安新煤田地下水流場演化規(guī)律研究

王強(qiáng)華，杜明澤，黎 靈，李江華，張隴強(qiáng)

(1.華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 華亭744100；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

侏羅紀(jì)煤炭資源地質(zhì)儲量約占總量的60%，主要集中分布于西北地區(qū)。我國規(guī)劃的14個大型煤炭基地中有4個處于蒙、陜、甘、寧四省交界處[1-3]。隨著開采強(qiáng)度的加大，尤其是開采水平的延伸，頂板水害問題日益突出，突水災(zāi)害時有發(fā)生，造成大量生命財產(chǎn)損失和負(fù)面社會影響，同時還嚴(yán)重制約著我國煤炭開發(fā)戰(zhàn)略西移[4-6]。

西部深埋侏羅紀(jì)煤田受沉積環(huán)境和構(gòu)造條件的影響，其煤層頂板含水層富水性不均一，是煤礦發(fā)生頂板突水的先決地質(zhì)因素[7]。眾多學(xué)者針對沉積和構(gòu)造控水規(guī)律進(jìn)行了研究[8-10]，方剛等[11]以巴拉素井田為例，從沉積控水理論研究對2#煤層頂板含水層進(jìn)行富水性分區(qū)；楊建等[12]對鄂爾多斯盆地北部深埋區(qū)“地貌—沉積”控水關(guān)鍵要素進(jìn)行了研究，得出地形地貌和地質(zhì)沉積是控制直接充水含水層富水性和工作面涌水量的關(guān)鍵要素；馮潔等[13]采用沉積微相劃分、地學(xué)信息定性統(tǒng)計與灰色關(guān)聯(lián)定量分析等多種方法分別研究了陜北侏羅系沉積微相、巖性及其組合、微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系，揭示沉積控水機(jī)理；王洋等[14]應(yīng)用沉積控水規(guī)律，分析了含(隔)水層在平面與剖面的空間展布規(guī)律與含水層富水性分布規(guī)律，并提出了深埋侏羅系煤層頂板水害源頭防控關(guān)鍵技術(shù)；杜明澤等[15]對煤礦區(qū)地下水污染場地和地下水污染流場單元進(jìn)行了科學(xué)界定，明確了煤礦區(qū)地下水污染場地范圍和地下水流場評估范圍。

安新煤田是華亭礦區(qū)規(guī)劃開采的主要煤田之一，隨著開采深度不斷加深和開采范圍不斷擴(kuò)大，安新煤田各礦井局部水文地質(zhì)條件趨于復(fù)雜，水害事故時有發(fā)生，已嚴(yán)重威脅安新煤田礦井安全生產(chǎn)。2015年7月，大柳煤礦1402采煤工作面發(fā)生涌水，停產(chǎn)20多天；2017年10月，新柏煤礦3511采煤工作面發(fā)生涌水，最大水量達(dá)到270m3/h；新窯煤礦13號勘探線附近多個工作面集中出水。諸多工作面異常涌水及突水發(fā)生給安新煤田礦井安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。目前對該煤田地下水補(bǔ)徑排關(guān)系尚未系統(tǒng)研究，地下水滲流規(guī)律還不完全清楚，為此，開展安新煤田地下水流場演化規(guī)律研究，為該礦區(qū)水害防治提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 地層條件

研究區(qū)域為安新煤田內(nèi)的三個煤礦，分別是大柳、新柏、新窯煤礦。井田內(nèi)地層由老至新分別為：上三疊統(tǒng)延長群(T3yn)、中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、下白堊統(tǒng)志丹群(K1zh)、上第三系甘肅群(Ngn)、第四系(Q)，局部存在地層缺失。研究區(qū)域如圖1所示。

1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)域內(nèi)的含水層、隔水層按其含水性、含水類型及水力特征，可劃分為5個含水層：第四系全新統(tǒng)砂礫層孔隙潛水含水層、上第三系甘肅群(Ngn)或下白堊統(tǒng)志丹群第二組(K1zh2)基巖表層風(fēng)化裂隙潛水含水層、白堊系志丹群第一組砂巖、礫巖承壓含水層、中下侏羅統(tǒng)延安組中部(煤4頂板以上)砂巖復(fù)合承壓含水層和中下侏羅統(tǒng)延安組下部煤6-2底板以下(或煤5底板以下)——三疊系砂巖、礫巖復(fù)合承壓含水層。其中，大柳井田缺失上第三系甘肅群或下白堊統(tǒng)志丹群第二組基巖表層風(fēng)化裂隙潛水含水層。

2 水文地質(zhì)概念模型

2.1 模擬范圍

水文地質(zhì)條件的概化是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，概念模型通過確定該幾何尺寸、邊界條件、源匯項和水力等參數(shù)，并通過劃分網(wǎng)格、編輯水文地質(zhì)參數(shù)等完成概化[16-19]。

研究區(qū)位于甘肅安新煤田的南部，井田地跨崇信縣、華亭市。北以煤層露頭線為界，南以安新煤田深部初始勘探線為界；西以煤5層隱伏露頭為界，東以36399940經(jīng)線為界，面積約40.0199km2，井田范圍如圖1所示。本次模擬垂向范圍上起地表松散層，下至中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)泥巖隔水層。

2.2 含、隔水層結(jié)構(gòu)的概化

綜合考慮研究區(qū)域的埋藏條件、含水層之間的水力聯(lián)系、厚度以及介質(zhì)的物理性質(zhì)，在垂向上將地層劃分為7層，自上而下依次為一含(新柏、新窯一含和二含合一)、一隔、二含(新柏、新窯三含)、二隔、三含(新柏、新窯四含)、三隔、四含(新柏、新窯五含)，礦區(qū)三維地層如圖2所示。

2.3 模型邊界條件的概化

平面上，將礦區(qū)南邊界概化為有水量補(bǔ)給的定水頭的補(bǔ)給邊界，南部概化為排泄區(qū)；礦區(qū)西邊以煤5層隱伏露頭為界，阻礙了研究區(qū)與其西面的水力聯(lián)系，概化為隔水邊界；東以36399940經(jīng)線為界，由于受到東部新安煤田礦井排水的影響，兩礦井邊界處形成分水嶺，故將東邊界概化為零通量的隔水邊界。

垂向上，上部潛水含水層接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，概化為有水量交換的開放邊界；底部以四含下部的泥巖、砂質(zhì)泥巖做為模型的底部邊界，視為無水量交換的隔水邊界。整個模擬區(qū)概化成一個相對獨立的水力單元。

3 數(shù)學(xué)模型的建立與求解

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

基于有限差分原理進(jìn)行模擬，其數(shù)學(xué)模型如下[20-22]：

h|t=0=h0(x，y，z)

(2)

h|Γ1=h0(x，y，z) (x，y，z)∈Γ1

(3)

式中，W為流入?yún)R或源項的水量；Ss為儲水率 (承壓含水層)；Kh為水平滲透系數(shù)；Kv為垂直滲透系數(shù)；h為水頭；Γ1為給定水頭邊界；Γ2為流量邊界；n為邊界面法線方向；q為Γ2邊界的流量，流出為負(fù)，零通量邊界為0。

對于該模型來說，式 (2) 為初始條件，式 (3) 為第一類邊界條件，式 (4) 為第二類邊界條件，式 (5) 為第三類邊界條件。

3.2 源匯項的處理

研究涉及源匯項有補(bǔ)給項和排泄項，模擬中地下水主要接收地下含水層的側(cè)向補(bǔ)給與大氣降水的面狀入滲補(bǔ)給，由于地表的黑河為常年性河流，從西到東貫穿整個礦區(qū)，如圖3所示，在雨季能及時排泄而在旱季能及時補(bǔ)給地下水層，能很好地平衡大氣降水的補(bǔ)給；由于井田第一隔水層平均厚度318.96m，在全區(qū)范圍內(nèi)都有分布，在很大程度上阻隔了區(qū)域內(nèi)降雨入滲補(bǔ)給源以及第一含水層對下面含水層的越流補(bǔ)給，因此，模型的邊界條件設(shè)置時僅考慮地下水含水層之間的側(cè)向補(bǔ)給，補(bǔ)給概化為線狀補(bǔ)給源。

4 礦區(qū)流場數(shù)值模型

4.1 數(shù)值模型的建立

采用GMS(Groundwater Modeling System)地下水模擬系統(tǒng)，對礦區(qū)地下水流場進(jìn)行模擬研究。模擬涉及的源匯項主要有降雨入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)以及通用水頭等；利用local source sink屬性確定邊界的補(bǔ)給排泄及賦值，對于定水頭邊界，通過定義弧段端點水頭高程來定義定水頭值，礦區(qū)水平網(wǎng)格劃分如圖4所示，礦區(qū)的初始水頭分布情況如圖5所示，礦區(qū)三維地層剖面如圖6所示。

通過對各含水層初始流場進(jìn)行賦值，進(jìn)行流場的模擬，初始模擬結(jié)果如圖7所示，選擇不同層位獲得各含水層或弱透水層的等水位線分布情況，分別如圖8—圖10所示。

4.2 模型校核

選用二含、三含的水位觀測值做校核，通過設(shè)置觀測井的水位值和設(shè)置模擬的置信度來進(jìn)行校核，具體數(shù)據(jù)見表1、表2。觀測值與計算值的條形顯示在校核置信范圍，則顯示綠色；超出置信區(qū)間范圍但小于200%，則顯示橙色；超出置信區(qū)間范圍但大于200%，則顯示紅色。

表1 研究區(qū)用于第二含水層校核觀測井

4.3 模型參數(shù)反演

考慮第二、三含水層觀測孔的位置不同，為使實際值跟計算值更容易擬合，根據(jù)觀測孔內(nèi)的水文參數(shù)進(jìn)行反演分區(qū)。模擬采用“參數(shù)區(qū)劃法”對反演參數(shù)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，賦以滲透系數(shù)、大氣降水入滲率速率等參數(shù)，含水層分區(qū)如圖11所示。通過反演，獲得第二含水層及第三含水層經(jīng)過反演優(yōu)化后的流場擬合結(jié)果，分別如圖12和圖13所示。

表2 研究區(qū)第三含水層校核觀測井

4.4 敏感性分析

通過數(shù)值模擬得到第二、三含水層的觀測井水位擬合情況分別如圖14、圖15所示。由圖可知，擬合結(jié)果相對較高，觀測值和計算值基本散落在斜率為45°的斜線周圍。通過對研究區(qū)各含水層地下水?dāng)?shù)值模型的全局靈敏度分析，模型總靈敏度較小，結(jié)果比較穩(wěn)定，說明用于模擬地下水位可靠性高。

4.5 模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果可知，大柳煤礦第二含水層在黑河河谷地區(qū)具有較高承壓水頭，靠近東部區(qū)域由于周邊煤礦的開采，對地下水有一定的疏干作用，如井筒檢查孔處水頭高度為1262.44m，水頭大約已衰減約10m左右，說明降落漏斗在向西擴(kuò)展。煤4頂板上部的砂巖復(fù)合承壓含水層具有較高承壓水頭，該含水層的富水性在平面和垂向上均存在著較大差異，但補(bǔ)給條件差，富水性差，在615孔以西的河谷地帶一般高于地表。615孔以東由于周邊礦井的疏干作用，在河谷地帶水位已低于地表。對于研究區(qū)南部的大柳礦區(qū)，井田區(qū)內(nèi)構(gòu)造中等，井田范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造的富水性、導(dǎo)水性均弱。受采掘活動影響的含水層上部覆蓋有巨厚的隔水層，補(bǔ)給條件差，補(bǔ)給量有限，富水性較差，礦井涌水穩(wěn)定，涌水量小。

對于新柏煤礦而言，潛水含水層水流由地勢較高的部位向地勢較低的部位徑流，總的趨勢是由西北向東南方向徑流。第二含水層抽水鉆孔靜止水位均超出孔口而承壓，但隨著本礦井及周邊礦井的開采，對地下水有一定的疏干作用，其水頭會有一定的衰減。對于煤4頂板上部的復(fù)合承壓含水層，具有較高承壓水頭，在井田東部個別鉆孔中出現(xiàn)自流，對煤4的安全開采存在頂板水害安全隱患。但由于該含水層大部分深埋地下，補(bǔ)給條件較為不利，故其富水性不強(qiáng)，且富水性整體有隨埋深而減弱的趨勢。

5 結(jié) 論

1)基于安新煤田地層和地下水補(bǔ)給條件，在垂向上將安新煤田地層概化為7層，總體為四含三隔結(jié)構(gòu)，概化了模型的邊界條件，建立了水文地質(zhì)概念模型，展示了三維地層空間展布。

2)通過數(shù)值模擬可知，安新煤田第二含水層在黑河河谷地區(qū)具較高承壓水頭，隨著礦井及周邊礦井的開采，對地下水有一定的疏干作用，其水頭有一定的衰減。

3)通過數(shù)值模擬可知，安新煤田煤4頂板上部的砂巖復(fù)合承壓含水層具較高承壓水頭，但補(bǔ)給條件和富水性差，但對新柏煤礦煤4局部存在頂板水害隱患。

4)通過全局靈敏度分析方法計算出來的模型總靈敏度較小，結(jié)果比較穩(wěn)定，表明該數(shù)值模型可以用來模擬該礦區(qū)地下水的水位變化。