0 引 言
针对我国大型煤炭生产基地日益恶化的生态环境问题，2003年钱鸣高院士以关键层理论为基础提出了绿色开采技术[1-2]。绿色开采理念尽管是以煤为切入点提出的，但他从宏观层面上强调环境资源诸要素(主要指水、土地、植物及矿产)在各种组合状态下都是有价值的，环境资源利益分配过程中应该重视要素之间的协调性和可持续性，以免出现环境资源瓶颈效应。目前，绿色开采理念已经渗透到资源勘查、开采、利用、深加工、环保及废弃物处置等各个环节，正在为我国绿色矿山建设新格局的形成提供技术支撑。
保水采煤作为绿色开采技术体系的重要组成部分，近20年有了长足的发展。范立民[3-4]、王双明[5]、缪协兴[6]、许家林[7]、孙亚军[8]、李文平[9]、张东升[10]、马立强[11]、侯恩科[12]、马雄德[13-14]等在这个领域进行了大量研究，使保水采煤技术逐步走向理论化、系统化和科学化。2019年由范立民等主持完成，陕西省市场监督管理局颁布的DB61/T 1295—2019《保水采煤技术规范》[15]，标志着保水采煤技术进入了规范化发展的新时期。
煤层底板含水层保护属于保水采煤的研究范畴[4]。岩溶强含水层一般都会构成华北型煤田的突水水源[15]，但北方岩溶区又是大型岩溶泉的涵养区，如陕西渭北煤田的袁家坡泉、东王瀵泉，晋东煤炭基地的辛安娘子关泉、辛安泉域等。由于岩溶大泉对维系局部生态环境及工农业发展具有重要意义，因此在煤层开发过程中必须采用保水采煤技术。
渭北煤田是典型的华北型煤田，岩溶地下水具有统一标高(+380 m)，对渭北煤田东部矿区开采影响较大。另一方面，渭北岩溶水在构造和地形的控制下由西向东径流，一般在地势低、岩溶裂隙发育的地方出露，如洛河中的袁家坡泉群、温汤泉群、合阳东王瀵泉等。岩溶地下水以其水位的升降变化和泉群的排泄量的增减变化对河流湿地生态系统起到一定的调剂作用，因此渭北煤田开采与岩溶水位保护之间的矛盾十分突出。众多研究者在渭北煤田开展保水采煤研究，取得了相当丰富的成果。
笔者重点总结渭北煤田岩溶地下水的水文地质特征，阐明煤层开采与奥灰岩溶水的关系，综述渭北煤田开展保水采煤研究中取得的成果，为类似地区应用保水采煤技术提供借鉴。
1 渭北煤田概述
渭北石炭-二叠纪煤田(以下简称渭北煤田)位于陕西省中部渭河流域北侧，故称渭北。渭北煤田西起嵯峨山，东至黄河，北以石炭系上统太原组底为界，南至太原组露头[17]。渭北煤田共划分为4个矿区，自东向西依次为韩城矿区、澄合矿区、蒲白矿区和铜川矿区。渭北煤田煤层埋深小于500 m的区域都已进行了勘探，并经历了数十年开采。500～1 000 m区域仅韩城矿区和澄合矿区开展了勘探，埋深1 000 m以上都属于预测区。在空间上，渭北煤田500 m以浅的区域位于渭北岩溶分布区中段，而预测区则位于渭北岩溶分布区北侧外围。
渭北煤田煤系地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组，上覆地层包括第四系、新近系黏土岩和二叠及三叠系碎屑岩。煤系及其以上地层各含水层一般以大气降水作为主要补给源，各含水层之间水力联系较弱，富水性都不强。以往开采中，巷道和工作面经过短轴向斜附近时涌水量一般较大，但衰减速率很快，说明地下水以静储量为主。煤系基底的中奥陶统峰峰组二段(O2f2)岩性由白云岩、白云质灰岩及灰岩组成，溶洞和裂隙发育，溶蚀现象严重，富水性较强。钻孔揭露该层段中，水位及冲洗液消耗一般有明显突变。由于溶蚀裂隙在空间上的分布极不均匀，致使富水性的差异也较大。尽管如此，渭北岩溶仍是一个统一含水体，在20世纪80年代渭北岩溶水具有统一水位+380 m，故称“380岩溶水”。
渭北矿区位于鄂尔多斯台向斜与汾渭地堑的过渡地带，自南向北的地垒、地堑群相间分布，构造裂隙发育，为岩溶水运动提供了有利条件。生产实践证明，当巷道开拓和煤层开采水平低于岩溶水位高程时，均受到岩溶水不同程度的影响和危害。其中，铜川矿区及蒲白矿区大部分区域开采标高大于岩溶水位，不受岩溶水的威胁。澄合矿区东部及韩城矿区5号煤层均处于岩溶水位水平之下(图1)，煤层开采受到岩溶水的严重威胁，岩溶突水时有发生。下文在兼顾全区的同时，以澄合矿区为主，分析岩溶水与煤层开采的关系。
图1 韩城矿区水文地质剖面示意
Fig.1 Hydrogeological profile of Hancheng Mining Area
2 水文地质特征
2.1 地下水类型
根据含水介质的特征将渭北煤田地下水分为3种[18]，自上而下分别为：①第四系松散岩类孔隙裂隙潜水含水层，含1个细砂及砾石层含水层；②二叠-石炭系砂岩(灰岩)裂隙承压含水层组，包括上二叠统上石盒子组底部砂岩裂隙(K5)含水层(P2sh)、下二叠统下石盆子组底部砂岩裂隙(K中)含水层(P1sh)、下二叠统山西组3号煤层顶板砂岩裂隙(K*)含水层(P1s)、下二叠统山西组5号煤层顶板砂岩裂隙(K4)含水层(P1s)、下二叠统山西组底部5号煤层底板砂岩裂隙(K3)含水层(P1s)和石炭系上统太原组(10号煤层顶板)灰岩(石英砂岩)K2含水层组(C3t)等6组含水层；③奥陶系石灰岩岩溶裂隙承压强含水层组，含中奥陶统峰峰组二段(O2f2)灰岩含水层和上马家沟组(O2m2)灰岩含水层，见表1。
表1 渭北煤田地下水类型分类
Table 1 Classification of groundwater of northrn Shaanxi Coalfield
地下水类型含水层岩组备注孔隙裂隙水第四系松散岩类孔隙裂隙含水层—裂隙水下三叠统刘家沟含水层组(T1l)—上二叠统孙家沟组含水岩组(P2s)—上二叠统上石盒子组底部砂岩含水层(P2sh) K5下二叠统下石盒子组砂岩含水层(P1sh)K中下二叠统山西组3号煤层顶板砂岩裂隙含水层(P1s)K*下二叠统山西组5号煤层顶板砂岩裂隙含水层(P1s)K4下二叠统山西组下部砂岩含水层(P1s)K3岩溶水上石炭统太原组石英砂岩和灰岩含水岩组(C3t)K2中奥陶统峰峰组二段灰岩含水岩组(O2f2)—中奥陶统上马家沟组二段(O2m2)—
奥陶系岩溶裂隙含水层是威胁渭北煤田东部矿区开采最重要的底板突水水源。在构造的作用下(主要指断裂和褶皱，下文出现的断层编号参照文献[19])，使各矿区含水层段的标高有所变化。就奥陶系含水层而言，其强富水性层段的标高由西向东依次降低。铜川矿区强含水层主要为峰峰组O2f3，澄合-蒲白矿区的强含水层为O2f2，韩城矿区则为O2m2。
2.2 水文地质单元及边界
根据渭北岩溶地下水赋存特征及补径排条件，渭北岩溶水系统可划分为东西2个水文地质单元，即乾礼单元和铜韩单元。从空间位置上看，渭北煤田开采区位于韩铜水文地质单元内。由于F9、F30和F31正断层组及爱帖村逆断层组的切割作用，使此处地层断陷深达千米，期间的奥灰水循环只能在深部进行[19]，因而形成一个相对隔水边界，将韩铜水文地质单元分割为韩城单元和合耀单元2个相对独立的二级水文地质单元。
合耀水文地质单元西北界大致在口镇—爷台山、武王山一线；南部边界则是由一组断裂构成，主要为鲁桥—双泉—龙阳大断裂；北部边界是一组构造坳陷带形成的隔水边界，包括下高埝—黄堡—高阳断裂(F12)、萧家堡—杜康沟逆断裂(F3)、合阳—秦家河逆断裂、清水河断裂(F5)；北与东北以黄河为界，如图2所示。
图2 合耀水文地质单元边界示意
Fig.2 Boundary of Heyao hydrogeological unit
2.3 补径排条件
区内岩溶地下水的补给项主要为大气降水和地表水。大气降水主要在渭北煤田中西部富平县、白水县及蒲城县一带的灰岩裸露区通过岩溶裂隙补给岩溶地下水。由于煤系地层的阻隔，深埋的隐伏岩溶很难得到上部含水层及大气降水的渗漏补给。当河流经过碳酸盐裸露区时，地表水很容易通过裂隙入渗补给地下水。一般来说，出露段长度越长，流量越大，岩溶越发育，补给量越大。如白水河在灰岩裸露区渗漏量达总流量的90%以上。另据记载[20]，桃曲坡水库曾在历史上发生过严重的渗漏事故，使附近地区的岩溶地下水位抬升了近5.5 m，说明基底为奥灰岩时水库也是岩溶地下水的补给源。
由于渭北煤田内构造运动十分活跃，造成地质构造的空间格局变化多样，构造裂隙为岩溶水的储存和运移提供了有效的空间和通道，纵横交错的构造网对岩溶地下水径流方向起着决定性的作用。本区一、二级断裂的方向大多呈NE、NEE向，因此总体上岩溶地下水的径流方向为由西向东运动。而数量众多的次级构造又会沟通一、二级控水断裂，从而形成裂隙网络，使岩溶地下水又沿着次级构造向西南径流。在地形和构造的联合作用下，岩溶地下水以水平运动为主，垂向运动次之。
岩溶地下水一般在地形低(低于+380 m)、裂隙发育的区域排泄。王兴等[17]认为在洛河和黄河之间存在岩溶水分水岭，而陈昌彦等[19]认为洛河是渭北岩溶地下水的浅循环的局部排泄区，大部分排泄主要发生在党睦—双泉断裂附近，黄河滩地区瀵泉群是其主要排泄区。随着区内社会经济发展，工农业发展对优质水源的需求越来越多，区内岩溶水开采量巨大，对区内岩溶水动态起着决定性作用。2013年渭南市共有岩溶水井204口，开采量约20×104 m3/d[20]。
2.4 地下水动态特征
1986—1989年，澄合矿区共施工了15个地面水文观测孔。由于年久失修，目前仅剩6个观测井可供施测。通过资料整理，6个观测孔岩溶水位的变化趋势基本一致。以水5孔为例(图3)，区内岩溶地下水整体上呈下降趋势，近30年间水位下降了18.5 m左右，下降速率为0.64 m/a。岩溶水动态经历了3个阶段:第1阶段急剧下降(1989—2002年)，水5孔在此期间内下降了11.0 m，下降速率为0.79 m/a；第2阶段缓慢下降(2002—2009年)，水5孔在此期间内下降了1.88 m，下降速率为0.24 m/a；第3阶段( 2010年以后)震荡下降期，水5孔在此期间水位下降5.58 m，下降速率为0.8 m/a。目前奥灰水位+365 m左右。研究认为，渭北岩溶水位持续下降与人工抽采密切相关，目前，合耀水文地质单元岩溶水开采量约200×104 m3/a。
图3 岩溶水动态历时曲线
Fig.3 Dynamic curve of karst groundwater table
岩溶地下水位年内变化如图4所示，地下水位在每年5—9月份持续下降直至最低值，这与枯水期降雨量的减少、同时期夏季灌溉与夏季生活用水增多有关；10—12月份地下水位又逐渐回升，这是雨季(7—9月)大气降水入渗补给的结果，可以看出，雨季和地下水位最高值之间存在2～3个月的滞后期。
图4 岩溶地下水位年内变化
Fig.4 Annual changes of karst groundwater level
3 奥灰水与煤层的关系
3.1 煤水空间结构
从地形剖面[18]上来看，澄合矿区内奥陶系石灰岩顶面至10号煤层底板为太原组K1地层，岩性由泥岩、砂质泥岩、铝质泥岩及不稳定11号煤层组成，厚度10.0～14.9 m，平均12.7 m。10号煤层距奥陶系石灰岩较近，水压大、有效隔水层厚度薄时，岩溶水是10号煤层的直接充水含水层。10号煤层与5号煤层之间为太原组K3至K2含水层的地层，由石英砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩组成，夹有6、7、8号不稳定煤层，平均厚度14.5～24.7 m，平均19.2 m。5号煤层顶板为山西组砂岩含水层K4至上石盒子组粗砂岩含水层K5之间的地层，由粉砂岩、砂质泥岩、细-粗砂岩构成，夹K*和K中含水层。因此，二叠统K4、K*和K中一般构成主采煤层为5号煤层的顶板充水含水层，K3、K2位于5号煤层底板以下，为底板充水含水层。
K3为下二叠统山西组砂岩含水层，K2为石炭系太原组薄层砂灰岩含水层。根据实际揭露资料显示，K2含水层在东区大部分为灰岩，在西区则为混合性含水层。由于K3和K2含水层两者之间未发育有效隔水层，因此这两者在一定程度上应视为同一含水层。多个生产矿井曾出现揭露K3但K2含水层水涌出的现象，证实了两者之间存在密切的水力联系。
3.2 底板破坏深度
1986—1989年，华北型煤田奥灰岩溶水综合防治工业性试验过程中在澄合二矿进行了底板破坏深度综合观测试验[22]，其结果显示在正常地段底板破坏深度为9～12 m，在构造带内地层在采动压力影响下破坏深度约为正常地层的2倍。目前主要采用长壁式综采方式，工作面尺寸随之增加，开采方法和顶板管理方式也进行了革新，底板破坏深度也有所增加。根据实测，当工作面采宽为60 m时，5号煤层底板破坏深度为10 m；当采宽为120 m时，底板破坏深度为11.8 m；当采宽为180 m，底板破坏深度达14～15 m。可见，当开采条件发生变化时，底板破坏深度也随之发生改变，尤其是遭遇构造影响时，底板破坏深度会更大。
3.3 含水层对煤层开采的影响
矿井开采5号煤层，受采掘破坏或影响的含水层为顶板上覆K中、K*、K4砂岩裂隙含水层。根据经验公式计算其顶板冒裂带最大达70 m，向上波及到K中含水层之上，这3个含水层为开采5号煤层主要顶部充水含水层，单位涌水量为0.0048 1～0.109 0 L/(s·m)，补给条件一般，以静储量为主，煤层回采扰动后初期涌水量会较大，后期则逐渐减小。如，董家河煤矿建井过程中先后揭露了K5、K中和K4等含水层，期初涌水量 80～100 m3/h，后期逐渐减弱至无水。
底板水害主要是为太原组K2含水层和奥灰顶部的峰峰组二段灰岩含水层(O2f2)。K2灰岩含水层上距5号煤层底板一般7～10 m，下距奥陶系灰岩顶面10 m，其水位与奥灰水位接近，富水性弱～中等。K2含水层基本处于5号煤层底板破坏深度范围内，一般情况下K2含水层以静储量为主，在无奥灰水补给情况下对5号煤层开采威胁较小。但当开采中遇到垂向导水构造或者断层裂隙时，岩溶水很容易与K2含水层产生水力联系，增加其富水性，对5号煤层开采威胁严重。
4 保水采煤研究进展
渭北岩溶水排泄区主要位于渭北煤田东部，岩溶水以泉群形式出露地表后形成大片水体及湿地，促进了使当地生态系统趋于平衡和稳定[23]。另一方面，渭北岩溶水还是渭北黄土塬区工农业生产的优质水源，因此将渭北岩溶水列为保水采煤目标含水层，要求渭北煤田开采应采用合理的工程措施实现绿色开采，以确保岩溶水水位稳定。实际上，渭北煤田岩溶水水位保护与矿井水害防治相辅相成，自成一体。通过一系列工程措施和管理措施消除奥灰岩溶水对井下开采的影响，同时也就实现了岩溶水资源保护的目的。通过近20年努力，渭北煤田在保水采煤领域成绩显著。
4.1 查明了澄合矿区底板突水机理
据澄合矿区统计资料，东西区内主采5号煤层与奥灰间的间距不同，西区一般为20～35 m，东区距离相对较大，一般为35～55 m。而底板破坏深度可达10～15 m，因此5号煤层与奥灰顶部的峰峰组二段灰岩含水层之间还有一定厚度的有效隔水层。但是K2含水层在5煤底板破坏深度范围内，在遭遇构造、陷落柱时K2会与峰峰组二段灰岩含水层之间产生水力联系，为岩溶突水提供通道。因此，澄合矿区底板突水机理可以概括为2种类型：①底板有效隔水层较厚，但岩体完整性差或存在导水构造(断层)，水压破坏与采动底板破坏区相互导通，产生突水，如图5a所示；②有效隔水层相对较薄，高承压水头产生的破坏区与采动底板破坏区相连，发生突水，如图5b所示。
图5 底板突水机理示意
Fig.5 Schematic diagram of floor water inrush mechanism
4.2 形成了注浆改造保水采煤技术体系
在多年实践中，渭北煤田东部矿区逐渐提高了对底板突水机理的认识，从而形成了奥灰承压水体上实施水保水采煤技术方法，即将K2及以下隔水层全面进行注浆改造，使注浆终孔层位距离煤层底板垂距25～30 m。按照突水系数0.06 MPa/m计算，可以承受1.5 MPa以上的水头压力，能够实现保水采煤。由此形成了“监测预报,超前探测，探治结合，综合防治”[24]四位一体保水采煤技术体系。该技术建立在地质水文地质调查基础上，对区域地质情况、突水条件、水害类型、破坏深度等进行分析预测，根据预测结果，预先采用物探、钻探等多种探测手段进行综合探查，圈定水文地质异常区，进行超前治理，实施疏放或底板加固注浆等措施，实现保水采煤。该技术在澄合矿区董家河煤矿为进行了工程实践，不仅安全开采了5号煤层，而且保护了渭北地区岩溶水的统一水位标高，使区内各岩溶大泉流量稳定、黄河湿地生态安全得以保证[25]。
4.3 完善了地质条件综合探查方法
由于早期缺乏对奥灰水的认识，也没有对5号煤底板工程地质条件开展探测的方法，致使渭北煤田东部矿区底板突水事件频发，造成了人员伤亡和极大的经济损失。通过多次事故分析后，澄合矿区逐步形成了三位一体的地质条件综合勘探方法。即，采用三维地震勘探方法进行煤层及其底板构造勘探，再利用地面瞬变电磁方法探查煤层顶底板的含富水性，圈定富水区域，最后开展井下直流电法探测采煤工作面底板下50 m范围内潜在的含水、导水构造，对含水层富水性分布规律进行预测，为井下防治水提供科学依据。文献[25]采用该方法对董家河煤矿地质条件进行了探测，并依此开展了突水危险性预测。马雄德等[24]采用立体式地质探测方法圈定了董家河煤矿水害防治重点区域，为注浆改造隔水层提供了科学指导。乔建华等[26]通过地震勘探，解释了澄合矿区73条落差小于5 m的断层，经开采揭露，准确率较高。高阳[27]利用三维地震技术识别了澄合矿区王村煤矿致灾含水层。
4.4 研发了高效的注浆工艺与材料
2009年，根据生产需要，在董家河煤矿建成了永久地面注浆站。齐蓬勃等[28]详细介绍了董家河煤矿的成功经验，包括钻孔布置、浆液配比及注浆工艺等，并利用与煤、水和杂物有很好亲合性并的高分子材料作为注浆材料，注入后很快就可以达到设计强度。李晓龙[29]采用定向钻技术开展了渭北煤田东部主要井田注浆改造中，提高了注浆效果。李涛等[30]在单孔放水试验的基础上根据Q-S曲线的类型将注浆条件分为7大类，并为每一种类型的钻孔设计了注浆工艺。王苏健等[31]研发了以黄土为主要材料的注浆液，并指出采用奥灰水制备黄土浆液可显著提高浆液的属性，包括抗压性、黏度等。李涛等[32]指出采用浓缩的高矿化度奥灰水改性黄土浆液，使其具有更高的抗压强度和更小的渗透性，能显著降低浆液注入量。
注浆材料的主要原料一般为黏土和水泥，为了提高浆液的适用性，都要为浆液中加入一定量的添加剂。在绿色开采的大趋势下，添加剂的选用必须遵循不污染地下水这一条主线进行选择。
4.5 带压开采预测
在渭北煤田，岩溶水对煤层的影响主要取决于水头压力、煤层与奥陶灰岩的距离、底板破坏深度和构造等。如何根据钻孔揭露的信息预测煤层底板突水危险性一直是研究热点。卫兆祥等[33]采用压水试验、声波测试和钻孔窥视等方法确定了桑树坪煤矿采高3 m左右时底板破坏深度为14.75 m。傅宏科等[34]以水头压力、煤层与奥陶灰岩的距离和构造3个因素将渭北煤田划分为“突水危险性无、小、中等和较大”区。其中，澄合矿区和韩城矿区属于突水危险性较大区。马雄德等[24]采用突水系数法预测了澄合矿区董家河煤矿突水危险性，以突水危险系数0.06 MPa/m作为突水危险性判断阈值，预测结果与井下开采揭露情况一致。化革联[35]以富水性、断层规模、褶皱和有效隔水层厚度为指标，采用脆弱性指数法评价了韩城矿区11煤层底板突水危险性，以脆弱性指数作为分级依据，将韩城矿区突水危险性分为3个区。刘凯祥[36]采用突水系数法和AHP型脆弱性指数法分别评价了韩城矿区下峪口煤矿突水危险性，认为脆弱性指数法评价结果更精细。
4.6 建成了渭北煤田地下水监测网
2019年，陕西省地质环境监测总站主持开展了陕西省大型煤炭基地地下水监测网建设工程，渭北煤田奥灰顶部的峰峰组二段灰岩含水层(O2f2)被选定为目标含水层[37]。在渭北煤田东部的澄合矿区和韩城矿区共布置监测井14口，目前已建成10口。水位和水温通过自动化监测仪自动实时记录，水质通过人工定期采样实现监测。
泉作为地下水的自然露头，对全面把握地下水水动态特征十分重要，建议下一步将渭北岩溶地下水在洛河和黄河出露的岩溶泉群纳入监测范围，有利于分析岩溶地下水循环机理。
5 结 论
1)渭北煤田奥灰含水层厚度大、岩溶发育、富水性强，对煤层开采标高位于奥灰水位以下的区域普遍构成隐蔽致灾因素。其中，铜川矿区及蒲白矿区大部分区域开采标高大于岩溶水位，不受岩溶水的威胁。澄合矿区东部及韩城矿区5号煤层均处于岩溶水位之下，煤层开采受到岩溶水的严重威胁。
2)渭北煤田奥灰岩溶水的补径排条件严格受控于构造网络和地形。在裸露区接受大气降水和地表水补给后，历经复杂的自西向东、由南向北的径流，最后在洛河和黄河形成排泄。
3)渭北煤田奥灰岩溶水位整体上呈下降趋势，近30年内水位下降了18.5 m左右，下降速率为0.64 m/a。
4)澄合矿区5号煤层采厚3 m时，底板破坏深度一般14～15 m，这会导通底板以下的K2含水层。但K2富水性并不强，一般不会造成底板突水。
5)澄合矿区底板突水机理有2种类型：①底板有效隔水层较厚，断层切割K2与峰峰组二段灰岩含水层之间的铝质泥岩隔水层，水压破坏与采动底板破坏区相互导通，产生突水；②有效隔水层相对较薄，高承压水头产生的破坏区与采动底板破坏区相连，发生突水。
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