基于地下水?dāng)?shù)值模型的保護(hù)礦區(qū)水源井禁采區(qū)界定

徐樹媛

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西省太原市，030031)

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探 ★

基于地下水?dāng)?shù)值模型的保護(hù)礦區(qū)水源井禁采區(qū)界定

徐樹媛

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西省太原市，030031)

亨元順煤礦開采必將對(duì)礦區(qū)內(nèi)既有供水水源地構(gòu)成影響，不僅使取水含水層結(jié)構(gòu)破壞，而且礦井排水形成的地下水降落漏斗也將導(dǎo)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(shè)煤柱資源，應(yīng)用Visual Modflow軟件建立了水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)煤礦開采對(duì)供水水源井的影響，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)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(qū)范圍。

數(shù)值模擬 煤炭開采 水源井 太原組含水層 禁采區(qū)

在煤礦區(qū)內(nèi)合理開發(fā)煤炭資源的同時(shí)對(duì)既有水源地實(shí)施保護(hù)，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(nèi)，在其礦區(qū)范圍內(nèi)有壇鎮(zhèn)鄉(xiāng)集中供水水源井，主要為鄉(xiāng)屬13個(gè)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(jié)構(gòu)，而生產(chǎn)過程中礦坑排水將會(huì)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(qū)內(nèi)水源地供水不受影響，并盡可能減少煤炭資源的浪費(fèi)，應(yīng)用Visual Modflow軟件建立水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型，以定量預(yù)測(cè)煤炭開采對(duì)供水水源地的影響程度，并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果劃定保護(hù)水源地的煤炭禁采區(qū)范圍，以期為煤礦保護(hù)水源地而合理規(guī)劃開采布局提供參考依據(jù)。

1 礦井開采及水文地質(zhì)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(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a，礦井服務(wù)年限為10.7年，主要開采石炭系太原組4#、10#、11#煤層，開采標(biāo)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(nèi)大部被剝蝕，賦存區(qū)為井田西部和中北部，為賦存區(qū)穩(wěn)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(qū)均可采，屬較穩(wěn)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(nèi)大部不可采，可采地區(qū)為井田西部和中北部，為不穩(wěn)定局部可采煤層。4#、10#、11#煤層均為薄煤層。為滿足礦井生產(chǎn)能力，礦井設(shè)計(jì)兩個(gè)工作面，根據(jù)開拓部署，10#、11#煤層劃分為一個(gè)主水平，采用聯(lián)合布置，標(biāo)高為+890 m；4#煤層劃分為一個(gè)輔助水平，水平標(biāo)高為+970 m；礦井主輔水平同時(shí)開采。

礦區(qū)內(nèi)地下水含水層自下而上有奧陶系中統(tǒng)碳酸巖巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組碎屑巖裂隙含水層、基巖風(fēng)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(tǒng)碳酸巖巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層。在礦區(qū)西南部有壇鎮(zhèn)鄉(xiāng)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?guī)r地層中的巖溶裂隙水，靜水位埋深63.6 m，動(dòng)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(jìn)行了止水，以管井(機(jī)井)的方式采取地下水。服務(wù)對(duì)象為13個(gè)村莊，供水人口約4200人；日可采水量約400 m3，目前實(shí)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(qū)域?yàn)樗淳患?jí)保護(hù)區(qū)，未設(shè)立二級(jí)保護(hù)區(qū)。

2 煤礦開采對(duì)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(chǎn)生的頂板垮落帶及導(dǎo)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(fā)生水力聯(lián)系，地下水轉(zhuǎn)化為礦井水，通過礦坑排水的方式排出。利用“三下”采煤規(guī)程中導(dǎo)水裂隙帶公式，計(jì)算開采4#、10#、11#煤層所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶最大高度見表1，預(yù)測(cè)井下采煤對(duì)地下含水層所產(chǎn)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(guī)程，10#、11#煤層為近距離煤層；因此，11#煤層的導(dǎo)水裂隙帶最大高度采用10#、11#煤層的綜合開采厚度疊加計(jì)算。

表1 導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算結(jié)果

由導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算結(jié)果可知，4#煤層頂板冒落帶最大高度為10.7 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為42.9 m，最大導(dǎo)通高度可達(dá)山西組砂巖裂隙含水層，煤層淺埋區(qū)可直達(dá)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(dǎo)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(zhèn)鄉(xiāng)水源井取水層位為太原組K2～K4石灰?guī)r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?guī)r組約41 m，其間巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖及1～2層不穩(wěn)定薄煤層，隔水效果良好；根據(jù)水文地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查與井下開采資料，4#煤層開采活動(dòng)對(duì)供水水源太原組石灰?guī)r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?guī)r組之下，煤層上覆K2、K3、K4含水層會(huì)被煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶直接導(dǎo)通，各含水層中的地下水徑流將改變?cè)袑娱g流動(dòng)的方向，轉(zhuǎn)向沿導(dǎo)水裂隙向下部采空區(qū)快速?gòu)搅?，使供水含水層處于疏干或半疏干狀態(tài)，喪失原有賦水功能，從而使水源井枯竭、報(bào)廢，因此，10#、11#煤層的開采對(duì)壇鎮(zhèn)鄉(xiāng)集中供水水源影響嚴(yán)重。

3 煤礦開采對(duì)上覆含水層影響數(shù)值模擬研究

礦區(qū)煤層開采后對(duì)上覆含水層的影響范圍及水位降深可用地下水?dāng)?shù)值模擬的方法來研究計(jì)算。

3.1 地下水概念模型

3.1.1 含水層結(jié)構(gòu)概化

礦區(qū)內(nèi)太原組4#、10#、11#煤層開采后形成導(dǎo)水裂隙帶可導(dǎo)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(biāo)含水層。模擬區(qū)目標(biāo)含水層所在巖層平均厚度約150 m，主要由中-細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤層及石灰?guī)r組成。

目標(biāo)含水層在模擬區(qū)東北部出露，出露區(qū)接受大氣降水及地表水體的滲入補(bǔ)給，其他區(qū)域目標(biāo)含水層頂部主要由厚度不等的泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，阻隔了上下含水層間的垂向水力聯(lián)系，故將該區(qū)域目標(biāo)含水層頂板以上概化為上部隔水層；目標(biāo)含水層下部為石炭系中統(tǒng)本溪組泥質(zhì)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(biāo)含水層底板概化為下部隔水層。

3.1.2 模型邊界概化

根據(jù)礦井水文地質(zhì)特征以及實(shí)測(cè)碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層的流場(chǎng)分布，取模擬區(qū)東北部的太原組底部泥質(zhì)巖類隔水層出露線作為東北部邊界，屬自然邊界；取流場(chǎng)上游 970 m 等水位線作為西南部邊界，這兩個(gè)邊界均處理為二類流量邊界。模擬區(qū)的西北部邊界及南部邊界均取垂直于實(shí)測(cè)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(qū)碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒和能量守恒定律，目標(biāo)含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及水動(dòng)力學(xué)條件可概化為非均質(zhì)各向同性二

維非穩(wěn)定流。

3.1.4 源匯項(xiàng)概化

根據(jù)模型概化結(jié)果可知，模擬區(qū)目標(biāo)含水層在東北部出露區(qū)接受大氣降水及地表水的入滲補(bǔ)給。排泄項(xiàng)主要為模擬區(qū)目標(biāo)含水層內(nèi)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?dāng)?shù)學(xué)模型

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

式中：D——計(jì)算區(qū)范圍；

K——沿x，y坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù)，m/d；

W——源匯項(xiàng)，m/d；

μ——含水層彈性釋水系數(shù)，L/m；

h——點(diǎn)(x，y)在t時(shí)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(shù)，m/d；

Γ2——第二類邊界；

q——滲流區(qū)二類邊界上的單位面積流量，m3/d。

3.3 模型識(shí)別

選擇適宜的時(shí)間段對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別，將模擬區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)、水頭初始條件及邊界條件作為模型調(diào)參的初始值，運(yùn)行預(yù)報(bào)模型，對(duì)目標(biāo)含水層的實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位進(jìn)行擬合分析，若二者相差較大，則根據(jù)參數(shù)變化范圍和實(shí)際水位差值，重新給定參數(shù)迭代計(jì)算，直至二者擬合較好。通過調(diào)參計(jì)算，實(shí)測(cè)水位和計(jì)算水位等值線擬合結(jié)果較好，含水層概化與參數(shù)選擇符合實(shí)際，見圖2。

3.4 模擬預(yù)測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià)

3.4.1 計(jì)算思路

根據(jù)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(wù)年限為10.7年。輔助水平只開采4#煤層，劃分為3個(gè)采區(qū)；主水平開采10#、11#煤層，劃分為4個(gè)采區(qū)；礦井主輔水平同時(shí)開采。礦井正常涌水量為2250 m3/d，模擬時(shí)將此涌水量平攤到整個(gè)采區(qū)面積上，利用Visual Modflow軟件中的RECHARGE(補(bǔ)給)模塊(抽水取負(fù)值)排泄出去，模擬時(shí)段為10.7年，預(yù)測(cè)礦井開采結(jié)束后，目標(biāo)含水層的水位變化。

圖2 水位擬合圖

3.4.2 模擬結(jié)果分析

通過模擬計(jì)算，亨元順煤礦4#、10#、11#煤層開采10.7年后，模擬區(qū)目標(biāo)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(chǎng)圖

由圖3可以看出，煤層采空后，目標(biāo)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(zhèn)鄉(xiāng)集中供水水源井水位降深約為20 m。

井田范圍內(nèi)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(qū)域及目標(biāo)含水層淺埋區(qū)，目標(biāo)含水層與第四系松散層直接接觸，煤層開采會(huì)進(jìn)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(bǔ)給來源均受到影響。

3.4.3 禁采區(qū)范圍界定

通過以上煤礦開采對(duì)上覆含水層的影響分析及地下水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果，10#、11#煤層的開采對(duì)供水水源含水層破壞嚴(yán)重，且短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)，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(shè)煤炭資源量，需在建立地下水流數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，對(duì)各采區(qū)的可采范圍進(jìn)行界定，即劃定保護(hù)水源井之煤炭禁采區(qū)范圍。

10#、11#煤層間距平均為7.62 m，且11#煤層在井田內(nèi)大部分不可采，可采區(qū)僅位于井田西部和中北部；10#、11#煤層為一個(gè)主水平，礦井巷道布置采用聯(lián)合布置；因此本次按照10#煤層設(shè)計(jì)采區(qū)對(duì)水源井禁采區(qū)范圍進(jìn)行劃分。主水平10#煤層采區(qū)設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 10#煤層采區(qū)設(shè)計(jì)圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與礦井開拓部署，主水平首采工作面位于1001采區(qū)北部，隨著采掘工作面不斷向西南部推進(jìn)，勢(shì)必會(huì)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(qū)采用北部首采區(qū)與西南部采區(qū)距離水源井由遠(yuǎn)及近逐漸擴(kuò)大可采范圍的方法對(duì)煤層開采造成的上覆含水層影響進(jìn)行數(shù)值模擬；可采區(qū)范圍逐步擴(kuò)大慢慢靠近供水水源井的過程為試算模擬過程；根據(jù)地下水流場(chǎng)分布，可采區(qū)范圍的擴(kuò)大采用垂直于等水位線的方向慢慢擴(kuò)大，如果可采區(qū)煤層開采對(duì)水源井水位造成影響，則縮小可采區(qū)范圍重新模擬計(jì)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(shí)1001采區(qū)可采范圍以外的區(qū)域即為保護(hù)供水水源井的禁采區(qū)。

經(jīng)過反復(fù)模擬試算，1001采區(qū)北部可采區(qū)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(qū)西南部可采區(qū)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(qū)開采結(jié)束后形成的地下水降落漏斗影響范圍恰好未到達(dá)供水水源井。

1001采區(qū)可采范圍內(nèi)煤層開采后，水源井含水層水位未受到影響；繼而對(duì)1002采區(qū)可采范圍進(jìn)行模擬計(jì)算，通過試算，1002全采區(qū)開采結(jié)束后，形成的降水漏斗對(duì)供水水源井沒有影響。礦井范圍內(nèi)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層水位等值線見圖5。

圖5 1001可采區(qū)及1002全采區(qū)煤層開采后水位預(yù)測(cè)結(jié)果

綜合上述模擬結(jié)果，亨元順煤礦內(nèi)供水水源井東北部900 m、西南部950 m以外的區(qū)域，煤層開采對(duì)水源井含水層沒有影響。壇鎮(zhèn)鄉(xiāng)供水水源井煤柱留設(shè)范圍，也就是亨元順煤礦10#煤層的禁采區(qū)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(qū)面積約為2.8 km2。

4 結(jié)語(yǔ)

亨元順煤礦的開采將對(duì)井田內(nèi)所屬供水水源井取水含水層結(jié)構(gòu)、水位產(chǎn)生嚴(yán)重影響。應(yīng)用Visual Modflow軟件進(jìn)行煤礦開采對(duì)水源井影響的數(shù)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(yán)重影響。依據(jù)數(shù)值模型進(jìn)行模擬試算，劃定水源井禁采區(qū)面積約為2.8 km2。鑒于礦井水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，模擬結(jié)果可能與實(shí)際存在一定偏差，建議結(jié)合煤礦開采規(guī)劃和井田水文地質(zhì)條件合理確定禁采區(qū)范圍，在煤礦開采過程中做好水源井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，及時(shí)調(diào)整開采布局。

圖6 10#煤層可采區(qū)與禁采區(qū)分布圖

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(責(zé)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(jí)工程師，主要從事水資源及水環(huán)境評(píng)價(jià)、水文地質(zhì)勘查與研究工作。