大恒煤礦開采對地下水疏干的影響

鄧強偉，張永波

（太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原030024）

煤礦開采對地下水產生的問題目前已經成為全球關注的重要環境問題之一［1］。山西省煤炭資源豐富，大小煤礦1 000多個，屬于水資源貧乏的地區，許多地方尤其是在煤炭集中開采的地區，生活用水得不到滿足，制約著國民經濟的發展。

隨著煤礦開采的加深，一方面，采區煤系含水層和上覆含水層會被直接疏干直至破壞，造成水資源的破壞，使區域地下水位降低，水量減少，同時激發了邊界補給量，襲奪了邊界排泄量，增加了河流補給量［2］，使地下水補徑排關系發生改變，形成新的地下水系統。另一方面，采煤活動誘發的地面塌陷、地裂縫，破壞了淺層地下水隔水層和儲水構造［3］，使地表水和淺層地下水順著導水構造流入礦井 ，最終以礦井水的形式排到地面，使地下水水位下降，造成泉域衰減甚至斷流［4］。

本文擬應用Visual Modflow建立水文地質概念模型和數學模型，以山西省朔州市平魯區大恒煤礦開采為例探討其對地下水水位和水量的影響。在對礦界周邊50km2的范圍內水井水位進行調查的基礎上，依據劃分的各采區開采時間，結合區域地下水埋藏深度與地層走向和調查范圍內各個時期水井水位埋深的監測，對大恒煤礦的開采進行建模并驗證模型的準確性。

1 煤礦概況及水文地質條件

龍礦大恒煤礦位于朔州市平魯區陶村鄉。井田南北長3.85km，東西寬3.27km，面積6.909 7 km2。批準開采的4，8，9，11號煤層均位于石炭系上統太原組，生產規模為1.80×106t／a，預計開采26.9a。

井田內大部分被黃土覆蓋，局部見基巖出露。井田發育地層由老到新分別為：奧陶系中統上馬家溝組（O2s）；石炭系中統本溪組（C2b）；石炭系上統太原組（C3t）；二疊系下統山西組（P1s）；二疊系下統下石盒子組（P1x）；二疊系上統上石盒子組（P2s）；上第三系上新統（N2）；第四系上更新統（Q3）。井田內主要含水層包括：（1）奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層。巖溶發育極不均勻，連通性中等，井田奧灰水位標高約為1 078.50～1 086.50m。（2）太原組、山西組砂巖裂隙含水層局部裂隙發育，具有一定含水條件。但由于砂巖含水層埋藏較深，其間又有泥質巖隔水層分布，不易接受上部含水層越流補給和大氣降水滲入補給，一般富水性較弱。（3）上、下石盒子組砂巖裂隙含水層。局部裂隙發育，具有一定的含水條件。僅溝內有少量基巖出露，受大氣降水的入滲補給量極為有限，所以該含水層一般富水性較弱。（4）上第三系、第四系孔隙含水層。上第三系在溝谷中出露較多，含水層主要為底礫巖，厚度不穩定，富水性弱。第四系上更新統井田內廣泛分布，其含水層補給條件不好，連續性差，富水性弱。

2 模型的建立和識別

2.1 水文地質概念模型

2.1.1 含水層結構概化 由導水裂隙帶高度［5］和保護層煤層厚度［6］計算結果可知煤炭開采后，導水裂隙帶均將會導通石炭系上統山西組和二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層。由于這些含水層均為弱含水層，因此將這些含水層概化為一個含水層，根據參數敏感性分析［7］，并取被導通含水層中最不利的水文地質參數代替這個含水層的各項參數，即用其中滲透系數最大值代替所有含水層的滲透系數。

2.1.2 模型邊界概化 根據該地區實測砂巖裂隙水水位等值線流向和大小，將上游距井田邊界最小距離約3.7km的1 120m水位等值線作為東北部邊界；下游距井田邊界最小距離約4.7km的1 030m水位等值線作為西南部邊界。這兩個邊界均處理為人為邊界，概化為二類流量邊界。模擬區以垂直于1 030～1 120m水位等值線的線段作為東南、西北部邊界。其中西北部距井田邊界最小距離約3.5km，東南部距井田邊界最小距離約3.4km。均處理為流量零通量邊界，概化為隔水邊界（圖1）。

2.1.3 含水層水力特征概化 評價區砂巖裂隙含水層地下水流從空間上看是以水平運動為主、垂向運動為輔，地下水流速矢量在x，y方向有分量，參數隨空間變化地下水系統的輸入輸出隨時間、空間變化。綜上所述，將評價區地下水運動假設為非均質各向同性二維非穩定流。

2.1.4 源匯項概化 根據模型概化結果可知，目標含水層上、下均概化為隔水層，源匯項主要為井田南部楊澗煤礦和高陽坡、圣佛崖兩個村莊的人工開采。現狀條件下，整合前各煤礦的開采使得地下水已經形成降落漏斗，不過由于開采技術及開采量的限制，降落漏斗形成范圍比較小，只局限于井田中部。

圖1 模擬區水文地質參數分區

根據上述概念模型，在不考慮水的密度變化條件下，孔隙介質中地下水的流動可用偏微分方程來表示。

式中：D——平面計算域；K——沿x，y坐標軸方向的滲透系數（m／d）；h——點（x，y）在t時刻水頭值（m）；h0——含水層的初始水頭（m）；μ＊——含水層貯水系數（l／m）；W——源匯項（m／d）；→n——邊界的外法線方向；Q——滲流區二類邊界上的單位寬度流量（m3／d）；Γ——第二類邊界。

2.2 邊界條件處理

模擬區西北、東南部邊界處理為隔水邊界，流量通量為零。模擬區東北、西南部邊界均概化為二類流量邊界，通過這兩條邊界的流量采用達西公式計算。

式中：Q——側向補給／排泄量（m3／d）；K——滲透系數（m／d），根據模擬區的水文地質參數，西南部邊界為0.025m／d，東北部邊界為0.037m／d；D——剖面寬度（m），西南部邊界長約11.0km，東北部邊界長約10.8km；M——含水層厚度（m），取243.86 m；I——垂直于剖面的水力坡度（%），根據模擬區裂隙水水位等值線，西南部邊界處水力坡度約為0.87%，東北部邊界處水力坡度約為1.13%。

經計算，通過西南部邊界的流量為583.44m3／d，東北部邊界的流量為744.02m3／d。

2.3 參數識別

選擇2011年11月25日至2012年9月28日為模型的識別階段，將水文地質調查得到的水文地質參數［8－9］、邊界條件、水頭初始條件作為模型調參的初始值，運行預報模型，將實測水位和計算水位進行擬合分析，如果計算水位與實測水位相差很大，則根據參數變化范圍和實際水位差值，重新給定一組參數，再迭代計算，直至二者擬合較好為止［10］。通過調參計算，實測水位和計算水位等值線擬合結果較好（表1），說明含水層概化、參數選擇符合實際。調參結果為：Ⅰ區滲透系數和貯水系數分別為0.04m／d和0.001 4；Ⅱ區分別為0.032m／d和0.001 1；Ⅲ區分別為0.021m／d和0.000 94，Ⅳ區分別為0.016m／d和0.000 88。

表1 觀測點地下水計算水位和實測水位

3 預測結果及分析

根據井田開拓布置，大恒煤礦開采4，8，9，11號煤層，分為上下兩個開采水平，從上往下開采，一、二水平服務年限均為14.4a。根據各開采水平服務年限，分別模擬預測開采14.4和28.8a之后地下水水位狀態。礦井正常涌水量為1 800m3／d。模擬時將這個涌水量平攤到全采區的面積上，以PUMP WELLS的形式排出。經過模擬，大恒煤礦一水平采區開采后，由評價區砂巖裂隙含水層水位等值線圖分析可知，全區開采14.4a后，以全區為中心的降水漏斗范圍擴大，漏斗中心的水位降深約為36m，往上、下游水位降深逐漸變小，至下游約為1.2km處，上游約為0.6km處，影響面積約為5.6km2。大恒煤礦二水平采區開采后，由評價區砂巖裂隙含水層水位等值線圖分析可知，全區開采28.8a后，以全區為中心的降水漏斗范圍擴大，漏斗中心的水位降深約為55m，往上、下游水位降深逐漸變小，至下游約為2.8km處，上游約為1.7km處，影響面積約為9.5km2。

4 結論

（1）以大恒煤礦為例，初步闡述了煤礦開采對地下水影響。由模擬結果可以看出，隨著煤礦的開采，在影響范圍內會逐漸形成以開采地區為中心的地下水降落漏斗，而且隨著煤礦開采范圍的加大與開采深度的加深，地下水降落漏斗范圍也會繼續擴大，降深繼續加深，最終疏干煤系地層含水層和上覆含水層，對地下水含水系統造成較大影響。

（2）為了減少采煤對地下水資源的破壞，需要研究出更合適的開采方案，以降低采煤對上覆隔水層和儲水構造的破壞，達到保護地下水資源的目的，為經濟建設的可持續發展做出貢獻。

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