采煤對含水層地下水水位和水量的影響

穆鵬飛

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710177)

煤礦采煤工作面的回采，使煤層頂板巖體原始應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，引起應(yīng)力重新分布，從而使圍巖產(chǎn)生變形及破壞，逐漸形成頂板導(dǎo)水裂隙帶[1]，并溝通煤層頂板上覆含水層水體，地下水沿裂隙帶涌入礦坑，而導(dǎo)水裂隙帶未波及到的含水層地下水，由于直接充水含水層涌入礦坑中地下水的疏排，水位降低，礦井含水層水力梯度的變化導(dǎo)致裂縫帶未波及到的含水層地下水的水位下降和越流向下補(bǔ)給排泄水量的增加[2]，為了研究礦井采煤對含水層地下水的影響，采用Visual Modflow數(shù)值模擬軟件預(yù)測和分析采煤工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶未波及到的含水層地下水的動態(tài)變化規(guī)律[3]。

1 水文地質(zhì)概況與導(dǎo)水裂隙帶

1.1 水文地質(zhì)概況

井田位于山西省太行山西麓，屬于華北型煤田，礦井規(guī)劃開采石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)的15號煤層，頂板上覆主要含水層為太原組K2、K3、K4灰?guī)r含水層，單位涌水量0.008 6～0.24 L/(s·m)；山西組K7砂巖含水層，單位涌水量0.001 1 L/(s·m)；下石盒子組K8砂巖含水層，單位涌水量0.167 L/(s·m)；上石盒子組K10砂巖含水層含水層[4-5]，單位涌水量0.167 L/(s·m)。含水層富水性劃分為弱富水性q≤0.1 L/(s·m)，中等富水性0.1

1.2 導(dǎo)水裂隙帶

15號煤層平均厚度5.67 m，頂板主要由砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和石灰?guī)r組成，巖體抗壓強(qiáng)度為12.2～96.8 Mpa，煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》[6]，按中-堅(jiān)硬巖石考慮，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：hli——導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

d——煤層厚度，m；

根據(jù)井田內(nèi)地質(zhì)(水文)鉆孔資料，計(jì)算得到煤層開采后頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為65.72～91.39 m，一般高度77.64 m，如表1所示，而15號煤層頂板至太原組K2、K3、K4灰?guī)r含水層底板平均距離分別為17.66 m、35.45 m和52.94 m，至山西組K7砂巖含水層底板平均距離93.11 m，至下石盒子組K8砂巖含水層底板平均距離164.71 m，至上石盒子組K10砂巖含水層底板平均距離282.64 m，如表2所示。

經(jīng)煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與煤層頂板含水層位置關(guān)系對比分析，15號煤層開采后頂板導(dǎo)水裂隙帶未發(fā)育至下石盒子組K8砂巖和上石盒子組K10砂巖含水層。

表1 部分鉆孔導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算結(jié)果

Table 1 Calculation results of partial boreholedrainage fracture zone

表2 煤層與含水層距離

2 地下水?dāng)?shù)值模擬

建立水文地質(zhì)概念模型，運(yùn)用地下水動態(tài)模擬軟件Visual Modflow建立模擬區(qū)地下水流數(shù)值模型[7]，利用礦井實(shí)測水位，繪制實(shí)測流場，校正數(shù)值模擬參數(shù)及模型，最后利用校正后的數(shù)值模型來預(yù)測采煤對含水層水位及越流排泄水量的影響。

2.1 含水層概化

根據(jù)礦井地層沉積厚度、巖性類型、含水層孔隙特征、水文地質(zhì)參數(shù)、水力聯(lián)系以及導(dǎo)水裂縫導(dǎo)通情況等，在垂向上將模擬區(qū)含水層概化為：第一層為上石盒子組；第二層為下石盒子組；第三層為山西組；第四層為太原組。

下石盒子組為砂泥巖互層的復(fù)合含水巖組，砂巖含水層與泥巖隔水層互層分布，垂向上該層隔水性能良好，模擬時(shí)將其概化為各向異性地層，通過降低垂向滲透系數(shù)將其表征為隔水層。山西組K7砂巖含水層和太原組K2、K3、K4灰?guī)r含水層為煤層開采后頂板導(dǎo)水裂隙帶溝通的含水層，兩層共用相同水頭。

2.2 模型范圍和邊界條件概化

將水庫的陸域區(qū)范圍外擴(kuò)1.5 km的矩形區(qū)域確定為地下水模擬范圍，模擬區(qū)東西長8 km， 南北寬10.2 km，面積81.6 km2。

下石盒子組K8砂巖和上石盒子組K10砂巖含水層初始水位流場及模擬研究區(qū)邊界類型劃分如圖1所示，其中西(1-2)邊界、北(2-3)邊界、南(4-1)邊界模擬區(qū)外含水層地下水向模擬區(qū)內(nèi)存在徑流補(bǔ)給，概化為補(bǔ)給流量邊界；東(3-4)邊界模擬區(qū)內(nèi)含水層地下水向模擬區(qū)外存在徑流排泄，概化為排泄流量邊界；模擬區(qū)中部為水庫，為模擬區(qū)內(nèi)含水層地下水的主要補(bǔ)給區(qū)域，概化為定水頭邊界；模擬區(qū)頂部邊界通過松散覆蓋層或裸露基巖直接接受大氣降雨的入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄；模擬區(qū)的底部邊界為15號煤層，可概化為隔水邊界[8]。

圖1 石盒子組含水層初始流場及邊界類型Fig. 1 Initial flow field and boundary type of Shihezi formation aquifer

太原組K2、K3、K4灰?guī)r含水層和山西組K7砂巖含水層初始水位流場及模擬區(qū)邊界類型劃分如圖2所示，其中西(1-2)邊界、東(3-4)邊界與含水層的水位等值線基本垂直，模擬區(qū)內(nèi)外含水層互補(bǔ)非常微弱，概化為零流量邊界[9]；北(2-3)邊界模擬區(qū)內(nèi)含水層地下水向模擬區(qū)外存在徑流排泄，概化為排泄流量邊界；南(4-1)邊界模擬區(qū)外含水層地下水向模擬區(qū)內(nèi)存在徑流補(bǔ)給，概化為補(bǔ)給流量邊界。

圖2 太原組和山西組含水層初始流場及邊界類型Fig. 2 Initial flow field and boundary type of Taiyuan formation and Shanxi formation aquifer

2.3 地下水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)煤層頂板分布的含(隔)水層厚度、巖性、水文參數(shù)等特征，確定模擬區(qū)為一個(gè)非均質(zhì)、各向異性、空間立體三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定流的水文地質(zhì)概念模擬模型[10-11]，其數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下：

h(x,y,z,t)|t=0=h0(x,y,z)，(x,y,z)∈Ω，

h(x,y,z,t)|Γ1=h1(x,y,z,t)，t>0，

式中：h——地下水位標(biāo)高，m；

Q——邊界上的單位滲流量，m3/d；

h0——初始流場，m；

h1——定水頭邊界水頭高度，m；

n——邊界外法線方向；

K——滲透系數(shù)，m/d；

Γ1——水頭邊界；

Γ2——流量邊界；

Γ3——隔水邊界；

Ω——計(jì)算域；

W——潛水面上的垂向補(bǔ)給或排泄強(qiáng)度，L/d；

Ss——含水層的儲水率，L/m；

Kxx、Kyy、Kzz——含水層滲透系數(shù)，m/d；

t——時(shí)間，d。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 地下水流模型結(jié)構(gòu)

3.1.1 空間離散及含水層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

模型剖分采用等間距有限差分的離散方法對模擬區(qū)含水介質(zhì)自動剖分，網(wǎng)格單元的行×列×層按102×80×4劃分，各沉積地層頂、底板高程數(shù)據(jù)(等值線)根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)導(dǎo)入。

3.1.2 邊界條件

模擬區(qū)內(nèi)的水庫概化為水頭邊界(Г1邊界)；上石盒子組和下石盒子組地層的東、南、北、西邊界，山西組和太原組地層的南、北邊界均概化為流量邊界(Г2邊界)，模型通過流量邊界與外界進(jìn)行水量交換；山西組和太原組東、西部邊界以及模型底部邊界概化為隔水邊界(Г3邊界)；模型中礦井排水采用WEL孔井流子程序包實(shí)現(xiàn)，孔井的抽水量為負(fù)值表示抽水，抽水量為礦井涌水量，約為68 m3/h。

3.1.3 初始條件

含水層地下水的初始流場以2018年6月井田內(nèi)所有目標(biāo)含水層水文孔實(shí)測的地下水水位為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合礦井水文地質(zhì)條件、參數(shù)賦值綜合考慮，各含水層地下水初始流場[12]，如圖1和圖2所示。

3.2 模型校正

研究區(qū)模擬模型通過流場擬合來校正模型，進(jìn)一步深化模擬研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件，確定出能夠反映地下水流系統(tǒng)實(shí)際情況的水文地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)而為地下水水位和水量變化的準(zhǔn)確預(yù)測分析奠定基礎(chǔ)[13-14]。

由于下石盒組K8和上石盒組K10砂巖含水層為承壓含水層，地下水水位變化受外界影響較小，地下水動態(tài)變化較小，可將其視為一個(gè)連續(xù)水文年內(nèi)流場近似相同的含水層，故豐水期與枯水期流場相似。

以2018年6月(枯水期)統(tǒng)測的流場為初始流場，運(yùn)行模型計(jì)算2018年10月(豐水期)流場，2018年10月計(jì)算流場與實(shí)測流場擬合情況如圖3所示，從圖3可以看出，仁者宏觀形態(tài)擬合效果較好。

圖3 流場擬合Fig. 3 Flow field fitting

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)

通過調(diào)整參數(shù)，模型校正后得到預(yù)測分析模型的水文地質(zhì)參數(shù)見表3，參數(shù)分區(qū)如圖4所示。

表3 模型參數(shù)

圖4 上石盒子組參數(shù)分區(qū)Fig. 4 Upper-shihezi group parameter partition

3.4 地下水水位和水量的預(yù)測

15號煤層工作面開采所形成的導(dǎo)水裂隙帶直接溝通太原組K2、K3、K4灰?guī)r和山西組K7砂巖含水層地下水，隨著含水層的漏失及礦井水的疏排，推采工作面上覆含水層及規(guī)劃采區(qū)周邊地下水影響半徑范圍內(nèi)的含水層水位逐漸出現(xiàn)不同程度的降低[15]，從而引起15號煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶未溝通的下石盒子組K8和上石盒子組K10砂巖含水層的水力梯度發(fā)生變化，改變了原有水力平衡，使K8砂巖和K10砂巖含水層地下水垂直向下越流排泄，進(jìn)而引起含水層的水位和水量發(fā)生變化。

根據(jù)礦井采煤規(guī)劃，研究區(qū)內(nèi)逐步完成北、中、南部3個(gè)區(qū)域工作面的開采，根據(jù)規(guī)劃工作面的開采范圍和開采時(shí)間分別進(jìn)行了預(yù)測[16]，各區(qū)域開采結(jié)束后，15號煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶未溝通的下石盒子組K8和上石盒子組K10含水層地下水最大水位降深為0.25 m，結(jié)合含水層水文地質(zhì)參數(shù)和模擬區(qū)范圍，換算導(dǎo)水裂隙帶直接溝通含水層越流排泄水量約為145 m3/d，水位降深漏斗如圖5所示。

圖5 含水層水位降深Fig. 5 Depth reduction of aquifer

4 結(jié)束語

研究發(fā)現(xiàn)礦井15號煤層開采后，頂板導(dǎo)水裂隙帶的形成，直接溝通太原組K2、K3、K4灰?guī)r和山西組K7砂巖含水層地下水，使其成為礦井直接充水水源；未溝通的下石盒子組K8砂巖和上石盒子組K10砂巖含水層，成為礦井的間接充水水源，對礦井防治水安全夠成潛在的影響，通過地下水流三維動態(tài)數(shù)值模擬模型，預(yù)測分析規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤層開采后下石盒子組K8砂巖和上石盒子組K10砂巖含水層地下水的流場動態(tài)變化規(guī)律，其中含水層(K8和K10)地下水受采煤的影響，最大水位降深為0.25 m，預(yù)計(jì)垂向向下進(jìn)入礦井的越流排泄量為145 m3/d，該研究對本礦井未來開采及水文地質(zhì)條件相似礦井疏排水工作具有重要的指導(dǎo)意義。