含水层下煤炭资源的开采,以及煤炭开采所引发的地下水问题,已成为煤炭行业日益关注的问题。第四系松散含水层是许多矿井的主要充水水源,对煤矿安全生产具有较为深远的影响。当煤层被含水的砂层、砂质黏土层、黏土层等第四系松散层覆盖时,如果留设的安全保护煤(岩)柱不可靠,冲积层水或流砂、泥流就会侵入井下,冲毁井下工作面甚至淹井[1]。煤层开采对浅层地下水的流场变化、运动规律也有较大影响,容易疏干浅层地下水,使得区域水资源短缺。合理预测煤层开采过程中的地下水位,保持地下水位的相对稳定,对矿区的环境保护及安全开采具有重要意义。

1 工程概况

鲍店煤矿东距邹城市10.5 km,北距兖州市13 km,位于兖州煤田中部。井田面积37.01 km2,开采深度为+44.7～-775 m。地层系统自上而下分别为第四系(Q)、侏罗系(J)、二叠系(P)、石炭系(C)和奥陶系(O)。鲍店井田为巨厚第四系松散层所覆盖的隐蔽式井田,根据煤田勘探和生产勘探揭露资料分析,井田西部第四系底部含水层直接覆盖在煤系地层之上,成为威胁煤层安全开采的重大隐患。

2 第四系松散含水层水文地质特性

鲍店煤矿第四系上组(Q上)厚度 32.75～71.65 m,平均厚62.90 m,由黏土、砂质黏土与黏土质砂(砂砾)、含黏土质砂(砂砾)、砂(砂砾)相间成层组成,以砂质黏土为主。Q上-3是上组具有代表性的水文观测孔。

第四系中组(Q中)厚度86.7～105.9 m,平均厚97.4 m,以黏土、砂质黏土和黏土质砂砾为主,夹有数层较薄的含黏土砂层,黏土层比例较大。第四系中组具有良好的隔水性,能有效地阻隔第四系上组含水层在垂直方向上对下组含水层的下渗补给。Q中-5是中组具有代表性的水文观测孔。

第四系下组(Q下)厚度28.26～57.20 m,平均厚41.82 m,由黏土、含黏土质砂(砂砾)、砂等相间沉积而成。

由于下组含水层对矿井开采影响较大,煤矿开采带来的水位、流场变化也主要体现在下组中。因此,下组含水层长期水文观测孔布置数量较多,从而能够更清楚地反映实际水位变化情况,各观测孔及位置如图1所示[2]。 其中,Q下-2、Q下-6、Q下-7、Q下-15 井口已分别在 2010、2004、2007、2006 年损坏。

图1 鲍店煤矿第四系下组水文长观孔分布图

3 第四系松散含水层水位动态变化规律

3.1 第四系松散含水层历年水位变化

第四系下组含水层水(砂)是通过煤系砂岩向矿井充水的主要充水水源,是研究区域提限开采过程中的主要防范对象。鲍店煤矿自建井后,随着井下开采,第四系下组含水层的水位逐年下降。根据鲍店煤矿水文观测孔水位观测结果,对研究区域历年第四系上组、中组、下组含水层水位进行统计分析,具体数据及水位变化规律如图2、图3所示[3]。

图2 第四系上组及中组含水层历年水位变化曲线

图3 第四系下组含水层历年水位变化曲线

由图2可以看出,2002—2012年第四系上组含水层水位每年下降0.54～2.38 m,平均下降1.28 m;第四系中组隔水层水位基本不变,具有较好的隔水性。第四系上组和中组水位基本都是逐年下降的,但降幅比较平缓,变化不大。

从图3可以看出,第四系下组含水层段观测孔水位基本都是逐年下降的,下降幅度不均衡。1988—1992年,下组含水层水位下降幅度不大,长观孔水位年平均下降1.04～1.41 m,平均下降1.20 m;1993—2005年,下组水位下降幅度增大,长观孔水位年平均下降2.19～8.66 m,相当于1993年以前降幅的3.88倍。尤其是2001年水位下降最大,平均下降8.66 m。可以看出,1993—2005年期间,矿井经过技术改造,生产能力不断提高,水位降幅相对较大。

3.2 建立回归方程

通过分析下组含水层历年水位变化,将水位作为因变量,年份作为自变量,建立数学模型。可以得出Q下-13钻孔水位与时间的回归方程[4]:

y=-0.001 901 66x3+11.530 9x2-23 306.5x+1.570 26×107

水位与时间的关系符合y=ax3+bx2+cx+d型的数学模型,同理可求得 Q下-17、Q下-19、Q下-20、Q下-21、Q下-22等钻孔的回归方程。在降水量、矿井开采等因素基本保持不变的情况下,可以预测2015、2020、2025、2030 年水位情况,结果见表1。

表1 鲍店煤矿水位预测

观测孔 水位/m 2015年 2020年 2025年 2030年Q下-13-8 9.46 -9 1.69 -9 3.35 -94.87 Q下-17 -9 0.43 -9 2.33 -9 5.46 -96.82 Q下-19 -9 1.85 -9 3.62 -9 5.16 -96.53 Q下-20 -9 0.15 -9 1.85 -9 3.13 -95.32 Q下-21 -9 2.76 -9 4.79 -9 6.13 -97.67 Q下-22-9 0.06 -9 1.84 -9 3.47 -94.39

从整体趋势上看,研究区域第四系上组、中组及下组含水层的水位均呈逐年下降的趋势,上、中组含水层水位变化较小,下组含水层的水位下降明显,降幅一般初期比较大,后期比较小,矿井开采是水位变化的主要影响因素[5]。随着水位降深不断增大,松散含水层可能被疏干,对该矿井的安全生产和提限开采提供了有利条件。

4 第四系松散含水层水位空间变化趋势分析

Golden Software Surfer 8.0(简称 Surfer 8.0)是美国Golden公司自主研究开发的制作等高线和三维地形立体图的软件[6]。Surfer 8.0具有强大的绘图能力,不仅能将离散数据经过插值生成规则的格网数据,还可以将其转换成基面图、等值线图、地形地貌图、趋势图以及三维表面图,并在各种图上标注、修改和制作可视化图件。

4.1 第四系松散含水层水位统计分析

在矿区地质图中,测算出各水文长观孔的坐标,利用多年水位资料,通过Surfer 8.0软件将研究区域内多年水位曲面叠加,绘制堆叠图。2002—2004年水文长观孔相对较少,仅有 Q下-2、Q下-6、Q下-7、Q下-13、Q下-15等5个长观孔,由观测孔数据得出2002、2003、2004 年水位面,见图4。

图4 2002—2004年第四系松散含水层水位面变化

2002—2003年研究区域水位下降幅度和下降速度比较大,年水位降深2.93～4.67 m。2003—2004年井田内Q下-6附近区域水位下降1.04 m,其他区域水位降深在3.52～4.44 m,2003—2004年主要开采五采第四胶带上山,以及西部横河煤矿开采,对Q下-6附近区域影响较小,可以看出,矿井开采是水位下降的主要影响因素之一。 由 Q下-2、Q下-13、Q下-17、Q下-18、Q下-19 、Q下-20 、Q下-21、Q下-22 观测孔数据得出2009—2012年水位面,对比情况见图5。

图5 2009—2012年第四系松散含水层水位面变化

由图5可以看出,2009—2010年矿区内水位基本呈均匀下降,降幅为1.02～1.69 m。在矿井正常开采情况下,各钻孔水位下降幅度和下降速度相差不大。2010—2011年Q下-18附近区域的水位降深最大,为5.4 m,其余观测孔水位降幅在1 m左右。2011—2012年,水位下降速度减缓,年水位降深最大1.20 m,其余钻孔附近的水位稍有回升。由图4、图5对比可知,2002—2005年水位下降速度较快,近几年第四系松散含水层水位下降速度减慢。

4.2 水位空间变化趋势分析

1)第四系下组含水层水为顶板突水水源之一,是矿井充水的直接水源。正常地质情况下第四系含水层对矿井充水量较小,特殊情况下,可构成较大充水。随着煤层开采,鲍店煤矿浅部区域松散含水层水位下降幅度和下降速度不断减小,伴随矿井长期排水,水位降深将不断增大。

2)Surfer 8.0软件可以直观地体现出研究区域不同时间段水位变化速度和变化幅度,通过水位面空间变化趋势,可以看出矿井开采是研究区域内水位变化的主要影响因素。

3)煤层开采对浅层地下水的运动规律、水位变化有较大影响,妥善处理松散含水层与矿山开采之间的关系,不仅可以实现高效采煤,还可以实现水资源的有效利用。可通过以下措施逐步实现对松散含水层下煤层的安全开采和水资源的综合利用:①在煤田地质勘探过程中,除了进行煤炭储量计算外,也要重视赋存在煤田地层内的地下水,将其作为资源进行储量的勘探和计算[7];②在矿井的规划、布置、施工等阶段,把井下排水作为水资源来开发利用,提高矿井水回用率[8];③加大第四系松散含水层科研试验的力度。对含水层作全面系统的调研、分析,对各类型的矿井水进行分类并做长期的观测试验,包括年际变化以及日际变化,找到其变化规律。

5 结论

1)随着时间推移,鲍店煤矿浅部区域第四系上组和中组含水层水位变化比较小,下组含水层水位下降速度和下降幅度比较大,松散含水层富水性不断减弱,有疏干的可能性。

2)Surfer软件可以直观地表现出整个研究区域水位空间变化趋势,精确度较高。鲍店煤矿浅部区域第四系下组含水层水位降幅一般初期比较大,后期比较小,矿井开采是影响水位变化的主要因素。

3)提出了将地下水作为资源进行储量的勘探和计算、开发利用井下排水、加大第四系松散含水层科研试验的力度等妥善处理松散含水层与矿山开采之间关系的相关对策。

参考文献:

[1]刘永贵.山东省煤矿水害特征及防治技术途径研究[D].青岛:山东科技大学,2007.

[2]山东科技大学.兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿5303工作面安全煤岩柱留设可行性研究[R].2012.

[3]赵延龄,温晓光,范福海.用Excel求取化工数据组回归方程[J].计算机与应用化学,2004,21(4):650-654.

[4]唐家德.基于MATLAB的非线性曲线拟合[J].计算机与现代化,2008(6):15-29.

[5]王敏,孙敏,曾睿.美国Surfer 8.0在地下水环境质量评价中的应用[J].环境监控与预警,2011,3(4):30-34.

[6]王晓振,许家林,朱卫兵,等.松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应及其应用研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(9):1872-1881.

[7]黄国军,董守华,李东会.矿井水处理方法与综合利用[J].矿业快报,2007(4):45-47.

[8]何绪文,杨静,邵立南,等.我国矿井水资源化利用存在的问题与解决对策[J].煤炭学报,2008,33(1):63-66.