神南礦區(qū)直羅組含水層對(duì)礦井涌水貢獻(xiàn)量預(yù)測(cè)分析

黃金廷 ，寧博涵 ，孫魁 ，李宗澤 ，王嘉瑋 ，宋歌

（1. 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 自然資源部礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054；3. 陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安 710054）

煤炭是中國(guó)最主要能源之一，預(yù)計(jì)至2030年，其生產(chǎn)及消費(fèi)總量將占據(jù)中國(guó)能源總量一半以上（郭賢才，1990；全國(guó)煤化工信息站，2014；“能源領(lǐng)域咨詢(xún)研究”課題組，2015；Xie，2022）。陜西省煤炭礦產(chǎn)資源豐富，含煤面積5.7×104km2，探明儲(chǔ)量1 700×108t，其中榆神府礦區(qū)探明的煤炭資源量高達(dá)2 236億t，所占比例約為全國(guó)探明煤炭資源量的30%（唐濤，2011；曹虎麒，2015；Liu et al，2022）。近年來(lái)，隨著煤炭資源的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度增加，地層形變產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶、冒落帶，破壞含（隔）水層，誘發(fā)上覆含水層地下水下滲至礦井，產(chǎn)生礦井突（涌）水風(fēng)險(xiǎn)（侯恩科等，1994；伊茂森，2008；申濤等，2011； Xu et al.，2020；杜臻等，2023）。因此，預(yù)測(cè)分析礦井涌水量，對(duì)煤炭安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

煤層開(kāi)采產(chǎn)生的冒落帶、裂隙帶和彎曲變形帶，會(huì)直接或間接影響上覆含（隔）水層，威脅煤礦安全生產(chǎn)（馮立等，2023）。當(dāng)煤層上覆多個(gè)含（隔）水層時(shí)，準(zhǔn)確識(shí)別礦井涌水的來(lái)源，對(duì)煤礦制定合理的防治水對(duì)策，具有重要的參考意義。目前，礦井涌水量預(yù)測(cè)包括大井法、比擬法、數(shù)值模擬法等。其中，數(shù)值模擬方法基于求解地下水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，具有明確的物理含義，在礦井涌水量預(yù)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。例如，馮更辰等（2011）利用Visual Modflow對(duì)白澗鐵礦區(qū)進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測(cè)研究，結(jié)果表明該礦區(qū)主要受到奧灰含水層巖溶水的影響。馮書(shū)順等（2016）對(duì)比數(shù)值模擬與大井法預(yù)測(cè)三江平原某礦井涌水量，發(fā)現(xiàn)數(shù)值法能夠再現(xiàn)實(shí)際觀(guān)測(cè)的涌水量。楊彥利等（2018）利用Visual Modflow模擬邯鄲陶二煤礦伏青灰?guī)r含水層對(duì)該礦2#煤層的涌水量并進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。張保建（2015）利用數(shù)值法同時(shí)考慮白堊系孔隙裂隙含水層、直羅組裂隙承壓含水層對(duì)礦井涌水的影響，預(yù)測(cè)分析了東勝煤田田臺(tái)格廟勘查區(qū)礦井涌水量。眾多學(xué)者采用數(shù)值法對(duì)涌水量預(yù)測(cè)研究進(jìn)行了有益的探索，但是所建立的模型范圍多局限于礦井周?chē)?，這使得模型邊界條件概化及礦井內(nèi)含水層與外側(cè)水量交換具有很大的不確定性?；诖?，筆者以神南礦區(qū)3個(gè)相鄰的檸條塔煤礦、紅柳林煤礦和張家峁煤礦（紅檸張煤礦）作為研究區(qū)，綜合考慮到區(qū)域水文地質(zhì)條件，采用數(shù)值法預(yù)測(cè)分析其礦井涌水量，解決模型邊界條件概化及礦井內(nèi)含水層與外側(cè)水量交換不夠確定的問(wèn)題，以期為煤炭開(kāi)采的礦井涌水防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 神南礦區(qū)概況

神南礦區(qū)位于陜北侏羅紀(jì)煤田神木北部礦區(qū)的南部，總面積約為440 km2，煤炭總資源量約為67億t，由3個(gè)相鄰的各持有獨(dú)立礦權(quán)的煤礦組成，分別為檸條塔煤礦、張家峁煤礦和紅柳林煤礦。礦區(qū)西部為榆神府勘查區(qū)，北部與朱蓋塔井田相鄰，東北部與孫家岔、張家溝井田相鄰，東南部隔烏蘭木倫河與新民普查區(qū)相望，南部與榆神礦區(qū)的錦界井田和涼水井井田相鄰。

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.2.1 含（隔）水層

研究區(qū)地層由老至新分別為侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a）、新近系保德組（N2b）、第四系中更新統(tǒng)離石組（Qpl）、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Qps）、馬蘭組（Qpm）、全新統(tǒng)沖積層（Qhal）和風(fēng)積沙（Qheol）地層。

按地下水賦存條件，研究區(qū)含水層分為新生界松散層孔隙潛水和中生界碎屑巖裂隙潛水及基巖裂隙承壓水兩大類(lèi)。新生界松散層孔隙水包括沖積層孔隙潛水、馬蘭黃土孔隙裂隙潛水、薩拉烏蘇組沖積湖積孔隙潛水、離石黃土孔隙裂隙潛水。中生界基巖裂隙承壓含水層包括安定組基巖裂隙水、直羅組砂巖裂隙水、延安組基巖裂隙潛水和承壓水。除以上兩大類(lèi)含水層外，還有燒變巖裂隙孔洞潛水含水層，其分布于烏倫木蘭河、勃牛川、考考烏素溝及較大的支溝溝谷兩岸厚煤層露頭區(qū)。區(qū)內(nèi)新近系上新統(tǒng)保德組黏土為隔水層，分布不連續(xù)。

1.2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，補(bǔ)給量受降水量、降水強(qiáng)度、降水形式、地形地貌、含水層巖性等多種因素制約。區(qū)內(nèi)多年來(lái)年平均降水量為434.10 mm，集中于7～9月。沙漠灘地區(qū)地形平緩，透水性好，有利于入滲補(bǔ)給，入滲系數(shù)為0.20～0.30，黃土丘陵區(qū)，地形破碎，溝谷坡度大，入滲系數(shù)一般小于0.10，侏羅系燒變巖帶巖石破碎，孔隙裂隙發(fā)育，接受降水補(bǔ)給條件較好。區(qū)內(nèi)地表分水嶺與地下分水嶺基本一致，地下水接受入滲補(bǔ)給之后向河谷區(qū)和洼地區(qū)運(yùn)移。徑流速度取決于含水層巖性及水力坡度（5‰～10‰）。沙漠區(qū)地下水匯流相對(duì)集中平緩，黃土溝谷梁峁區(qū)地下水流向分散，基巖承壓水以區(qū)域側(cè)向補(bǔ)給為主。河流基流排泄和潛水蒸發(fā)為地下水的主要排泄方式。

2 水文地質(zhì)概念模型的建立

2.1 模型范圍及結(jié)構(gòu)

研究區(qū)東以窟野河和烏蘭木倫河為界，西為禿尾河與榆溪河流域分水嶺，南部為垂直等水位線(xiàn)邊界，北部取陜蒙行政分界線(xiàn)，南北長(zhǎng)，東西寬，面積為8 995 km2。研究區(qū)南部垂直地下水流線(xiàn)，西部為榆溪河和禿尾河分水嶺，概化為零流量邊界；北邊界有來(lái)自東北方向的地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，概化流量邊界；東邊界取烏蘭木倫河和窟野河，概化為水頭邊界；模型區(qū)的頂面為潛水面，在該面上發(fā)生著降水入滲、潛水蒸發(fā)等垂向水交換作用，概化為潛水面邊界；模擬區(qū)底面為侏羅系延安組泥巖，概化為隔水邊界（圖1）。

圖1 研究區(qū)邊界示意圖Fig. 1 Map showing the model boundary

根據(jù)含隔水層及煤礦開(kāi)采情況，將模擬區(qū)概化為7層，由上至下分別為第四系含水巖組、保德組紅黏土隔水層、洛河組砂巖含水巖組、侏羅系中統(tǒng)安定組弱透水層、直羅組碎屑巖風(fēng)化裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組弱透水層及煤層。模擬范圍內(nèi)各含水巖組在平面上有不同程度的缺失，數(shù)值模型中要求每個(gè)模型層應(yīng)延伸至邊界，當(dāng)其對(duì)應(yīng)的實(shí)際地層在某個(gè)位置缺失時(shí)，根據(jù)缺失情況從相鄰地層中分割出相應(yīng)部分使得該模型層在該位置連續(xù)分布。

2.2 流量邊界的處理

2.3 降水入滲補(bǔ)給分析

降水入滲是研究區(qū)潛水含水層主要補(bǔ)給來(lái)源（韓朝輝等，2023），但其入滲量不僅與降雨量有關(guān)，還與研究區(qū)地形地貌、巖性、潛水埋深、包氣帶含水量等因素有關(guān)。研究區(qū)屬于干旱-半干旱氣候，年降雨量較小，入滲主要受地形及巖性影響。根據(jù)數(shù)值模擬區(qū)的包氣帶巖性結(jié)構(gòu)，結(jié)合降水入滲系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，將模擬區(qū)降水入滲系數(shù)分為4個(gè)區(qū)（圖2），對(duì)每個(gè)區(qū)進(jìn)行賦值，最終每個(gè)區(qū)入滲系數(shù)和補(bǔ)給強(qiáng)度如表1所示。

表1 包氣帶巖性、入滲系數(shù)及入滲補(bǔ)給強(qiáng)度表Tab. 1 Lithologic character of unsaturated zone, recharge coefficient and recharge intensity

圖2 降水入滲補(bǔ)給系數(shù)分區(qū)圖Fig. 2 Distribution of recharge coefficient

3 數(shù)學(xué)模型的建立及求解

根據(jù)概化的水文地質(zhì)概念模型，地下水流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型描述為：

式中：D為 滲流區(qū)域；H為含水層水位標(biāo)高（m）；K為含水層的滲透系數(shù)（m/d）；Ss為自由水面以下含水層儲(chǔ)水率（1/m）；-μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；W為潛水面的降水補(bǔ)給量、蒸發(fā)排泄量等強(qiáng)度的綜合（補(bǔ)給為正，排泄為負(fù)）（m/d）；H0(x,y,z)為含水層的初始水位（m）；Γ1為研究區(qū)東邊界（第一類(lèi)邊界）；Γj為研究區(qū)南、西、北部邊界（第二類(lèi)邊界），j=2,3,4；qj(x,y,z,t)為二類(lèi)邊界的單寬流量（m/d），j=2,3,4；n為滲流區(qū)東部、西部、北部邊界的法線(xiàn)方向；qi為第i個(gè)單元的開(kāi)采強(qiáng)度（1/d）；δi為第i個(gè)單元的狄拉克函數(shù)。上述數(shù)學(xué)模型采用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Visual Modflow求解。

4 模型的識(shí)別與校驗(yàn)

4.1 觀(guān)測(cè)水位動(dòng)態(tài)分析

經(jīng)Visual Modflow計(jì)算，J5、J10、J16等各個(gè)觀(guān)測(cè)孔計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合結(jié)果見(jiàn)圖3。實(shí)測(cè)水位與模擬水位擬合滿(mǎn)足收斂條件，擬合點(diǎn)總體相對(duì)誤差較小，擬合效果較好，水位誤差范圍一般在1～2 m。

圖3 觀(guān)測(cè)孔水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合圖Fig. 3 Comparison between calculated and observed groundwater level in observation wells

4.2 流場(chǎng)分析

經(jīng)Visual Modflow將潛水流場(chǎng)末時(shí)刻（圖4a）和直羅組流場(chǎng)末時(shí)刻的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合（圖4b）。可見(jiàn)，識(shí)別期結(jié)束時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合整體吻合較好，地下水流動(dòng)方向一致，符合水動(dòng)力場(chǎng)特征：總體上由西北部向西南、東北、南3個(gè)方向徑流。

4.3 礦井涌水量分析

紅柳林、檸條塔、張家峁礦井涌水量計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀(guān)測(cè)值分別見(jiàn)圖5a～圖5d所示，各個(gè)礦井涌水量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值總體趨勢(shì)一致，模型識(shí)別的總體效果較好。

圖5 實(shí)測(cè)與計(jì)算礦井涌水量對(duì)比圖Fig. 5 Observed and calculated mining water

從擬合情況可以看出，模型經(jīng)過(guò)調(diào)試，淺層和深層地下水流場(chǎng)、地下水長(zhǎng)觀(guān)孔動(dòng)態(tài)過(guò)程、礦井涌水量的計(jì)算等達(dá)到了較好的擬合，數(shù)值模型可以代表該地區(qū)煤礦開(kāi)采條件下地下水狀態(tài)與地下水動(dòng)態(tài)過(guò)程。對(duì)于深部直羅組含水層，雖所模擬的水位個(gè)別觀(guān)測(cè)孔差別較大，但宏觀(guān)趨勢(shì)與空間分布規(guī)律是正確的。因此，本數(shù)值模型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析可行。

5 礦井涌水量預(yù)測(cè)分析

5.1 工作面與滲透系數(shù)設(shè)置

煤礦開(kāi)采導(dǎo)致地層應(yīng)力發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生冒落帶、裂隙帶和彎曲變形帶，其中冒落帶與裂隙帶（兩帶）將對(duì)含隔水層滲透系數(shù)產(chǎn)生較大的影響。如果“兩帶”穿透紅黏土隔水層，會(huì)導(dǎo)致上覆第四系和白堊系含水層地下水下滲，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成影響。因此，預(yù)測(cè)礦井涌水量，首先預(yù)判導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律。根據(jù)煤礦實(shí)測(cè)值確定導(dǎo)水裂隙帶高度（表3），預(yù)測(cè)規(guī)劃工作面導(dǎo)高（表4）。檸條塔井田導(dǎo)高貫穿直羅組水層，未到達(dá)地表，隔水土層未受到破壞（表4）。根據(jù)神南礦區(qū)檸條塔煤礦、張家峁煤礦和紅柳林煤礦的未來(lái)3年短期開(kāi)采規(guī)劃，紅柳林煤礦開(kāi)采工作面在礦區(qū)東部，未影響到直羅組含水層，張家峁煤礦開(kāi)采也未影響到直羅組含水層。因此，本次僅預(yù)測(cè)檸條塔煤礦開(kāi)采對(duì)直羅組含水層的影響。根據(jù)已有研究結(jié)果（陳佩，2016；楊志，2019），因煤礦采動(dòng)，砂巖及粉砂巖的滲透性將增加至原有滲透系數(shù)的7.65～15.70倍。考慮檸條塔導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)值，本次預(yù)測(cè)煤礦采掘工作面采用滲透系數(shù)增加值的平均值，即檸條塔井田所在區(qū)域滲透系數(shù)按模型校驗(yàn)結(jié)果的11.65倍計(jì)算，其他區(qū)域滲透系數(shù)仍按模型的識(shí)別結(jié)果。

表3 煤礦導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)值表Tab. 3 Measured height of fracture at two mines

表4 規(guī)劃工作面導(dǎo)高預(yù)測(cè)表Tab. 4 Predicted height of fracture in planning working face

5.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

預(yù)測(cè)期水均衡結(jié)果見(jiàn)表5。預(yù)測(cè)期地下水總補(bǔ)給量為6.82×105m3/d，其中降水入滲補(bǔ)給為主要的補(bǔ)給來(lái)源；總排泄量為3.09×105m3/d，河流排泄為主要排泄項(xiàng)。均衡差為5.94×105m3/d，為正均衡。對(duì)比模型識(shí)別校驗(yàn)期，水均衡為正均衡緣于礦區(qū)水位降至煤層底板，地下水主要向礦區(qū)內(nèi)排泄，河水排泄量大幅衰減。

表5 預(yù)測(cè)期水均衡表Tab. 5 Water balance in the predicted period

2023年4月30日直羅組含水層地下水流場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。與模型識(shí)別期流場(chǎng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)期煤礦開(kāi)采并未改變區(qū)域地下水水動(dòng)力條件，即流場(chǎng)總體流向沒(méi)有明顯變化。但由于煤礦開(kāi)采，在紅柳林、張家峁和檸條塔井田邊界水力坡度急劇增大，表明直羅組的地下水將向煤礦井田內(nèi)排泄。

圖6 預(yù)測(cè)期直羅組含水層地下水流場(chǎng)圖Fig. 6 Groundwater contour lines of Zhiluo aquifer groundwater

礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果顯示（圖7），3個(gè)煤礦的涌水量趨勢(shì)均與擬合數(shù)據(jù)趨勢(shì)保持一致，且逐漸減小，這與工作面開(kāi)采形成采空區(qū)后導(dǎo)致含水層的水慢慢疏干后的現(xiàn)象保持一致。

圖7 礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果圖Fig. 7 Results of predicted mine water inflow in three mines

在預(yù)測(cè)模擬模型內(nèi)建立不同層檸條塔井田的水均衡區(qū)，統(tǒng)計(jì)檸條塔井田水均衡量（表6），確定礦井涌水量。根據(jù)檸條塔井田水均衡統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，檸條塔井田主要以側(cè)向流為主，側(cè)向流入量占總流入量的75.67%，側(cè)向流出量占總流出量的95.18%。由于檸條塔井田直羅組含水層無(wú)其他源匯項(xiàng)，水量損失全部為煤礦開(kāi)采所致的礦井排水，由此確定未來(lái)礦井涌水量為117 743.52 m3/d（4 905.98 m3/h），其中直羅組砂巖貢獻(xiàn)94.82%，2—2煤上覆延安組砂巖貢獻(xiàn)2.79%。

表6 檸條塔井田水均衡統(tǒng)計(jì)表Tab. 6 Water balance of Ningtiaota coal Mine

6 結(jié)論

（1）筆者采用數(shù)值模擬方法，綜合考慮了區(qū)域水文地質(zhì)條件，分析并預(yù)測(cè)了檸條塔煤礦、紅柳林煤礦和張家峁煤礦（紅檸張煤礦）礦井涌水量，對(duì)解決模型邊界條件概化及礦井內(nèi)含水層與外側(cè)水量交換不夠確定的問(wèn)題進(jìn)行了探討。

（2）神府南礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水入滲補(bǔ)給，主要排泄項(xiàng)為河流基流排泄。

（3）根據(jù)現(xiàn)有煤礦裂采比監(jiān)測(cè)結(jié)果，神府南礦區(qū)3個(gè)礦井煤礦采動(dòng)的裂隙發(fā)育不會(huì)影響至上覆紅黏土隔水層，不會(huì)對(duì)上覆第四系含水層產(chǎn)生直接影響。

（4）檸條塔煤礦開(kāi)采直接影響直羅組含水層，貢獻(xiàn)達(dá)94.82%。