煤炭開采區(qū)水源地保護(hù)范圍界定的數(shù)值模擬研究

秦 娜，唐芳芳，胡君春，劉志剛

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030032；2.北京中水新華國(guó)際工程咨詢有限公司山西分公司，山西 太原 030024；3.云南省煤炭地質(zhì)勘查院 云南 昆明 650218；4. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 山西 太原 030031)

煤炭是中國(guó)重要的能源產(chǎn)業(yè)，水資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)性資源，在煤炭開采過程中，需要對(duì)區(qū)域地下水采取有效的保護(hù)措施，否則將會(huì)形成導(dǎo)通水源地取水含水層的導(dǎo)水裂隙帶，礦井水疏排直接造成含水層地下水水位下降、水量減少甚至水質(zhì)變劣等問題。七元礦井位于山西省晉中市壽陽縣境內(nèi)，其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)113°08′41.01″～113°21′39.08″，北緯37°48′55.46″～37°58′52.86″。井田范圍涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)水源地兩處，分別為尹靈芝鎮(zhèn)集中供水水源地和馬首鄉(xiāng)集中供水水源地，主要為4個(gè)村3500人供水，為保護(hù)這兩個(gè)水源地不受七元礦井開采的影響，本文采用Visual Modflow軟件對(duì)七元煤礦為期10 a、30 a及60 a的開采過程對(duì)于區(qū)域地下水位的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)，設(shè)置了相應(yīng)的禁采區(qū)范圍，為合理生產(chǎn)和開發(fā)區(qū)域地下水資源提供決策依據(jù)，即可保障能源產(chǎn)業(yè)，也可保護(hù)好生命之源。

1 煤礦開采及水文地質(zhì)概況

七元礦井位于山西省晉中市壽陽縣東約7km的七里河村，井田地跨晉中市壽陽縣和陽泉市盂縣，行政區(qū)劃隸屬于壽陽縣，總面積為195.140 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模500萬 t/a，礦井設(shè)計(jì)服務(wù)年限為122.9 a。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，含煤地層有石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組及下石盒子組[1]。太原組及山西組為勘查區(qū)主要含煤地層，煤層自上而下編號(hào)為1、2、3、4、5、6、6下、81、82、9、9下、11、12、12下、13、15、15下、16共18層煤，主要開采石炭系太原組81#、82#、15#、15下#煤層，太原組平均厚122 m，含煤11層，總厚度9.52 m。15號(hào)煤全區(qū)發(fā)育，為全區(qū)可采煤層，81、82煤層在區(qū)內(nèi)大部分地段發(fā)育，為大部可采煤層。根據(jù)煤層間距，劃分為上、下兩組，上組煤有3、6、81、82煤層，上組煤之間間距一般小于20 m，且81與82煤層部分合并，下組煤有15、15下煤層，間距平均6.29 m。上下兩組煤之間間距一般為70～90 m，平均80 m左右，設(shè)計(jì)設(shè)置1個(gè)水平(1個(gè)主水平，1個(gè)輔助水平)，主水平設(shè)于15號(hào)煤層頂板巖層內(nèi)，標(biāo)高+400 m，主要服務(wù)下組煤的15、15下煤層，輔助水平設(shè)于81煤底板巖層內(nèi)，標(biāo)高+470 m，主要服務(wù)上組煤的3、6、81、82煤層。井田以礦井井筒及工業(yè)場(chǎng)地大致劃分為南、北兩區(qū)開拓。井田主水平15煤層和輔助水平各劃分北一～北五和南一～南七共十二個(gè)盤區(qū)，15下煤層布置北一、北三、北五、南六、南七共五個(gè)盤區(qū)，全礦井共劃分29個(gè)盤區(qū)。煤層開采順序設(shè)計(jì)先開采作為保護(hù)層的下煤組15煤、15下煤層，之后進(jìn)入上組煤順序開采3、81、82煤層。

礦區(qū)內(nèi)地下水含水層由老到新有：奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層、山西組砂巖裂隙含水層、石盒子組砂巖裂隙含水層、第四系及風(fēng)化帶砂礫石含水層[2]。

井田中部偏東的尹靈芝鎮(zhèn)有集中供水水源井1處(圖1)，井深118 m，混合開采第四系松散巖類孔隙水和二疊系砂巖裂隙水，井孔標(biāo)高1 033 m，日取水量約200 m3/d，服務(wù)對(duì)象為芹泉村和照白溝村2個(gè)村，服務(wù)人口2 000人，目前該水源井保護(hù)區(qū)范圍為以水源井為中心，半徑為60 m的圓形區(qū)域。

圖1 井田與水源井及利用鉆孔位置圖

井田西南角的馬首鄉(xiāng)有集中供水水源井1處(圖1)，井深291 m，開采二疊系砂巖裂隙水。井孔標(biāo)高1 056 m，日開采量為150 m3/d。服務(wù)對(duì)象為馬首村及張家溝村，服務(wù)人口1 500人，目前該水源井保護(hù)區(qū)范圍為以水源井為中心，半徑為55 m的圓形區(qū)域。

2處水源井均以管井的方式采取地下水，水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)均位于井田范圍內(nèi)。

2 煤礦開采對(duì)水源井的影響

2.1 水源井附近地層

本次研究收集到距尹靈芝鎮(zhèn)水源井分別為1 221.49 m和 654.52 m的Q810號(hào)鉆孔、Q1713號(hào)鉆孔柱狀圖(圖2)，距馬首鄉(xiāng)水源井8 057 m的Q1102鉆孔柱狀圖(圖3)，結(jié)合水源井井孔柱狀圖及七元煤業(yè)地層綜合柱狀圖得出水源井附近地層以新到老為第四系(Q)、二疊系石千峰組(P2sh)、二疊系上石盒子組(P2s)、二疊系下石盒子組(P1x)、二疊系山西組(P1s)、石炭系太原組(C3t)。

圖2 尹靈芝鎮(zhèn)水源井與附近鉆孔相對(duì)關(guān)系

圖3 馬首鄉(xiāng)水源井與附近鉆孔相對(duì)關(guān)系

2.2 煤礦開采對(duì)水源井附近上覆含水層的影響

據(jù)調(diào)查，該井田在2個(gè)水源井附近煤層底板埋深均大于700 m。據(jù)《陽泉煤業(yè)集團(tuán)七元煤業(yè)有限責(zé)任公司七元煤礦對(duì)娘子關(guān)泉域水環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告》中對(duì)導(dǎo)水裂縫的計(jì)算得知：本井田開采81#、82#、151#、152#煤層導(dǎo)水裂縫帶埋深分別為424.07～1 002.55 m、435.64～863.26 m、549.09～1 105.16 m、599.81～985.62 m，導(dǎo)水裂縫帶埋深均大于2個(gè)水源井的深度118 m和291 m，因此，礦井開采造成的導(dǎo)水裂縫帶溝通不到該水源井，影響較小。

2.3 煤礦開采對(duì)水源井附近地下含水層的影響

煤炭開采對(duì)地下水資源的破壞程度及其數(shù)量，受多方面因素的影響，主要是水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造特征、煤礦開采階段、開采面積、開采深度、開采沉陷、降水量等因素的影響[3]。

該井田第四系孔隙含水層及基巖風(fēng)化裂隙水含水層分布于水源井上部，尹靈芝鎮(zhèn)水源地厚度為55.1～71.36 m，馬首鄉(xiāng)水源地厚度為7.84～53.18 m，巖性為黃白色砂質(zhì)粘土、亞粘土、砂礫層及礫石層等，厚度變化因地形而異，該層滲水性、含水性均好，主要接受大氣降水和雨后地表徑流的補(bǔ)給，煤炭開采將影響該含水層。同時(shí)在開采期間地表受沉陷影響，在一定程度上改變了地面降水的徑流與匯水條件[4]，含水層的水文和流向受到干擾，間接使第四系孔隙含水層及基巖風(fēng)化裂隙水含水層的水位有所下降，水量有所減少。

3 數(shù)值模擬法對(duì)水源地禁采區(qū)模擬

3.1 模型建立

3.1.1 目標(biāo)含水層選取及概化

根據(jù)煤層對(duì)上覆含水層的影響結(jié)果分析、煤層開采設(shè)計(jì)及開采分區(qū)、水源井深等眾多因素，目標(biāo)含水層選取為煤系地層，石炭系上統(tǒng)太原組，地層平均厚度120.88 m；二疊系下統(tǒng)山西組，地層平均厚度51.29 m，將兩組地層概化為一層，厚173 m，區(qū)內(nèi)隔水層較多，各基巖含水層之間都有厚度穩(wěn)定的泥巖、砂質(zhì)泥巖，各煤層隔水層厚度總體上西南厚，向東北方向變薄。礦區(qū)基巖裂隙含水層地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。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)各向異性三維非穩(wěn)定流。

3.1.2 模型邊界概化

綜合本地區(qū)基巖裂隙含水層流場(chǎng)分布和地形地貌條件、礦界水系發(fā)育情況、總體地下水流向等條件。模擬范圍以礦界為邊界，范圍為136.77 km2。模擬區(qū)北東、南西邊界垂直于基巖裂隙水水位等值線，概化為隔水邊界，流量為零；北西邊界可概化為補(bǔ)給邊界(流量邊界)；南東邊界為排泄邊界(流量邊界)。通過這條邊界的流量用達(dá)西公式計(jì)算得北西邊界的流量為202.86 m3/d，通過南東邊界的流量為339.86 m3/d(圖4)。

圖4 模擬參數(shù)分區(qū)及概化邊界

3.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)本次模擬區(qū)的水文地質(zhì)滲流概念模型，建立非均質(zhì)各向異性三維流數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式中：Ω為計(jì)算域；H為水頭；Kxx、Kyy、Kzz、Kn等為滲透系數(shù)K在坐標(biāo)主軸x、y、z及邊界法向n上的數(shù)值/分量； Ss為含水層貯水(釋水)率；Γ2為流量邊界，隔水邊界流量為零，邊界流量計(jì)算可得；q為單寬流量；W為源匯項(xiàng)(流量)；M為含水層厚度；t為時(shí)間。

3.3 模型識(shí)別與校正

在模擬區(qū)范圍內(nèi)，目標(biāo)含水層上部入滲補(bǔ)給主要為第四系大氣降水入滲補(bǔ)，排泄項(xiàng)主要為水源井人工開采排泄及礦井正常涌水。礦井正常涌水量為500 m3/h，模擬時(shí)將此涌水量平攤到各模擬時(shí)段的采區(qū)面積上。模擬參數(shù)分區(qū)及水文地質(zhì)概化邊界見圖4。

參與地下水均衡計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)主要有含水層的滲透系數(shù)K、貯水系數(shù)Ss。選擇2018年11月-2019年9月模型的識(shí)別階段，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，對(duì)這一階段的實(shí)際水位和計(jì)算水位進(jìn)行擬合分析，如果計(jì)算水位與實(shí)際水位相差很大，則根據(jù)參數(shù)變化范圍和實(shí)際水位差值，重新給定一組參數(shù)，直至二者擬合較好為止[5]。通過調(diào)參計(jì)算，實(shí)際水位和計(jì)算水位等值線的水位擬合絕對(duì)誤差小于0.5 m的占已知水位(點(diǎn)據(jù))的80%以上(圖5)，擬合結(jié)果較好，說明含水層概化、參數(shù)選擇符合實(shí)際(表1)。

圖5 初始水位擬合圖

表1 調(diào)參后水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)表

3.4 模擬預(yù)測(cè)時(shí)段選取及模擬結(jié)果

根據(jù)井田開拓布置，設(shè)計(jì)總服務(wù)年限為122.9 a。由于122.9 a開采時(shí)間跨度大，結(jié)合采區(qū)的平面布置，模擬分一階段(0～60 a)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，二階段(60～122.9 a)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托拚Ｐ?。一階段模擬至60 a，當(dāng)開采至60 a時(shí)，結(jié)合采煤至60 a時(shí)水文地質(zhì)條件和開采情況，即可驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，也可對(duì)模型進(jìn)行逐步調(diào)試和修正，使模型更加科學(xué)化和精準(zhǔn)化，從而符合本區(qū)因采煤劇烈活動(dòng)地下水移動(dòng)規(guī)律，為水源井保護(hù)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

因此，本次模擬時(shí)段分為10 a、30 a、60 a，預(yù)測(cè)三個(gè)時(shí)期的目標(biāo)含水層的水位變化(圖6～圖8)。

圖6 開采10 a后等水位線圖

圖7 開采30 a后等水位線圖

圖8 開采60 a后等水位線圖

3.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析及禁采區(qū)界定

由模擬預(yù)測(cè)結(jié)果(圖6和圖7)可以看出，煤礦開采10 a和30 a結(jié)束后，尹靈芝鎮(zhèn)水源井和馬首鄉(xiāng)水源井影響較小。

由模擬結(jié)果圖8看出，煤礦開采60 a結(jié)束后，區(qū)域上尹靈芝鎮(zhèn)水源井位和馬首鄉(xiāng)水源井位等水位線下降，尹靈芝鎮(zhèn)水源井處于近疏干狀態(tài)，即水源井報(bào)廢。

預(yù)測(cè)30 a等水位線圖(圖7)、預(yù)測(cè)60 a等水位圖(圖8)、開采設(shè)計(jì)分區(qū)圖，三張圖疊加為一張圖(圖9)。如圖9所示，紅線區(qū)域是水源井水位極限，即保證水源井不被疏干，達(dá)到保護(hù)目的。因此，尹靈芝水源井在開采南一盤(圖9⑦)、南二盤(圖9⑨)和南三盤(圖9⑧)時(shí)影響較強(qiáng)烈，尹靈芝水源井保護(hù)范圍長(zhǎng)420 m，寬300 m，面積為126 000 m2；馬首鄉(xiāng)水源井在開采南四盤(圖9)時(shí)對(duì)水源井影響較強(qiáng)烈，馬首鄉(xiāng)水源井保護(hù)范圍為長(zhǎng)220 m，寬160 m，面積為35 200 m2。

圖9 水源井保護(hù)范圍圖

4 結(jié)語

本文通過建立數(shù)學(xué)模型并運(yùn)用軟件對(duì)七元煤礦開采過程對(duì)區(qū)域地下水位的模擬，分析了煤礦開采對(duì)區(qū)域地下水開采的動(dòng)態(tài)影響，得出如下結(jié)論與建議：

(1)考慮礦山服務(wù)年限和各種影響因子，分別對(duì)礦區(qū)10 a、30 a和60 a進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬，系統(tǒng)對(duì)比，客觀反映不同時(shí)期地下水的變化情況。

(2)為保護(hù)水源井正常開采，圈定相應(yīng)的禁采區(qū)范圍：尹靈芝水源井保護(hù)范圍長(zhǎng)420 m，寬300 m，面積為126 000 m2；馬首鄉(xiāng)水源井保護(hù)范圍為長(zhǎng)220 m，寬160 m，面積為352 00 m2。

(3)從三個(gè)時(shí)期模擬可以看出，七元煤礦開采10 a和30 a結(jié)束，采煤對(duì)兩個(gè)水源井影響較小。開采60 a后，兩個(gè)水源井位置均出現(xiàn)等水位下降，未來煤炭開采過程中受人類活動(dòng)(政策變化、企業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常、開采強(qiáng)度、開采速度、工業(yè)農(nóng)業(yè)取水等影響因子)的劇烈影響，加之極端氣候，不可控因素較多，后期預(yù)測(cè)時(shí)建議針對(duì)模型進(jìn)行修正、調(diào)試和再預(yù)測(cè)，使模型具有時(shí)效性，模擬精度提高，更加科學(xué)化，為水源井保護(hù)提供科學(xué)的決策支持，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)管理、科學(xué)規(guī)范，達(dá)到人、水、環(huán)境和諧目的。