毛烏素沙漠南緣煤礦開采涌水及其對淺層地下水影響的預(yù)測分析

康 寧，武 強(qiáng)，曾一凡，宋壽鵬

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083;2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心,北京 100083;3.南通大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南通 226300)

中國是世界上原煤產(chǎn)量大、煤礦水害重的國家之一，礦井突水事故的發(fā)生頻次與強(qiáng)度長期居高難下,對礦業(yè)人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅,造成的經(jīng)濟(jì)損失也十分巨大[1-2];同時(shí),礦井涌突水對礦區(qū)的水資源與水環(huán)境也造成了很大的破壞[3-9]。毛烏素沙漠南緣為沙生植被-水-煤的共存區(qū),煤礦開采的頂板冒裂可能導(dǎo)致淺層地下水的大量漏失,引發(fā)淺層地下水水位下降、泉水?dāng)嗔?、地表徑流減少等一系列水環(huán)境問題,進(jìn)而影響沙漠植被的生長，造成生態(tài)環(huán)境問題。煤礦突水災(zāi)害威脅著礦井安全生產(chǎn),礦井涌突水的水資源和水環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。因此，加大礦井涌突水的預(yù)測與預(yù)防及其環(huán)境影響研究十分必要。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

1.1 淺層地下水系統(tǒng)

榆溪河流域地處毛烏素沙漠南緣與陜北黃土高原北緣的銜接部位,屬于煤炭資源富集、生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)。流域總地勢西北高、東南低,地貌上分為西北部的沙漠灘地區(qū)、東南部的黃土丘陵溝壑區(qū)以及中部的榆溪河河谷區(qū)(見圖1)。榆林市多年平均降水量373.5 mm,多年平均蒸發(fā)量1 932.8 mm。榆溪河流域總面積4 938 km2,榆林站常年流量11.75 m3/s。

榆溪河流域西北部的沙漠灘地區(qū)廣泛分布第四系沖湖積砂層,沙漠灘地區(qū)的北部分布有白堊系洛河組砂巖層。第四系砂層與白堊系砂巖層的厚度大、滲透性強(qiáng),是區(qū)內(nèi)淺層地下水賦存與運(yùn)移的重要場所和主要供水含水層;東南部的沙蓋黃土丘陵區(qū)主要為第四系風(fēng)積黃土較弱透水含水層,在溝谷兩側(cè)多分布有寬度較窄呈沿溝帶狀展布的燒變巖強(qiáng)透水含水層,燒變巖區(qū)可出露大泉,為重要供水水源;榆溪河河谷區(qū)沉積大厚度的沖積、沖湖積砂含水層,滲透性能強(qiáng),傍河開采可形成大中型水源地。在白堊系分布區(qū)之南、第四系松散層之下,不連續(xù)分布有新近系泥巖，相對隔水(極弱透水)巖層。白堊系和新近系或第四系地層下伏侏羅系延安組煤系砂泥巖層,煤系地層為大厚度弱富水和弱透水的巖層。

圖1 地貌與地下水水源分區(qū)及礦井分布圖Fig.1 Geomorphologic division, groundwater source division and the distribution of mine

榆溪河流域淺層地下水,主要來源于大氣降水和少量灌溉水的入滲補(bǔ)給,主要消耗于淺層地下水蒸發(fā)和溢出排泄及分散水井的開采。近年來，采煤區(qū)的礦井涌水已成為新的重要排泄途徑之一。榆溪河在沙漠灘地區(qū)為泉集河,流經(jīng)黃土丘陵區(qū)，大量匯集降水產(chǎn)生的洪水。依據(jù)淺層地下水賦存與運(yùn)移特征,結(jié)合榆溪河水文特征,將研究區(qū)劃分為小壕兔、馬合、芹河、金雞灘、牛家梁、頭道河則、水掌灣、色草灣、沙河、趙家灣等10個(gè)相對獨(dú)立的地下水源區(qū)(見圖1),淺層地下水資源總量為221×104m3/d(見表1)。

表1 水源區(qū)現(xiàn)狀地下水補(bǔ)排量與均衡分析表Tab.1 Current groundwater recharge, discharge and balance analysis in water source area

注：合計(jì)中含有⑤區(qū)與其他區(qū)的地下水徑流重復(fù)量6.21×104m3/d,研究區(qū)總量已扣除該重復(fù)量。

1.2 煤系地層與礦井涌水量

榆溪河流域陜西境內(nèi)規(guī)劃有29座礦井(見圖1， 表2)。 礦井主要開采3-1煤層, 煤層厚度3.5～11.5 m, 平均6.9 m;煤層上覆侏羅系砂泥巖厚度132～463 m, 平均181 m; 上部第四系松散層厚度35～139 m, 平均73 m。 目前， 除28#和29#礦井尚未采煤外,其他27座礦井已開采運(yùn)營,實(shí)測單座礦井涌水量(1.8～1 296)×104m3/a,平均142×104m3/a,27座礦井總涌水量為3 828×104m3/a(10.5×104m3/d)。

表2 榆溪河流域規(guī)劃29座礦井基本情況統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of the 29 mines in Yuxi River Basin

1.3 煤-水關(guān)系分析

毛烏素沙漠南緣淺層地下水，平面上呈現(xiàn)以泉集河為主線、流域分水嶺為邊界的地下水流動(dòng)系統(tǒng)(見圖1)；垂向上呈現(xiàn)從地表到地下的植被-水-煤共存區(qū),并共同構(gòu)成以地下水-地表水為紐帶的沙生植被-含水層-煤層三位一體的三維空間區(qū)域。在天然條件下,含水層與煤層各自有自身的賦存與變化特征,淺層地下水與煤層水的水力聯(lián)系極弱。但是，伴隨煤炭開采形成的采空區(qū)及其頂板冒裂與塌陷,將會(huì)不同程度地改變礦區(qū)地下水的循環(huán)條件,不僅會(huì)產(chǎn)生礦井涌突水,而且可能帶來上部淺層地下水含水層的破壞,導(dǎo)致淺層地下水溢流量減少，淺層地下水位下降,進(jìn)而抑制沙漠植被的生長，引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題。

煤-水賦存空間組合關(guān)系是影響礦區(qū)地下水循環(huán)與變化的主要因素之一,其組合關(guān)系大致可以分為3類:第一類,淺層地下水含水層大面積分布,與煤系地層之間無極弱透水的泥巖層相隔,主要分布在沙漠灘地區(qū)的西北部;第二類,淺層地下水含水層大面積分布,新近系泥巖層大面積分布或呈不連續(xù)片狀分布,含水層與煤系地層之間在新近系泥巖分布地區(qū)有極弱透水的泥巖層相隔,在缺失新近系泥巖分布的地區(qū)呈現(xiàn)“天窗”銜接,主要分布在沙漠灘地區(qū)的東南部和沙蓋黃土丘陵區(qū);第三類，淺層地下水呈條帶狀富集在燒變巖區(qū),直接構(gòu)成煤層上覆強(qiáng)含水層[10-15]。顯然,含水層與煤系地層之間有新近系泥巖相隔,采煤過程中將更有利于保護(hù)含水層地下水,但是只要冒裂帶或塌陷穿越到含水層,淺層地下水的漏失以及礦井大量涌水甚至突水就將不可避免地發(fā)生。

2 采煤對地下水影響的數(shù)值模擬預(yù)測

2.1 地下水三維流數(shù)學(xué)模型

模型區(qū)范圍覆蓋上述10個(gè)相對獨(dú)立的水源區(qū),面積約3 000 km2。模型區(qū)地下水總體由四周向河流匯流,其北東、南東、南西邊界為自然分水嶺,設(shè)置為隔水邊界;榆溪河出口的南側(cè)河谷段,設(shè)置為定水頭邊界;北西邊界存在地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給,設(shè)置為定流量邊界;模型區(qū)的頂面為淺層地下水面。榆溪河兩側(cè)支流排泄區(qū)內(nèi)的地下水,概化為地下水溢出邊界,榆溪河河谷區(qū)的河水與地下水關(guān)系密切,概化為河流邊界;模型區(qū)垂向上為由地面至開采煤層底板之間的地層,總厚度100～770 m,煤層底板為砂泥巖,概化為模擬區(qū)的隔水底板。模型區(qū)存在面狀大氣降水與灌溉水入滲、面狀地下水蒸發(fā)蒸騰、線狀地下水溢出與河水入滲、分散水井開采(概化為面狀排泄)以及礦井涌水(概化片狀地下水漏失—變流量邊界),模型區(qū)內(nèi)各層地下水之間存在越流水量交換。模型區(qū)的地下水三維流數(shù)學(xué)模型描述為:

式中:H為地下水位高程,m;K為滲透系數(shù),m/d;μ為給水度;Ss為彈性釋水率，1/m;ε為淺層地下水面垂向交換水量，m3/d·m2;h0為初始水位高程，m;h1為定水頭高程，m;q0為定(零)流量，m3/d·m2;q(t) 為變流量，m3/d·m2;Hr為河水位高程，m;A為河水淹沒面積，m;Kr為河床淤泥層垂向滲透系數(shù)，m/d;Mr為河床淤泥層厚度，m;Qr為地下水溢出量或河水入滲量，m3/d;n為邊界外法線方向;Γ1為Ⅰ類邊界;Γ2為Ⅱ類邊界;x,y,z為空間變量，m;t為時(shí)間變量，d;Ω為模型域。

2.2 地下水三維流數(shù)值模型

模型區(qū)采用500 m×500 m的網(wǎng)格剖分,垂向分為5層：第1層為第四系含水層,第2層為新近系紅土層或白堊系砂巖層或侏羅系砂泥巖層,第3層為導(dǎo)水裂隙帶之上的侏羅系原巖層,第4層為導(dǎo)水冒裂帶及兩側(cè)原巖層,第5層為采空區(qū)及原煤層。模型區(qū)剖分為204行、140列、5層共142 800個(gè)單元,其中有70 430個(gè)為活動(dòng)單元。

輸入地下水初始流場和各層面高程等值線及源匯項(xiàng)等數(shù)值,依據(jù)28個(gè)長觀孔和228個(gè)統(tǒng)測孔的地下水位數(shù)據(jù)以及27座礦井實(shí)測涌水量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型識(shí)別,計(jì)算地下水位、礦井涌水量與實(shí)測值的擬合效果良好(見圖2，3)。

模型識(shí)別獲得的水文地質(zhì)參數(shù)為:第四系含水層分17個(gè)參數(shù)區(qū),滲透系數(shù)(0.1～13)m/d,給水度0.05～0.10;白堊系含水層分3個(gè)參數(shù)區(qū),水平滲透系數(shù)(0.3～0.7)m/d,垂向滲透系數(shù)(0.15～0.35)m/d,彈性釋水率1×10-7m-1;新近系泥巖層的水平滲透系數(shù)3×10-5m/d,垂向滲透系數(shù)3×10-6m/d,彈性釋水率1×10-20m-1;侏羅系砂泥巖層的水平滲透系數(shù)3.2×10-2m/d,垂向滲透系數(shù)5×10-3m/d,彈性釋水率1×10-7m-1。

圖2 模型區(qū)地下水位擬合圖Fig.2 Groundwater level fitting at simulation area

圖3 模型區(qū)礦井涌水量擬合圖Fig.3 Water yield fitting at simulation area

2.3 地下水三維流數(shù)值模型預(yù)測與分析

按照礦區(qū)規(guī)劃,隨著煤炭開采，未來30年采空區(qū)面積將由現(xiàn)在的27 km2逐步擴(kuò)大到237 km2;依據(jù)煤層厚度結(jié)合采煤方式計(jì)算礦井冒裂帶高度,將采空區(qū)范圍及冒裂帶頂界面高程數(shù)值代入構(gòu)建的地下水流數(shù)值模型,預(yù)測29座煤礦開采30年末的礦井涌水量見表3，淺層地下水流場與降深場見圖4，5。

表3 煤礦開采預(yù)測涌水量及其組成表Tab.3 Prediction of water yield and its composition

圖4 煤礦開采區(qū)淺層地下水流場圖Fig.4 Flow field of shallow groundwater in coal mining area

圖5 煤礦開采區(qū)淺層地下水位降深場圖Fig.5 Drawdown field of shallow groundwater level in coal mining area

煤礦開采30年末的預(yù)測礦井總涌水量為26.00×104m3/d,約是現(xiàn)狀礦井總涌水量(10.50×104m3/d)的2.5倍;礦井涌水量主要來自淺層地下水蒸發(fā)量的減少和淺層地下水溢出量的襲奪以及地下水儲(chǔ)存量的釋放,所占比例分別為43.1%，6.8%，49.3%。另外，牛家梁水源區(qū)的河水增滲補(bǔ)給約占0.8%。礦井涌水并未改變區(qū)域淺層地下水向榆溪河徑流排泄的態(tài)勢,僅在礦井涌水影響的6個(gè)水源區(qū)形成了近似橢圓形的淺層地下水位降深場,其與礦井分布形態(tài)是基本一致的；預(yù)測30年末的降深場中心最大水位降深約6 m,預(yù)測到30年末淺層地下水位下降速率不大于22 mm/a。

3 采煤涌突水的敏感性預(yù)測分析

3.1 礦井涌突水預(yù)測的影響因素分析

區(qū)域地下水流數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)與滲流場等數(shù)據(jù)，多因資料不足而難以精確把控,尤其是煤礦采空區(qū)的冒裂帶高度以及冒裂帶頂部巖層(簡稱覆巖)的滲透性能大多也很難準(zhǔn)確判定，都是導(dǎo)致模型預(yù)測結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際的重要影響因素。采空區(qū)放頂后產(chǎn)生巖層冒裂和整體下沉,引發(fā)的巖層移動(dòng)變形與開裂,極有可能導(dǎo)致覆巖滲透性能的增強(qiáng),但是其增強(qiáng)的程度一般難以定量測定,甚至定性估量也非常困難。

區(qū)域地下水流數(shù)值模型承載著有效預(yù)測與合理評估礦井涌突水量的重任,這就需要謹(jǐn)慎地考量覆巖垂向滲透性能變化對礦井涌突水量影響的問題,即需要進(jìn)行煤礦開采涌突水的敏感性預(yù)測分析,用于定量評估這些不確定的因素對模型預(yù)測結(jié)果的影響程度,以期為研究煤水關(guān)系和制定采煤保水方案等提供依據(jù)。

3.2 預(yù)測煤礦選擇與環(huán)境設(shè)置

在小壕兔、馬合、芹河、金雞灘、二道河則水源區(qū)分別選擇29#，26#，25#，13#，20#礦井(見圖1),當(dāng)加載不同的煤礦開采規(guī)模(采空區(qū))工況時(shí),分別對29#，26#，25#，13#，20#礦井的覆巖給定不同垂向滲透系數(shù)值進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測,定量研究礦井涌突水量與覆巖滲透系數(shù)的關(guān)系。

3.3 數(shù)值模型預(yù)測的成果分析

利用構(gòu)建的地下水三維流數(shù)值模型,分別對29#，26#，25#，13#，20#等5個(gè)煤礦進(jìn)行數(shù)值模擬,預(yù)測的30年末覆巖不同垂向滲透系數(shù)的礦井涌突水量，結(jié)果見表4，圖6。

預(yù)測結(jié)果表明:①礦井涌突水量與覆巖垂向滲透系數(shù)呈正向非線性變化規(guī)律,覆巖垂向滲透系數(shù)小于0.005 m/d時(shí),為原巖層的滲透參數(shù),礦井涌水量基本穩(wěn)定;滲透系數(shù)為0.005～0.01 m/d時(shí),反映覆巖有一定破裂,礦井涌水量呈現(xiàn)小幅增加;滲透系數(shù)大于0.01 m/d時(shí),表明覆巖有較大破裂,礦井涌突水量大幅增加;滲透系數(shù)大于1.0 m/d時(shí),覆巖之上的含水層會(huì)被快速疏干,礦井涌突水量基本上不再增加。采空區(qū)上覆巖垂向滲透系數(shù)為(0.01～1.0)m/d,對應(yīng)的礦井涌突水量變幅最大、增速最快。②對應(yīng)覆巖垂向滲透系數(shù)0.005 m/d和10 m/d的礦井涌突水量之差值(簡稱極值差)與比值(簡稱極值比),大致反映覆巖之上含水層地下水對礦井涌突水量的貢獻(xiàn)及其影響。5礦的極值差為(0.09～83.57)×104m3/d,該數(shù)值基本上代表了覆巖之上含水層地下水的漏失水量;5礦的極值比為1.58～18.76,其大小基本反映了覆巖之上含水層地下水對礦井涌突水量的影響程度。在沙漠灘地區(qū)腹地，礦井的極值比大(26#與13#),是因?yàn)楦矌r之上含水層的富水性強(qiáng)所致;在沙蓋黃土丘陵區(qū)的礦井的極值比小(20#),是由于覆巖之上含水層富水性弱的原因;在沙漠灘地區(qū)溝域分水嶺地帶的礦井的極值比中等(25#與29#),與該地區(qū)覆巖之上含水層中等富水有關(guān)。

表4 不同滲透系數(shù)的礦井涌突水量預(yù)測成果表Tab.4 Prediction of water yield with different permeability coefficient

圖6 礦井涌突水量與滲透系數(shù)關(guān)系曲線圖Fig.6 Curve of relationship between water yield and hydraulic conductivity in mine

4 結(jié) 論

1)煤礦開采的礦井涌水量主要來自淺層地下水蒸發(fā)量的減少和淺層地下水溢出量的襲奪以及地下水儲(chǔ)存量的釋放,所占比例分別為43.1%，6.8%，49.3%;煤礦開采涌水的影響,在研究區(qū)6個(gè)地下水源區(qū)形成了近似橢圓形的淺層地下水位降深場,其與礦井分布形態(tài)基本一致；預(yù)測30年末的降深場中心最大淺層地下水位降深約6 m,30年末淺層地下水位下降速率小于22 mm/a。

2)礦井涌突水量與覆巖垂向滲透系數(shù)呈正向非線性變化,煤礦采空區(qū)之上覆巖垂向滲透系數(shù)(0.01～1.0)m/d,對應(yīng)的礦井涌突水量變幅最大、增速最快。礦井涌突水量的大小,主要受覆巖垂向滲透性能強(qiáng)弱以及覆巖之上含水層富水程度的控制;覆巖垂向滲透系數(shù)0.005，10 m/d的礦井涌突水量的極值差與極值比,基本能夠反映覆巖之上含水層地下水對礦井涌突水量的貢獻(xiàn)與影響。

3)煤礦采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶一旦導(dǎo)通上覆第四系或白堊系含水層(即覆巖垂向滲透性能的大幅增強(qiáng)),采空區(qū)覆巖之上的含水層地下水就會(huì)大量漏失,甚至出現(xiàn)疏干含水層的現(xiàn)象,這對淺層地下水流場和溢出量都會(huì)造成巨大的影響。