煤礦地下水流場(chǎng)動(dòng)態(tài)模擬及預(yù)測(cè)研究*

蘆 震,張小五,王 鵬,樊發(fā)旺

(寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局,寧夏 銀川 750011)

0 引言

經(jīng)過多年的煤炭資源開采,地下水水位下降嚴(yán)重,已產(chǎn)生了地下水降落漏斗。地下水位下降造成的影響不僅僅是水資源量的減少,還會(huì)損害水循環(huán)系統(tǒng),進(jìn)而引起諸如地面沉降、地裂縫、井泉干涸、水質(zhì)惡化、地面植被破壞、土地荒漠化等環(huán)境地質(zhì)問題[1-7]。以某礦為例,通過收集煤炭資源開采前的地下水水位數(shù)據(jù),結(jié)合開采多年后的地下水水位現(xiàn)狀,分析研究地下水流場(chǎng)演化規(guī)律。采用VMOD數(shù)值模擬方法,以2021年為現(xiàn)狀年,以2035年為規(guī)劃年,就開采前、現(xiàn)狀及未來地下水流場(chǎng)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬。

1 研究區(qū)概況

1.1 地層概況

研究區(qū)自下而上依次發(fā)育有三疊系上田組(T3s);侏羅系延安組(J2y)、直羅組(J2z);侏羅系安定組(J3a);古近系清水營(yíng)組(E3q)和第四系(Q)。

三疊系上統(tǒng)上田組:研究區(qū)內(nèi)鉆孔最大揭露217.40 m,據(jù)鄰區(qū)以往地質(zhì)資料顯示其最大沉積厚度為756 m。上田組地層巖性以灰綠色、灰白色細(xì)粒、中粒、粗粒砂巖為主,局部夾薄層泥巖,砂巖成分以石英、長(zhǎng)石為主,云母次之,含鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)。

侏羅系中統(tǒng)延安組:研究區(qū)內(nèi)鉆孔揭露厚度為261.21～377.28 m,平均揭露厚度331.21 m。巖性由灰色、灰白色長(zhǎng)石石英砂巖,深灰色、灰黑色粉砂巖、泥巖、煤和少量含鋁質(zhì)泥巖組成,底部為一套淺白或黃色帶紅斑的粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖,并與下伏三疊系上統(tǒng)上田組(T3s)呈假整合接觸。

延安組地層巖性由灰白色和灰色的各粒級(jí)碎屑巖、灰色和灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤層組成。底部與下伏三疊系上統(tǒng)上田組呈不整合接觸。

侏羅系中統(tǒng)直羅組:直羅組地層巖性分上下兩段,上段以灰白色、灰褐色、灰綠色及少量紫色的細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主,夾薄層粗粒砂巖或泥巖;下段以灰白色、灰色中粒、粗粒砂巖為主,夾少量細(xì)粒砂巖和粉砂巖,底部為一層巨厚粗粒砂巖,泥質(zhì)膠結(jié),俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”,層位非常穩(wěn)定,區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育。底部與下伏侏羅系中統(tǒng)延安組呈假整合接觸。

侏羅系上統(tǒng)安定組:安定組地層巖性上部以棕紅、紫紅、紫褐色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主,夾中厚層或薄層細(xì)粒砂巖、薄層粗粒砂巖,粗粒砂巖中以長(zhǎng)石、石英為主;下部為中粒砂巖、細(xì)粒砂巖和粉砂巖互層。底部與下伏侏羅系中統(tǒng)直羅組呈整合接觸。

古近系漸新統(tǒng)清水營(yíng)組:清水營(yíng)組地層巖性主要由紅色、褐紅色、紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖組成,偶有綠色、黃綠色薄層泥巖、粉砂巖,局部為礫巖和砂巖。底部與下伏各地層呈不整合接觸。

第四系:第四系在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布,主要巖性為風(fēng)積沙土,與下伏各地層呈不整合接觸。

1.2 含水層概況

研究區(qū)含水層按巖性組合特征及地下水水力性質(zhì)、埋藏條件等,由上而下劃分為以下5個(gè)主要含水層,如圖1所示。

第四系孔隙潛水含水層:第四系地層厚1.5～38.33 m,平均厚7.25 m,潛水含水層主要賦存于風(fēng)積沙土層中,該地層滲透性強(qiáng),潛水水位主要受下部古近系泥巖頂板標(biāo)高控制,古近系泥巖為潛水隔水底板,由于以大氣降水補(bǔ)給為主,少量沙漠凝結(jié)水補(bǔ)給次之,排泄以蒸發(fā)消耗為主,而研究區(qū)多年平均蒸發(fā)量為1 866.8 mm,多年平均降水量為202.8 mm,潛水主要賦存于古近系泥巖頂板標(biāo)高較低處,潛水面隨季節(jié)變化較大,民井大多雨季有水,干旱時(shí)大多干枯。

侏羅系碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅱ含～Ⅴ含):包括侏羅系中統(tǒng)直羅組和延安組的各含水層。根據(jù)含水層分布、區(qū)域穩(wěn)定隔水層分布及水文地質(zhì)特征分析,垂向上分別為直羅組碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅱ含)、2～6號(hào)煤間碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅲ含)及6～18號(hào)煤間碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅳ含),18號(hào)煤以下碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅴ含)。

侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖裂隙孔隙含水層(Ⅱ含):侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖裂隙孔隙含水層主要為干旱條件下的河流相碎屑沉積。巖性以灰色、灰白色的粗粒、中粒、細(xì)粒砂巖為主,泥質(zhì)膠結(jié)為主,部分為鈣質(zhì)膠結(jié),整體膠結(jié)程度較差,具有大型交錯(cuò)層理,局部裂隙發(fā)育。底部發(fā)育有巨厚粗粒砂巖,弱-中等富水,是影響該煤礦煤炭資源開采的主要含水層。直羅組中部發(fā)育有一層區(qū)域穩(wěn)定隔水層,將直羅組含水層分割為上下兩段。

上段:包括區(qū)域穩(wěn)定隔水層以上直羅組含水層,巖性以灰色、灰白色及灰黃色的細(xì)、中砂巖為主,泥質(zhì)膠結(jié),顆粒支撐,含水層埋深120 m左右,厚度約為3.37～371.45 m,平均厚度為60.27 m。

下段:巖性主要為灰白色、藍(lán)灰色、灰褐色夾紫斑的粗粒、中粒砂巖,夾少量的粉砂巖和泥巖,局部含礫石;砂巖分選性差,接觸式膠結(jié)為主。底部為一層巨厚灰白色粗粒砂巖,局部為黃褐色帶紅斑,底部見磨圓中等的石英小礫石,顆粒支撐,泥質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)程度差,松散-較松散,俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”,層位非常穩(wěn)定,區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育。含水層厚度為9.32～288.66 m,平均厚度為98.33 m。本含水層是煤礦的主要充水含水層。

2號(hào)煤～6號(hào)煤間砂巖裂隙孔隙承壓含水層(Ⅲ含):本含水層主要由三角洲平原相和河流沖積平原相的碎屑巖沉積組成,巖性由灰色、灰白色不同粒級(jí)的砂巖組成,泥巖和煤層互層夾于含水層之間,層位較穩(wěn)定。含水層厚度為25.75～201.55 m,平均厚度為74.56 m,富水性弱。

6號(hào)煤～18號(hào)煤間砂巖裂隙孔隙承壓含水層(Ⅳ含):本含水層主要由淺湖-三角洲體系下的三角洲前緣相及平原相的碎屑巖沉積組成,巖性由灰色及灰白色中粒砂巖、細(xì)粒砂巖組成,砂巖分選性中等,滲透性較差,富水性弱-極弱。含水層厚度為19.63～137.87 m,平均厚度為62.97 m。

18號(hào)煤以下至底部分界線砂巖含水層組(Ⅴ含):本含水層巖性以灰白色粗粒砂巖為主,含水層厚度為3.24～89.98 m,平均厚度為26.89 m。

1.3 隔水層概況

研究區(qū)穩(wěn)定的隔水層有:直羅組中部的粉砂巖、泥巖為主的隔水層;各主要煤層及其頂?shù)装迥鄮r、粉砂巖組成的隔水層。

直羅組中部隔水層:該隔水層巖性以粉砂巖、泥巖為主,層厚為1.83～110.83 m,平均厚度為37.98 m。該隔水層有效降低了Ⅱ含水層下段(直羅組底部砂巖)與上部所有含水層間的水力聯(lián)系。

煤層及其頂?shù)装甯羲畬?包括2號(hào)煤組、3號(hào)煤組及其頂?shù)装甯羲畬?4號(hào)煤組及其底板隔水層,6號(hào)煤及其頂?shù)装甯羲畬?10號(hào)煤、12號(hào)煤及其頂?shù)装甯羲畬?18號(hào)煤本身及其頂?shù)装甯羲畬?。隔水層巖性以煤層、灰黑色泥巖、灰黑色粉砂巖互層組成,局部夾碳質(zhì)泥巖。這些隔水層有效降低了延安組Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水層間的水力聯(lián)系。

2 模型體系構(gòu)建

2.1 水文地質(zhì)概念模型

2.1.1 目的含水層

本次研究區(qū)內(nèi)共收集了多個(gè)監(jiān)測(cè)井不同時(shí)期的水位數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)層位主要集中在影響煤炭資源開采的直羅組下段含水層(Ⅱ下含),且煤礦正在開采的2號(hào)煤組及3號(hào)煤組屬于2號(hào)煤～6號(hào)煤間砂巖裂隙孔隙承壓含水層(Ⅲ含)隔水頂板,直羅組下段含水層(Ⅱ下含)是該礦影響煤炭資源開采的主要充水含水層。因此,僅模擬該含水層動(dòng)態(tài)流場(chǎng)。

2.1.2 水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型,可將模擬區(qū)地下水流概化成非均質(zhì)各向異性、承壓水三維流數(shù)學(xué)模型,建立如下數(shù)值模型。

(1)

式中,H為水頭,m;K為滲透系數(shù),m/d;Ss為承壓水貯水率,1/m;w為源匯項(xiàng),d-1,流入為+,流出為-;Γ1為水頭邊界,m;Γ2為流量邊界,m3/d;Ω為滲流模擬區(qū)域,m2;H0為初始水位,m;H1為已知水頭,m;q為邊界單寬流量,m2/d;x,y,z為空間坐標(biāo),m;n為邊界外法線方向;t為時(shí)間,d。

2.1.3 初始條件

初始條件是初始時(shí)刻地下水運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)表征,即t=0時(shí)式(1)應(yīng)滿足的條件

h(x,y,z,0)=h0(x,y,z),t=0,(x,y,z)∈Ω

(2)

初始時(shí)刻之后,在介質(zhì)水力學(xué)特性和各類邊界輸入(出)的影響下,水頭隨時(shí)間發(fā)生變化

h(x,y,z,t)=ht(x,y,z),t>0,(x,y,z)∈Ω

(3)

上述公式中,Ω為滲流空間,其余符號(hào)同上。

將2004年1月研究區(qū)觀測(cè)井地下水位輸入模型,經(jīng)空間插值得到模型運(yùn)行初始水位,作為模型初始條件。

2.1.4 邊界條件概化

依據(jù)《寧東煤田地下水控水構(gòu)造研究及水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐帧穂8],結(jié)合紅柳井田直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下)水文地質(zhì)條件,將東部馬柳逆斷層定義為隔水?dāng)鄬?構(gòu)成東部隔水零通量邊界;北部楊家窯正斷層通過音頻大地電磁測(cè)深法(AMT)探查確定為導(dǎo)水?dāng)鄬覽9],在礦井疏干時(shí)構(gòu)成北部補(bǔ)給邊界;東南部直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下)隱伏露頭區(qū)域構(gòu)成東南部補(bǔ)給邊界;西部和南部井田邊界距離先期開采地段距離較遠(yuǎn),遠(yuǎn)大于疏干狀態(tài)下影響半徑,在礦井疏干狀態(tài)下構(gòu)成西部和南部補(bǔ)給邊界,如圖2所示。

圖2 直羅組含水層邊界條件

2.1.5 含(隔)水層結(jié)構(gòu)的概化

目的含水層及其上部隔水層、含水層共概化為3層:第1層是第四系孔隙潛水含水層(Ⅰ)和直羅組上段砂巖含水層(Ⅱ上)概化為同一含水層;直羅組下段砂巖含水層頂板隔水層為第2層;直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下)作為目的含水層為第3層,如圖3所示。

圖3 直羅組含水層結(jié)構(gòu)概化示意

2.1.6 補(bǔ)給和排泄概化

補(bǔ)給項(xiàng):受直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下)頂板穩(wěn)定隔水層影響,上部含水層與該含水層水力聯(lián)系微弱,補(bǔ)給以側(cè)向徑流補(bǔ)給為主,煤礦建井前的原始流場(chǎng)條件下,該層地下水自南向北徑流。在煤炭資源開采條件下,礦井長(zhǎng)期處于疏干狀態(tài),井田內(nèi)形成了以工作面為中心的降落漏斗,除東部隔水邊界外,其余方向均變?yōu)閭?cè)向徑流補(bǔ)給方向。

排泄項(xiàng):目的含水層的排泄方式主要是人為礦井疏干排泄。該煤礦主要?jiǎng)佑妹簩訛?號(hào)煤、3號(hào)煤、4-3煤,2號(hào)煤開采時(shí)直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下含)為直接充水含水層,礦井涌水量即等同于含水層開采排泄量。開采3號(hào)煤和4-3煤工作面涌水量最大值多出現(xiàn)在上部采空區(qū)疏放水峰值或工作面采空區(qū)“兩帶”高度初步導(dǎo)通上部采空區(qū)時(shí),涌水量呈現(xiàn)由小增加到峰值再快速下降至最低值直至工作面開采結(jié)束的特征。涌水量組成以上部采空區(qū)積水為主,極少量巷道淋水次之。礦井涌水來源主要為直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下含),少量來自于2～4號(hào)煤間砂巖含水層(Ⅲ上含)。因此,礦井涌水量可以代表含水層開采排泄量進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 數(shù)值模型及模型驗(yàn)證

2.2.1 數(shù)值模型建立及求解

空間及時(shí)間離散:該煤礦南北走向長(zhǎng)約15 km,東西傾向?qū)捈s5.5 km。計(jì)算網(wǎng)格下部以含水層底部為邊界,設(shè)置為不活動(dòng)網(wǎng)格,研究區(qū)外圍均設(shè)置為不活動(dòng)網(wǎng)格,不參與計(jì)算。計(jì)算單元平面上177行135列,垂向共1層,共23 895個(gè)網(wǎng)格。

該礦勘查階段初探水位時(shí)間為2005年,2009年開始開采,初次形成采空區(qū)于2011年,收集的涌水量記錄臺(tái)賬始于2012年,收集的觀測(cè)井記錄臺(tái)賬始于2013年,終止于2021年3月,故本次模擬開始時(shí)間為2004年1月1日,模擬時(shí)間12 000 d,模擬至2035年1月1日(11 323 d)。含水層的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行非穩(wěn)定流模擬。

水文地質(zhì)模型參數(shù)選取:地下水流動(dòng)模型參數(shù)包括含水層介質(zhì)水平滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)、釋水系數(shù)。研究區(qū)直羅組底部含水層巖性以粗粒砂巖為主,泥質(zhì)膠結(jié),俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”,該含水層巖性沉積環(huán)境及層位非常穩(wěn)定,區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育。據(jù)收集的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,該含水層滲透系數(shù)差距極大,為0.005～0.446 m/d,平均0.093 m/d,本次水平滲透系數(shù)采用0.093 m/d,垂向滲透系數(shù)采用0.009 3 m/d。釋水系數(shù)采用3.7×10-6m/d[10]。

2.2.2 模型求解及擬合效果

通過多次水文地質(zhì)數(shù)據(jù)調(diào)整與運(yùn)算,得到概化后數(shù)值模型形成的地下水流場(chǎng),根據(jù)非穩(wěn)定期水位監(jiān)測(cè)結(jié)果開展水位擬合,模型與實(shí)測(cè)野外數(shù)據(jù)的擬合程度如圖4所示,相關(guān)性系數(shù)均達(dá)到99%,模型輸出精度較高,表明能夠用于未來地下水流場(chǎng)預(yù)測(cè)的模擬。

圖4 非穩(wěn)定水位擬合結(jié)果

2.3 地下水流場(chǎng)演化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

從模擬出的2012年、2015年、2021年流場(chǎng)可以看出,直羅組下段含水層受礦井疏干影響,降落漏斗直徑在不斷增加,漏斗中心最大降深達(dá)到了241 m,降落中心水位已低于該含水層隔水頂板,該區(qū)域含水層由承壓轉(zhuǎn)無壓。東部隔水逆斷層的存在致使降落漏斗東部半徑偏大。

依據(jù)該煤礦2020—2035年礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果[11],結(jié)合各煤層開采后上部“兩帶”發(fā)育高度,綜合考慮影響直羅組下段含水層的因素條件[12],調(diào)整影響概化疏水位置及疏水量,預(yù)測(cè)未來至2035年地下水位流場(chǎng)如圖5所示,由于下部煤層開采時(shí)部分煤層“兩帶”無法導(dǎo)通上部煤層采空區(qū),導(dǎo)致疏水量有所降低。因此,直羅組底部含水層降落漏斗的中心水位有所恢復(fù),半徑也有所減小,但東部隔水?dāng)鄬訁^(qū)域水位恢復(fù)較慢。

圖5 地下水流場(chǎng)模擬及預(yù)測(cè)

3 結(jié)論

(1)通過模型求解,獲得的模型擬合程度較好,表明模型輸出精度較高,能夠用于未來地下水流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分析。

(2)該煤礦直羅組下段含水層受礦井疏干影響,降落漏斗直徑在不斷增加。2021年漏斗中心最大降深達(dá)到了241 m,降落中心水位已低于該含水層隔水頂板,該區(qū)域含水層由承壓轉(zhuǎn)無壓。

(3)2035年由于下部煤層開采時(shí)部分煤層“兩帶”無法導(dǎo)通上部煤層采空區(qū),導(dǎo)致疏水量有所降低。直羅組底部含水層降落漏斗的中心水位有所恢復(fù),半徑也有所減小,但東部隔水?dāng)鄬訁^(qū)域水位恢復(fù)較慢。