煤層開采厚度變化對(duì)上覆松散含水層影響研究

張志祥，張永波，王 雪，耿逸鵬，鐘媛媛，田嘉超

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理

煤層開采厚度變化對(duì)上覆松散含水層影響研究

張志祥，張永波，王 雪，耿逸鵬，鐘媛媛，田嘉超

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

為確保煤礦區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用，采用數(shù)值模擬方法研究煤層開采厚度變化對(duì)上覆松散含水層的影響。結(jié)果表明：對(duì)于新近系含水層，在采厚小于6m時(shí)，含水層未被疏干，在采厚為6，8，10和12m時(shí)，含水層均被疏干，疏干時(shí)間分別為300，270，150和120d；對(duì)于第四系含水層，在采厚小于10m時(shí)，含水層未被疏干，在采厚為10，12m時(shí)，含水層均被疏干，疏干時(shí)間分別為90，60d。研究成果為煤礦區(qū)松散含水層地下水資源保護(hù)提供依據(jù)。

煤層開采厚度；松散含水層；數(shù)值模擬；地下水

多年來，煤炭開采對(duì)地下水影響的研究受到廣泛關(guān)注。上世紀(jì)七八十年代，國(guó)外學(xué)者Stoner J D[1]，Booth C J[2]等進(jìn)行了采煤對(duì)含水層影響的初步研究。國(guó)內(nèi)研究始于九十年代，學(xué)者們分別從不同角度進(jìn)行了定性或定量研究。韓寶平等[3]研究了煤礦開采引發(fā)的水文地質(zhì)效應(yīng)問題；張發(fā)旺等[4]認(rèn)為地下水破壞是含水層結(jié)構(gòu)破壞及環(huán)境演化的結(jié)果；張鳳娥等[5]采用數(shù)值方法研究了采煤后地下水流場(chǎng)的變化趨勢(shì)；曹勝根等[6]應(yīng)用直流電法探測(cè)技術(shù)研究了采煤底板的突水危險(xiǎn)性；張茂省等[7]運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值方法研究了采煤對(duì)地下水的影響；許家林等[8]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和相似模擬試驗(yàn)研究了煤礦松散承壓含水層的突水機(jī)理；顧大釗等[9]應(yīng)用物探方法研究了采煤對(duì)地下水賦存環(huán)境的影響；孟召平等[10]運(yùn)用突水危險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算了煤礦區(qū)第四系松散含水層的突水危險(xiǎn)性；武強(qiáng)等[11]評(píng)價(jià)了煤層底板的突水脆弱性；許志峰[12]等進(jìn)行了煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究。盡管前人取得了可喜的研究成果，但大多是關(guān)于煤層頂板砂巖裂隙水或底板突水問題，而對(duì)煤層上覆松散含水層關(guān)注較少。在我國(guó)的一些煤礦區(qū)，煤層上覆松散含水層是當(dāng)?shù)鼐用竦闹饕┧畬?，雖然采煤導(dǎo)水裂縫帶高度有時(shí)不一定能到達(dá)該含水層，但會(huì)逐漸造成含水層地下水位下降或疏干，嚴(yán)重影響居民的生產(chǎn)生活。到目前為止，煤礦開采對(duì)上覆松散含水層影響的深入研究成果還較少，特別是煤層開采厚度變化對(duì)上覆松散含水層影響有待深入研究。

某煤礦批準(zhǔn)開采二疊系山西組3號(hào)煤層，采用綜合機(jī)械化開采方法，全部垮落式控制頂板。該煤層上覆松散含水層為新近系礫石孔隙含水層和第四系砂礫石孔隙含水層，為礦區(qū)居民的主要供水水源，其中新近系含水層為承壓含水層，第四系含水層為潛水含水層。為確保煤礦區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用，采用數(shù)值模擬方法研究煤層開采厚度變化對(duì)上覆松散含水層影響，以期為采煤過程中的地下水資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

某煤礦氣候?qū)贉貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)型氣候區(qū)，地貌類型為黃土丘陵區(qū)。井田內(nèi)溝谷平時(shí)干涸無水。根據(jù)井田內(nèi)鉆孔揭露，地層由老到新依次為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)，石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)，上統(tǒng)太原組(C3t)，二疊系下統(tǒng)山西組(P1t)，新近系上新統(tǒng)(N2)，第四系上更新統(tǒng)(Q3)，全新統(tǒng)(Q4)。主要含水層為奧陶系灰?guī)r巖溶含水層、石炭系砂巖裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、新近系礫石孔隙含水層及第四系砂礫石孔隙含水層。依據(jù)煤礦區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件，為了將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化便于研究，對(duì)研究區(qū)二疊系山西組3號(hào)煤層上覆地層進(jìn)行了概化，共劃分為6層，從下到上分別為砂巖、泥頁(yè)巖、礫石、紅土、砂礫石及黃土，其中礫石為新近系含水層，砂礫石為第四系含水層，具體情況如表1所示。

表1 3號(hào)煤層上覆地層

2 數(shù)值模型建立

本研究選用Visual Modflow軟件建立地下水流數(shù)值模擬模型。根據(jù)地層巖性及所處水文地質(zhì)單元，整體上將3號(hào)煤層上覆松散含水層概化為非均質(zhì)，對(duì)于同一含水層而言可概化為均質(zhì)。研究區(qū)上部邊界為第四系含水層形成的潛水位邊界，屬變水頭邊界條件。煤層開采后含水層地下水位隨時(shí)間不斷變化，因此將地下水流概化為非穩(wěn)定流。地下水流運(yùn)動(dòng)服從達(dá)西定律。煤層開采后，地下水流由原來的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇瓜蜻\(yùn)動(dòng)，概化為垂向一維流。因此，采煤條件下研究區(qū)地下水流態(tài)為均質(zhì)、垂向、一維、非穩(wěn)定潛水水流。

3 數(shù)值模型求解

首先選擇2008年4月1日至2009年1月30日作為模型的識(shí)別階段，分10個(gè)計(jì)算時(shí)段，各時(shí)段步長(zhǎng)30d。對(duì)10個(gè)地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，經(jīng)過反復(fù)調(diào)參，使地下水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值達(dá)到較好的擬合，最終得到模型水文地質(zhì)參數(shù)(表2)。經(jīng)識(shí)別，各時(shí)段觀測(cè)點(diǎn)的地下水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合誤差小于0.5m者達(dá)到86%，符合識(shí)別要求。然后選擇2009年3月1日至2009年12月30日作為模型的檢驗(yàn)時(shí)段，分10個(gè)計(jì)算時(shí)段，各時(shí)段步長(zhǎng)30d，對(duì)同樣10個(gè)地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行擬合。經(jīng)檢驗(yàn)，各時(shí)段觀測(cè)點(diǎn)的地下水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合誤差小于0.5m者達(dá)到92%，符合檢驗(yàn)要求。

表2 模型水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)檢驗(yàn)可知，所建數(shù)值模型是正確的，能夠較好地反映采煤條件下的研究區(qū)水文地質(zhì)特征，可用于進(jìn)行煤層開采厚度變化對(duì)上覆松散含水層影響的預(yù)報(bào)。

4 模型預(yù)報(bào)及分析

4.1 預(yù)報(bào)方案確定

以概化的研究區(qū)地層為背景，以建好的數(shù)值模型為基礎(chǔ)，共設(shè)計(jì)6組預(yù)報(bào)方案，即煤層開采厚度分別為2，4，6，8，10和12m，用以探討煤層開采厚度變化對(duì)上覆松散含水層影響，各方案的預(yù)報(bào)模擬時(shí)間均為300d。模擬前的新近系含水層地下水位為+998.66m，含水層底板標(biāo)高為+984.28m。模擬前的第四系含水層地下水位為+1028.48m，含水層底板標(biāo)高為+1019.85m。

4.2 對(duì)新近系含水層影響分析

經(jīng)模擬計(jì)算，新近系含水層在不同煤層開采厚度條件下的地下水位數(shù)值模擬結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出：在采煤條件下，對(duì)于同一厚度煤層來說，新近系含水層在第1個(gè)月內(nèi)地下水位降深值最大，采厚為2，4，6，8，10和12m時(shí)的地下水位降深值分別為2.14，3.54，4.32，5.75，6.95和8.2m，均大于2 m。說明在不同煤層開采厚度條件下，煤炭開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶高度均到達(dá)了新近系含水層的底板。由于煤層開采初次放頂?shù)木壒?，在模擬期第一個(gè)月內(nèi)造成新近系含水層地下水位迅速下降，之后隨著采煤的繼續(xù)進(jìn)行，新近系含水層在后期各月的地下水位降深值均呈逐漸減小趨勢(shì)。

圖1 不同煤層開采厚度下新近系含水層地下水位變化

在整個(gè)模擬期，當(dāng)采厚為2m時(shí)，第300d含水層地下水位下降到+988.65m，高于含水層底板，總水位降深值為10.01m；當(dāng)采厚為4m時(shí)，第300d含水層地下水位下降到+984.42m，高于含水層底板，總水位降深值為14.24m；當(dāng)采厚為6m時(shí)，第300d含水層地下水位下降到+984.26m，低于含水層底板，總水位降深值為14.4m；當(dāng)采厚為8m時(shí)，第270d含水層地下水位下降到+984.25m，低于含水層底板，總水位降深值為14.41m；當(dāng)采厚為10m時(shí)，第150d含水層地下水位下降到+984.27m，低于含水層底板，總水位降深值為14.39m；當(dāng)采厚為12m時(shí)，第120d含水層地下水位下降到+984.26m，低于含水層底板，總水位降深值為14.4m。

以上情況表明，在整個(gè)模擬期間，新近系含水層地下水位隨著采煤時(shí)間的增加逐漸下降或疏干。在采厚小于6m時(shí)，該含水層未被疏干；在采厚為6，8，10和12m時(shí)，該含水層均被疏干，疏干時(shí)間分別為300，270，150和120d。

4.3 對(duì)第四系含水層的影響分析

經(jīng)模擬計(jì)算，第四系含水層在不同煤層開采厚度條件下的地下水位數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。

圖2 不同煤層開采厚度下第四系含水層地下水位變化

由圖2可以看出：在采煤條件下，對(duì)于同一厚度煤層來說，第四系含水層在第1個(gè)月內(nèi)地下水位降深值最大，采厚為2，4，6和8m時(shí)的地下水位降深值分別達(dá)到0.51，0.57，0.62和0.75m，均小于1m；而采厚為10，12m時(shí)的地下水位降深值分別達(dá)到5.22，7.85m，均大于5m。說明煤層開采厚度小于10m時(shí)，雖然采煤產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶高度沒有到達(dá)第四系含水層底板，但是由于下部新近系含水層地下水位的下降，引起第四系含水層通過下部弱透水層越流向下滲漏，在模擬期的第1個(gè)月內(nèi)造成地下水位緩慢下降，降幅較?。幻簩娱_采厚度為10，12m時(shí)，煤炭開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶高度均到達(dá)第四系含水層底板，在模擬期的第1個(gè)月內(nèi)造成地下水位迅速下降，降幅遠(yuǎn)比小采厚時(shí)大得多，之后隨著煤炭開采的繼續(xù)進(jìn)行，第四系含水層在后期各月的地下水位降深值均呈逐漸減小趨勢(shì)。

在整個(gè)模擬期，當(dāng)采厚為2m時(shí)，第300d含水層地下水位下降到+1023.27m，高于含水層底板，總水位降深值為5.21m；當(dāng)采厚為4m時(shí)，第300d含水層地下水位下降到+1022.67m，高于含水層底板，總水位降深值為5.81m；當(dāng)采厚為6m時(shí)，第300d含水層地下水位下降到+1022.15m，高于含水層底板，總水位降深值為6.33m；當(dāng)采厚為8m時(shí)，第300d含水層地下水位下降到+1021.31m，高于含水層底板，總水位降深值為7.17m；當(dāng)采厚為10m時(shí)，第90d含水層地下水位下降到+1019.76m，低于含水層底板，總水位降深值為8.72m；當(dāng)采厚為12m時(shí)，第60d含水層地下水位下降到+1019.73m，低于含水層底板，總水位降深值為8.75m。

綜上所述，在模擬期間，第四系含水層地下水位同樣隨著采煤時(shí)間的增加逐漸下降或疏干。

在采厚小于10m時(shí)，含水層未被疏干；在采厚為10，12m時(shí)，含水層均被疏干，疏干時(shí)間為90，60d。

5 結(jié) 論

(1)在不同煤層開采厚度條件下，上覆松散含水層的地下水位隨著采煤時(shí)間的增加逐漸下降或疏干。

(2)對(duì)于新近系含水層，在不同采厚條件下，導(dǎo)水裂縫帶高度均到達(dá)了含水層底板。采厚小于6m時(shí)，含水層未被疏干；采厚為6，8，10和12m時(shí)，含水層均被疏干。

(3)對(duì)于第四系含水層，在采厚小于10m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度沒有到達(dá)含水層底板，地下水通過弱透水層越流向下滲漏，但含水層未被疏干；在采厚為10，12m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度均到達(dá)含水層底板，含水層均被疏干。

(4)受采煤影響，松散含水層主要表現(xiàn)在直接滲漏或越流。煤層開采厚度越大，松散含水層受采煤影響越大。

[1]Stoner J D. probable hydrologic effects of subsurface mining[J]. Groundwater monitoring review，1983，5(1)：51-57.

[2]Booth C J. Strata-movement concepts and the hydrogeological impact of underground coalmining[J]. Groundwater，1986，24(4)：507-515.

[3]韓寶平，鄭世書，謝克俊，等.煤礦開采誘發(fā)的水文地質(zhì)效應(yīng)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，23(3)：70-77.

[4]張發(fā)旺，李 鐸，趙 華.煤礦開采條件下地下水資源破壞及其控制[J].河北地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，19(2)：115-119.

[5]張鳳娥，劉文生.煤礦開采對(duì)地下水流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬—以神府礦區(qū)大柳塔井田為例[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2002，2(4)：30-33.

[6]曹勝根，姚強(qiáng)嶺，王福海，等.承壓水體上采煤底板突水危險(xiǎn)性分析與治理[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(3)：346-350.

[7]張茂省，董 英，杜榮軍，等.陜北能源化工基地采煤對(duì)地下水資源的影響及對(duì)策[J].地學(xué)前緣，2010，17(6)：235-246.

[8]許家林，朱衛(wèi)兵，王曉振.松散承壓含水層下采煤突水機(jī)理與防治研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28(3)：333-339.

[9]顧大釗，張建民.西部礦區(qū)現(xiàn)代煤炭開采對(duì)地下水賦存環(huán)境的影響[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(12)：114-117.

[10]孟召平，高延法，盧愛紅，等.第四系松散含水層下煤層開采突水危險(xiǎn)性及防水煤柱確定方法[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30(1)：23-29.

[11]武 強(qiáng)，李 博，劉守強(qiáng)，等.基于分區(qū)變權(quán)模型的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(9)：1516-1521.

[12]許志峰，張志祥，劉曉霞.曲堤煤礦開采對(duì)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究[J].地下水，2014，36(1)：4-5.

[13]樊 燕.煤礦開采對(duì)上覆含水層影響的數(shù)值模擬研究[D].太原理工大學(xué)，2011.

[14]嵇妮娜.寺河村房屋裂縫與周邊煤礦采煤沉陷關(guān)系研究[J].科技信息，2012(27)：515，523.

[15]高喜才，伍永平.特厚煤層富水覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)分布特征模擬研究[J].煤礦安全，2011，42(3)：16-19.

[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Influence Study of Coal Seam Mining Thickness Variation to Overlying Loose Aquifer

ZHANG Zhi-xiang,ZHANG Yong-bo,WANG Xue,GENG Yi-peng，ZHONG Yuan-yuan,TIAN Jia-chao

(School of Hydro Science & Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In order to ensure underground water resources sustainable utilization of coal mine mining area，influence that coal seam mining thickness variation to overlying loose aquifer was studied with numerical simulation.The results showed that，for Neogene aquifer，when mining thickness smaller than 6m，aquifer was not dewatered，when mining thickness was 6m，8m,10m and 12m,respectively，aquifer was dewatered，and dewater time was 300d,270d,150d and 120d，respectively，but for the Quaternary aquifer，when mining thickness smaller than 10m，auqifer was not dewatered，when mining thickness was 10m and 12m，aquifer was dewatered，its time about 90d and 60d.The results could referenced for mine area loose aquifer underground water resources protection.

coal seam mining thickness，loose aquifer；numerical simulation；underground water

2016-09-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.016

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41572221)；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014011001-2)；山西省直水資源保護(hù)與水資源管理基礎(chǔ)能力建設(shè)項(xiàng)目(153200031-Q)

張志祥(1970-)，男，山西永濟(jì)人，博士研究生，講師，主要從事水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面的研究。

張志祥，張永波，王 雪，等.煤層開采厚度變化對(duì)上覆松散含水層影響研究[J].煤礦開采，2017，22(2)：61-64.

TD

A

1006-6225(2017)02-0061-04