水层逐渐消失,地表径流转化为地下径流,进而造成河流水量显著减少。陈思佳等^[14]运用大井法分段原理对工作面顶板涌水量进行了预测。傅大庆^[15]结合大井法和水文地质比拟法对矿井涌水量进行了估算。刘永良等^[16]通过数学模型法对矿井及工作面的涌水量进行了系统预测研究。前期研究可为特厚煤层开采地下水响应及工作面涌水量变化特征研究提供参考。

在前人研究基础上,以建庄煤矿4^-2403工作面特厚煤层实际开采地质条件为背景,首先通过物理相似模拟,分析特厚煤层开采覆岩覆岩导水裂隙带发育规律;在此基础上,基于FEFLOW地下水模拟软件,构建区域水文地质模型,研究特厚煤层开采过程中随导高增大上覆洛河组含水层水位与工作面涌水量变化特征。研究成果可为相似地质条件下特厚煤层开采地下水运移规律分析、工作面涌水量预计、矿井水害防治等提供借鉴。

1 工程地质背景

建庄煤矿目前开采煤层为4-2煤,根据第40地质勘探钻孔的勘探结果,4^-2403工作面煤层厚度9.38 m,为典型特厚煤层,煤层埋深508.36 m,倾角3°,工作面长度330 m、连续推进长度约3 600 m。矿井主要含水层从上至下依次为:第四系全新统冲-洪积孔隙潜水含水层、白垩系下统环河砂岩裂隙潜水含水层、白垩系下统洛河组砂岩裂隙孔隙含水层、侏罗系中统直罗组下部孔隙裂隙含水层、侏罗系延安组中部层间含水层,其中白垩系下统洛河组砂岩裂隙孔隙含水层为矿井主要含水层,含水层平均厚度300 m以上,渗透系数0.026 42 m/d,其距煤层顶板的距离为161.67 m。该含水层砂岩发育大型交错层理,泉水出露较少且流量一般为0.014~0.091 L/s,最大0.221 L/s。矿井主要隔水层从上至下依次为:白垩系下统宜君砾岩与侏罗系中统直罗组上部泥岩段相对隔水层、侏罗系延安组上部隔水层、侏罗系延安组下部与富县组及三叠系相对隔水层。

2 采动覆岩导水裂隙发育特征

2.1 物理相似模型构建

采动覆岩导水裂隙发育情况直接影响地下水运移及工作面涌水量变化。为研究特厚煤层开采覆岩导水裂隙发育情况,采用刚性平面应力相似模拟试验架铺设物理相似实验模型,研究工作面推进过程中覆岩导水裂隙带发育特征。模型架尺寸:长×高×宽=2.5 m×2 m×0.3 m,有效铺设范围:长×高×宽=2.5 m×1.7 m×0.3 m。模型架上方安装有HLGY-Y100型伺服加载装置模拟地层应力。为准确记录工作面回采过程中采动覆岩位移变化特征,采用天远三维摄影测量系统进行测量,以获取覆岩运移的高精度位移数据。模型铺设实物如图1所示。

2.2 覆岩导水裂隙发育特征

不同推进距离覆岩垮落及导水裂隙发育特征如图2所示。

从图2(a)可以看出,当工作面推采至60.0 m时,顶板发生初次垮落,顶板岩层短暂稳定后迅速整体切落,采空区上方形成“梯形”垮落区域,岩层导水裂隙带高度为14.4 m。采空区上方岩层间横向裂隙不断发育,并逐渐向上扩展,横向裂隙数量增多的同时其发育高度也进一步增大。

从图2(b)可以看出,当工作面推进至110.0 m时,顶板发生周期破断,岩层导水裂隙带高度随之增大,为27.6 m。导水裂隙带顶部位置出现离层,工作面后方约10 m范围内的采空区上方岩层存在悬顶,悬顶上方岩层基本保持稳定。

从图2(c)可以看出,工作面推进至200.0 m时,覆岩层再次发生垮断,导水裂隙继续向上发育,岩层弯曲下沉量和离层量呈现非对称分布特征,覆岩导水裂隙带发育高度为196.8 m。此时,导水裂隙首次发育至洛河组含水层,并发育至洛河组含水层上方35.13 m,可能造成洛河组含水层水资源流失。

随工作面继续推进,覆岩继续呈现周期性破断,导水裂隙也继续向上发育。从图2(d)可以看出,当工作面推进至300.0 m时,覆岩导水裂隙发育至最大值295.4 m。随工作面继续推进,覆岩导水裂隙带发育高度继续保持为295.4 m,直至工作面回采结束(推进460 m),如图2(e)所示。

统计得到采动覆岩导水裂隙带发育高度随工作面推进距离变化特征如图3所示。可以看出,特厚煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度随工作面推进呈现“先缓增-后陡增-再不变”的变化特征,同时导水裂隙带高度陡增点位于工作面顶板初次破断后(即工作面推进60 m后)。采用Logistic函数对覆岩导水裂隙带高度进行拟合,拟合优度可达0.98,表明工作面推进过程中覆岩导水裂隙带高度呈Logistic函数变化,其函数表达式为

(1)

$y=308.76-\frac{306.72}{1+{\left(0.005\right.x)}^{3.94}}$

3 区域水文地质模型构建

为研究特厚煤层开采地下水响应及工作面涌水量变化,首先要构建区域水文地质模型。采用地下水模拟软件FEFLOW研究特厚煤层开采含水层水位及工作面涌水量变化,地下水运动微分方程为^[17]

(2)

$\left\{\begin{array}{l}S\frac{\partial {h}_{c}}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left({K}_{x}\frac{\partial {h}_{c}}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({K}_{y}\frac{\partial {h}_{c}}{\partial y}\right)+\\ 　　　\frac{\partial }{\partial z}\left({K}_{z}\frac{\partial {h}_{c}}{\partial z}\right)+{\epsilon }_{w},　　x,y,z\in \Omega ; t\ge 0\\ {\mu }_{w}\frac{\partial {h}_{c}}{\partial t}={K}_{x}{\left(\frac{\partial {h}_{c}}{\partial x}\right)}^{2}+{K}_{y}{\left(\frac{\partial {h}_{c}}{\partial y}\right)}^{2}+{K}_{z}{\left(\frac{\partial {h}_{c}}{\partial z}\right)}^{2}-\\ 　　　\frac{\partial {h}_{c}}{\partial z}({K}_{z}+{p}_{w})+{p}_{w},　x,y,z\in {\Gamma }_{0}; t\ge 0\\ {h}_{c}(x,y,z,t){|}_{t=0}={h}_{0},　　x,y,z\in \Omega \\ \frac{({h}_{y}-{h}_{c})}{\sigma }-{K}_{n}\frac{\partial {h}_{c}}{\partial n}{h}_{c}|{ }_{{\Gamma }_{1}}=0,\\ 　　　　　　　　　　　　x,y,z\in {\Gamma }_{1}; t\ge 0\\ \frac{\partial {h}_{c}}{\partial n}{h}_{c}|{ }_{{\Gamma }_{2}}=0,　　　　　　x,y,z\in {\Gamma }_{2}; t\ge 0\end{array}\right.$

式(2)中:Ω为渗流区域;h_c为含水层水位标高;K_x、K_y、K_z分别为x、y、z方向的渗透系数;K_n为边界面法向方向的渗透系数;S为自由面以下含水层储水系数;μ_w为含水层在潜水面上的重力给水度;ε_w为含水层源汇项;p_w为含水层的蒸发量和降水量等;h₀为初始水位标高;Γ₀为渗流区域上边界自由面;Γ₁为含水体的混合边界;Γ₂为渗流区域下边界的隔水边界;σ为边界的水力阻力;h_y为Γ₁上的水位标高;t为时间;n为边界外法向单位向量;∂h_c/∂n为沿外法向方向的方向导数。

根据建北煤矿地质钻孔数据,确定地表至煤层底板各岩层顶底界面高程,同时采用插值法在每一岩层内划分三角网格。以矿井水文地质单元为边界,将定位点坐标以dat文件格式导入FEFLOW 3D网格剖分工具中,加载GridBuilder模块对网格进行三角形面剖分,共划分了368 600个单元块体,如图4(a)所示。同时,结合矿井水文地质特征,建立洛河组含水层水力边界模型,如图4(b)所示。区域水文地质模型构建如图4所示。

在进行地下水流场模拟研究之前,对矿井初始地下水流场进行反演,以检验该水文地质模型的准确性。采用一年内洛河组含水层地下水位变化作为模型识别与验证的依据。洛河组含水层观测点水位拟合结果如图5所示。

验证的检验标准以观测井处的模拟水位与实测水位的拟合曲线作为依据。根据拟合图像,洛河组含水层观测井的拟合平均误差为0.13 m。模型各井位平均误差控制在0.5 m范围内,满足精度要求。表明建庄煤矿井田水文地质模型计算单元边界划分合理、模型拟合度良好,可开展采动地下水响应及工作面涌水量变化研究。

在地下水流场模拟过程中,为了体现工作面采动过程对洛河组含水层水位及工作面涌水量的影响,对不同推进距离导水裂隙带范围内岩层渗透率进行重新赋参,以研究特厚煤层开采随导高增大过程中洛河组含水层水位与工作面涌水量变化情况。其中,导水裂隙带内岩层可视为多孔介质,其渗透率可根据Blake-Kozeny公式进行计算^[18],计算公式为

(3)

$K=\frac{{D}_{p}^{2}}{150}\frac{{\epsilon }^{3}}{{(1-\epsilon )}^{2}}$

式(3)中:K为导水裂隙带岩层渗透率;D_p为裂隙带破断岩块平均粒径;ε为裂隙带岩层孔隙率。

研究资料表明,裂隙带破断岩块平均粒径一般为1.5 m,裂隙带岩层孔隙率一般为0.3^[19-20],由此确定导水裂隙带岩层渗透率为8.27×10^-4 m²。

4 含水层水位及工作面涌水量变化

4.1 含水层水位变化

模拟得到在CGCS2000坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000),即2000国家大地坐标系下,不同推进距离条件下上覆洛河组含水层水位的变化如图6所示。

模拟结果[图6(a)]显示,当工作面推进到150 m时,此时导水裂隙带发育高度为97.4 m,距离洛河组含水层64.27 m。此时虽然洛河组受到了一定的开采扰动,但影响较小,整个工作面上方洛河组水位受影响区域仅有1.32%(相较整个工作面),最大水位降深0.36 m。

如图6(b)所示,当工作面推进到210 m时,导水裂隙带发育高度为196.8 m,此时已经沟通洛河组含水层位,并且已经深入洛河组含水层约25 m。此时洛河组受到了很大程度的开采扰动,含水层位被开采引发的导水裂隙沟通,水位开始产生很大程度变化。整个工作面上方洛河组水位受影响区域有10.29%(相较整个工作面),最大水位降深3.71 m。

图6(c)可知,当工作面推进到300 m时,导水裂隙带发育高度发育至最大值295.4 m,并且已经深入洛河组中部。此时洛河组受到的开采扰动仍然强烈,对洛河组水位的影响程度仍剧烈,整个工作面上方洛河组水位受影响区域有20.89%(相较整个工作面),最大水位降深7.68 m。

从图6(d)~图6(f)可以看出,随着工作面持续推进600~3 600 m,导水裂隙带发育高度不再增大,洛河组水位降深幅度相比之前变化不大,但是影响范围持续扩大,水位等值线沿工作面推进方向呈椭圆形分布。工作面回采结束后,工作面上方洛河组含水层受到剧烈扰动,最大水位降深为8.16 m。

4.2 工作面涌水量变化

统计得到不同推进距离工作面涌水量变化如图7所示。

由图7可知,工作面推进过程中涌水量变化整体呈现“先缓-后急-再稳”的变化特征。在工作面推进至150 m前,由于导水裂隙带高度未发育至洛河组含水层,工作面涌水量缓慢增加至580.46 m³/d;在工作面推进170~300 m时,由于导水裂隙逐渐沟通洛河组含水层,并逐渐向洛河组含水层深部发展,工作面涌水量大幅增大至5 765.25 m³/d,是工作面推进150 m时的9.9倍;随工作面继续推进至回采结束,由于覆岩导水裂隙带高度不再持续增大,工作面涌水量呈缓慢增大趋势,回采结束后工作面涌水量为6 153.06 m³/d,仅是工作面推进至300 m时的1.1倍。

现场实际生产过程中,当工作面推进至300 m时,工作面涌水量达到最大,为5 438 m³/d,与模型中工作面推进至300 m时涌水量相对误差仅为6%,与模型中工作面最大涌水量相对误差为13%,表明上述模拟结果具有较好的可靠性。

5 结论

(1)特厚煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度随工作面推进距离的增大而增大,但存在阈值效应。随工作面推进覆岩导水裂隙带高度呈现“先缓增-后陡增-再不变”的变化特征,导水裂隙带高度陡增点位于工作面顶板初次破断后。同时,工作面推进过程中覆岩导水裂隙带高度呈Logistic函数变化,拟合的函数优度为0.98。

(2)覆岩导水裂隙是影响采动地下水水位变化的主要因素,且采动地下水水位下降时机超前导水裂隙沟通含水层时间。当导水裂隙带发育至距离洛河组含水层底部65 m时,其水位开始明显下降,水位降深为0.36 m。工作面推进600~3 600 m,导水裂隙带发育高度不再增大,洛河组水位降深增幅明显降低,但影响范围持续扩大,水位等值线沿工作面推进方向呈椭圆形分布。

(3)工作面回采过程中涌水量与覆岩导水裂隙发育高度呈正非线性相关关系。随导水裂隙高度增大,工作面涌水量变化整体呈现“先缓-后急-再稳”的变化特征。当导水裂隙带高度未发育至洛河组含水层,工作面涌水量缓慢增加;当导水裂隙逐渐沟通洛河组含水层,并逐渐向洛河组含水层深部发展时,工作面涌水量大幅增大;而当覆岩导水裂隙带高度不再持续增大,工作面涌水量呈缓慢增大趋势。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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