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《ActaGeologicaSinica雜志》2016年第4期

提要：

礦區(qū)水資源保護(hù)和礦山防治水這兩個(gè)互相矛盾又緊密聯(lián)系的問(wèn)題給傳統(tǒng)的礦山水文地質(zhì)學(xué)帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，迫切需要新理論、新技術(shù)的發(fā)展。為了更好的實(shí)現(xiàn)礦區(qū)未來(lái)地下水資源的開(kāi)采、利用與保護(hù)以及采煤安全和區(qū)域水資源可持續(xù)利用，本文選擇長(zhǎng)治盆地為重點(diǎn)研究區(qū)，從采動(dòng)引起的覆巖移動(dòng)入手，在資料分析的基礎(chǔ)上，采用相似材料模擬、綜合物探、野外監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)注（壓）水試驗(yàn)的方法，運(yùn)用水文地質(zhì)學(xué)原理研究了采煤引起含水層結(jié)構(gòu)變異厚度及其滲透性變化特征；在此基礎(chǔ)上，以長(zhǎng)治盆地集中開(kāi)采區(qū)水文地質(zhì)條件和野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了區(qū)域地下水流場(chǎng)三維動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)，為研究含水層結(jié)構(gòu)變異后的地下水循環(huán)機(jī)理和水資源重新分布提供技術(shù)支撐；本文同時(shí)指出了我國(guó)礦山水文地質(zhì)研究目前存在的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)，分析了礦山水文地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)，展望了未來(lái)相關(guān)分支學(xué)科和關(guān)鍵核心技術(shù)的發(fā)展方向與前景。

關(guān)鍵詞：

礦區(qū)；采煤驅(qū)動(dòng)；水文地質(zhì)；研究進(jìn)展；發(fā)展方向

煤炭是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展最可靠的能源支柱，由于特定的國(guó)情和條件，未來(lái)幾十年內(nèi)能源結(jié)構(gòu)不會(huì)有根本的改變，預(yù)計(jì)高峰產(chǎn)量38～40億噸，同時(shí)伴隨大量的資源枯竭礦井閉坑。特殊的地理地質(zhì)環(huán)境，決定了我國(guó)煤礦水文地質(zhì)條件與世界其他國(guó)家相比，是極其復(fù)雜的，我國(guó)煤炭資源的開(kāi)采受水害的威脅嚴(yán)重，尤其是隨著開(kāi)采深度、開(kāi)采強(qiáng)度、開(kāi)采速度、開(kāi)采規(guī)模的增加，以及新的大型能源基地的建設(shè)，水害威脅愈來(lái)愈嚴(yán)重，礦山水文地質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)重點(diǎn)煤礦已有上百億噸受水害威脅的儲(chǔ)量，給煤礦防治水工作和實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)造成了更大的困難和更為艱巨的任務(wù)。我國(guó)礦山水文地質(zhì)學(xué)科經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，出現(xiàn)了眾多成績(jī)斐然的學(xué)者和一系列的研究成果，尤其是在煤層頂板巖移、采區(qū)應(yīng)力分布及演化、突水風(fēng)險(xiǎn)判別、導(dǎo)水裂隙發(fā)育、涌水量計(jì)算、礦井水保護(hù)與利用等方面取得了較為突出的成就，為礦區(qū)建設(shè)和區(qū)域發(fā)展起到了及其重要的作用。值得注意的是，礦井水文地質(zhì)學(xué)科仍然存在許多問(wèn)題急需我們投入更多的精力和時(shí)間展開(kāi)研究。礦區(qū)水資源保護(hù)和礦山防治水這兩個(gè)互相矛盾又緊密聯(lián)系的問(wèn)題給傳統(tǒng)的煤田水文地質(zhì)學(xué)帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，迫切需要新理論、新技術(shù)的發(fā)展。本文以長(zhǎng)治盆地煤礦集中開(kāi)采區(qū)為核心研究區(qū)，針對(duì)采煤條件下的頂板含水層結(jié)構(gòu)變異與地下水流場(chǎng)演化開(kāi)展了系列研究。

1研究區(qū)概況

長(zhǎng)治盆地是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組為盆地內(nèi)主要含水層，位于煤層以下。而兩個(gè)主采煤層之間及以上依次展布著石炭系太原組裂隙巖溶含水層組，下二疊統(tǒng)山西組及上、下石盒子組砂巖裂隙含水層組，基巖風(fēng)化帶與第四系松散含水層組等三個(gè)主要含水層組。其中基巖風(fēng)化帶含水層由粗－細(xì)粒砂巖組成，富水性因地而異，第四系松散含水層主要由中－細(xì)砂組成，厚度一般為60～130m，富水性較好，具有重要的供水價(jià)值。在這種水、煤資源共生的特定水文地質(zhì)條件下，大規(guī)模采煤就成為地下水資源破壞的主要原因。長(zhǎng)治盆地煤炭資源蘊(yùn)藏豐富，含煤面積占到盆地總面積的2／3（圖1），煤礦開(kāi)采完全改變了天然狀態(tài)下的水文地質(zhì)條件，原有的含水層空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)嚴(yán)重變異，地下水循環(huán)演化模式發(fā)生根本性的變化。本文選擇長(zhǎng)治盆地為整體研究對(duì)象，同時(shí)選擇文王山斷裂和二崗山斷裂之間這塊相對(duì)獨(dú)立且煤礦開(kāi)采劇烈的區(qū)域?yàn)楹诵难芯繀^(qū)，有利于研究問(wèn)題的系統(tǒng)解決。

2礦區(qū)水文地質(zhì)研究方法及數(shù)據(jù)采集

采煤過(guò)程中覆巖有規(guī)律的垮落、破裂、下沉，形成導(dǎo)水裂隙帶，含水層結(jié)構(gòu)發(fā)生變異。研究含水層圖1長(zhǎng)治盆地水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig．1SimplehydrogeologicalmapofChangzhiBasin結(jié)構(gòu)變異的方法較多，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家采用的方法包括物理模擬試驗(yàn)法、地球物理勘測(cè)法、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法、鉆孔漏漿觀測(cè)、抽（壓）水試驗(yàn)、理論推算法和經(jīng)驗(yàn)公式法等。本文根據(jù)長(zhǎng)治盆地地質(zhì)背景和開(kāi)采情況，選擇了室內(nèi)模擬試驗(yàn)、綜合鉆探、地球物理勘測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、抽水試驗(yàn)等多種方法有機(jī)結(jié)合，對(duì)長(zhǎng)治盆地煤礦開(kāi)采條件下覆巖含水層結(jié)構(gòu)變異情況進(jìn)行了研究。

2．1覆巖含水層結(jié)構(gòu)變異物理模擬試驗(yàn)

本模擬試驗(yàn)的地質(zhì)原型是山西余吾煤礦，主要模擬S1202工作面，工作面對(duì)應(yīng)的地面標(biāo)高為＋932m，工作面標(biāo)高為298m。工作面走向長(zhǎng)1400m，工作面寬度為295m，煤層平均厚度為6m，主要開(kāi)采3＃煤層，平均埋藏深550～600m，最大埋深超過(guò)800m。位于山西組下部，上距K8砂巖19．80～37．41m，平均31．85m，上距K10砂巖100m。工作面煤層傾角為3°～5°，試驗(yàn)采取高密集點(diǎn)陣法進(jìn)行覆巖變化精細(xì)化研究，見(jiàn)圖2。

2．2地球物理勘測(cè)

地球物理勘測(cè)區(qū)域選擇在S1202工作面及相鄰S1204工作面區(qū)域，主要目的是通過(guò)瞬變電磁高密集布點(diǎn)提高分辨率方法，宏觀掌握礦區(qū)采煤條件下含水層分布范圍、發(fā)育規(guī)模、埋深以及賦水狀態(tài)等基本信息，查明含水層結(jié)構(gòu)垂向變異特征和組合關(guān)系等。物探測(cè)線布置見(jiàn)圖3。

2．3井下仰孔鉆探及注水試驗(yàn)

井下鉆探采用一個(gè)原巖孔注水試驗(yàn)（在未采動(dòng)區(qū)域打孔）和兩個(gè)采動(dòng)孔注水試驗(yàn)（在采動(dòng)后區(qū)域打孔）對(duì)比方式進(jìn)行。注水試驗(yàn)場(chǎng)地選在王莊礦區(qū)某工作面進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)布置。鉆孔布置圖如圖4所示。仰孔鉆探注水試驗(yàn)結(jié)果顯示（見(jiàn)圖5），開(kāi)采前后上覆巖層變異范圍內(nèi)兩端巖體透水能力有明顯變化，首先壓水量從變異微弱區(qū)進(jìn)入嚴(yán)重變異區(qū)時(shí)壓水量迅速增大，之后壓水量有明顯開(kāi)始下降，當(dāng)工作面推進(jìn)到Z2－4、Z3－4區(qū)段范圍時(shí)壓水量明顯區(qū)別于之前區(qū)段，但仍大于原巖狀態(tài)鉆孔所測(cè)數(shù)值，此時(shí)鉆孔推進(jìn)垂向高度約85m，當(dāng)推進(jìn)進(jìn)尺超過(guò)Z2－4、Z3－4區(qū)段范圍時(shí)，壓水量又有了明顯下降，接近原巖鉆孔Z1所測(cè)數(shù)值，認(rèn)為這部分巖層不屬于巖層變異區(qū)。由此，可以確定試驗(yàn)工作面上方變異含水層厚度約90m。

2．4地下水位野外監(jiān)測(cè)

含水層結(jié)構(gòu)的變異必然引起區(qū)域地下水流場(chǎng)的變化，野外監(jiān)測(cè)包括采區(qū)沉降及水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)。采區(qū)水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要布置了一眼潛水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井和20個(gè)地表沉陷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與水井監(jiān)測(cè)點(diǎn)連線垂直走向，二者相距13m。共監(jiān)測(cè)了15個(gè)月，頻度為每天一次。采區(qū)水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。抽水試驗(yàn)準(zhǔn)備工作總共調(diào)查了研究區(qū)內(nèi)的水位波動(dòng)帶中的186口水井，經(jīng)過(guò)綜合分析選擇了其中19口水井作為抽水試驗(yàn)水井。具體試驗(yàn)水井分布位置見(jiàn)圖7。

2．5區(qū)域地下水流場(chǎng)三維動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

覆巖結(jié)構(gòu)變異引起了含水層流場(chǎng)的變化，頂板含水層一旦受到導(dǎo)水裂隙破壞，水位將急劇下降，引起大面積的地下水疏干，但具體疏干邊界很難界定，本文針對(duì)這一問(wèn)題專(zhuān)門(mén)研發(fā)了區(qū)域地下水流場(chǎng)三維動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了物理模擬試驗(yàn)研究。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖8。

3煤層頂板含水層結(jié)構(gòu)變異規(guī)律

3．1煤層頂板含水層結(jié)構(gòu)變異物理模擬分析

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)10條測(cè)線210個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，得到圖9聚類(lèi)分析樹(shù)形圖。結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)到的巖層破壞程度，測(cè)線2和測(cè)線3位于模擬工作面垮落帶中，因此工作面上覆巖層的垮落帶高度大于30m。測(cè)線4、測(cè)線5、測(cè)線6和測(cè)線7位于模擬工作面裂隙帶中，其中的巖層破壞與下伏垮落帶中的破壞巖層雜亂無(wú)章，具有明顯的規(guī)律性，尤其在其頂部測(cè)線7附近具有明顯的層理性，這是裂隙帶頂部列些成層狀的明顯特征。因此確定模擬工作面的裂隙帶高度為94m，即上覆巖層變異高度為94m。測(cè)線8、測(cè)線9和測(cè)線10，其中的巖層位移量與前述兩帶中的巖層位移量有明顯差別，且其中巖層破壞不甚明顯，裂隙發(fā)育與采動(dòng)前沒(méi)有明顯的差異性，規(guī)律具有明顯的相似性，這是彎沉帶明顯特征。結(jié)合模擬工作面水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，煤層上覆K8含水層距煤層約為30m，K8含水層位于垮落帶之中，采動(dòng)過(guò)程中該含水層完全破壞。模擬工作面上部K10含水層距離煤層頂板約為90m，巖層變異帶高度大約為94m，該層位地下水會(huì)被疏干或半疏干，從而確定該含水層也發(fā)生了變異。

3．2煤層頂板含水層結(jié)構(gòu)變異物探分析

對(duì)比礦區(qū)水文地質(zhì)條件和煤層開(kāi)采進(jìn)度分析物探結(jié)果，從垂向來(lái)看，煤礦開(kāi)采對(duì)煤層頂板覆巖破壞和影響范圍一般為250m～300m，影響范圍從下到上逐漸變小，影響強(qiáng)度從下到上逐漸變?nèi)酢Ｊ艿絼×矣绊懙捻敯甯矌r厚度約為整體影響范圍的1／3，厚度約為90～120m，基本與裂隙帶發(fā)育高度吻合。物探結(jié)果顯示，高阻異常區(qū)外圍（即裂隙帶外圍）分布有約150～200m厚的次高阻異常區(qū)，該區(qū)域完全位于采空區(qū)上方，從下往上呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。分析認(rèn)為該區(qū)域?yàn)榱严稁獠康姆沁B續(xù)裂隙變化區(qū)或裂隙微小變異區(qū)（圖10）。

3．3頂板含水層結(jié)構(gòu)變異厚度的確定

錢(qián)鳴高等人研究認(rèn)為關(guān)鍵層位置對(duì)于導(dǎo)水裂隙帶高度影響十分明顯。通常認(rèn)為堅(jiān)硬巖層是剛性的，而軟巖具有塑性。如果工作面推進(jìn)長(zhǎng)度較大時(shí)，堅(jiān)硬巖層多沿垂直層面方向斷裂；而于軟巖層多數(shù)只發(fā)生塑性變化，不會(huì)產(chǎn)生裂隙，故軟巖頂板不易發(fā)生突水。當(dāng)關(guān)鍵層的懸露距離小于其極限跨度時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶不會(huì)向上進(jìn)一步發(fā)展；而軟巖層的下部自由空間高度小于其最大撓度時(shí)，軟巖層能夠保持塑性狀態(tài)不發(fā)生破壞，此時(shí)導(dǎo)水裂隙帶不向上繼續(xù)發(fā)展，即變異含水層高度得以確定，由此我們提出關(guān)鍵隔水層的概念。即當(dāng)某一隔水層滿(mǎn)足公式υwmax≥Δi時(shí)（υwmax覆巖最大撓度；Δi自由空間高度），該隔水層即為關(guān)鍵隔水層，煤層至該隔水層的距離即為變異含水層厚度。以關(guān)鍵隔水層為界，可以劃分為水位波動(dòng)帶和水位驟降帶。水位波動(dòng)帶特征：水位波動(dòng)，水資源未明顯漏失，巖層彎曲；水位驟降帶特征：水位驟降，水資源明顯漏失，巖層發(fā)生冒落、裂隙發(fā)育。

4含水層結(jié)構(gòu)變異滲透性分析

4．1水位波動(dòng)帶含水層滲透性分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，采煤前抽水井ZL－01測(cè)得滲透系數(shù)為0．58m／d，采煤過(guò)后（CZ－06）的滲透系數(shù)為3．14m／d，是采前的5．41倍；另一組抽水井相距稍遠(yuǎn)，ZL－02井抽水試驗(yàn)測(cè)定滲透系數(shù)為0．58m／d，CZ－14井抽水試驗(yàn)測(cè)定滲透系數(shù)為4．69m／d，采后的滲透系數(shù)是采前的8．09倍。由此可知，采煤在改變地面形態(tài)的同時(shí)也使得潛水含水層的滲透性增大。采掘工作面推進(jìn)過(guò)后使得采空區(qū)含水層滲透性明顯增大現(xiàn)象，且采空區(qū)上方距開(kāi)采邊界20～70m范圍內(nèi)的永久裂隙區(qū)滲透性最大，其次是采空區(qū)中部裂隙閉合區(qū)，總體而言采動(dòng)過(guò)后使得滲透性比采前增大約5～15倍。這對(duì)于礦區(qū)潛水循環(huán)將會(huì)產(chǎn)生積極意義（JiangHui，2011）。見(jiàn)表1。

4．2水位驟降帶含水層滲透性分析

采煤后頂板水層結(jié)構(gòu)性分布差異導(dǎo)致了滲透系數(shù)的變異不均衡性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可將煤層覆巖含水層變異帶劃分為4個(gè)區(qū)，見(jiàn)圖11。①垮落儲(chǔ)水區(qū)：該區(qū)域巖塊大小不一，排列無(wú)序，巖塊間縫隙多且寬，連通性好，研究區(qū)內(nèi)一般厚20～30m，在煤壁附近垮落儲(chǔ)水區(qū)發(fā)育較高，采空區(qū)中部垮落儲(chǔ)水區(qū)發(fā)育較低。②裂隙滲透區(qū)：位于垮落帶之上，與垮落帶直接連通，垂向裂隙和層間裂隙發(fā)育，研究區(qū)內(nèi)一般發(fā)育到煤層頂板以上90m，試驗(yàn)時(shí)注水量約為原巖注水量的10～20倍。③裂隙強(qiáng)徑流區(qū)：靠近煤柱部位的裂隙滲透區(qū)兩端是大角度張開(kāi)裂隙發(fā)育密集區(qū)。從注水試驗(yàn)中可明顯看到這部分區(qū)域發(fā)育上緣距煤層頂板約115m，裂隙強(qiáng)徑流區(qū)的注水量約為原巖注水量的20～100倍，本區(qū)對(duì)地下水將會(huì)起到導(dǎo)通作用，是發(fā)育高度范圍內(nèi)的含水層相互連通，水量交換的良好通道。④離層管流區(qū)：離層主要發(fā)育在裂隙帶以上部分巖體中，它數(shù)量不多，順層展布，連通性極好，具有時(shí)效性，隨煤層開(kāi)采往往經(jīng)歷開(kāi)裂→發(fā)育→閉合→消失的過(guò)程。離層裂隙對(duì)地下水的意義主要表現(xiàn)為順層輸水。煤層的開(kāi)采是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，應(yīng)力場(chǎng)會(huì)隨煤層的開(kāi)挖而不斷發(fā)展變化，因此動(dòng)覆巖滲透特性也不是一成不變的。當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離時(shí)，覆巖被當(dāng)時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)改造，此時(shí)的滲透特性適應(yīng)當(dāng)時(shí)應(yīng)力作用下的覆巖結(jié)構(gòu)。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了改變，覆巖結(jié)構(gòu)層隨之變化，原有的張開(kāi)裂隙變?yōu)殚]合，原來(lái)的完整覆巖開(kāi)裂。覆巖的滲透特性隨之而變，原本滲透特性好的張開(kāi)裂隙變化導(dǎo)水性質(zhì)較差的閉合裂隙，原不透水的原巖轉(zhuǎn)化為導(dǎo)水巖體的一部分。

5煤礦開(kāi)采區(qū)地下水流場(chǎng)演化特征

5．1伴隨煤層開(kāi)采地下水動(dòng)態(tài)變化特征

5．1．1水位波動(dòng)帶地下水動(dòng)態(tài)變化特征

根據(jù)野外監(jiān)測(cè)結(jié)果，煤層采動(dòng)過(guò)程中，潛水位下降與地表沉陷不完全一致，潛水位下降略滯后，采煤影響初期，地表沉降速度較小，沉降緩慢，監(jiān)測(cè)井內(nèi)水位未有變化。這是因?yàn)榈叵滤哂刑烊徽{(diào)節(jié)能力，當(dāng)?shù)孛娉两邓俣刃∮谥車(chē)畬訉?duì)沉陷區(qū)補(bǔ)給速度時(shí)，就觀測(cè)不到水位變化。在地面沉降的活躍期內(nèi)，觀測(cè)井水位變幅速度的趨勢(shì)與地面沉降速度的變幅趨勢(shì)相同。當(dāng)?shù)孛娉料葸M(jìn)入衰退期，沉降速度明顯放緩，潛水開(kāi)始恢復(fù)，潛水水位動(dòng)態(tài)曲線與地面沉陷動(dòng)態(tài)曲線開(kāi)始呈現(xiàn)完全不同的變化趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)200d后，監(jiān)測(cè)井水位趨于穩(wěn)定，但是水位沒(méi)有恢復(fù)到采煤前位置，這說(shuō)明含水層雖然受到采煤擾動(dòng)，但是含水層結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變異；水位未恢復(fù)到采煤前位置，分析認(rèn)為采動(dòng)后黃土受到擾動(dòng)與下伏含水層越流增大（圖12）。綜上所述，伴隨采煤活動(dòng)推進(jìn)，地表沉陷盆地逐漸形成，沉陷區(qū)內(nèi)的潛水位出現(xiàn)下降，而沉陷盆地以外潛水位沒(méi)有明顯變化，兩者之間形成水力梯度，使得盆地內(nèi)潛水位逐漸恢復(fù)，使得沉陷盆地內(nèi)水位形成了先下降后上升的波動(dòng)現(xiàn)象。

5．1．2水位驟降帶地下水位變化特征

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)工作面距離監(jiān)測(cè)井35m左右時(shí)監(jiān)測(cè)井中的水位尚未發(fā)生明顯變化，繼續(xù)推進(jìn)水位開(kāi)始出現(xiàn)明顯的下降，此時(shí)下降幅度較小；當(dāng)工作面推進(jìn)到監(jiān)測(cè)井上方時(shí)水位繼續(xù)下降，下降幅度未有發(fā)生明顯變化；當(dāng)工作面推進(jìn)超過(guò)監(jiān)測(cè)井約24m時(shí)，水位發(fā)生了明顯的變化，水位埋深變?yōu)?37．1m，繼續(xù)推進(jìn)水位發(fā)生了不同程度的驟降。當(dāng)工作面推過(guò)44．4m時(shí)，水位降至－147．52m；當(dāng)工作面推過(guò)監(jiān)測(cè)井50．3m時(shí)，水位降至－150．3m；當(dāng)工作面推過(guò)監(jiān)測(cè)井57．9m時(shí)，監(jiān)測(cè)井水位降至孔底－213m，孔內(nèi)地下水完全漏失。繼續(xù)監(jiān)測(cè)到工作面距離監(jiān)測(cè)井200m，仍未見(jiàn)到水位（圖13）。從上述水位變化過(guò)程來(lái)看，采動(dòng)過(guò)程上覆巖層變異帶內(nèi)的含水層水位隨工作面的推進(jìn)水位發(fā)生了緩變到驟降到消失的過(guò)程，水位的變化實(shí)際上反映了上覆巖層變異過(guò)程。水位的緩變過(guò)程反映了采動(dòng)過(guò)程中上覆巖層裂隙逐漸增大，但是巖層尚未發(fā)生破斷。工作面推進(jìn)到距離監(jiān)測(cè)井35m，水位開(kāi)始發(fā)生緩變，說(shuō)明采動(dòng)對(duì)上覆巖層側(cè)向影響邊界范圍大約35m。工作面推過(guò)監(jiān)測(cè)井24m，水位發(fā)生了驟降，說(shuō)明上覆巖層發(fā)生了破斷，同時(shí)由此可以推斷當(dāng)?shù)夭擅褐芷趤?lái)壓超過(guò)59m．從水位發(fā)生緩變開(kāi)始，水資源漏失到礦坑內(nèi)，含水層近于疏干，完全反應(yīng)了采動(dòng)過(guò)程中上覆巖層的變異過(guò)程，也反應(yīng)了變異帶內(nèi)水位動(dòng)態(tài)特征：緩變—驟降—消失。

5．2覆巖含水層流場(chǎng)影響范圍的確定

通過(guò)區(qū)域地下水流場(chǎng)三維動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，可以得出煤層開(kāi)采后地下水水位變化與地下水影響邊界時(shí)空變化的規(guī)律（圖14），直觀的再現(xiàn)了地下水流場(chǎng)的變化情況，其變化規(guī)律主要有以下幾個(gè)方面：①?gòu)牧鲌?chǎng)變化顯著性來(lái)看，開(kāi)采區(qū)的上游、下游及兩翼都表現(xiàn)出了隨著開(kāi)采長(zhǎng)度和面積的增長(zhǎng)，地下水位和降深變化曲線曲率變化由小變大，最終趨于穩(wěn)定值。②從不同開(kāi)采模式流場(chǎng)穩(wěn)定后呈現(xiàn)形狀來(lái)看，開(kāi)采工作面中心處都呈現(xiàn)出了“水滴”型，但隨著工作面面積增長(zhǎng)會(huì)演變?yōu)椤胺派洹毙汀＂坶L(zhǎng)治地區(qū)3號(hào)煤開(kāi)采區(qū)上游地下水影響邊界最大值為929m，兩翼地下水影響邊界逐漸增大，從929m逐步增長(zhǎng)至約1200m。④、煤礦開(kāi)采覆巖含水層疏干半徑與地下水流向密切相關(guān)，上游影響半徑最小，側(cè)向影響半徑由上至下逐漸增大，下游影響半徑最大。

6礦區(qū)水文地質(zhì)研究發(fā)展方向

6．1深部礦區(qū)水文地質(zhì)研究亟待加強(qiáng)

上世紀(jì)末與本世紀(jì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展促進(jìn)了礦產(chǎn)資源的劇烈開(kāi)發(fā)，開(kāi)采活動(dòng)大多集中在500m以?xún)?nèi)的淺部，相應(yīng)的地質(zhì)和水文地質(zhì)研究工作也大多集中在500m以淺。近年來(lái)，我國(guó)淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，西部豐富礦產(chǎn)資源受到交通運(yùn)輸和脆弱生態(tài)環(huán)境約束等外部條件限制，加大中、東部礦區(qū)深部和下組煤煤炭資源開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)強(qiáng)度，是滿(mǎn)足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)能源需求的必然選擇。2008年國(guó)土資源部了《關(guān)于促進(jìn)深部找礦工作指導(dǎo)意見(jiàn)》，到2020年，發(fā)現(xiàn)一批具有宏觀影響的深部礦床，顯著增加已有礦山接續(xù)資源儲(chǔ)量，明顯延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限。開(kāi)展主要成礦區(qū)帶地下500m至2000m的深部資源潛力評(píng)價(jià)，重要固體礦產(chǎn)工業(yè)礦體勘查深度推進(jìn)到1500m。可以預(yù)計(jì)，在未來(lái)20年我國(guó)東部礦區(qū)許多礦井將逐步開(kāi)采1000～1500m深度的礦產(chǎn)資源。目前，深部水文地質(zhì)研究的滯后已經(jīng)嚴(yán)重制約深部礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)，急需加強(qiáng)：深部礦區(qū)水文地質(zhì)研究提供相應(yīng)的技術(shù)理論支撐（KangHongpuetal．，2007）。

6．2關(guān)閉礦山水文地質(zhì)研究將逐步興起

我國(guó)許多老煤炭基地，在經(jīng)歷30余年的高強(qiáng)度開(kāi)采后，煤炭資源趨于枯竭，已經(jīng)進(jìn)入閉坑期。礦山開(kāi)采過(guò)程中形成的地下水降落漏斗，其波及范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)礦井邊界，直接改變了區(qū)域的水循環(huán)與水動(dòng)力場(chǎng)；礦井關(guān)閉后，地下水位將快速上升，原有的礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)、循環(huán)條件和賦存環(huán)境再次遭受破壞，采空區(qū)的水文地質(zhì)條件和水文地球化學(xué)環(huán)境將徹底改變，關(guān)閉礦井將成為重大污染源，不僅采礦活動(dòng)留下的各種污染物進(jìn)入地下水系統(tǒng)，同時(shí)，礦井、采場(chǎng)、含煤地層、相鄰含水層的有害物質(zhì)也將進(jìn)入地下水系統(tǒng)，嚴(yán)重污染和破壞地下水資源。伴隨我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)開(kāi)展的大規(guī)模資源整合，加之當(dāng)前去產(chǎn)能政策要求，加速了煤礦廢棄過(guò)程，廢棄煤礦帶來(lái)的地下水環(huán)境問(wèn)題也將更加突出，成為了老礦區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。關(guān)閉礦山產(chǎn)生的一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題與原生地質(zhì)條件下礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題有較大差異，基本屬于一個(gè)全新的礦山水文地質(zhì)領(lǐng)域，急需開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展解決難題，提供助力（SunXiaohua．2010）。

6．3礦區(qū)水文地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境安全交叉是礦區(qū)水文地質(zhì)學(xué)的重要發(fā)展方向之一

從目前國(guó)內(nèi)外礦山開(kāi)發(fā)來(lái)看，資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境破環(huán)一對(duì)共生矛盾體，礦山開(kāi)發(fā)無(wú)一例外地對(duì)礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境造成破壞。地下水作為礦區(qū)生態(tài)植被生長(zhǎng)的基本要素，其動(dòng)態(tài)變化直接影響著生態(tài)植被的生長(zhǎng)，與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境安全緊密相關(guān)。研究礦區(qū)地下水與地表植被生態(tài)之間的相互作用過(guò)程和機(jī)制，是采前生態(tài)環(huán)境保護(hù)、采后生態(tài)環(huán)境重建的基礎(chǔ)性工作，是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境安全保障必然要求，也是礦區(qū)水文地質(zhì)學(xué)的豐富和拓展。

6．4礦山水文地質(zhì)試驗(yàn)技術(shù)方法研究需要引起專(zhuān)家和學(xué)者的重視

我國(guó)水文地質(zhì)學(xué)者和相關(guān)技術(shù)人員針對(duì)礦山水資源保護(hù)和防治水等問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，發(fā)表了一系列成果，或多或少都涉及部分礦山水文地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的技術(shù)方法，但缺乏系統(tǒng)闡述和列舉實(shí)例，不夠通俗易懂，反倒是礦山技術(shù)人員由于具體問(wèn)題倒逼走在了前面，對(duì)于礦山水文地質(zhì)物理模擬由于難度大更是較少涉及，礦山水文地質(zhì)數(shù)值模擬由于缺乏大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支持無(wú)法逼真擬合失去了礦山工作人員的信任，讓本應(yīng)占據(jù)重要地位的礦山水文地質(zhì)試驗(yàn)陷入了尷尬的境地。目前的大型水文地質(zhì)模擬試驗(yàn)技術(shù)方法尤其落后，急需相關(guān)學(xué)者投入精力與時(shí)間開(kāi)展相關(guān)研究。

6．5礦區(qū)水文地質(zhì)相關(guān)技術(shù)設(shè)備研發(fā)前景廣闊

相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言，由于起步較晚和政策導(dǎo)向等原因，我國(guó)在礦區(qū)水文地質(zhì)技術(shù)設(shè)備方面的研發(fā)差距較大。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)高精尖裝備的研發(fā)政策導(dǎo)向越來(lái)越明顯，了一系列鼓勵(lì)發(fā)明創(chuàng)新的政策，而日益發(fā)展的礦山水文地質(zhì)問(wèn)題和安全需求對(duì)相關(guān)技術(shù)設(shè)備也提出了更高的要求，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)幾十年將是我國(guó)水文地質(zhì)相關(guān)技術(shù)裝備飛速發(fā)展的黃金時(shí)期，值得相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才和團(tuán)隊(duì)投入精力，開(kāi)發(fā)出屬于擁有世界先進(jìn)水平的國(guó)產(chǎn)裝備，把我國(guó)礦山水文地質(zhì)行業(yè)研發(fā)水平推向世界前列。

6．6全國(guó)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題形成規(guī)律有待開(kāi)展系統(tǒng)的研究

我國(guó)水文地質(zhì)學(xué)者根據(jù)問(wèn)題性質(zhì)、礦種類(lèi)型、礦山開(kāi)發(fā)階段等對(duì)我國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題類(lèi)型劃分，發(fā)表了一系列成果，但缺乏系統(tǒng)闡述、較為空泛，其提出的防治措施也沒(méi)有針對(duì)性。我國(guó)地域遼闊，各地區(qū)各類(lèi)型礦山開(kāi)發(fā)方式、所處的地質(zhì)環(huán)境等因素造就了我國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的復(fù)雜性，急需開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究：結(jié)合我國(guó)不同地區(qū)、不同時(shí)代、不同類(lèi)型礦種聚集規(guī)律，①分析不同礦種地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題特點(diǎn)，找出不同礦種之間地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的差別；②分析各類(lèi)礦種地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題在區(qū)域上的分布規(guī)律；③針對(duì)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題聚集規(guī)律，提出有針對(duì)性的防治措施，編制不同地區(qū)不同類(lèi)型礦山地質(zhì)環(huán)境防治區(qū)劃。

7討論

（1）本次研究過(guò)程中，研究水位驟降帶的滲透性、水位動(dòng)態(tài)和儲(chǔ)水能力時(shí)，仍然沿用傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)的原理，實(shí)際上它完全有別與以往的對(duì)未被破壞的原始地質(zhì)條件下地下水系統(tǒng)，也有別于由于人類(lèi)過(guò)渡開(kāi)采而引起的地下水系統(tǒng)改變，需要更新傳統(tǒng)水文地質(zhì)理論，甚至發(fā)現(xiàn)新的水文地質(zhì)理論才能全面闡釋水位驟降帶內(nèi)水文地質(zhì)學(xué)原理。

（2）礦區(qū)水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)工作亟需加強(qiáng)，目前采動(dòng)過(guò)程中水資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)少，監(jiān)測(cè)周期短，尤其采煤后水位驟降帶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)幾乎空白。加強(qiáng)這項(xiàng)工作有利于準(zhǔn)確研究采動(dòng)過(guò)程及采煤結(jié)束后礦區(qū)水資源特征。

（3）項(xiàng)目研發(fā)的區(qū)域地下水流場(chǎng)三維動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)由于技術(shù)和資金等原因，處于初級(jí)研發(fā)階段，對(duì)復(fù)雜區(qū)域流場(chǎng)及群礦集采區(qū)流場(chǎng)等模擬尚具有一定的困難，需要進(jìn)一步的技術(shù)改造升級(jí)和完善，以滿(mǎn)足礦區(qū)水文地質(zhì)科研的現(xiàn)實(shí)需求。

（4）隨著我國(guó)礦業(yè)變革和后礦業(yè)時(shí)代的來(lái)臨，現(xiàn)行的礦山水文地質(zhì)學(xué)加快發(fā)展以適應(yīng)國(guó)家發(fā)展需要時(shí)代的需求，如深部礦山水文地質(zhì)、關(guān)閉礦山水文地質(zhì)、礦山水文地質(zhì)生態(tài)地質(zhì)交叉學(xué)科、水文地質(zhì)行業(yè)高精尖設(shè)備等相關(guān)分支學(xué)科將逐步興起，需要相關(guān)從業(yè)人員和學(xué)生引起足夠的重視。

8結(jié)論

本文從采動(dòng)引起的覆巖移動(dòng)入手，在資料分析的基礎(chǔ)上，采用相似材料模擬、地球物理勘測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)注（壓）水實(shí)驗(yàn)、野外觀測(cè)的方法，研究了采煤引起含水層結(jié)構(gòu)變異及其滲透性變化特征；在此基礎(chǔ)上，研究了采煤引起地下水流場(chǎng)演化特征，從水文地質(zhì)角度出發(fā)將采空區(qū)上覆含水層重新劃分為水位驟降帶和水位波動(dòng)帶，確定了不分層位含水層滲透系數(shù)的分布規(guī)律，掌握了煤礦群采區(qū)地下水流場(chǎng)的演化機(jī)理，為研究煤礦群采區(qū)含水層結(jié)構(gòu)變異后的地下水循環(huán)和水資源重新分布提供技術(shù)支撐，對(duì)礦區(qū)未來(lái)地下水資源的開(kāi)采、利用與保護(hù)以及采煤安全和區(qū)域水資源可持續(xù)利用具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

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作者:張發(fā)旺 陳立 王濱 么紅超 許柏青 李敏巍 胡博 文錢(qián)龍 單位:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所