Experimental study on characteristics of grounawater fracture in coalmine overlying rock
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摘要:
覆岩裂隙地下水渗流特征是采煤和采空区后期维护需考虑的重点因素，特别是煤矿地下水库修建区，覆岩裂隙场经沉积作用形成稳定形态，具有良好的储水和导水能力，也是煤矿地下水库重要的组成部分。在浅层地下水丰富区域或夏季极端降雨条件下，地下水库形成垂向补给，分析地下水在覆岩裂隙中的渗流特征为煤矿地下水库安全运营及地下水资源保护提供科学依据。此次研究通过固−液耦合相似模型试验获得开采区覆岩裂隙发育稳定规律及导通含水层后地下水渗流特征，分析得出延伸远空间大的离层裂隙和微裂隙多以储水为主，贯穿多个岩层的垂向裂隙具有很强的导水能力，离层裂隙间的水力联系主要靠两侧区域的垂向裂隙形成。垂向补给条件下，地下水先以非饱和方式沿垂向裂隙进行入渗，由上及下覆岩裂隙逐渐区域饱和，最终形成稳定的饱和入渗形式。在此基础上建立饱和渗流状态的地下水渗流数学模型，并依靠数值法求解，与相似模拟试验相互验证得出垂向裂隙是主要的导水通道，其导水量占比最大可达到97%，与此同时垂向裂隙中地下水的运移速度也远超出离层裂隙中的多个数量级。最后通过敏感性分析得出垂向裂隙渗流量与裂隙发育程度和总涌水量成正相关，与岩石渗透性成负相关。覆岩裂隙中地下水的运移时间与裂隙发育程度、岩石渗透性和总涌水量均呈负相关。
Abstract:The seepage characteristics of groundwater in the overlying fissures are the key factors to be considered in the later maintenance of coal mining and goaf, especially in the underground reservoir construction area of coal mines. It is also an important part of coal mine underground reservoir. In shallow groundwater-rich areas or under extreme summer rainfall conditions, underground reservoirs form vertical recharge, and analyzing the seepage characteristics of groundwater in overlying fissures provides a scientific basis for the safe operation of coal mine underground reservoirs and the protection of groundwater resources. In this study, the solid-liquid coupling similarity model test was used to obtain the development and stability of the overlying fissures in the mining area and the characteristics of groundwater seepage after the aquifer was connected. The analysis showed that the large abscission fissures and micro-fissures that extend far and wide are mostly water storage. , the vertical fissures running through multiple rock layers have strong water conductivity, and the hydraulic connection between the separation layer fissures is mainly formed by the vertical fissures in the two sides. Under the condition of vertical recharge, groundwater first infiltrates along the vertical fissures in an unsaturated manner, and is gradually saturated regionally from the upper and lower overlying fissures, finally forming a stable saturated infiltration form. On this basis, a mathematical model of groundwater seepage in saturated seepage state is established, and the numerical method is used to solve it. It is verified with similar simulation experiments that vertical fractures are the main water conduction channels, and their water conduction can account for up to 97%. At the same time, the migration speed of groundwater in vertical fractures is also many orders of magnitude higher than that in abscission fractures. Finally, through the sensitivity analysis, it is concluded that the vertical fracture seepage is positively correlated with the fracture development degree and the total water inflow, and negatively correlated with the rock permeability. The migration time of groundwater in overlying fissures is negatively correlated with the degree of fissure development, rock permeability and total water inflow.
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0. 引 言
煤炭作为主体能源在一段时期内无法改变，而矿井水利用是煤炭绿色开采面临的重大技术难题。顾大钊[1-2]提出的“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护和利用理念和相关技术体系，能够充分利用地下空间和自然力，安全、低成本、规模化的储存净化矿井水[3-4]。煤矿地下水库建成后，覆岩裂隙场与渗流场处于稳定状态。地下水通过覆岩裂隙渗流补给是地下水库重要水源之一，同时覆岩裂隙能够贮存大量地下水，是地下水库的重要组成部分。研究采空区覆岩裂隙场地下水渗流演化规律，确保煤矿地下水库水源补给和库容稳定，对水库安全稳定运行具有重要意义，是西部地区煤炭开采地下水资源保护利用有效的技术支撑[5-8]。
探明裂隙场分布状态是分析渗流场的前提。裂隙场理论研究方面，钱鸣高[9]提出岩层控制的关键层理论为深岩层采动裂隙动态分布规律提供了理论工具。为确定裂隙分布范围，李春睿[10]分析覆岩裂隙的演化机理，提出了利用“裂隙相似度”来评价覆岩裂隙场边界范围。扩展到三维裂隙场，张勇等[11]对厚煤层采动裂隙发育规律及分布形态进行了详细分析，得出三维裂隙场在地表呈现O型裂隙圈形态。在裂隙探测领域，许家林等[12]、毕业武[13]采用计算机图像处理技术对相似模拟试验中采动裂隙进行数据采集，并量化解译出裂隙分布形态。煤矿地下水库覆岩裂隙渗流是破碎岩体渗流的一种。关于破碎岩体渗流特征，前人也已经做了大量研究。微观理论方面，依据管流和Taylor理论，LI等[14]对堆石材料平均渗流水力破坏半径进行了分析和定义，得到了堆石材料摩阻系数、雷诺数、水力坡度与堆石渗流变形速度的对应关系。MOUTSOPOULOS等[15]通过推导河间渗流模型解析解，得出Forchheimer达西方程适用于描述非达西渗流。KOGURE[16]利用定水头渗透仪对破碎岩体进行不同水力梯度试验，得到从层流到紊流过程中，破碎裂隙岩体的临界压力随颗粒尺寸的变化规律，并总结了经验公式。但在宏观应用方面，覆岩裂隙场渗流等同于非均质渗流场利用Darcy定律求解依旧是主流方法。袁亮等[17]通过应力、位移和孔隙流压检测结合数值解对煤层开采过程中覆岩裂隙场和渗流场之间的关系进行研究。李文平等[18]通过高水压下构造破碎带突水模拟试验，得到了不同充填物类型构造破碎带突水量随时间和水压变化的特征曲线。优势渗流通道方面，程志恒[19]通过相似模拟得出覆岩裂隙两侧存在裂隙贯通区，其渗透性强。金志远[20]通过在相似模型顶部浇注热水，并用红外监测仪探测，得出在开切眼侧和停采线侧存在较强的导水通道。与之相比，煤矿地下水库覆岩裂隙为采空区覆岩裂隙沉积压实后形成的稳定裂隙场。地下水经含水层、覆岩裂隙场、采空区形成稳定的流场形态。
神东地区浅层地下水匮乏，煤矿地下水库含水层补给多来自边界侧向补给，但近几年鄂尔多斯地区极端降水次数的增多[21]，丰水期水库上方浅层含水层富水性短期增强，进而形成垂向补给煤矿地下水库形式。边界侧向补给下，地下水与回灌矿井水混合，以一定的径流路径，经水岩相互作用净化水质。垂向补给下，含水层补给量和径流路径发生变化，运移时间也会随之改变。在补给方式突变情况下，为煤矿地下水库运营及水质安全提供新的监测模式，此次依托神东上湾矿，通过固−液耦合相似模型试验获得开采区覆岩裂隙发育规律及地下水的渗流特征，结合数值模型对渗流规律进行验证，得出主要的导水通道。分析渗流量和时间随裂隙发育程度、岩层渗透系数、涌水量等影响因子的变化规律，为煤矿地下水库安全运营提供科学依据。
1. 模拟试验
1.1 地质概况
上湾煤矿是神东煤炭集团主力生产矿井之一，地处鄂尔多斯盆地东部，地层区划属华北地层区鄂尔多斯地层分区，井田范围南北长约9.3 km，东西宽约14.1 km，面积为64.2 km2，核定产能16 Mt/a[22]。矿井范围内大面积被第四系风积沙所覆盖，仅在沟谷两侧及一些较高的峰岭处有基岩出露。地层由老到新依次为三叠系上统延长组、侏罗系中统延安组和直罗组、侏罗系中下统安定组、新近系上新统、第四系全新统。矿井内含煤地层为侏罗系中统延安组，也是本区中生代唯一含煤地层，自下而上分为3个含煤岩段，5个旋回，5个煤组。其中1−2、2−2、3−1煤层在核实区内全区可采；1−2煤层和2−2煤层分别共划分成四和一个盘区，目前回采1−2煤三盘区[23]。矿井水文地质条件简单，含水层岩段主要为：第四系潜水含水岩段、1−2煤至3−1煤承压含水岩段、3−1煤至延安组含水岩段。矿区内潜水含水层主要接受大气降雨补给，含水层主要补给为潜水越流和边界侧向径流补给。矿井范围内局部存在浅层地下水和上层滞水，地下水的主要排泄方式为矿井排水和大气蒸发[24]。上湾矿建有煤矿地下水库数座，成库时间长，已安全运营多年。建库所选采空区均为结构稳定，无复杂区域构造。
1.2 相似模拟方案
此次试验采用煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室自主研发的二维多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台。该平台具备垂向、侧向加压和密封注水功能。相似模型尺寸为：2 100 mm×300 mm×700 mm（长×宽×高）。几何相似比CL=1/150，容重相似比Cγ=1，弹性相似比CE=1/150，强度相似比Cσ=1/150。如图1所示，模型模拟区域为包含1−2煤层在内的以上区域，1−2煤厚度60 mm，煤层致地表厚度640 mm。在煤层居中位置存在宽1 140 mm的煤矿地下水库，水库两侧存在2种宽度的煤柱和巷道。覆岩由固液耦合相似模拟材料铺设，该材料是在传统的相似材料中添加硅油，通过大量正交试验确定了硅油比例和颗粒级配获得，并通过48 h的浸泡试验，验证其满足力学参数要求还具备一定疏水性，试验过程中遇水不崩解。固液耦合相似模拟材料以50 mm或30 mm的厚度铺设，层间铺设薄层白云母片，用于模拟上覆的泥岩、砂岩等岩层。模型顶端为石英砂组成的强渗透性的潜水含水层。模型由右侧向左侧开挖，每次开挖120 mm，间隔10 min，用于模拟埋深96 m，采高9 m的煤层开采过程。
开挖完成后，从模型顶部进行均匀垂向加压，时间持续15 min，加压完成后泄去顶部压力，观测预埋应力片数据趋于稳定，该过程模拟采空区开采后覆岩沉积压实。含水层内预埋花管并与外界可升降双箱壁水箱连接，双箱壁水箱内腔不断注入液体荧光剂，荧光剂水位高出内箱壁后溢出被外侧腔体回收循环。将水箱内腔水位高度与模型含水层顶部高度保持一致。荧光剂由荧光材料和水1:50混合形成，黏滞系数与水一致。确保顶部含水层中水头恒定，持续注入直至试验结束。试验平台一侧避光用紫外线灯照射，并用相机记录渗流特征。
1.3 裂隙场特征分析
模型开挖及加压完成后，煤矿地下水库覆岩裂隙经过发育又压实缩小的演变过程，裂隙场处于稳定状态，整体分布如图2a所示，根据裂隙演化方向和大小不同，将裂隙分成垂向裂隙、微裂隙和离层裂隙。由模拟结果可知，采空区两侧开切眼和停采线附近各发育一条偏向采空区内侧的垂向裂隙。垂向裂隙贯通顶部潜水含水层和下方采空区，是地下水重要的下渗通道[20]。除此之外，微裂隙发育较小，大部分未穿透各自岩层，个别能够连通上下离层裂隙。相比垂向裂隙，离层裂隙更加发育，且离水库越近，离层裂隙发育越显著，而在模型顶部，发育较弱。起初离层裂隙产生的裂隙空间大于垂向裂隙，但经沉积压实后有所闭合。离层裂隙横向延伸距离远，部分可以连通左右2个垂向裂隙，具有一定的导水能力。模型整体裂隙网络如图2b所示，整体呈现梯形形态，在顶部两侧存在岩层弯曲下沉形成的张拉裂隙，对含水层影响弱。
1.4 渗流场特征分析
荧光剂在垂向裂隙和离层裂隙中的局部渗流情况如图3所示。垂向裂隙缝隙大，荧光剂渗流速度快，渗流量大，为非饱和渗流，但垂向裂隙储存能力较弱。非饱和状态下荧光剂会迅速通过垂向裂隙进入采空区。相反离层裂隙具有很强的储存功能，荧光剂在离层裂隙中能够停留并积蓄起来，积蓄一定量后向下一层裂隙渗流，其渗流速度远小于垂向裂隙。微裂隙与离层裂隙相似以储水为主，只有少量导通离层裂隙具有导水能力。
荧光剂在覆岩裂隙中的整体渗流情况如图4所示。初始阶段，荧光剂在垂向裂隙中为非饱和渗流，液滴沿裂隙下渗；在离层裂隙和微裂隙中，渗流速度缓慢，荧光剂能够明显被摄像机捕捉。随着时间增大，垂向裂隙渗流状态不变，其余裂隙中形成饱和渗流，荧光剂逐渐向下渗流，荧光范围逐渐扩大。最后，采空区和覆岩裂隙达到饱和，形成稳定流场，荧光范围最大。综合以上现象可知，稳定状态下的煤矿地下水库覆岩裂隙场，垂向裂隙依旧是地下水的快速下渗通道，渗透速率和渗流量要明显高于其余裂隙；离层裂隙之间通过微裂隙导通，水力联系微弱；虽然离层裂隙和微裂隙中地下水渗流速率慢，但由张拉力形成再压实，裂隙网丰富，裂隙率较大，因此具有很强的储水能力。
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图 4 不同注水时间渗流面情况Figure 4. Leakage surface conditions at different water injection times2. 覆岩裂隙渗流特征
2.1 渗流概念模型
概念模型是对试验模型覆岩裂隙和参数条件等主要特征的提炼刻画。依据煤矿地下水库覆岩裂隙渗流相似模拟结果，结合前人研究，归纳出具有代表性特征的覆岩裂隙场和渗流场的概念模型，如图5所示。在概念模型中，覆岩裂隙场在采空区两侧边界处发育导通含水层的垂向裂隙，该裂隙是地下水渗流的主要通道，具有渗流速度快，流量大的特点。采空区上方的离层裂隙和微裂隙渗透性差，但裂隙率高，渗流速度慢，具有很强的储水能力。裂隙导水和储水能力，主要受上覆含水层、采空区涌水量、裂隙发育程度、基岩水文地质参数的影响。煤矿地下水库底板多为隔水性很强的泥岩底板，因此模型底部边界视为为隔水边界。模型两侧边界距离采空区具有一定距离，且地下水以垂向渗流为主，所以该研究中两侧边界也设定为隔水边界。模型顶部为具有调蓄能力的含水层，因此设定为定水头边界。概念模型中地下补给全部来自上边界含水层补给，排泄单元为底部的采空区涌水排泄。
2.2 数值方程
初始的岩层相似材料为连续孔隙介质，地下水的运移方式遵循达西定律。水在垂向裂隙中运移方式为稳定的面状管道流，虽受压实过程，空间微小，流速较慢，不服从达西定律；相比垂向裂隙，离层裂隙和微裂隙经压实作用后，裂隙闭合并有颗粒填充，更接近达西流。因此针对覆岩裂隙和岩层双介质模型进行等效处理，及将一个很大的渗透系数赋予到裂隙所在的区域内，进而等效成多孔介质模型[25]。杨杨[26]在模拟岩溶管道流时利用该方法将一个很大的渗透系数赋予到管道所在的单元格上。王红梅[27]也通过折算渗透系数进行模拟某地区岩溶管道对库区渗水的影响。根据覆岩裂隙渗流概念模型及双重介质等效多孔介质方法，用数学方程描述覆岩裂隙稳定渗流场如下：
$$ \begin{split} & \frac{\partial }{{\partial x}}\left( {{K_x}\frac{{\partial h}}{{\partial x}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {z}}}\left( {{K_{z}}\frac{{\partial h}}{{\partial {z}}}} \right) = Q\\&\qquad 0 \leqslant x \leqslant L \text{，} 0 \leqslant {z} \leqslant H \end{split}$$ (1) $$ \frac{{\partial h}}{{\partial x}} = 0\qquad x = 0 或 x = L $$ (2) $$ h\left( {x,{z}} \right) = h{}_0 \qquad {z} = H $$ (3) $$ {K_{\rm{z}}}\frac{{\partial h}}{{\partial {z}}} = Q\qquad {l_1} \leqslant x \leqslant L - {l_1} \text{，} {z} = 0 $$ (4) $$ {K}_{{\rm{x}}}=\left\{\begin{array}{l}{K}_{x{\rm{L}}},\text{ }\left(x,{z}\right)\in {D}_{{\rm{L}}}\text{ }\\ {K}_{x{\rm{Y}}},\text{ }\left(x,{z}\right)\in {D}_{{\rm{Y}}}\end{array} \right.$$ (5) $$ {K}_{{\rm{z}}}=\left\{\begin{array}{l}{K}_{{z}{\rm{L}}},\text{ }\left(x,{z}\right)\in {D}_{{\rm{L}}}\text{ }\\ {K}_{{z}{\rm{Y}}},\text{ }\left(x,{z}\right)\in {D}_{{\rm{Y}}}\end{array} \right.$$ (6) 式中：Kx、Kz、KxL、KzL、KxY、KzY分别为水平方向和垂直方向及对应介质中的渗透系数，m/d，此处的KxL、KzL数值要远远大于KxY、KzY数值；H和L分别为模型高度和宽，m；l1为煤矿地下水库两侧的宽度，m；DL和DY为裂隙和岩层所在区域；Q为覆岩裂隙向采空区的补给强度，m2/d。
3. 数值解与分析
3.1 渗流数值模型建立
此次研究使用有限元法对数学方程进行数值求解，利用MODFLOW软件基于有限差分法获得煤矿地下水库覆岩裂隙稳定流场[28]。在数值模型中将相似模拟结果覆岩裂网络解译并导入（图2b），再进行网格剖分，如图6所示。模型大小与相似模型一致，剖分精度为0.5 cm×0.5 cm，共53 760个单元。在满足计算机最大计算量的前提下，获得了准确的计算结果。
通过上湾矿现场抽水试验可知，侏罗系直罗组含水层渗透系数在0.001 2～0.058 0 m/d。模拟岩层所用相似材料在研发阶段通过渗流试验测得渗透系数为0.35×10−5 cm/s，因此模型中岩层水平渗透系数设定为0.003 m/d。为满足注水后岩层不会软化垮塌要求，相似材料具有很强的疏水性，加压之后空隙进一步压实，测得吸水率在0.08～0.15%，因此岩层孔隙度设定为0.1。考虑将双介质模型进行多孔介质等效处理，对裂隙发育区域赋予相比岩层很大的水平渗透系数和孔隙度，分别为30 m/d和0.9，与之类似采空区水平渗透系数也设定为30 m/d，孔隙度参考前人研究结果设定为0.3[5]。岩层渗透性为均值各项异性，受垂向应力压实作用，在岩石中水平渗透系数是垂直方向的10倍。详细信息见表1。
表 1 水文地质参数Table 1. Hydrogeological parameter介质 渗透系数KH/(m·d−1) KH/KV 孔隙度 裂隙 30 1 1 岩石 0.003 10 0.1 采空区 30 1 0.3 3.2 结果分析
利用数值法求解数学平衡方程得到稳定的覆岩裂隙渗流流场，利用该流场在采空区均匀布设粒子进行反向示踪计算，得到粒子运移轨迹[29-30]。运移轨迹越密集代表流量越大，无轨迹处代表流量微弱。如图7a所示，上覆含水层中地下水渗流到采空区主要通过上方覆岩裂隙网络，与之相比采空区两侧完整岩体的渗流量很小。覆岩裂隙中左右两侧垂向裂隙具有很大的渗流量；离层裂隙中存在地下水的横向运移，离层裂隙和微裂隙区域的渗流量小于垂向裂隙区域，但大于未扰动基岩。通过各单元数据差值得到模型不同位置向下的单位面积渗流量分布图。模拟计算结果与相似模拟现象基本一致，所以认定该模型可靠，可在其基础进行下一步研究，如图7b所示，展示不同位置向下的单位面积渗流量分布情况，两侧垂向裂隙区域明显高于其他位置，其渗流量在38×10−6～3.8×10−6 m3/d，离层裂隙和临近水库区域渗流量均小于3.8×10−6 m3/d，裂隙未发育区域渗流量最小接近于零。
流经覆岩裂隙的地下水最终通过采空区顶板渗流到采空区内。采空区不同涌水量和位置，渗流强度分布如图8所示。采空区位置在50～170 cm，两侧的渗流强度为0。采空区顶板各个位置的渗流强度随着涌水量的增大而增大，同时两侧垂向裂隙处渗流强度最大，左侧可占总涌水量的44.25%，右侧裂隙占总涌水量的53.74%，二者共占总涌水量的97.99%。不同涌水量对各位置渗流强度占总涌水量的比值基本无变化。因此煤矿地下水库裂隙水源补给主要来自水库两侧垂向裂隙的渗流补给，且该现象受涌水量变化不大。
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图 8 采空区不同位置渗漏强度Figure 8. Leakage intensity at different locations in the mined-out area煤矿地下水库覆岩裂隙水源补给除了水量之外，地下水的运移时间也是至关重要的因素。此次研究利用MODPATH求解在稳定流场的基础上计算出粒子失踪运移轨迹不同位所用的时间，如图9所示。在相似模型尺度上，采空区两侧垂向裂隙地下水从顶端渗流到采空区所需时间小于6 min，但流经其他裂隙和基岩混合区域的地下水运移时间要大于17 d。由此可得，煤矿地下水库两侧垂向裂隙不但是渗流量最大的通道，还是渗流速度最快的区域。
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图 9 渗流场地下水运移时间分布Figure 9. Distribution of water transport time under the seepage site4. 讨 论
考虑到模型中多个参数已给定，同时垂向裂隙渗流量又受多种因素的影响，因此对垂向裂隙渗流量与采空区涌水量、岩层渗透系数、裂隙发育程度等影响参数进行敏感性分析。如图10a、图10b所示，左右两侧垂向裂隙渗流量在不同渗透性岩石情况下随涌水量的增大而增大；各裂隙渗流量与涌水量的占比随岩石渗透系数的增大而减小；当涌水量一定时，岩石渗透性越强，垂向裂隙渗流量越小，但影响有限。如图10c、图10d所示，当涌水量一定时，左右两垂向裂隙渗流量均随裂隙发育程度增大而增大，垂向裂隙渗流量与总涌水量的比值随裂隙发育程度增大而增大，但和岩石渗透性一样，影响程度很有限。
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图 10 垂向裂隙渗流量随涌水量、岩石渗透性、裂隙发育程度的变化规律Figure 10. Variation law of seepage flow in vertical fractures of conduction with water influx, rock permeability, and fracture development degree流经垂向裂隙和离层裂隙的地下水运移时间也受采空区涌水量、岩层渗透系数、裂隙发育程度等参数的影响。通过计算分析可知，左侧垂向裂隙中地下水运移时间随垂向的渗流距离增大而增大，在覆岩裂隙中部，地下水途径离层裂隙运移到采空区所需时间随垂向渗流距离增大而增大，但部分层段运移时间变化较弱，是由于离层裂隙存在横向运移导致的。左侧垂向裂隙和覆岩裂隙中部相同垂向渗流距离地下水运移时间随涌水量的增大而减小，增大趋势也随着涌水量的增大而减小，如图11a、图11b所示。左侧垂向裂隙地下水运移时间随裂隙发育程度增大而变大，但影响极其微弱；岩石渗透系数对覆岩裂隙中部地下水运移时间影响较大，与之成负相关，如图11c、图11d所示。垂向裂隙地下水的运移时间要明显小于覆岩裂隙中部地下水的运移时间。
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图 11 地下水渗流时间随涌水量、岩石渗透性、裂隙发育程度的变化规律Figure 11. Variation law of groundwater seepage time with water influx, rock permeability, and fracture development degree综上分析结果，垂向裂隙渗流量达到总渗流量的97%，其受涌水量、岩石渗透性、裂隙发育程度的影响均较弱。垂向裂隙渗流速度更远大于其余渗流路径，随受涌水量、岩石渗透性、裂隙发育程度的影响，但依然是优势渗流通道。在煤矿地下水库监测方面，侧向补给下，地下水受水力梯度影响汇流到地下水库，在水库周边含水层建立水位监测孔，记录水力梯度变化，结合含水层厚度、补给边界长度和水平渗透系数即可计算出水库侧向补给量。当突变成垂向补给后，侧向补给的监测方法计算值偏小，不再适用。此时补给量变化主要受上覆含水层水位控制，可实时监测上覆含水层的水位，并结合垂向裂隙空间参数利用数值模拟计算出补给量；另外在裂隙发育地区，可在垂向裂隙中安装流量计，再结合垂向裂隙过水断面也可计算出垂向补给量。在水源补给充足地区，可对垂向裂隙进行封堵，减免补给量过大对水库带来的安全隐患。渗流时间与补给量的灵敏性很强，可依据垂向裂隙渗流时间特征，结合暴雨、地表洪水、地下洪水预计时间，可计算出煤矿地下水水库补给洪峰时间，为水库安全运营提供保障。
5. 结 论
1）煤矿地下水库覆岩裂隙场趋于稳定，垂向补给条件下地下水为稳定流场，覆岩裂隙可分为垂向裂隙、微裂隙和离层裂隙，其中垂向裂隙是地下水渗流的主要通道，微裂隙和覆岩裂隙则具有很强的储水能力。潜水含水层地下水先通过垂向裂隙进行非饱和入渗，从上往下覆岩裂隙逐渐区域饱和，最终形成稳定形态的饱和入渗。
2）神东地区传统条件下煤矿地下水库含水层以侧向补给为主。当突变成垂向补给后，在覆岩裂隙地下水渗流过程中，垂向裂隙渗流量最大能够达到占总涌水量的97%，导水垂向裂隙地下水的运移时间也远小于其他渗流途径。
3）垂向裂隙渗流量与裂隙发育程度和总涌水量成正相关，与岩石渗透性成负相关。覆岩裂隙中地下水的运移时间与裂隙发育程度、岩石渗透性和总涌水量均呈负相关。
4）侧向补给状态下，煤矿地下水库补给量等于边界侧向径流量，其可通过监测水库边界含水层水力梯度进行计算。垂向补给状态下，补给量和渗流时间主要受含水层水头、水文地质参数和垂向裂隙形态控制。利用垂直裂隙优势渗流数值模型精准计算水库补给量和渗流时间，为煤矿地下水库的安全运营提供科学依据。
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图 4 不同注水时间渗流面情况
Figure 4. Leakage surface conditions at different water injection times
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图 8 采空区不同位置渗漏强度
Figure 8. Leakage intensity at different locations in the mined-out area
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图 9 渗流场地下水运移时间分布
Figure 9. Distribution of water transport time under the seepage site
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图 10 垂向裂隙渗流量随涌水量、岩石渗透性、裂隙发育程度的变化规律
Figure 10. Variation law of seepage flow in vertical fractures of conduction with water influx, rock permeability, and fracture development degree
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图 11 地下水渗流时间随涌水量、岩石渗透性、裂隙发育程度的变化规律
Figure 11. Variation law of groundwater seepage time with water influx, rock permeability, and fracture development degree
表 1 水文地质参数
Table 1 Hydrogeological parameter
介质 渗透系数KH/(m·d−1) KH/KV 孔隙度 裂隙 30 1 1 岩石 0.003 10 0.1 采空区 30 1 0.3 
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