銀川市紅墩子礦區紅四礦井及選煤廠工程對地下水的影響

孫建軍，孟凡星，劉業添 （合肥工業大學，安徽 合肥 230000）

對于礦坑涌水量預測，主要的方法有水均衡法、解析法、水文地質比擬法、數值模擬法[1]，其中，數值模擬法是目前運用最廣泛的礦坑涌水計算方法[2]。在數值模擬計算過程中，Visual Modflow具有可視化、適用性及數值模擬能力強等優點[3]，在涌水量預測中運行較為廣泛。武強[4]根據我國煤礦床的水文地質條件特點，論證Visual Modflow軟件在我國礦井水防治研究中應用潛力巨大。此后，廣大學者對涌水量數值模擬進行了大量的探究，楊彥林[5]運用Visual Modflow軟件對陶二煤礦礦井涌水量進行了預測，為煤礦的安全生產提供了保障。郭小銘[6]提出利用數值模擬法進行礦井涌水預測時應充分分析水文地質條件，進行合理概化。May,R等[7]利用Visual Modflow的3D數值模型去估算抽取地下水后對開礦池、河流和含水層系統的影響，校正模型用于開礦池周圍有無抽水泵，無抽水泵時研究區的涌水主要來自恒定水頭、河流和降雨，有抽水泵時涌水量大量增加，這對抽取地下水時研究池塘、河流和含水層系統之間的相互作用提供有用信息。

本文通過分析煤礦開采區滲透變化特征，對其進行水文地質模型的概化，結合Visual Modflow軟件中開采區邊界條件的物理模型和數值算法，對其進行涌水概化，最終進行礦坑涌水預測，并對煤礦開采過程中含水層地下水位的影響進行研究評價。

1 項目概況

紅四煤礦及選煤廠位于寧夏回族自治區銀川市興慶區，井田面積22.30km2，主要含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，本井共有8層可開采煤層，設計可采儲量0.69億噸，設計規模240萬噸/年。工程采用立井開拓方式，礦井工業場地內設主井、副井和回風井，計3個立井井筒。紅四礦井及選煤廠項目生產期不設置水源井，因為生產期內可能產生礦井排水對區域地下水流系統產生影響，礦井水外排、污水排放和臨時矸石堆場淋溶水對地下水水質產生影響。

2 紅四井田水文地質條件

2.1 含水層組劃分及其特征

根據含水層的巖性、厚度、埋藏條件、分布范圍等，將井田含水層劃分為：第Ⅰ含水層(第四系孔隙潛水層)、第Ⅱ含水層組（古近系及基巖風化帶孔隙裂隙含水層組）、第Ⅲ含水層組（二疊系孫家溝組、石盒子組裂隙含水層組）、第Ⅳ含水層組（山西組裂隙含水層組）、第Ⅴ含水層組（太原組裂隙含水層組）、第Ⅵ含水層組（奧陶系裂隙含水層組）。

第Ⅰ含水層以沖洪積的粉土、粉砂為主,單位涌水量0.04L/s·m～0.06L/s·m，水質較好，含水性極其微弱。

第Ⅱ含水層組由古近系細砂、中砂、粗砂及底部半膠結砂巖礫巖和基巖風化帶的不同粒級的砂巖組成,為紅墩子勘查區的主要含水層，含水層累計厚度288.50m～386.34m,單 位 涌 水 量0.0728 L/s·m～0.1537L/s·m，滲透系數0.0193 m/d～0.0966m/d，富水性中等。

第Ⅲ含水層組由粗粒、中粒、細粒砂巖構成，單位涌水量0.0909L/s·m，含水層富水性較弱，具有承壓性，屬微咸水。含水層屬間接充水含水層。

第Ⅳ含水層組為直接充水含水層，在全區廣泛分布，由山西組陸相碎屑巖系的粗粒、中粒、細粒砂巖構成。單位涌水量0.0225L/s·m～0.0238L/s·m，滲透系數 0.0965m/d～0.0634m/d，弱富水性。

第Ⅴ含水層組為直接充水含水層，在全區廣泛分布，由太原組的海陸交互相的粗粒、中粒、細粒砂巖和石灰巖構成。單位涌水量0.0083L/s·m～0.0326L/s·m，滲透系數0.0192m/d～0.0326m/d，弱富水性。

第Ⅵ含水層組上部巖性為深灰、灰黑、灰綠色細砂巖、粉砂巖、泥巖、泥質石灰巖，鈣質膠結，節理發育。下部巖性為淺灰-深灰色微帶棕紅色石灰巖，厚層狀，致密，可見灰色緩波狀泥質條帶，裂隙及節理發育不均，含水層富水性差異很大。

2.2 隔水層劃分

根據本井田的巖性組合及含水層水力性質、埋藏條件等，將隔水層劃分為：古近系粘土隔水層；二疊系上部的粉砂巖、泥巖隔水層；二疊系石盒子組底部山西組頂部的煤層、泥巖、粉砂巖隔水層；石炭系太原組底部土坡組頂部的煤層、泥巖、粉砂巖隔水層。

2.3 水文地質勘察類型

紅四井田直接充水含水層屬弱-中等富水性，補給條件差，隔水層穩定性好。煤層位于侵蝕基準面以下，地表水不是礦床的主要充水因素，第四系僅見于井田東部，厚度為1m～20m，古近系承壓水涌水量較大，沿著傾向徑流或補給下部石炭二疊系地層，故本井田水文地質勘探類型屬于二類二型，即以裂隙充水含水層為主的水文地質條件中等的礦床。

3 煤炭開采對地下水影響預測與評價

3.1 采礦工程對地下水位影響預測與評價

3.1.1 水文地質條件概化

礦床自上而下分布6個含水層，礦床各含水組間隔水層自上而下分為4層。區域6個含水層中第Ⅳ與第Ⅴ含水層組與第Ⅲ含水層組水位接近，具有一定水力聯系。為提高預測精度，反映局部隔水層的影響，建立數值模型時，結合不同含水層組的空間分布狀況，并綜合考慮巖性和裂隙發育程度，將模擬區概化為12層。

根據區域地質圖的地質剖面及區域地質條件分析可知，紅四礦位于紅墩子礦區紅二井田與紅三井田之間，因此，建立數值模型過程中，充分考慮到礦區排水過程中的干擾作用，以及疏干排水過程中可能出現的影響范圍，模擬區范圍確定為井田西部開采邊界外1120m，其他三個方向為井田邊界外1828m的區域，面積為60.30km2。礦床下部有巨厚的土坡組粘土層，可以概化為底部隔水層，概化后的模擬區平面圖見圖1。

圖1 模型概化平面圖

3.1.2 模型建立與識別運行

根據水文地質概念模型及含水層水力性質，綜合模擬區地層巖性、地下水類型、地下水補徑排特征、地下水動態變化等水文地質條件及模擬區水均衡分析等，可將模擬區地下水流系統概化成非均質各向異性非穩定地下水流系統，并建立相應的數學模型。選取相應水模擬軟件，進行源匯項處理，對其初始條件及邊界條件進行概化，根據抽水試驗與前期統計的降雨、河流入滲數據綜合確定各含水層水文地質參數，并進行模型的識別與修正，最終各層水文地質參數取值見上表。

各層水文地質參數取值表

3.1.3 礦坑涌水預測分析

采用經過模型識別與模型驗證的數值模型，結合礦床開發利用方案，預測礦區礦坑涌水量。預測得到的涌水量隨時間的變化過程如圖2所示。即初期涌水量為1100m3/d，隨著礦床開采的進行，礦坑涌水量逐漸減小，開采三年后，涌水量遞減幅度變小，逐漸趨于平衡，約為530m3/d。

圖2 礦坑涌水量變化過程線

3.1.4 礦坑排水影響分析

3.1.4.1 對第四系含水層水位影響

勘察期間，鉆孔深度范圍內未發現地下水，埋藏有極少量上層滯水，一般無穩定的自由水面，主要受大氣降水和地表水滲入補給，且礦坑排水用于工業生產和生活用水。因此，對第四系含水層并無明顯影響。

3.1.4.2 礦坑排水對古近系含水層組的影響

建設期內，由于礦井井筒施工采用凍結法施工，對煤系地層以上的地下水影響小，根據紅四礦井從2012年到2014年的水位監測資料，在井筒施工階段地下水水位沒有發生變化，2012年到2014年的古近系地下水水位監測結果顯示，地下水水位基本上沒有發生變化。

模型模擬結果（圖3）表明，運行期開采10年后，古近系含水層地下水流場變化不大，含水層水位略有下降，但沒有形成明顯降落漏斗，補給排泄基本穩定。由于開采層位上部有古近系粘土隔水層和二疊系上部隔水層的隔水作用，作為評價區內的主要含水層位，紅四井田礦坑排水對古近系含水層水位影響較小。

圖3 開采10年后古近系含水層水位等值線

3.1.4.3 礦坑排水對山西組、太原組裂隙含水層的影響

山西組裂隙含水層和太原組裂隙含水層是礦床的直接充水含水層，礦坑排水對其影響較為明顯。根據校正過的模型預測，開采10年后，開采范圍內水位下降明顯，形成降落漏斗，中心點附近降深約為40m（圖4），影響范圍約為開采區域周邊300m。

圖4 開采10年后山西組含水層水位等值線

3.1.4.4 礦坑涌水對其他用戶的影響

紅四井田及周邊無工業、農業生產企業，礦區內無村莊，周邊分布的中心鄉鎮主要有月牙湖鄉，該鄉鎮生產及居民生活用水主要來自管網供水。月牙湖鄉距井田邊界約20km，井田內無過境河流。結合評價范圍方圓5km并無居民居住，且礦坑排水對當地潛水含水層并無明顯影響。因此，礦坑涌水不會影響礦區及周邊居民的生活用水。

3.2 地下水水質影響分析評價

3.2.1 煤炭開采對地下水水質影響

煤炭開采過程中疏排的地下水以礦井涌水的形式排到礦井水處理站，處理后部分作為項目生產用水，部分送生態牧場作為生態用水。因此，煤礦原煤開采對地下水水質影響的可能性較小。

3.2.2 矸石浸出液對地下水水質影響

矸石在臨時矸石周轉場堆放，如排水不暢受雨水浸泡后其有害元素中的可溶部分就可能溶解隨降雨遷移，對水體和土壤產生影響。

但根據工業場地和煤矸石場的包氣帶滲水試驗可知，場地包氣帶防污性能較強。臨時矸石周轉場處于排水暢通的低洼地帶，矸石浸出液對土壤環境的影響屬可接受的程度。

根據礦山矸石淋溶液浸出試驗，任何一種污染物濃度均未超出《煤炭工業污染物排放標準》（GB8927）最高允許排放濃度，且評價區年最大降水量僅為273mm，降雨量很少，矸石被充分浸泡可能性很小。降雨量分布于全年，每次的降水量與矸石積存量相比就更要小得多，因而矸石受降雨而產生的淋溶水很少。另一方面，評價區內氣候干燥，年最大蒸發量為2722mm，是年降雨量的10倍，降水后在臨時矸石周轉場內不會出現試驗條件下的固液比，即出現充分浸出的條件較小。臨時矸石周轉場處于排水暢通的低洼地帶，潛水面埋深很大，且與承壓水有相對穩定的隔水層，含水層組間水力聯系較弱，浸出液透滲到地下水中的可能性較小，因而固體廢物浸出液通過垂直滲透或補給方式污染地下水環境的可能性不大。因此矸石浸出液不會對地下水造成明顯影響。

4 結論

①礦坑初期涌水量為1100m3/d，隨著礦床開采的進行，礦坑涌水量逐漸減小，開采三年后，涌水量遞減幅度變小，逐漸趨于平衡，約為530m3/d。

②礦坑排水對山西組、太原組裂隙含水層的影響較為明顯，根據預測，開采10年后，地下水位下降明顯，形成降落漏斗范圍約為開采區域周邊300m，中心降深約40m；

③礦區生產廢水、矸石場浸出液對地下水水質影響較小。