基于地下水數值模型的保護礦區水源井禁采區界定

徐樹媛

(山西省煤炭地質勘查研究院，山西省太原市，030031)

★ 煤炭科技·地質與勘探 ★

基于地下水數值模型的保護礦區水源井禁采區界定

徐樹媛

(山西省煤炭地質勘查研究院，山西省太原市，030031)

亨元順煤礦開采必將對礦區內既有供水水源地構成影響，不僅使取水含水層結構破壞，而且礦井排水形成的地下水降落漏斗也將導致水源井水位降低、供水量明顯減少。為了確保煤礦開采情況下水源井供水不受影響，并盡可能地減少留設煤柱資源，應用Visual Modflow軟件建立了水文地質概念模型和數學模型，預測煤礦開采對供水水源井的影響，并根據數值模擬結果與礦井開拓部署，采用試算模擬的方法劃定了水源地禁采區范圍。

數值模擬 煤炭開采 水源井 太原組含水層 禁采區

在煤礦區內合理開發煤炭資源的同時對既有水源地實施保護，往往是影響煤礦開采布局的突出問題。亨元順煤礦位于山西省靈石縣境內，在其礦區范圍內有壇鎮鄉集中供水水源井，主要為鄉屬13個村莊4200人供水，取水含水層屬于煤系地層石炭系太原組含水層。亨元順煤礦主采煤層10#煤層位于水源井取水含水層之下，煤炭開采將破壞煤層上覆含水層結構，而生產過程中礦坑排水將會使該含水層地下水逐漸被疏干，從而影響水源井的集中供水。為了確保礦區內水源地供水不受影響，并盡可能減少煤炭資源的浪費，應用Visual Modflow軟件建立水文地質概念模型和數學模型，以定量預測煤炭開采對供水水源地的影響程度，并根據數值模擬的結果劃定保護水源地的煤炭禁采區范圍，以期為煤礦保護水源地而合理規劃開采布局提供參考依據。

1 礦井開采及水文地質概況

亨元順煤礦位于晉中市靈石縣城西南18 km處，井田總面積約19 km2，設計生產規模90萬t/a，礦井服務年限為10.7年，主要開采石炭系太原組4#、10#、11#煤層，開采標高為1074.94～819.94 m。4#煤層位于太原組頂部，煤層厚0～2.7 m，平均厚度為1.03 m，井田內大部被剝蝕，賦存區為井田西部和中北部，為賦存區穩定的大部可采煤層；10#煤層位于太原組下部，上距4#煤層58.10～76.55 m，煤層厚0～2.35 m，平均厚度為0.93 m，除井田東部溝谷處局部被剝蝕和中南部不可開采外，其余大部地區均可采，屬較穩定大部可采煤層；11#煤層位于太原組下部，上距10#煤層5.75～13.45 m，煤層厚0～1.25 m，平均厚度為0.47 m，井田范圍內大部不可采，可采地區為井田西部和中北部，為不穩定局部可采煤層。4#、10#、11#煤層均為薄煤層。為滿足礦井生產能力，礦井設計兩個工作面，根據開拓部署，10#、11#煤層劃分為一個主水平，采用聯合布置，標高為+890 m；4#煤層劃分為一個輔助水平，水平標高為+970 m；礦井主輔水平同時開采。

礦區內地下水含水層自下而上有奧陶系中統碳酸巖巖溶裂隙含水層、石炭系上統太原組碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層、二疊系下統山西組、下石盒子組碎屑巖裂隙含水層、基巖風化帶裂隙含水層以及第四系松散巖類孔隙含水層，其中具有供水作用的主要為奧陶系中統碳酸巖巖溶裂隙含水層、石炭系上統太原組碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層。在礦區西南部有壇鎮鄉集中供水水源井，井水主要取自80 m以下的石炭系太原組石灰巖地層中的巖溶裂隙水，靜水位埋深63.6 m，動水位埋深83.8 m，靜水位高出隔水頂板近15 m左右，為碎屑巖類裂隙和巖溶裂隙承壓型水源井。該含水層以上覆蓋地層進行了止水，以管井(機井)的方式采取地下水。服務對象為13個村莊，供水人口約4200人；日可采水量約400 m3，目前實際取水量為60 m3/d。目前該水源井以井孔為中心，半徑35 m的圓形區域為水源井一級保護區，未設立二級保護區。

2 煤礦開采對上覆含水層的影響分析

礦井主要開采石炭系4#、10#、11#煤層，煤層開采后所產生的頂板垮落帶及導水裂縫帶使得煤層與上覆含水層、地表水之間的隔水層遭到破壞，各含水層之間發生水力聯系，地下水轉化為礦井水，通過礦坑排水的方式排出。利用“三下”采煤規程中導水裂隙帶公式，計算開采4#、10#、11#煤層所產生的導水裂隙帶最大高度見表1，預測井下采煤對地下含水層所產生的破壞及影響。由于10#、11#煤層間距小于11#煤層冒落帶高度，按照規程，10#、11#煤層為近距離煤層；因此，11#煤層的導水裂隙帶最大高度采用10#、11#煤層的綜合開采厚度疊加計算。

表1 導水裂隙帶最大高度計算結果

由導水裂隙帶計算結果可知，4#煤層頂板冒落帶最大高度為10.7 m，導水裂隙帶最大高度為42.9 m，最大導通高度可達山西組砂巖裂隙含水層，煤層淺埋區可直達地表；10#、11#煤層采空后，頂板冒落帶最大高度為12.2 m，最大導水裂隙帶高度為48 m，向上最大破壞高度為60.2 m，可溝通4#煤層采空積水。

壇鎮鄉水源井取水層位為太原組K2～K4石灰巖地層中的巖溶裂隙水。4#煤層位于太原組頂部，高出太原組含水層靜水位26.5 m，煤層下距太原組主要含水層石灰巖組約41 m，其間巖性主要為泥巖、砂質泥巖、砂巖及1～2層不穩定薄煤層，隔水效果良好；根據水文地質現狀調查與井下開采資料，4#煤層開采活動對供水水源太原組石灰巖含水層影響不大。而10#、11#煤層位于太原組主要含水層K2～K4石灰巖組之下，煤層上覆K2、K3、K4含水層會被煤層頂板導水裂隙帶直接導通，各含水層中的地下水徑流將改變原有層間流動的方向，轉向沿導水裂隙向下部采空區快速徑流，使供水含水層處于疏干或半疏干狀態，喪失原有賦水功能，從而使水源井枯竭、報廢，因此，10#、11#煤層的開采對壇鎮鄉集中供水水源影響嚴重。

3 煤礦開采對上覆含水層影響數值模擬研究

礦區煤層開采后對上覆含水層的影響范圍及水位降深可用地下水數值模擬的方法來研究計算。

3.1 地下水概念模型

3.1.1 含水層結構概化

礦區內太原組4#、10#、11#煤層開采后形成導水裂隙帶可導通上部山西組碎屑巖裂隙含水層組。因此，本次模擬將山西組及太原組地層作為模擬的目標含水層。模擬區目標含水層所在巖層平均厚度約150 m，主要由中-細粒砂巖、砂質泥巖、泥巖、煤層及石灰巖組成。

目標含水層在模擬區東北部出露，出露區接受大氣降水及地表水體的滲入補給，其他區域目標含水層頂部主要由厚度不等的泥巖、砂質泥巖組成，阻隔了上下含水層間的垂向水力聯系，故將該區域目標含水層頂板以上概化為上部隔水層；目標含水層下部為石炭系中統本溪組泥質巖類隔水層組，厚度平均為23 m左右，巖性致密，隔水性能好；目標含水層底板概化為下部隔水層。

3.1.2 模型邊界概化

根據礦井水文地質特征以及實測碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層的流場分布，取模擬區東北部的太原組底部泥質巖類隔水層出露線作為東北部邊界，屬自然邊界；取流場上游 970 m 等水位線作為西南部邊界，這兩個邊界均處理為二類流量邊界。模擬區的西北部邊界及南部邊界均取垂直于實測等水位線的流線，屬流量零通量邊界，概化為隔水邊界，如圖1所示。

3.1.3 含水層水力特征概化

礦區碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層地下水系統符合質量守恒和能量守恒定律，目標含水層系統的結構及水動力學條件可概化為非均質各向同性二

維非穩定流。

3.1.4 源匯項概化

根據模型概化結果可知，模擬區目標含水層在東北部出露區接受大氣降水及地表水的入滲補給。排泄項主要為模擬區目標含水層內水井的人工開采，以及亨元順煤礦的礦井水排泄。

3.2 地下水數學模型

根據上述概念模型，不考慮水的密度變化，地下水的流動可用如下偏微分方程來表示。

式中：D——計算區范圍；

K——沿x，y坐標軸方向的滲透系數，m/d；

W——源匯項，m/d；

μ——含水層彈性釋水系數，L/m；

h——點(x，y)在t時刻水頭值，m；

h0——含水層的初始水頭，m；

Kn——邊界法線方向的滲透系數，m/d；

Γ2——第二類邊界；

q——滲流區二類邊界上的單位面積流量，m3/d。

3.3 模型識別

選擇適宜的時間段對模型進行識別，將模擬區的水文地質參數、水頭初始條件及邊界條件作為模型調參的初始值，運行預報模型，對目標含水層的實測水位與計算水位進行擬合分析，若二者相差較大，則根據參數變化范圍和實際水位差值，重新給定參數迭代計算，直至二者擬合較好。通過調參計算，實測水位和計算水位等值線擬合結果較好，含水層概化與參數選擇符合實際，見圖2。

3.4 模擬預測結果及評價

3.4.1 計算思路

根據井田開拓布置，亨元順煤礦開采4#、10#、11#煤層，其中4#、10#煤層大部可采，11#煤層局部可采，服務年限為10.7年。輔助水平只開采4#煤層，劃分為3個采區；主水平開采10#、11#煤層，劃分為4個采區；礦井主輔水平同時開采。礦井正常涌水量為2250 m3/d，模擬時將此涌水量平攤到整個采區面積上，利用Visual Modflow軟件中的RECHARGE(補給)模塊(抽水取負值)排泄出去，模擬時段為10.7年，預測礦井開采結束后，目標含水層的水位變化。

圖2 水位擬合圖

3.4.2 模擬結果分析

通過模擬計算，亨元順煤礦4#、10#、11#煤層開采10.7年后，模擬區目標含水層地下水水位等值線見圖3。

圖3 模擬礦井開采10.7年后含水層地下水流場圖

由圖3可以看出，煤層采空后，目標含水層地下水位形成以礦坑為中心的降落漏斗，漏斗中心的水位降深最大，約為26 m；往上、下游水位降深逐漸變小，影響面積約為45 km2。位于井田西南部的壇鎮鄉集中供水水源井水位降深約為20 m。

井田范圍內石炭系太原組碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層和部分二疊系碎屑巖裂隙含水層被疏干。在煤層露頭線附近區域及目標含水層淺埋區，目標含水層與第四系松散層直接接觸，煤層開采會進一步疏干第四系松散孔隙含水層；水源井取水含水層的水量及其補給來源均受到影響。

3.4.3 禁采區范圍界定

通過以上煤礦開采對上覆含水層的影響分析及地下水數值模擬結果，10#、11#煤層的開采對供水水源含水層破壞嚴重，且短時間內難以恢復，而這些含水層又是煤礦與居民生活所依賴的水源，因此為確保水源工程不受影響，并盡可能地減少留設煤炭資源量，需在建立地下水流數值模型的基礎上，對各采區的可采范圍進行界定，即劃定保護水源井之煤炭禁采區范圍。

10#、11#煤層間距平均為7.62 m，且11#煤層在井田內大部分不可采，可采區僅位于井田西部和中北部；10#、11#煤層為一個主水平，礦井巷道布置采用聯合布置；因此本次按照10#煤層設計采區對水源井禁采區范圍進行劃分。主水平10#煤層采區設計見圖4。

圖4 10#煤層采區設計圖

根據數值模擬結果與礦井開拓部署，主水平首采工作面位于1001采區北部，隨著采掘工作面不斷向西南部推進，勢必會影響到水源井。因此，為保證水源井取水含水層水位不受影響，本次1001采區采用北部首采區與西南部采區距離水源井由遠及近逐漸擴大可采范圍的方法對煤層開采造成的上覆含水層影響進行數值模擬；可采區范圍逐步擴大慢慢靠近供水水源井的過程為試算模擬過程；根據地下水流場分布，可采區范圍的擴大采用垂直于等水位線的方向慢慢擴大，如果可采區煤層開采對水源井水位造成影響，則縮小可采區范圍重新模擬計算，直至煤層開采形成的水位降深恰好未影響到水源井為止，此時1001采區可采范圍以外的區域即為保護供水水源井的禁采區。

經過反復模擬試算，1001采區北部可采區為距離水源井900 m平行于等水位線的直線與煤層可采邊界線、井田邊界所圈定的范圍；1001采區西南部可采區為距離水源井950 m平行于等水位線的直線與井田邊界所圈定的范圍。北部及西南部可采區開采結束后形成的地下水降落漏斗影響范圍恰好未到達供水水源井。

1001采區可采范圍內煤層開采后，水源井含水層水位未受到影響；繼而對1002采區可采范圍進行模擬計算，通過試算，1002全采區開采結束后，形成的降水漏斗對供水水源井沒有影響。礦井范圍內石灰巖巖溶裂隙含水層水位等值線見圖5。

圖5 1001可采區及1002全采區煤層開采后水位預測結果

綜合上述模擬結果，亨元順煤礦內供水水源井東北部900 m、西南部950 m以外的區域，煤層開采對水源井含水層沒有影響。壇鎮鄉供水水源井煤柱留設范圍，也就是亨元順煤礦10#煤層的禁采區范圍，即以水井為中心向東北900 m、向西南950 m的平行于等水位線的直線與煤層可采邊界線、井田邊界所圈定的范圍，如圖6所示。禁采區面積約為2.8 km2。

4 結語

亨元順煤礦的開采將對井田內所屬供水水源井取水含水層結構、水位產生嚴重影響。應用Visual Modflow軟件進行煤礦開采對水源井影響的數值模擬研究表明，煤礦開采后供水水源井的水位降深約為20 m，取水含水層水位、水量受到嚴重影響。依據數值模型進行模擬試算，劃定水源井禁采區面積約為2.8 km2。鑒于礦井水文地質條件的復雜性，模擬結果可能與實際存在一定偏差，建議結合煤礦開采規劃和井田水文地質條件合理確定禁采區范圍，在煤礦開采過程中做好水源井動態監測工作，及時調整開采布局。

圖6 10#煤層可采區與禁采區分布圖

[1]盧丹美.地下水數值模型和軟件的特點及在我國的應用現狀.中國水運(下半月)，2013 (1)

[2]李新旺，關天強，張紅升等. 望田煤礦開采對地下水影響的研究. 中國煤炭，2012 (1)

[3]劉勇.導水裂隙帶法在貴州小型煤礦開采沉陷預測中的應用. 中國煤炭，2011 (4)

[4]薛禹群. 中國地下水數值模擬的現狀與展望 . 高校地質學報，2010 (1)

[5]翟遠征,王金生，蘇小四等. 地下水數值模擬中的參數敏感性分析,人民黃河，2010 (12)

[6]段世委，許仙娥. 漳河岳城水庫及周邊煤礦禁采區范圍的確定. 人民長江，2013 (1)

[7]冀瑞君,彭蘇萍,范立民等. 神府礦區采煤對地下水循環的影響——以窟野河中下游流域為例. 煤炭學報,2015(4)

[8]陳松. 基于三維地質結構模型的宿南礦區地下水演化與識別.中國礦業大學,2014

[9]薛強,王惠蕓,劉建軍. 采煤礦區地下水脆弱性評價. 遼寧工程技術大學學報,2005(1)

(責任編輯 郭東芝)

The definition of ban area to protect water source in mining area basedon the groundwater numerical model

Xu Shuyuan

(Shanxi Coal Geology Investigation and Research Institute, Taiyuan, Shanxi 030031, China)

The coal mining will impact the water source in Heng Yuan Shun mining area, it not only causes the aquifer structure damage, but also the groundwater drawdown funnel which is formed by the mine drainage, which will cause the water level of the water source to be reduced and the water supply quantity decreased obviously. In order to ensure that the water supply is not affected, and reduce the coal pillar resources as much as possible, using Visual Modflow software established hydrogeological conceptual model and the mathematical model, forecasting the influence of water source well from coal mining, and atrial simulation method is adopted to delineate water source protection ban mining areas according to the numerical simulation results and mine deployment.

numerical simulation, coal mining, water wells, Taiyuan group aquifer, ban area

P641

A

徐樹媛(1981-)，女，安徽六安人，碩士研究生，高級工程師，主要從事水資源及水環境評價、水文地質勘查與研究工作。