突水作用下地下水位降落漏斗演變過程分析

馬金錄

(鄭州煤炭工業(集團)楊河煤業有限公司，河南 新密 452382)

人類治水工程和開采地下水等因素是造成華北平原區水資源減少的重條件[1-4]，礦井疏排水相當于人工抽水井對礦區地下水進行疏排，是煤礦密集區地下水的主要排泄方式，是造成區域地下水位持續下降的決定性因素。長期疏排水必然產生以礦井為中心的地下水降落漏斗[5]，尤其是在大型底板突水和頂板冒落影響的作用下，將使上部受大氣降水和第四系孔隙水補給的砂巖裂隙含水系統與下部寒武系、奧陶系及石炭紀太原組巖溶含水系統形成半溝通，改變局部地下水流動系統的徑流方向[6-8]，在不同階段與不同的工程地質和水文地質條件相結合，將會產生截然不同的地質災害問題[4]。因此，研究單獨礦井或整個礦區地下水位降落漏斗的演變過程，在礦井水害防治工作中是一項重要的安全問題。

目前，國內外學者對區域地下水位動態變化影響因素和地下水降落漏斗的成因、分類及危害等方面做了大量的研究[9-15]，發現區域地下水的開采量長期超過補給量并逐漸消耗了儲存量，并在一定補給周期內得不到恢復[5]，從而造成區域地下水水位下降漏斗。隨著開采量的不斷增加，漏斗面積不斷增大[16]，橫向擴展趨勢明顯，垂向發展逐步變得平緩，漏斗下降速率減緩[17]。研究結果主要集中在人工開采對區域地下水位下降的影響程度和漏斗變化趨勢，單獨以煤礦礦區或礦井大型突水單一因素形成地下水降落漏斗為對象的具體研究較少，以礦井主要疏排點轉移引起地下水降落漏斗中心演變過程的相關研究亦較少。為此，本文以裴溝煤礦2011—2020年地下水位資料為基礎，研究地下水降落漏斗在大型突水和采掘區域轉移等影響因素下的演變過程，同時結合周邊對地下水的人工開采量變化，分析預測未來幾年的區域地下水位的變化趨勢，為裴溝煤礦水害威脅嚴重的重點區域災害治理和采掘布置提出了建議。

1 基本概況

1.1 礦井基本情況

裴溝煤礦位于新密市東南8.5 km，礦區面積48.755 5 km2，1966年建成投產，經3次大規模改擴建后原煤實際生產能力達到210萬t/a。地質類型極復雜、地質構造復雜程度中等、水文地質類型復雜，以東西向發育的油坊溝斷層和浮山寨斷層為邊界劃分為3個井田，其中裴溝井田資源枯竭，楊河井田布置3個采區(34采區、32采區、31采區)自西向東依次開采，樊寨井田處于開發階段，42采區停產，43采區正在掘進開拓巷道。

1.2 地下水位監測情況

礦區位于滎密背斜南翼單斜及斷裂構造水文地質亞區的地下水徑流區中部[18]，區域徑流方向由北西向南東為主[19-20]，從補給區到徑流區的水位傳遞時間平均為56 d。在礦區內部，北部的裴溝井田和楊河井田，長期開采疏放造成地下水位略低于南部未開發的樊寨井田，邊界浮山寨斷層南盤抬升使深部強含水層向北盤補給，造成區內徑流方向改變為由南向北，導致礦區水文地質條件復雜化[18-20]。礦區內布置7個地下水位觀測孔(圖1)，實現了L1-3、O2、∈3等灰巖巖溶裂隙含水層水位標高的實時在線監測。

圖1 采區、突水點及觀測孔分布Fig.1 Distribution of mining areas，water inrush points and observation holes

1.3 突水點基本情況

32051(上炮)工作面位于32采區下部，2011年11月14日切巷導通底部隱伏構造發生奧灰突水(圖1)，初始涌水量為3 m3/h，48 h后最大突水量達1 000 m3/h，2011年12月4日在-300 m軌道巷施工的疏水巷從L7-8灰巖中截斷導水通道并將水引入大巷排出。注漿堵水工程施工后，突水量于2012年2月開始持續下降，并于2012年3月降至300 m3/h左右且穩定至今，礦井利用該突水點對底板太灰及奧灰含水層進行疏水降壓，水位從突水前的+95 m左右降至目前的+30 m左右，該突水點水量約占目前礦井實際涌水量930 m3/h的32.3%。

2 礦區水位變化過程分析

2.1 研究樣本選取

據突水前歷年觀測顯示，礦區地下水位主要受礦井疏排影響整體呈單邊穩定下降趨勢，每年降深2～3 m，豐水期大氣降水補給集中在6—9月份，在水位傳遞時間內較小程度抬升水位。為降低豐水期大氣降水補給影響，選取2011—2020年每年1月份水位數據作為研究對象，各觀測孔水位數據見表1。

表1 2011—2020年水位數據Tab.1 Water level data during 2011 year to 2020 year

2.2 水位變化過程

突水后歷年水位變化過程曲線如圖2所示。由圖2可知，在突水作用下礦區地下水位2012—2016年呈現大幅下降趨勢，2017—2020年呈現小幅穩定下降趨勢，各觀測孔存在明顯差異。

圖2 2011—2020年水位變化曲線Fig.2 Water level curve during 2011 year to 2020 year

(1)突水前，水位維持在+90～+100 m，觀測已開采34采區、32采區的觀2、6-補85孔水位明顯低于未開采的31采區2-補81孔和未開發的樊寨井田付5201、4014、4603、5006孔，兩極水位差為8.85 m。

(2)突水后，2011年11月—2012年1月距離突水點最近的6-補85孔、觀2孔水位降差分別為14.05、9.58 m，較遠的2-補81孔水位降差5.97 m，樊寨井田4個觀測孔水位降差分別為1.41、1.10、0.02、-0.49 m。降差表明：楊河井田和樊寨井田以浮山寨斷層為界分屬不同的水文地質區域，楊河井田在突水后短時間內形成以突水點為中心的水位降落漏斗，樊寨井田在此段時間內由于路徑遠、補給量充足、斷層阻隔等因素而未出現明顯水位降落，處于邊界的付5201鉆孔受斷層南盤補給，雖與突水點距離近但降差不明顯，說明在突水過程中以突水點為中心出現由近及遠的地下水位階梯降差。

(3)2012年2月—2013年1月，突水點水量從1 000 m3/h逐漸減小并穩定在300 m3/h，對楊河井田區域地下水疏排能力減弱，同時處于高水位區域的楊河井田東西兩翼和樊寨井田開始向低水位區域的漏斗中心徑流大量地下水進行補給，受徑流補給影響，漏斗中心水位降落速度減緩，降差為6.97 m，高水位區域水位降落速度大幅提高，降差為9.42～25.03 m。

(4)2013年2月—2016年1月，各觀測孔水位標高差值減小，同期兩極差值依次為9.22、6.44、9.08、6.03 m，基本與突水前保持一致，各年水位降差基本維持在平均12 m左右。該時間段水位變化過程表明，以高水位區域為補給區、以突水點為排泄區的地下水徑流帶形成并穩定，突水疏排對各區域的水位降幅能力達到基本一致。

(5)2016年2月—2020年1月，礦區水位維持在+30～+50 m，每年降差平均為1.1～4.9 m，整體呈現平穩下降趨勢，局部段出現小幅升高，表明該時段內礦區地下水補給和突水點排泄整體上達到一定程度的平衡狀態，當其他底板水疏放點發生變化時，將較小程度的破壞該平衡，呈現為水位短時間、小幅度的升高或降低。

3 降落漏斗演變過程分析

在研究過程中，發現區域地下水位降落漏斗的形成及演變主要因素是突水點疏放導致的各區水位變化，同時徑流方向、開采位置轉移及疏水點變化等因素也起到了至關重要的作用，根據這些因素繪制了地下水徑流及降落漏斗矢量圖(圖3，圖中數字編號為鉆孔編號)，直觀顯現突水作用下地下水位降落漏斗經歷了形成—加劇—穩定—轉移的演變過程。

圖3 地下水徑流及降落漏斗矢量Fig.3 Vector diagram of groundwater flow and depression cone

(1)形成階段。突水前，主要開采地點位于楊河井田的34采區、32采區，地下水的正常疏排作用導致其他地方向該區徑流，形成以該區為中心排泄的較小程度降落漏斗(圖3(a))。

(2)加劇階段。突水后，位于32采區下部的突水點排泄量遠多于礦井正常地段，地下水從四周向漏斗中心流動[5]，短時間內提高突水點附近區域的徑流速度和汲取水量，較遠區域受波及程度低而維持原來徑流方向和速度，形成以突水點為中心的大降深漏斗(圖3(b))。

(3)穩定階段。1年后突水量穩定，隨著加劇階段地下水補給斷面擴大，橫向擴展速率大于垂向發展速率，全區向突水點徑流速度達到基本相同，由于水源補給充足，各區水位呈現等差降落趨勢，地下水位降落漏斗恢復至與突水前基本一致的穩定狀態(圖3(c))。

(4)轉移階段。2013年2月以后，主要開采區域轉移至31采區、42采區，礦井除了突水點外的主要疏水點亦隨之轉移，以突水點為中心的降落漏斗穩定狀態被破壞，局部地下水開始向開采區域徑流，全區形成以突水點為主、開采區域為輔的雙中心漏斗(圖3(d))。2018年以后開始開發43采區，浮山寨斷層以南區域的地下水徑流方向開始向該區轉移，以北區域仍維持原來方向分別向突水點和31采區徑流，全區形成以突水點、31采區、43采區為中心的3處漏斗(圖3(e))。

4 趨勢預測

4.1 裴溝礦區

裴溝煤礦未來5年主要采掘區域集中在31采區下部，深部開采且距浮山寨斷層越來越近，屆時31采區涌水量將超過32051(上炮)工作面突水點成為礦井疏排主要集中點，大幅度汲取楊河井田東西部及浮山寨斷層附近地下水，形成以31采區為主要中心的地下水位降落漏斗，很大程度上改變礦區內部的地下水徑流補給方向，導致該區的底板水害治理難度增加。突水點疏排能力相對減弱，附近的地下水位單位時間內降深幅度減小，位于突水點南部和浮山寨斷層北部的32071(西)工作面水害治理和開采將處于最佳時期。

4.2 鄭州礦區

近年來，鄭州礦區地下水位下降的主要因素是礦井和發電廠疏排，整個地區形成以礦井或發電廠為中心的區域地下水位降落漏斗。隨著資源整合礦井和資源枯竭的部分直管礦井關停，鄭煤集團所屬礦井總涌水量也由2010年的6 700 m3/h左右減小為2020年的5 200 m3/h左右，東風電廠關停造成用于機組冷卻的5 400 m3/h水量將不再汲取，同期相比煤礦和電廠對地下水疏排能力減小6 900 m3/h，大幅減弱了地下水位的降落趨勢，關停地方的水位將逐步回升并將填平漏斗，局部徑流補給將發生改變，整個礦區水位降落觸及低谷后預計會出現逐步抬升趨勢。

5 結論

(1)通過對突水前后地下水位降落漏斗演變過程的探討和分析，發現突水作用將破壞和改變原來的地下水徑流方向，地下水向突水點進行徑流補給的波及范圍由近及遠，降落漏斗垂向發展速率加快，加劇原有地下水位降落漏斗的峰谷差值，使區域地下水位以突水點為中心呈現階梯下降趨勢。當橫向擴展速率大于垂向發展時，徑流波及范圍內各區域地下水位將同幅度下降，形成區域性降落漏斗。

(2)采掘區域轉移使礦井出現多處地下水疏排點，降落漏斗將在疏排點位置產生新的低水位中心，區域漏斗中心將演變成“一主多輔”的形態，造成局部徑流方向紊亂，增加該區域底板水害治理難度。

(3)當地下水補給與排泄達到相對平衡狀態并觸及水位降深低谷后，疏排量減小將導致水位逐步抬升、漏斗逐漸被填平，處于突水點中心附近水害威脅嚴重區域在地下水位降落漏斗低谷形態條件下開采的安全系數更高。