导水裂隙带可视化及在地下水环境影响中的应用

Visualization of Water Conducting Fracture Zones and Its Application in the Impact on Groundwater Environment

摘要: 导水裂隙带发育高度是采煤是否引起含水层地下水渗漏的决定性因素，也是保水采煤的关键参数，因此，准确预测导水裂隙带发育特征意义重大。研究以某矿井为例，通过收集和处理地质勘探数据，采用地质建模技术和三维可视化工具，从平面、剖面、柱状及三维可视化多个方面，对导水裂隙带的发育情况进行深入研究分析，从平面、垂向及整体多个层面直观展示导水裂隙带发育情况与含(隔)水层之间的空间关系，以此分析评价了对可采煤层上覆含(隔)水层影响。

Abstract: The development height of the water conducting fracture zone is a decisive factor in whether coal mining causes groundwater leakage in the aquifer, and it is also a key parameter for water-preserved mining. Therefore, accurately predicting the development characteristics of the water conducting fracture zone is of great significance. Taking a certain mine as an example, this study collected and processed geological exploration data, used geological modeling techniques and 3D visualization tools, and conducted in-depth research and analysis on the development of water conducting fracture zones from multiple aspects such as plane, section, column, and 3D visualization. The spatial relationship between the development of water conducting fracture zones and the aquifer (aquitard) layer is visually displayed from multiple levels including plane, vertical, and overall. Based on this, the impact on the overlying aquifer (aquitard) layer of the mineable coal seam was analyzed and evaluated.

1. 地形地貌

研究区为毛乌素沙漠与陕北黄土高原的过渡地带，地形起伏不大，相对平缓，属低缓的黄土梁岗区及平缓的滩地区。地势总体西南高东北低，海拔标高一般在1250~1350米之间。

黄土梁岗区分布于区内的东南部和西北部，多被现代风积沙覆盖，地貌上表现为低梁宽谷。滩地区分布于区内中部、西南部及东北部，地形平缓。

2. 研究区含(隔)水层

2.1. 含水层

研究区水文地质条件受区域水文地质条件的控制，显示了与区域水文地质特征的统一性。地下水的形成条件、赋存特征、补径排关系、富水程度及水质严格受区内地形地貌、地层岩性、地质构造、新构造运动与水文气象等因素综合控制。

根据研究区地下水的赋存条件及水力特征，将含水层划分为两种类型：第四系松散岩类含水层和中生代碎屑岩类含水层，中生代碎屑岩类裂隙水主要分为白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙潜水含水层，侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙承压水含水层及侏罗系中统延安组碎屑岩类裂隙承压水含水层。

2.2. 隔水层

侏罗系中统安定组隔水层是研究区浅层第四系及白垩系洛河组含水层与深层侏罗系含水层之间的主要隔水层段[1]，隔水层岩性主要为紫、暗紫红色泥岩、粉砂质泥岩夹紫红色粉砂岩，隔水层全区稳定分布，是研究区关键隔水层。

3. 保护目标含水层

研究区第四系与白垩系地下水分布广泛，且埋藏较浅、水量丰富，是城镇及农村人、畜供水及农牧业供水的主要供水水源，是研究区地下水保护目标含水层。

4. 数据准备及处理

4.1. 可采煤层发育特征

导水裂隙带发育高度与煤层赋存地质条件、顶板岩性、煤层开采厚度、倾角及开采工艺等均有密切关系。侏罗系中统延安组3#、4#、5#煤(自上而下编号)为区内可采煤层，煤层层位稳定，产状基本一致，倾角小于1˚，近水平发育。

4#、5#煤大多为薄煤层，3#煤为中厚煤层，3#煤开采形成的导水裂隙带为最高发育顶界面。因此，3号煤层导水裂隙带发育情况对上覆含(隔)水层尤其是对保护目标含水层的影响起着至关重要的作用。

4.2. 初始数据准备及分析流程

为保证开采区预测结果更准确，对研究区所有剖面及钻孔相关数据进行统计分析，结合地层信息，应用Surfer、Acrgis及建模软件[2]的强大数据处理与分析功能，从平面、剖面、柱状及立体多方面直观展示导水裂隙带发育情况与含(隔)水层之间的空间关系。研究分析流程如下，见图1：

Figure 1. Analysis flowchart

图1. 分析流程图

4.3. 导水裂隙带计算

井下开采对上覆含(隔)水层的影响程度主要取决于覆岩破坏形成的导水裂隙带高度是否波及水体[3]。研究分别采用经验公式及周边煤矿开采产生的导水裂隙带发育高度实测结果进行分析评价。

4.3.1. 经验公式计算

井田内地质、水文地质条件简单，构造简单及本区煤层顶板为中硬岩层等地质特征，3煤顶板饱和抗压强度一般在20~40 MPa，其形成的导水裂隙带高度按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》推荐的中硬岩经验公式计算[4] [5]，见表1。

Table 1. Calculation formula for the development height of water conducting fracture zones in the “Tripartite Mining Guidance”

表1. “三下开采”导水裂隙带发育高度计算公式

覆岩岩性	公式一	公式二
中硬	$H_{li}=\frac{100{\displaystyle \sum M}}{1.6{\displaystyle \sum M}+3.6}\pm 5.6$	$H_{li}=20\sqrt{{\displaystyle \sum M}}+10$

注：H_li为导水裂隙带高度，${\displaystyle \sum M}$ 为累计采厚。

4.3.2. 实测值计算

根据邻区某煤矿编制的《某煤矿3号煤层覆岩垮落规律与“三带”发育高度研究》，确定3号煤层裂采比为29.3，参照其实测裂采比，取30倍作为导水裂隙带发育高度计算依据。

4.3.3. 导水裂隙带计算结果

研究根据经验公式、实测值分别计算3#煤导水裂隙带发育高度，取两者最大值作为研究区导水裂隙带发育高度，部分钻孔计算情况见表2：

Table 2. Calculation results of development height of water conducting fracture zone

表2. 导水裂隙带发育高度计算结果表

孔号	采厚	导水裂隙带高度			导水裂隙带与各地层底板距离			导入层位
		经验公式	实测裂采比	第四系	白垩系	安定组	直罗组
1孔	3.04	44.87	91.2	477.0	227.4	111.7	−8.8	直罗组
2孔	2.61	42.31	78.3	586.5	247.0	131.2	−9.2	直罗组
3孔	2.39	40.92	71.7	511.9	240.2	132.5	−3.7	直罗组
4孔	2.49	41.56	74.7	525.6	238.3	124.1	10.1	延安组
5孔	2.56	42	76.8	546.9	240.9	124.5	−5.7	直罗组
6孔	2.75	43.17	82.5	582.2	245.7	106.0	−0.03	直罗组
7孔	2.42	41.11	72.6	560.3	246.7	130.5	−1.7	直罗组
8孔	2.34	40.59	70.2	564.2	245.7	128.8	10.3	延安组
9孔	2.38	40.85	71.4	555.1	258.1	141.7	8.8	延安组
10孔	2.53	41.81	75.9	611.2	245.1	143.5	12.6	延安组
11孔	2.43	41.18	72.9	505.7	355.7	164.2	10.5	延安组
12孔	3.19	45.72	95.7	544.2	255.7	151.7	−8.7	直罗组
13孔	3.4	46.88	102	572.6	220.6	127.4	−8.1	直罗组
14孔	2.44	41.24	73.2	515.7	248.8	121.3	−14.8	直罗组

5. 导裂带对含(隔)水层影响评价

根据计算的导水裂隙带分析对煤层上覆各含(隔)水层的影响，对本区具有供水意义的浅层第四系及白垩系含水层的影响及保护有着十分重要的意义。

5.1. 导水裂隙带发育柱状展示

通过对研究区水文地质条件归纳总结，结合导水裂隙带计算情况，绘制导水裂隙带与含(隔)水层相互关系柱状图(表3)，可以从研究区整个尺度初步认识导水裂隙带发育情况，展示可采煤层、导水裂隙带及上覆含(隔)水层的相互关系。从柱状图可以看出，导水裂隙带发育至直罗组。

Table 3. Bar chart of development of water conducting fracture zone

表3. 导裂带发育情况柱状图

序号	含水层	柱状	富水性	性质	导水裂隙带发育情况
Ⅰ	第四系松散岩类 潜水含水层		弱~中等	具有供水意义的含水层	未导入 (距底板>351米)
Ⅱ	白垩系洛河组 含水层		中等~强	具有供水意义的含水层	未导入 (距底板>187米)
Ⅲ	侏罗系安定组 隔水层		/	关键隔水层	未导入 (距底板>77米)
Ⅳ	侏罗系直罗组 含水层		弱	矿化度较高水质较差	大部分区域导入 (导入高度占地层厚度0%~34.38%)
Ⅴ	侏罗系延安组 (煤系)含水层		弱	矿化度较高水质较差	煤系含水层，导入

5.2. 导水裂隙带发育情况平面可视化

通过对煤层、地层等相关信息数据化，应用Surfer、Arcgis等软件的强大数据处理与分析功能[6]，将其转化为直观的平面图展示。根据分析，3#煤导水裂隙带发育高度在50~120米(图2)，导裂带顶界面与安定组隔水层底板距离大于77米(图3)，大面积导入直罗组含水层(图4)。

Figure 2. Plan of contour lines for the development height of water conducting fracture zones

图2. 导裂带发育高度等值线平面图

Figure 3. Plan view of the distance between the water conducting fracture zone and the bottom plate of the Anding Formation

图3. 导裂带顶界面距安定组底板平面图

Figure 4. Plan view of the distance between the water conducting fracture zone and the bottom plate of the Zhiluo Formation

图4. 导裂带顶界面距直罗组底板平面图

这些平面图不仅能够直观地反映研究区导水裂隙带的发育程度和空间分布特征，也能够帮助识别和评估地下工程活动对水文环境的影响，制定更为科学合理的地下水环境保护措施。

5.3. 导水裂隙带发育情况剖面可视化

剖面图能够揭示地质体的空间关系和演化历史，是地质学研究中的重要工具，通过展示地层、含(隔)水层和构造的垂向分布，提供了对地下含(隔)水层结构与煤层赋存关系的直观理解。

在典型剖面上绘制导水裂隙带，可从垂向上展示与可采煤层、上覆含(隔)水层的空间分布关系，见图5。它提供了直观而详细的信息，是地下水环境影响评价工作者进行分析评价的重要依据。

Figure 5. Development height profile of water conducting fracture zone

图5. 导水裂隙带发育高度剖面图

5.4. 导水裂隙带顶界面三维可视化

Figure 6. 3D visualization of the top interface of the water conducting fracture zone

图6. 导水裂隙带顶界面三维可视化图

三维可视化技术的应用[7]，不仅提高了对导水裂隙带结构的认识，也为地下水环境影响评价提供了更加直观的分析手段。

通过收集和处理地质勘探数据，研究采用地质建模技术和三维可视化工具，构建了导水裂隙带顶界面发育情况的三维模型(图6)，对研究区导水裂隙带顶界面的空间发育特征进行深入研究。

5.5. 对上覆含(隔)水层影响评价

研究区煤层近水平发育，从上述柱状、平面、剖面及三维立体等图件，从平面、垂向及整体多方面分析导水裂隙带顶界面发育情况，从而更为准确分析评价对研究区含(隔)水层的影响。

5.5.1. 对第四系及白垩系洛河组含水层影响

根据导水裂隙带顶界面发育情况，导水裂隙带主要在煤系地层延安组及上覆直罗组底部发育，远离浅层第四系及白垩系洛河组含水层，与洛河组底板距离大于187米，与第四系底板距离大于350米，浅部含水层与深层含水层之间有一全区稳定分布的安定组隔水层阻隔，基本阻隔了深层含水层与浅部含水层之间的水力联系，煤层开采不会形成浅层地下水降落漏斗[8]，不会改变浅层第四系及白垩系洛河组含水层(保护目标含水层)地下水的径流特征和地下水流场的总体格局。

5.5.2. 对安定组隔水层影响

导水裂隙带顶界面仅发育至直罗组，发育顶界面与安定组隔水层底板距离大于77米，不会破坏安定组隔水层结构，保证了关键隔水层的连续性与稳定性。因此，导水裂隙带对安定组关键隔水层影响较小。

5.5.3. 对深部侏罗系承压含水层影响

研究区煤层开采主要对侏罗系延安组煤系含水层及上覆直罗组承压含水层造成破坏影响，导入直罗组底板高度0~40.63米，含水层中地下水随着煤矿开采，作为矿井涌水排至地面。建设单位在后续开发过程中，加强对疏排矿井涌水的综合利用[9]。

6. 结论

导水裂隙带发育顶界面的三维可视化在地下水环境影响评价中具有重要意义，结合柱状、平面及剖面图，可从平面、垂向及整体多方面直观展示导水裂隙带顶界面发育与含(隔)水层空间分布关系，对准确把握研究区导水裂隙带发育特征及后续制定保水采煤[10]措施意义重大。后续的研究可进一步完善三维建模技术，结合多源数据，提高模型的精度和可靠性，更加精确地圈定保护目标含水层的导入区域，准确划定保水采煤区域，以更好地服务于地下水环境保护和资源管理。