采動作用下煤礦地下水流場的演變規(guī)律

張耀文， 張莉麗， 宋穎霞， 李海君

(1.防災科技學院生態(tài)環(huán)境學院， 三河 065201； 2.中國地震局工程力學研究所中國地震局地震工程與工程振 動重點實驗室, 哈爾濱 150080； 3.北京中礦博能生態(tài)環(huán)境技術研究院有限公司， 北京 101300)

隨著煤炭開采深度和規(guī)模的逐漸加大，煤層頂板含(隔)水層結構受采動破壞的影響越發(fā)嚴重，煤礦地下水資源短缺問題日益突出，這一問題在中國富煤缺水的西部礦區(qū)尤為顯著[1]。為減緩西部礦區(qū)由于采煤導致的含水層結構變異、地下水資源破壞與生態(tài)環(huán)境問題，中國地質學者展開了大量研究工作，錢鳴高等[2]建立了煤礦綠色開采的技術體系，武強等[3-4]提出了“煤-水”雙資源礦井建設的理念和技術方法，范立民[5-6]提出了保水采煤的概念和科學內涵，構建了保水采煤研究基本框架。以上研究均指出抑制導水裂隙帶發(fā)育高度是保護含水層結構的主要途徑，也是保水采煤的關鍵技術。因此，研究采動導水裂隙帶發(fā)育高度-含(隔)水層結構破壞-地下水位下降-地下水流場變化等一系列礦井水文地質過程，對西部礦區(qū)地下水資源和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的實際意義[7-8]。

采動影響下煤層頂板形成的導水裂隙帶可破壞上覆巖層結構，當其發(fā)育高度波及上覆含水層時，可導通含水層，導致地下水位急劇降低，形成以礦井為中心的降落漏斗，改變原有的地下水循環(huán)條件[9-10]。由此可見，煤層采動形成的導水裂隙帶是擾動礦區(qū)地下水流場變化的關鍵因素。目前，針對煤礦地下水流場變化的研究已有大量報道，袁濤等[11]采用Modelmuse軟件模擬了采動影響下巴彥高勒井田的流場變化，并預測了首采區(qū)涌水量的大??；陳社明等[12]利用 Visual Modflow 軟件預測模擬了未來礦山開采過程中不同含水層水位的變化特征，并分析了礦山排水對各含水層的影響；潘玥等[13]以徐州東部廢棄礦井為例，運用數(shù)值模擬技術研究了礦井廢棄地區(qū)地下水流場演化過程及規(guī)律；李華耀等[14]采用室內相似材料模擬試驗的方法，分析了采動過程中地下水流場的變化；柳寧等[15]通過公式估算法、瞬變電磁法和地下水數(shù)值模擬法，探討了榆神府地區(qū)煤炭開采對地下水資源量、上覆巖層含水性和地下水流場的影響。白曉等[16]運用地下水流數(shù)值模型和降水量預測模型，預測分析了峰峰礦區(qū)巖溶地下水資源量和地下水流場的變化。然而，以往的礦井地下水流場模擬方法基本很少考慮采動條件下導水裂隙帶對上覆的含(隔)水層滲透系數(shù)的影響?，F(xiàn)以山西梨園河煤礦為例，考慮開采5#煤層引起的頂板含(隔)水層滲透系數(shù)變化，采用Visual Modflow 軟件模擬采煤前后研究區(qū)地下水流場的變化，預測分析采動條件下不同含水層地下水流場的演變規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省寧武縣東約8.5 km處，面積約81.89 km2，屬中溫帶季風氣候區(qū)。研究區(qū)地處桑干河與陽武河分水嶺，云中山北端，屬剝蝕斷塊低中山區(qū)，地勢起伏大，總體上西北高，東南低。區(qū)內無常年性河流，季節(jié)性河流主要為陽武河上游支流東河。研究區(qū)地層由老至新為奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系及第四系，其中，奧陶系主要巖性為薄層灰?guī)r和白云質灰?guī)r；石炭系主要巖性為鋁質泥巖、細砂巖、含礫粗砂巖以及砂質泥巖;二疊系主要巖性為石英砂巖、泥巖、粉砂巖以及含礫粗粒砂巖；三疊系主要巖性為長石砂巖、粉砂巖、細砂巖、砂質泥巖;第四系主要巖性為粉砂土、黏土以及砂礫石。礦井含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組，主采煤層為5#煤層，開采水平為二水平，其采區(qū)劃分見圖1。

研究區(qū)5#煤層頂板的直接、間接充水含水層分別為石炭-三疊系碎屑巖裂隙含水層和第四系松散孔隙含水層(圖2)。石炭-三疊系碎屑巖裂隙含水層主要為含裂隙的砂巖，夾砂質泥巖與泥巖層間隔水層，主要以風化裂隙與構造裂隙含水，一般為承壓水。各碎屑巖裂隙含水層之間有層間隔水層相隔，水力聯(lián)系差，一般裂隙由泥質或鈣質充填，富水性弱。該層地下水位埋深大于100 m，以接受風化殼孔隙裂隙含水層地下水下滲越流補給為主，其次通過地層露頭直接接受大氣降水補給，向東南方向徑流的同時還向下入滲，向可采煤層排泄，最終有部分地下水向東南方向排出井田。第四系松散孔隙含水層由沖洪積砂卵礫石組成，厚0～50 m，富水性弱-中，地下水位埋深較淺，直接接受大氣降水的補給，在向東南徑流的同時大量向下入滲，向碎屑巖裂隙含水層排泄，最終有部分地下水向東南方向排出井田。且區(qū)內分布有4個地下水位觀測孔，觀測孔編號依次為G1、G2、G3及G4(圖1)。

G1～G4為地下水位觀測孔圖1 研究區(qū)范圍與邊界條件Fig.1 Study area and boundary conditions

圖2 煤層與含水層的結構關系Fig.2 Structural relationship between coal seams and aquifers

2 礦井地下水流場變化模擬

2.1 水文地質概念模型

2.1.1 含水層及其水力特征的概化

依據(jù)研究目的，將研究區(qū)5#煤層上覆的含(隔)水層垂向上概化為3層，上部為第四系松散巖類孔隙含水層，下部為石炭-三疊系碎屑巖裂隙含水層，中間為弱透水層，隔水性較強，可阻止大氣降水向下伏碎屑巖裂隙含水層補給。研究區(qū)含水層水文地質參數(shù)隨巖性的不同而異，方向上存在差異性，含水介質可概化為非均質各向異性。井田地下水流大體上呈自西北向東南流動，地下水流系統(tǒng)的運動要素隨時空變化，故為非穩(wěn)定流。綜上所述，將研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質各向異性、具有3層結構的三維非穩(wěn)定流。

2.1.2 邊界條件概化

研究區(qū)上部邊界為潛水面，含水層系統(tǒng)通過潛水面與外界進行垂向的水量交換(降水入滲補給、蒸發(fā)等)，研究區(qū)多年平均降水量為0.001 8 m/d，入滲補給系數(shù)為0.165，多年平均蒸發(fā)量為 0.005 2 m/d，蒸發(fā)系數(shù)為0.042，蒸發(fā)極限深度為5 m。研究區(qū)下部以石炭-三疊系碎屑巖裂隙含水層底板為界，概化為隔水邊界。西北部邊界為神頭泉域與馬圈泉域的地下水分水嶺，視為隔水邊界。東南部為研究區(qū)地下水排泄邊界，概化為流量邊界,經(jīng)達西定律計算，流量初值設定為5 524.66 m3/d。垂直于地下水等水頭線劃定為研究區(qū)的東北與西南部邊界，概化為零流量邊界。

2.2 數(shù)學模型

根據(jù)研究區(qū)的水文地質概念模型，其地下水流系統(tǒng)可概化為非均質各向異性的三維非穩(wěn)定流，可用式(1)[17]表示：

(1)

式(1)中：Ω為滲流區(qū)域；h為含水層水頭；h0為含水層初始水頭；Kxx、Kyy、Kzz分別為x,y,z方向上的滲透系數(shù)；kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)；Ss為含水層儲水率；ε為含水層的源匯項；Γ2為滲流區(qū)的第二類邊界；q(x,y,z,t)—為定義的含水層二類邊界單位面積流量，流入為正，流出為負，隔水邊界為0。

2.3 數(shù)值模型

2.3.1 空間離散與參數(shù)分區(qū)

采用Visual MODFLOW軟件建立研究區(qū)地下水流數(shù)值模型，研究區(qū)東西寬12 790 m，南北長 13 147 m,采用50 m×50 m 均勻網(wǎng)格對研究區(qū)進行矩形剖分，在平面上剖分為256行×263列。根據(jù)井田地層分布特征、含水層空間展布規(guī)律、地下水天然流場以及野外抽水試驗成果資料，結合常用各種巖土參數(shù)的經(jīng)驗值，將研究區(qū)含水層的水文地質參數(shù)進行了分區(qū)，如圖3所示。

圖3 天然條件下水文地質參數(shù)分區(qū)圖Fig.3 Hydrogeological parameter zoning diagram under natural condition

2.3.2 模型的識別

根據(jù)研究區(qū)的地下水水位監(jiān)測資料，模擬以2015年7月豐水期的統(tǒng)測水位作為初始流場，模型識別期為2015年7月—2016年5月，以1個月作為1個應力期，每個應力期內包括若干時間步長，時間步長為模型自動控制。經(jīng)反復調整模型參數(shù)和邊界屬性，得到研究區(qū)典型觀測井地下水位動態(tài)擬合曲線。由圖4可以看出，模型計算值與實測值擬合效果較好，這說明所建立的地下水流數(shù)值模型可較真實地刻畫天然條件下研究區(qū)地下水流系統(tǒng)的運動特征。模型識別后的水文地質參數(shù)見表1。

3 煤層采含水層結構的影響

3.1 導水裂隙帶發(fā)育高度

煤層開采后按照垮落先后順序及巖石破壞程度從下到上依次形成垮落帶、斷裂帶及彎曲帶，其中垮落帶與斷裂帶合稱為導水裂隙帶，導水裂隙帶發(fā)育高度將對煤層上覆含水層的結構產(chǎn)生主要影響。據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，結合研究區(qū)5#煤層覆巖巖性多為泥巖，屬于中硬型，故5#煤層的導水裂隙帶發(fā)育高度選用式(2)計算：

(2)

式(2)中：Hf為導水裂隙帶發(fā)育高度，m；M為煤層采厚，m。

根據(jù)式(2)計算得到的導水裂隙帶發(fā)育高度與煤層頂板覆巖厚度的關系可判斷研究區(qū)煤層頂板含水層的采動破壞程度。5#煤層在全井田分布且可采，經(jīng)計算，5#煤層的導水裂隙帶已全部發(fā)育至井田的碎屑巖類裂隙含水層內，局部發(fā)育到井田的松散巖類孔隙含水層的底界及以上，即導水裂隙帶將全部貫通井田的碎屑巖類裂隙含水層，部分導通井田的松散巖類孔隙含水層(圖5)。因此，導水裂隙帶可能會對全井田碎屑巖裂隙含水層以及井田北部的松散巖類孔隙含水層的結構產(chǎn)生不同程度的影響。

3.2 采動影響區(qū)水文地質參數(shù)的賦值

由于采動形成的導水裂隙帶不同程度地破壞了含水層結構，使得其垂向滲透能力顯著增強，且含水層距采掘工程的垂向距離越近，采動影響越強，滲透系數(shù)的變化比值越大[18-19]，一般可為采動前的5～10倍[20-21]。因此在模擬預測煤層開采過程中，將采動影響區(qū)(導通區(qū))的松散巖類孔隙含水層及黃土隔水層的垂向滲透系數(shù)增大5倍，全井田的碎屑巖類裂隙含水層的滲透系數(shù)分區(qū)保持不變[圖3(b)]，但其垂向滲透系數(shù)增大10倍，采動影響后的水文地質參數(shù)分區(qū)見表1及圖6。

圖4 模擬與實測地下水位擬合曲線Fig.4 Fitting curves of simulated and measured groundwater levels

表1 含水層水文地質參數(shù)分區(qū)表Table 1 Division of hydrogeological parameters of aquifer

圖5 煤層頂板含水層采動破壞分布圖Fig.5 Mining failure distribution map of coal seam roof aquifer

圖6 采動條件下含水層水文地質參數(shù)分區(qū)圖Fig.6 Hydrogeological parameter division diagram of aquifer under mining condition

4 煤炭開采對地下水流場的影響

根據(jù)礦井的開采規(guī)劃和疏排水方案，結合煤層開采對含水層結構的影響，將采動后的水文地質參數(shù)輸入到預測模型中，預測期降水量取多年平均值0.001 8 m/d，入滲補給系數(shù)為0.165，蒸發(fā)量和側向徑流排泄量受礦井排水影響均有一定的減少，累計減少550.28 m3/d。按井田可采儲量和高效生產(chǎn)能力預計20 年可采完5#煤層,開采期間礦井排水量為9 521.36 m3/d，預測模型以2016年5月流場為初始流場[圖7(a)、圖7(c)]，開采20年后松散巖類孔隙含水層與碎屑巖類裂隙含水層的地下水流場分別如圖7(b)、圖7(d)所示。

圖7 采動條件下地下水流場分布圖Fig.7 Distribution of groundwater flow field under mining condition

4.1 煤炭開采對松散巖類孔隙含水層流場的影響

5#煤層開采后，松散巖類孔隙潛水總體上由西北向東南徑流的方向不會改變，主要地下分水嶺依然存在，但由于5#煤層的導水裂隙帶已導通井田北部的松散巖類孔隙含水層[圖5(a)]，導通區(qū)含水層的垂向滲透系數(shù)增大，致使松散巖類孔隙含水層加強了對下伏碎屑巖類裂隙含水層的越流補給，因此，井田北部的松散巖類孔隙潛水水位有所下降，形成了局部降落漏斗，最大降深為18 m[圖7(b)]。而研究區(qū)其他范圍內的松散巖類孔隙含水層幾乎不受采動裂隙發(fā)育影響，含水層以沉陷變形為主，不存在結構破壞，潛水位基本保持不變，地下水流場變化較小。

4.2 煤炭開采對碎屑巖類裂隙含水層流場的影響

煤炭開采疏干的目的含水層為碎屑巖類裂隙含水層，這將直接導致該含水層水位大幅下降，開采20年后研究區(qū)形成了以井田中部為中心的地下水位降落漏斗，最大降深為106 m。由于5#煤層頂板發(fā)育的導水裂隙帶基本貫通了全井田的碎屑巖類裂隙含水層，故在煤炭開采過程中該含水層地下水可能通過導水裂隙帶進入井下，最終以礦井涌水形式排出井田。因此，煤炭開采后，井田的碎屑巖類裂隙含水層結構的破壞使得地下水的徑流方式主要由順層運動轉變?yōu)榇瓜蜻\動，井下開采區(qū)成為主要排泄區(qū)，改變了礦井原有的地下水循環(huán)條件，碎屑巖類裂隙含水層流場變化明顯。

5 結論

(1)采用Visual Modflow 軟件建立了研究區(qū)地下水流數(shù)值模型，所建數(shù)值模型可較真實地再現(xiàn)天然條件下地下水流運動規(guī)律，在此基礎上，結合煤炭開采對各含水層結構的影響，重新賦值了采動影響區(qū)的水文地質參數(shù)，并將開采期間的礦井排水量、降雨量、蒸發(fā)量等源匯項輸入到預測模型中，預測模型較好地反映了采動條件下各含水層的流場變化特征。

(2)采動狀態(tài)下，5#煤層頂板發(fā)育的導水裂隙帶基本貫穿了全井田的碎屑巖裂隙含水層，部分導通了井田北部的松散巖類孔隙含水層，不同程度地破壞了各含水層的結構，使得采動影響區(qū)的含水層垂向滲透系數(shù)增大5～10倍，由此改變了天然條件下地下水循環(huán)方式，地下水徑流途徑由順層運動轉變?yōu)榇瓜蜻\動，從而引發(fā)了研究區(qū)地下水流場的變化。

(3)礦井持續(xù)開采20年后，研究區(qū)碎屑巖類裂隙含水層受礦井排水影響，地下水位大幅下降，井田地下水流場變化明顯，最終形成了以井田中部為中心的降落漏斗，最大降深106 m;研究區(qū)松散巖類孔隙含水層流場基本保持不變，僅井田北部的導通區(qū)因越流補給碎屑巖類裂隙含水層導致水位有所下降，局部形成降落漏斗，最大降深18 m。