鄧強(qiáng)偉，張永波

（太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024）

煤礦開采對地下水產(chǎn)生的問題目前已經(jīng)成為全球關(guān)注的重要環(huán)境問題之一［1］。山西省煤炭資源豐富，大小煤礦1 000多個(gè)，屬于水資源貧乏的地區(qū)，許多地方尤其是在煤炭集中開采的地區(qū)，生活用水得不到滿足，制約著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

隨著煤礦開采的加深，一方面，采區(qū)煤系含水層和上覆含水層會被直接疏干直至破壞，造成水資源的破壞，使區(qū)域地下水位降低，水量減少，同時(shí)激發(fā)了邊界補(bǔ)給量，襲奪了邊界排泄量，增加了河流補(bǔ)給量［2］，使地下水補(bǔ)徑排關(guān)系發(fā)生改變，形成新的地下水系統(tǒng)。另一方面，采煤活動誘發(fā)的地面塌陷、地裂縫，破壞了淺層地下水隔水層和儲水構(gòu)造［3］，使地表水和淺層地下水順著導(dǎo)水構(gòu)造流入礦井 ，最終以礦井水的形式排到地面，使地下水水位下降，造成泉域衰減甚至斷流［4］。

本文擬應(yīng)用Visual Modflow建立水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型，以山西省朔州市平魯區(qū)大恒煤礦開采為例探討其對地下水水位和水量的影響。在對礦界周邊50km2的范圍內(nèi)水井水位進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，依據(jù)劃分的各采區(qū)開采時(shí)間，結(jié)合區(qū)域地下水埋藏深度與地層走向和調(diào)查范圍內(nèi)各個(gè)時(shí)期水井水位埋深的監(jiān)測，對大恒煤礦的開采進(jìn)行建模并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

1 煤礦概況及水文地質(zhì)條件

龍礦大恒煤礦位于朔州市平魯區(qū)陶村鄉(xiāng)。井田南北長3.85km，東西寬3.27km，面積6.909 7 km2。批準(zhǔn)開采的4，8，9，11號煤層均位于石炭系上統(tǒng)太原組，生產(chǎn)規(guī)模為1.80×106t／a，預(yù)計(jì)開采26.9a。

井田內(nèi)大部分被黃土覆蓋，局部見基巖出露。井田發(fā)育地層由老到新分別為：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）；石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）；石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）；二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）；二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）；二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）；上第三系上新統(tǒng)（N2）；第四系上更新統(tǒng)（Q3）。井田內(nèi)主要含水層包括：（1）奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。巖溶發(fā)育極不均勻，連通性中等，井田奧灰水位標(biāo)高約為1 078.50～1 086.50m。（2）太原組、山西組砂巖裂隙含水層局部裂隙發(fā)育，具有一定含水條件。但由于砂巖含水層埋藏較深，其間又有泥質(zhì)巖隔水層分布，不易接受上部含水層越流補(bǔ)給和大氣降水滲入補(bǔ)給，一般富水性較弱。（3）上、下石盒子組砂巖裂隙含水層。局部裂隙發(fā)育，具有一定的含水條件。僅溝內(nèi)有少量基巖出露，受大氣降水的入滲補(bǔ)給量極為有限，所以該含水層一般富水性較弱。（4）上第三系、第四系孔隙含水層。上第三系在溝谷中出露較多，含水層主要為底礫巖，厚度不穩(wěn)定，富水性弱。第四系上更新統(tǒng)井田內(nèi)廣泛分布，其含水層補(bǔ)給條件不好，連續(xù)性差，富水性弱。

2 模型的建立和識別

2.1 水文地質(zhì)概念模型

2.1.1 含水層結(jié)構(gòu)概化 由導(dǎo)水裂隙帶高度［5］和保護(hù)層煤層厚度［6］計(jì)算結(jié)果可知煤炭開采后，導(dǎo)水裂隙帶均將會導(dǎo)通石炭系上統(tǒng)山西組和二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層。由于這些含水層均為弱含水層，因此將這些含水層概化為一個(gè)含水層，根據(jù)參數(shù)敏感性分析［7］，并取被導(dǎo)通含水層中最不利的水文地質(zhì)參數(shù)代替這個(gè)含水層的各項(xiàng)參數(shù)，即用其中滲透系數(shù)最大值代替所有含水層的滲透系數(shù)。

2.1.2 模型邊界概化 根據(jù)該地區(qū)實(shí)測砂巖裂隙水水位等值線流向和大小，將上游距井田邊界最小距離約3.7km的1 120m水位等值線作為東北部邊界；下游距井田邊界最小距離約4.7km的1 030m水位等值線作為西南部邊界。這兩個(gè)邊界均處理為人為邊界，概化為二類流量邊界。模擬區(qū)以垂直于1 030～1 120m水位等值線的線段作為東南、西北部邊界。其中西北部距井田邊界最小距離約3.5km，東南部距井田邊界最小距離約3.4km。均處理為流量零通量邊界，概化為隔水邊界（圖1）。

2.1.3 含水層水力特征概化 評價(jià)區(qū)砂巖裂隙含水層地下水流從空間上看是以水平運(yùn)動為主、垂向運(yùn)動為輔，地下水流速矢量在x，y方向有分量，參數(shù)隨空間變化地下水系統(tǒng)的輸入輸出隨時(shí)間、空間變化。綜上所述，將評價(jià)區(qū)地下水運(yùn)動假設(shè)為非均質(zhì)各向同性二維非穩(wěn)定流。

2.1.4 源匯項(xiàng)概化 根據(jù)模型概化結(jié)果可知，目標(biāo)含水層上、下均概化為隔水層，源匯項(xiàng)主要為井田南部楊澗煤礦和高陽坡、圣佛崖兩個(gè)村莊的人工開采?，F(xiàn)狀條件下，整合前各煤礦的開采使得地下水已經(jīng)形成降落漏斗，不過由于開采技術(shù)及開采量的限制，降落漏斗形成范圍比較小，只局限于井田中部。

圖1 模擬區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)上述概念模型，在不考慮水的密度變化條件下，孔隙介質(zhì)中地下水的流動可用偏微分方程來表示。

式中：D——平面計(jì)算域；K——沿x，y坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù)（m／d）；h——點(diǎn)（x，y）在t時(shí)刻水頭值（m）；h0——含水層的初始水頭（m）；μ＊——含水層貯水系數(shù)（l／m）；W——源匯項(xiàng)（m／d）；→n——邊界的外法線方向；Q——滲流區(qū)二類邊界上的單位寬度流量（m3／d）；?！诙愡吔纭?/p>

2.2 邊界條件處理

模擬區(qū)西北、東南部邊界處理為隔水邊界，流量通量為零。模擬區(qū)東北、西南部邊界均概化為二類流量邊界，通過這兩條邊界的流量采用達(dá)西公式計(jì)算。

式中：Q——側(cè)向補(bǔ)給／排泄量（m3／d）；K——滲透系數(shù)（m／d），根據(jù)模擬區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)，西南部邊界為0.025m／d，東北部邊界為0.037m／d；D——剖面寬度（m），西南部邊界長約11.0km，東北部邊界長約10.8km；M——含水層厚度（m），取243.86 m；I——垂直于剖面的水力坡度（%），根據(jù)模擬區(qū)裂隙水水位等值線，西南部邊界處水力坡度約為0.87%，東北部邊界處水力坡度約為1.13%。

經(jīng)計(jì)算，通過西南部邊界的流量為583.44m3／d，東北部邊界的流量為744.02m3／d。

2.3 參數(shù)識別

選擇2011年11月25日至2012年9月28日為模型的識別階段，將水文地質(zhì)調(diào)查得到的水文地質(zhì)參數(shù)［8－9］、邊界條件、水頭初始條件作為模型調(diào)參的初始值，運(yùn)行預(yù)報(bào)模型，將實(shí)測水位和計(jì)算水位進(jìn)行擬合分析，如果計(jì)算水位與實(shí)測水位相差很大，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)，再迭代計(jì)算，直至二者擬合較好為止［10］。通過調(diào)參計(jì)算，實(shí)測水位和計(jì)算水位等值線擬合結(jié)果較好（表1），說明含水層概化、參數(shù)選擇符合實(shí)際。調(diào)參結(jié)果為：Ⅰ區(qū)滲透系數(shù)和貯水系數(shù)分別為0.04m／d和0.001 4；Ⅱ區(qū)分別為0.032m／d和0.001 1；Ⅲ區(qū)分別為0.021m／d和0.000 94，Ⅳ區(qū)分別為0.016m／d和0.000 88。

表1 觀測點(diǎn)地下水計(jì)算水位和實(shí)測水位

3 預(yù)測結(jié)果及分析

根據(jù)井田開拓布置，大恒煤礦開采4，8，9，11號煤層，分為上下兩個(gè)開采水平，從上往下開采，一、二水平服務(wù)年限均為14.4a。根據(jù)各開采水平服務(wù)年限，分別模擬預(yù)測開采14.4和28.8a之后地下水水位狀態(tài)。礦井正常涌水量為1 800m3／d。模擬時(shí)將這個(gè)涌水量平攤到全采區(qū)的面積上，以PUMP WELLS的形式排出。經(jīng)過模擬，大恒煤礦一水平采區(qū)開采后，由評價(jià)區(qū)砂巖裂隙含水層水位等值線圖分析可知，全區(qū)開采14.4a后，以全區(qū)為中心的降水漏斗范圍擴(kuò)大，漏斗中心的水位降深約為36m，往上、下游水位降深逐漸變小，至下游約為1.2km處，上游約為0.6km處，影響面積約為5.6km2。大恒煤礦二水平采區(qū)開采后，由評價(jià)區(qū)砂巖裂隙含水層水位等值線圖分析可知，全區(qū)開采28.8a后，以全區(qū)為中心的降水漏斗范圍擴(kuò)大，漏斗中心的水位降深約為55m，往上、下游水位降深逐漸變小，至下游約為2.8km處，上游約為1.7km處，影響面積約為9.5km2。

4 結(jié)論

（1）以大恒煤礦為例，初步闡述了煤礦開采對地下水影響。由模擬結(jié)果可以看出，隨著煤礦的開采，在影響范圍內(nèi)會逐漸形成以開采地區(qū)為中心的地下水降落漏斗，而且隨著煤礦開采范圍的加大與開采深度的加深，地下水降落漏斗范圍也會繼續(xù)擴(kuò)大，降深繼續(xù)加深，最終疏干煤系地層含水層和上覆含水層，對地下水含水系統(tǒng)造成較大影響。

（2）為了減少采煤對地下水資源的破壞，需要研究出更合適的開采方案，以降低采煤對上覆隔水層和儲水構(gòu)造的破壞，達(dá)到保護(hù)地下水資源的目的，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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