测定采动覆含水层水文地质参数的变化在煤田,中国西北:方法使用潮汐水位响应地球

文摘

的决心改变水文地质属性(例如,渗透率和特定存储)含水层被矿业活动是重要的煤矿矿区地下水资源和生态环境保护。然而,这样的参数很难连续原位测量使用传统的水文地质方法,及其时间变化与煤矿有关不清楚。好地球潮汐水位的响应提供了一个独特的原位探测来确定水文地质参数及其变化。在这项研究中,潮汐响应的水位是用来描述变化的长壁开采引起的上覆岩层含水层的水文地质参数煤田,中国西北。基于长期的每小时记录水位数据,两个分析模型被用来确定渗透率的时态变化和上覆岩层含水层的特定存储。结果表明,改变了长壁工作面推进水文地质参数。长壁工作面靠近井时,含水层渗透性增加几美元到几十次,和响应距离从80米到300米不等。前的特定存储减少工作面达到井和煤面通过后恢复。这项研究的结果表明,煤炭开采引起的水文地质参数的变化相关的位置相对于工作面和上覆岩层含水层中的应力分布。本研究揭示了渗透率的变化和特定的存储与矿业相关干扰可以定量评估有重要意义对上覆岩层含水层开采的影响。

1。介绍

地下煤炭开采可能会改变的结构和属性上覆岩层含水层由于围岩压力变化和导致变形导致地面沉降或沉降。轻微改变岩体的应力、应变的变化可以反映在孔隙压力或通过渗流水位或静水压力的转移(1]。此外,高强度地下水抽水、排水以及强大的采矿振动在开采过程中可能引起的阻塞或清理毛孔裂缝/骨折含水层和合成水文地质属性变更。因此,水文地质参数(例如,渗透率和特定存储)可以作为一个指标的变形含水层与采矿活动有关。

在长壁开采覆含水层中地下水流动是由冒顶和地面沉降之间的复杂的相互作用,孔隙压力和渗透率变化和影响原位地质和水文地质条件2]。在长壁开采上覆含水层的参数变化已被许多研究人员研究。在采矿过程中,岩石破裂在长壁工作面可能增加含水层渗透性(3,4]。开采后,渗透率在骨折区可能减少由于压力恢复和裂缝闭合(5,6]。含水层渗透性和特定的存储可以是不同的两个或三个数量级由于采矿7]。然而,时间变化的水文地质特性仍不能很好地描述和理解,因为很难评价含水层参数的连续变异由于缺少相应的方法。一般来说,数值模拟(4,8,9和实验室和现场实验10- - - - - -12)是用来评估的参数变化在开采上覆含水层。然而,数值模拟通常需要大量的观察和实验数据,需要简化边界条件和地层结构,这可能会导致结果的不确定性。实验室和现场实验,例如抽水试验,是昂贵的,耗时的,不适合长期连续观测。因此,我们需要一个原位,方便,廉价的方法来获得连续的水文地质参数在采矿活动。方法基于的潮汐响应水位等需求提供一个合理的方式。

well-aquifer系统的理论发展响应地球潮汐加载自1960年代以来已经被很好地记录下来了(13- - - - - -16]。它已经知道在well-confined含水层水位可以是一个很好的测量地壳固体潮汐应变的17]。井的水位波动的反应压力水头变化引起的膨胀的含水层地球潮汐荷载作用下14]。因为时间需要的水流入或流出,之间存在着相移的潮汐扩张含水层的水位响应。的振幅和相移潮汐水位地球是含水层透射率的功能,存储系数、谐波干扰的周期(18,19]。因此,潮汐响应以及水位可用于确定含水层参数,如渗透率和特定的存储。理论的基础上,两个著名的古典模型、垂直流模型和水平流模型,提出了(18,19]。这种方法提供了一种方法来确定现场水文地质参数和使用在某些研究领域如含水层变形引起的地震(20.- - - - - -23]。然而,只有少数研究调查连续采矿扰动下的应变变化和裂缝发展使用的潮汐响应水位,这可能是不同于地震导致的变化,主要是由瞬态压力造成的。时间的变化与煤矿有关的水文地质参数仍不清楚。

研究含水层的水文地质参数的变化被采矿活动,我们观察到的潮汐响应水位在Ningtiaota煤田三口井,中国西北。光谱和潮汐分析应用于识别和提取潮汐组件的水位。渗透率和特定的存储是由两个模型估计(垂直流模型和水平流模型)。渗透率的变化特点和特定的存储与工作面推进的过程也被调查。

2。研究区域

Ningtiaota煤田位于陕西省北部,西北中国(图1)。区域地层普遍表现为单斜层轻轻倾向于西北,倾角约1度。从上到下的地层序列是第四纪全新世冲积层(Q₄^艾尔)、风成砂(Q₄^终点),上更新世Salawusu集团(Q₃,中更新世离石集团(Q₂l),新第三纪上新世宝德集团(N₂b),中侏罗世Zhiluo集团(J₂z),延安组(J₂y)(表1)。到目前为止,根据地质调查,矿山建设和生产,没有错误或折叠这个地区被发现。

煤层位于顶部的第四节延安组和含煤序列延长大约水平。出土的覆层的厚度煤层从2米到247米不等。含水层是分类根据岩心测井和抽水试验。根据岩性、第四纪地层问₃年代,问₄^终点,问₄^艾尔包括细粒度的砂、砂土、砂质粘土,被视为非承压含水层。离石组(Q₂l)和宝德集团(N₂b)为特征的砂土和粘土,这被认为是一个弱透水层。的直接覆含水层含序列是侏罗纪Zhiluo集团(J₂z)破碎含水层,发达的风化medium-coarse-grained含砾石砂岩。地下隧道的水源被发现在煤矿主要从这个含水层。相比之下,延安组(J₂y),一个更强烈的风化过程发生在Zhiluo组(J₂z)。虽然在岩性相似,他们在结构有很大的不同。我们也可以获得相同的含水层抽水试验的分类。如表所示1含水层参数的值,延安组(J₂y)要小得多比Zhiluo集团(J₂z)。此外,有弱液压第四纪和侏罗系含水层之间的联系(24]。

S1229煤炭大约4公里长,260米宽,开采高度约5.7米。S1229煤炭面临位于中间的煤田,和几个煤炭面临在北方已经被挖掘。S1229工作面开挖开始向西方向(图2015年9月2(一个)2017年9月)和结束。在此期间,总在地下隧道涌水量观察(图2 (b))。

3所示。观察

三个井(J7 J10和J14)用于监测水位从一开始的矿业S1229工作面通过2017年9月2015年9月。J7位于S1229煤炭的正上方的脸。J10大约有122米远的南边S1229煤炭的脸。J14选为比较好,因为它是远离S1229工作面采矿活动影响最小。信息结构如图3和详细的表2。所有的井与压力传感器检测(levelogger)测量水柱的高度传感器的采样频率一小时以上。压力传感器的精度±0.05%满量程的传感器100英尺范围和分辨率的24位相同的规模。评估气压的影响,压力传感器(barologger)也成立于J7里面的空气好。此外,降雨量数据从气象站获得我们安装在矿区。图4显示水位的观测和气压在S1229工作面开挖和降水数据。传感器在J7了大约一个星期2017年4月,所以没有记录水位数据在此期间。否则,所有的数据是连续的。

如图4以来,J7下降的水位逐渐开始采矿。从采矿到2017年6月,J7 4 m逐渐下降的水位;此时,长壁开挖区是远离J7约300。2017年3月,J7水位出现两个异常波动。从2017年6月的水位迅速下降;水位下降42 m当矿业到达J7下的位置在八月中旬。由于水位的快速下降,传感器暴露在空气中,未能在8月16日记录数据。两天后,水位稳步上升,然后,一个瞬时下降是观察到的8月25日。不幸的是,后15天S1229工作面通过J7,钻孔毁损和随后的水位数据失踪了。

水位变化是不同的J10相比J7。一个明显的区别是,水位在J10开始迅速下降,当长壁开挖区是大约200在2017年2月,然后,水位继续下降,直到S1229工作面开挖结束。

J7水位和J10大大不同,虽然没有明显的J14水位的变化。除此之外,没有明显的水位变化和降雨。结合图2与图4,很明显,J7水位急剧变化和J10 S1229煤炭的开采相关的脸。

4所示。方法

煤炭矿区含水层参数的变化干扰的主要结果地质采矿活动造成的媒体和矿井排水。这种变化可以直接反映在水位。根据水位的连续时间序列,我们提取的固体潮汐组件由潮汐水位分析,然后,我们利用两个分析模型计算含水层参数。

4.1。光谱和潮汐分析

首先,我们进行了光谱分析来识别潮汐组件基于水位数据在三个井和当地的气压数据,在0.8到2.2周期/天的带通滤波器用于消除长期趋势的水位数据和高频噪音。尽管会有几十个潮汐成分,可以分析,光谱的主线的潮汐可能是由于O1, K1, M2、S2,潮汐和N2 (18]。N2成分被忽视由于其小的振幅。因此,我们使用四个潮汐成分、O1, K1, M2、S2,在频域分析。程序Baytap 08年是用来测量相位和振幅响应每个潮汐的水位组成和相应的错误。我们还设置当地气压辅助系列消除水位气压的影响。研究网站远离海洋,海洋潮汐是忽略。

4.2。分析模型

图5显示了一个理想化的承压含水层中。我们假设含水层二维各向同性,均匀,横向广泛。水位( )在应对压力水头波动( )变化引起的潮汐力下的含水层的扩张。振幅和相位滞后的水位是套管的内半径的函数( ),半径的筛选部分( ),含水层透射率和存储系数(18,19]。两个分析模型确定的功能关系,即。,horizontal flow model and vertical flow model, were developed and have been widely used [18,19]。我们使用一个水平流模型,井径向流,确定含水层参数(18]。然而,观察到的相移J10和J14是正的,这可能是由于泄漏水位(19),不能由水平流模型描述。因此,我们需要一个垂直流模型应用于J10和J14。因此,我们使用一个水平流模型计算水文地质参数J7和使用一个垂直流模型来计算其他井的水文地质参数。

4.2.1。准备水平流模型

如前所述,well-confined含水层,振幅和相位滞后的水位是含水层的透射率和存储的函数系数(18]。因此,我们可以计算渗透率和特定存储根据相移和振幅响应。分析基于谢长廷等人提出的解析解。18];振幅响应和相移可以表示成 在哪里

振幅响应是水位振荡振幅之间的比例和地球潮汐的膨胀压力,和相移是水位振荡的时滞相关的实施扩张的压力。水位波动的复振幅,是压头的复振幅波动。透射率(m²/秒),是特定的存储(1 / m)是存储系数,和是零级开尔文函数的实部和虚部,好(m)的半径,套管的内半径(米),然后呢是潮流的频率(rad / s)。

4.2.2。垂直流模型

水头梯度是垂直时,也可以模拟水位潮汐响应周期加载应用于半无限和有限层的表面(19,25]。地下水位的边界条件是干涸,无限的深度,它的边界是不排水26]。孔隙压力与表面负荷,和它的大小是振幅响应 。王(25)提出了一个分析的解决方案在这个条件下水位潮汐响应。振幅响应是由 在哪里

的相移是由 在哪里孔隙压力的振幅,从地下水位深度,是水力扩散系数等于透射率的部门吗和存储系数 。

得到的值和另外,我们使用一个简化的方法来确定特定的存储(17]。可以被定义为特定的存储 潮汐膨胀应变和水位的关系可以表现为 在哪里ρ是流体密度(公斤/米³),是重力加速度(m / s²),的孔隙含水层,是岩石的压缩性(MPa¹),是液体的压缩性(MPa¹),是含水层膨胀应变(体积应变)。结合方程(10)和(11),可以显示为

如果气压效应从潮汐分析,含水层的膨胀压力等于潮汐膨胀应变 。因此,方程(12)可以写成

因此,存储系数可以根据方程(6)和(13),以及相应的透射率可以通过计算

5。结果

5.1。光谱的水位

光谱分析的结果在图所示6。可以看出,潮汐的选民在O1, K1, S2,和M2的井是清晰的,这表明一个好的应对潮汐荷载。气压的光谱,但只显示两个明确的成分K1和S2,这意味着K1和S2选民在水位大大受到气压的影响。所有井的O1选民也小于平方米。因此,我们关注潮汐响应频率的平方米,拥有相对较大的信噪比,它是由气压载荷的影响较小。

5.2。潮汐响应和水文地质参数

图7清楚地表明,没有明显的相位和振幅的变化反应好水位在J14好;然而,相位和振幅响应J7当长壁开挖区J10明显变化相互接触的好。的相移J7期间首先降低,然后增加采矿。从采矿到2017年6月,相移的J7逐渐下降(25°)。J7开始增加煤炭的相移的脸靠近,最终破坏了煤炭在钻孔,增量是42°。J10增加了40°的相移在长壁工作面走向钻孔时,对两个月后康复。此外,相移的J7 2017年3月14度下降和恢复一个月后。我们推断相移的突然下降可能与两个意想不到的水位下降J7如前所述。当时,面对工作仍然是远离J7约1400米。尽管振幅变化与相移的变化(相对不敏感20.),振幅响应J7 J10显示了一个相对良好的协议与相移变化(图7 (b))。

基于测量的相位和振幅响应,我们使用两个模型来计算透射率( )和存储系数( );透射率之间的关系( )和渗透率( )是 在哪里渗透率(m²),动态粘度(Pa·s),密度(公斤/米³),是重力加速度(m / s²),含水层厚度(m),存储系数( )可以通过方程(6)。计算渗透率周围的形成和存储系数这三个井如图8。J7和J10井的渗透率表现出类似的趋势转变的阶段。当长壁开挖区靠近水井,J7和J10渗透率增加了几美元到几十次。

6。讨论

6.1。在开采含水层水文地质参数的变化

图9显示了水位变化、渗透性和特定存储J7和J10工作面位置的函数对钻孔的位置。J7的渗透性和J10拒绝逐渐起初是类似于水位的变化。2017年3月,渗透率的变化和特定存储J7这两个异常相关的水位波动如前所述。早期的含水层水文地质参数的变化可能与缓慢降压和脱水27]。值得注意的是,在此期间,参数的值比J7 J10相对变量。这可能是由于强烈的歼10的气压效应(图6)。

水位变化迅速,J7开始变化的渗透和特定存储大大工作面时大约300远离J7好,最终破坏了。在此期间,渗透性增加的价值 米²来 米²(图9(一)),特定的存储的价值降低 米¹来 米¹。的变化值J10 J7相似。一个明显的增加,渗透率被观察到 米²来 米²约80工作面时远离J10(图9(c))。约300工作面时远离歼10,的具体存储J10开始下降,直到工作面最终削弱了,随后恢复到前一个值。

这些结果可以解释的渗透率是控制采动压力(8,11]。前面的拉应力工作面临可能创造新的骨折,这可能增加在水井含水层的渗透性。随着工作面推进的,拉应力转换为压应力后,工作面破坏了好(28,29日]。在这种情况下,在水井含水层的渗透性将减少由于压缩和裂缝闭合形成。

特定的存储的减少是由于引起的孔隙水压力和孔隙度的降低排水和蓄水层压缩。值得一提的是,的具体存储J10 postclosure时期恢复到之前的水平。增加的具体存储J10工作面过后可能被含水层反弹(30.]。

6.2。水位变化与开采有关

从一开始开采,水位J7 J10相对稳定或逐渐减少,这可以归因于缓慢降压和脱水其他矿业面临着其他地方的煤田。水位快速下降时发生的长壁开挖区靠近J7 J10井,和J7水位的下降显著快于J10。J7锋利的水位下降和J10可能由于脱水通过创造的新裂缝压裂和膨胀接头(31日]。

结合水位和含水层水文地质参数的变化,周围的含水层变形J7和J10井开采期间可能有弹性。深层承压含水层的水头复苏可能不是相关充电(32],J7水位的复苏可能与水形成期间发布的部分关闭骨折压缩(30.,32]。有趣的是要注意,没有观察到复苏的水位在歼10的水文地质参数J10恢复到先前的水平后,工作面通过如前所述。因此,可以推断,在歼10水位的持续下降可能是由于连续泄漏周围含水层歼10和其他连接地下蓄水层。

6.3。不确定性和未来的角度

有一些不确定性的估计结果。由于缺乏现场监测应变数据,我们只能确定含水层参数的基础上,理论固体潮汐,这可能会导致错误的估计。在水位的急剧变化,计算相位和幅值的标准偏差相对较大,从而导致相应的不确定性估计渗透率和特定的存储。此外,我们无法做出一个完整的评价含水层参数的变化J7井由于失踪的随后的复苏的水位数据。然而,这项研究表明,含水层参数变化下煤矿的主要特征和证明的潮汐影响水位可以有效地用于研究这些变化。值得注意的是,采动覆含水层水文地质参数的变化可能与煤矿特有的结构和操作。预计将在未来进行更多的研究来改善参数估计的准确性,进一步了解含水层结构和性能的变化和水文循环由采矿引起的。

7所示。结论

在本文中,我们使用好水位的潮汐响应的方法探索上覆岩层含水层的水文地质参数的变化在矿区。基于长期的水位监测数据,分析两个模型被用来确定水文地质参数的时间变化在采矿扰动。可以得出的主要结论如下:(1)含水层的渗透性增加几美元到几十次当长壁开挖区靠近监测井;含水层变形采矿的响应距离可达300米(2)在采矿、井的水位下降可能是由于脱水通过新断裂由采矿;水位和水文地质参数后可以恢复工作面临着过去了,可能由于蓄水层的回弹效应(3)水位和水文地质参数的变化在不同的监测站点(井)表现出不同的特征,这可能与油井和含水层结构以及监测井的位置相对于煤炭的脸

这项研究的结果可以增强我们的理解上覆岩层含水层水文地质参数的变化,可能会对地下水保护和挖掘煤矿矿区的安全。

数据可用性

本文的数据支持结果都包含在这篇文章中,可以获得相应的作者(wanggc@pku.edu.cn)要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(41272269)。我们感谢王先生Ziguan梁郭博士和有价值的讨论和协助现场取样。

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