煤炭開采區水源地保護范圍界定的數值模擬研究

秦 娜，唐芳芳，胡君春，劉志剛

(1.山西水利職業技術學院，山西 太原 030032；2.北京中水新華國際工程咨詢有限公司山西分公司，山西 太原 030024；3.云南省煤炭地質勘查院 云南 昆明 650218；4. 山西農業大學 山西 太原 030031)

煤炭是中國重要的能源產業，水資源是人類賴以生存的基礎性資源，在煤炭開采過程中，需要對區域地下水采取有效的保護措施，否則將會形成導通水源地取水含水層的導水裂隙帶，礦井水疏排直接造成含水層地下水水位下降、水量減少甚至水質變劣等問題。七元礦井位于山西省晉中市壽陽縣境內，其地理坐標為：東經113°08′41.01″～113°21′39.08″，北緯37°48′55.46″～37°58′52.86″。井田范圍涉及鄉鎮水源地兩處，分別為尹靈芝鎮集中供水水源地和馬首鄉集中供水水源地，主要為4個村3500人供水，為保護這兩個水源地不受七元礦井開采的影響，本文采用Visual Modflow軟件對七元煤礦為期10 a、30 a及60 a的開采過程對于區域地下水位的影響進行了數值模擬和預測，設置了相應的禁采區范圍，為合理生產和開發區域地下水資源提供決策依據，即可保障能源產業，也可保護好生命之源。

1 煤礦開采及水文地質概況

七元礦井位于山西省晉中市壽陽縣東約7km的七里河村，井田地跨晉中市壽陽縣和陽泉市盂縣，行政區劃隸屬于壽陽縣，總面積為195.140 km2，設計生產規模500萬 t/a，礦井設計服務年限為122.9 a。根據地質調查，含煤地層有石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系下統山西組及下石盒子組[1]。太原組及山西組為勘查區主要含煤地層，煤層自上而下編號為1、2、3、4、5、6、6下、81、82、9、9下、11、12、12下、13、15、15下、16共18層煤，主要開采石炭系太原組81#、82#、15#、15下#煤層，太原組平均厚122 m，含煤11層，總厚度9.52 m。15號煤全區發育，為全區可采煤層，81、82煤層在區內大部分地段發育，為大部可采煤層。根據煤層間距，劃分為上、下兩組，上組煤有3、6、81、82煤層，上組煤之間間距一般小于20 m，且81與82煤層部分合并，下組煤有15、15下煤層，間距平均6.29 m。上下兩組煤之間間距一般為70～90 m，平均80 m左右，設計設置1個水平(1個主水平，1個輔助水平)，主水平設于15號煤層頂板巖層內，標高+400 m，主要服務下組煤的15、15下煤層，輔助水平設于81煤底板巖層內，標高+470 m，主要服務上組煤的3、6、81、82煤層。井田以礦井井筒及工業場地大致劃分為南、北兩區開拓。井田主水平15煤層和輔助水平各劃分北一～北五和南一～南七共十二個盤區，15下煤層布置北一、北三、北五、南六、南七共五個盤區，全礦井共劃分29個盤區。煤層開采順序設計先開采作為保護層的下煤組15煤、15下煤層，之后進入上組煤順序開采3、81、82煤層。

礦區內地下水含水層由老到新有：奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水層、太原組灰巖裂隙巖溶含水層、山西組砂巖裂隙含水層、石盒子組砂巖裂隙含水層、第四系及風化帶砂礫石含水層[2]。

井田中部偏東的尹靈芝鎮有集中供水水源井1處(圖1)，井深118 m，混合開采第四系松散巖類孔隙水和二疊系砂巖裂隙水，井孔標高1 033 m，日取水量約200 m3/d，服務對象為芹泉村和照白溝村2個村，服務人口2 000人，目前該水源井保護區范圍為以水源井為中心，半徑為60 m的圓形區域。

圖1 井田與水源井及利用鉆孔位置圖

井田西南角的馬首鄉有集中供水水源井1處(圖1)，井深291 m，開采二疊系砂巖裂隙水。井孔標高1 056 m，日開采量為150 m3/d。服務對象為馬首村及張家溝村，服務人口1 500人，目前該水源井保護區范圍為以水源井為中心，半徑為55 m的圓形區域。

2處水源井均以管井的方式采取地下水，水源地一級保護區均位于井田范圍內。

2 煤礦開采對水源井的影響

2.1 水源井附近地層

本次研究收集到距尹靈芝鎮水源井分別為1 221.49 m和 654.52 m的Q810號鉆孔、Q1713號鉆孔柱狀圖(圖2)，距馬首鄉水源井8 057 m的Q1102鉆孔柱狀圖(圖3)，結合水源井井孔柱狀圖及七元煤業地層綜合柱狀圖得出水源井附近地層以新到老為第四系(Q)、二疊系石千峰組(P2sh)、二疊系上石盒子組(P2s)、二疊系下石盒子組(P1x)、二疊系山西組(P1s)、石炭系太原組(C3t)。

圖2 尹靈芝鎮水源井與附近鉆孔相對關系

圖3 馬首鄉水源井與附近鉆孔相對關系

2.2 煤礦開采對水源井附近上覆含水層的影響

據調查，該井田在2個水源井附近煤層底板埋深均大于700 m。據《陽泉煤業集團七元煤業有限責任公司七元煤礦對娘子關泉域水環境影響評價報告》中對導水裂縫的計算得知：本井田開采81#、82#、151#、152#煤層導水裂縫帶埋深分別為424.07～1 002.55 m、435.64～863.26 m、549.09～1 105.16 m、599.81～985.62 m，導水裂縫帶埋深均大于2個水源井的深度118 m和291 m，因此，礦井開采造成的導水裂縫帶溝通不到該水源井，影響較小。

2.3 煤礦開采對水源井附近地下含水層的影響

煤炭開采對地下水資源的破壞程度及其數量，受多方面因素的影響，主要是水文地質條件、地質構造特征、煤礦開采階段、開采面積、開采深度、開采沉陷、降水量等因素的影響[3]。

該井田第四系孔隙含水層及基巖風化裂隙水含水層分布于水源井上部，尹靈芝鎮水源地厚度為55.1～71.36 m，馬首鄉水源地厚度為7.84～53.18 m，巖性為黃白色砂質粘土、亞粘土、砂礫層及礫石層等，厚度變化因地形而異，該層滲水性、含水性均好，主要接受大氣降水和雨后地表徑流的補給，煤炭開采將影響該含水層。同時在開采期間地表受沉陷影響，在一定程度上改變了地面降水的徑流與匯水條件[4]，含水層的水文和流向受到干擾，間接使第四系孔隙含水層及基巖風化裂隙水含水層的水位有所下降，水量有所減少。

3 數值模擬法對水源地禁采區模擬

3.1 模型建立

3.1.1 目標含水層選取及概化

根據煤層對上覆含水層的影響結果分析、煤層開采設計及開采分區、水源井深等眾多因素，目標含水層選取為煤系地層，石炭系上統太原組，地層平均厚度120.88 m；二疊系下統山西組，地層平均厚度51.29 m，將兩組地層概化為一層，厚173 m，區內隔水層較多，各基巖含水層之間都有厚度穩定的泥巖、砂質泥巖，各煤層隔水層厚度總體上西南厚，向東北方向變薄。礦區基巖裂隙含水層地下水系統符合質量守恒定律和能量守恒定律。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異性三維非穩定流。

3.1.2 模型邊界概化

綜合本地區基巖裂隙含水層流場分布和地形地貌條件、礦界水系發育情況、總體地下水流向等條件。模擬范圍以礦界為邊界，范圍為136.77 km2。模擬區北東、南西邊界垂直于基巖裂隙水水位等值線，概化為隔水邊界，流量為零；北西邊界可概化為補給邊界(流量邊界)；南東邊界為排泄邊界(流量邊界)。通過這條邊界的流量用達西公式計算得北西邊界的流量為202.86 m3/d，通過南東邊界的流量為339.86 m3/d(圖4)。

圖4 模擬參數分區及概化邊界

3.2 數學模型

根據本次模擬區的水文地質滲流概念模型，建立非均質各向異性三維流數學模型如下：

(1)

式中：Ω為計算域；H為水頭；Kxx、Kyy、Kzz、Kn等為滲透系數K在坐標主軸x、y、z及邊界法向n上的數值/分量； Ss為含水層貯水(釋水)率；Γ2為流量邊界，隔水邊界流量為零，邊界流量計算可得；q為單寬流量；W為源匯項(流量)；M為含水層厚度；t為時間。

3.3 模型識別與校正

在模擬區范圍內，目標含水層上部入滲補給主要為第四系大氣降水入滲補，排泄項主要為水源井人工開采排泄及礦井正常涌水。礦井正常涌水量為500 m3/h，模擬時將此涌水量平攤到各模擬時段的采區面積上。模擬參數分區及水文地質概化邊界見圖4。

參與地下水均衡計算的水文地質參數主要有含水層的滲透系數K、貯水系數Ss。選擇2018年11月-2019年9月模型的識別階段，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，對這一階段的實際水位和計算水位進行擬合分析，如果計算水位與實際水位相差很大，則根據參數變化范圍和實際水位差值，重新給定一組參數，直至二者擬合較好為止[5]。通過調參計算，實際水位和計算水位等值線的水位擬合絕對誤差小于0.5 m的占已知水位(點據)的80%以上(圖5)，擬合結果較好，說明含水層概化、參數選擇符合實際(表1)。

圖5 初始水位擬合圖

表1 調參后水文地質參數分區表

3.4 模擬預測時段選取及模擬結果

根據井田開拓布置，設計總服務年限為122.9 a。由于122.9 a開采時間跨度大，結合采區的平面布置，模擬分一階段(0～60 a)進行模擬預測，二階段(60～122.9 a)檢驗模型和修正模型。一階段模擬至60 a，當開采至60 a時，結合采煤至60 a時水文地質條件和開采情況，即可驗證模型的準確性，也可對模型進行逐步調試和修正，使模型更加科學化和精準化，從而符合本區因采煤劇烈活動地下水移動規律，為水源井保護提供科學的數據支撐。

因此，本次模擬時段分為10 a、30 a、60 a，預測三個時期的目標含水層的水位變化(圖6～圖8)。

圖6 開采10 a后等水位線圖

圖7 開采30 a后等水位線圖

圖8 開采60 a后等水位線圖

3.5 數值模擬結果分析及禁采區界定

由模擬預測結果(圖6和圖7)可以看出，煤礦開采10 a和30 a結束后，尹靈芝鎮水源井和馬首鄉水源井影響較小。

由模擬結果圖8看出，煤礦開采60 a結束后，區域上尹靈芝鎮水源井位和馬首鄉水源井位等水位線下降，尹靈芝鎮水源井處于近疏干狀態，即水源井報廢。

預測30 a等水位線圖(圖7)、預測60 a等水位圖(圖8)、開采設計分區圖，三張圖疊加為一張圖(圖9)。如圖9所示，紅線區域是水源井水位極限，即保證水源井不被疏干，達到保護目的。因此，尹靈芝水源井在開采南一盤(圖9⑦)、南二盤(圖9⑨)和南三盤(圖9⑧)時影響較強烈，尹靈芝水源井保護范圍長420 m，寬300 m，面積為126 000 m2；馬首鄉水源井在開采南四盤(圖9)時對水源井影響較強烈，馬首鄉水源井保護范圍為長220 m，寬160 m，面積為35 200 m2。

圖9 水源井保護范圍圖

4 結語

本文通過建立數學模型并運用軟件對七元煤礦開采過程對區域地下水位的模擬，分析了煤礦開采對區域地下水開采的動態影響，得出如下結論與建議：

(1)考慮礦山服務年限和各種影響因子，分別對礦區10 a、30 a和60 a進行地下水數值模擬，系統對比，客觀反映不同時期地下水的變化情況。

(2)為保護水源井正常開采，圈定相應的禁采區范圍：尹靈芝水源井保護范圍長420 m，寬300 m，面積為126 000 m2；馬首鄉水源井保護范圍為長220 m，寬160 m，面積為352 00 m2。

(3)從三個時期模擬可以看出，七元煤礦開采10 a和30 a結束，采煤對兩個水源井影響較小。開采60 a后，兩個水源井位置均出現等水位下降，未來煤炭開采過程中受人類活動(政策變化、企業運轉是否正常、開采強度、開采速度、工業農業取水等影響因子)的劇烈影響，加之極端氣候，不可控因素較多，后期預測時建議針對模型進行修正、調試和再預測，使模型具有時效性，模擬精度提高，更加科學化，為水源井保護提供科學的決策支持，實現動態監測、動態管理、科學規范，達到人、水、環境和諧目的。