趙耀東，張朝逢，楊 建

(1.陜西省地下水管理監(jiān)測(cè)局, 陜西 西安 710003；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

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黃土溝壑型煤炭開(kāi)采對(duì)地下水系統(tǒng)影響的數(shù)值模擬研究

趙耀東1，張朝逢1，楊 建2

(1.陜西省地下水管理監(jiān)測(cè)局, 陜西 西安 710003；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

在黃土溝壑區(qū)，由于煤層埋藏淺，煤炭資源的開(kāi)發(fā)對(duì)地下水系統(tǒng)造成重大影響。本文以神東礦區(qū)大柳塔煤田為例，利用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)，對(duì)采前地下水流特征、現(xiàn)狀開(kāi)采條件下地下水流場(chǎng)、維持開(kāi)采條件的地下水動(dòng)態(tài)以及采煤對(duì)地下水均衡的影響等進(jìn)行深入分析和研究。得到煤炭開(kāi)采造成地下水位明顯下降，并且隨著持續(xù)采掘，對(duì)地下水影響加劇，地下水水均衡總量持續(xù)減少，并且由于流場(chǎng)變化，導(dǎo)致側(cè)向補(bǔ)給量直線(xiàn)減少，向采掘空間排泄量相對(duì)增加，潛水蒸發(fā)量相對(duì)減少，向河流排泄量明顯減少，最后趨于穩(wěn)定。

黃土溝壑區(qū)；地下水?dāng)?shù)值模擬；地下水流場(chǎng)；含水層水位

黃土溝壑型煤炭開(kāi)采是指在淺埋藏煤層地表覆蓋層為黃土溝壑區(qū)域，采用煤炭現(xiàn)代開(kāi)采工藝(如超大工作面)的開(kāi)采。神東礦區(qū)大柳塔礦南～保德區(qū)域均屬于該類(lèi)型開(kāi)采區(qū)域。該區(qū)域由于煤層埋藏淺，煤層開(kāi)采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶極易波及上部含水層，造成含水層水大量排泄到采場(chǎng)，并對(duì)地表產(chǎn)生明顯影響[1-3]。另外，該區(qū)地處陜北黃土高原與毛烏素沙地接壤地帶，水資源貧乏，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱[4]，煤炭資源大規(guī)模的開(kāi)發(fā)勢(shì)必會(huì)對(duì)地下水系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。因此，科學(xué)認(rèn)識(shí)煤炭開(kāi)采與水資源變化的關(guān)系，評(píng)價(jià)煤炭開(kāi)采對(duì)水資源的影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤炭高效生產(chǎn)、合理利用與保護(hù)水資源有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[5]。本文以大柳塔井田為代表，利用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)，深入分析黃土溝壑型煤炭開(kāi)采對(duì)地下水系統(tǒng)影響的主要特征。

1 大柳塔井田概況

大柳塔井田地處陜北黃土高原之北側(cè)和毛烏素沙漠東南緣，窟野河中游東岸，井田面積126.3 km2。地勢(shì)南高北低，東側(cè)和北側(cè)支溝發(fā)育，北側(cè)基巖裸露，一般海拔在+1 120～+1 280 m之間。地面高程相對(duì)高差最大216 m，區(qū)內(nèi)大部屬黃土溝壑地貌，溝壑縱橫，切割強(qiáng)烈，井田內(nèi)大的溝谷8條以上，如活朱太溝、蠻兔溝、三不拉溝等，溝谷兩側(cè)基巖裸露，屬河流侵蝕地貌。地表水系則是由松散層沙層泉和(或)燒變巖泉排泄而形成，流入窟野河和勃牛川，如圖1所示。

截止2009年6月底，大柳塔煤礦保有地質(zhì)儲(chǔ)量10.92億 t，剩余可采儲(chǔ)量5.62億 t。井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層賦存穩(wěn)定。煤層傾角為0°～3°，含煤地層為中下侏羅統(tǒng)延安組，共有煤層9層，主采1-2煤層、2-2煤層、5-2煤層共3層，2015年實(shí)際年生產(chǎn)能力達(dá)到3 800萬(wàn) t/a，是世界上產(chǎn)量最高的礦井。采用平硐加斜井開(kāi)拓方式，長(zhǎng)壁式綜合機(jī)械化采煤工藝，全部跨落法管理頂板。礦井主采工作面兩個(gè)，每個(gè)工作面年生產(chǎn)能力超過(guò)千萬(wàn)噸。

根據(jù)1-2理論計(jì)算成果，該礦井最大冒落帶高度33.39 m，導(dǎo)水裂隙帶(包括冒落帶)最大計(jì)算高度為139 m，由于井田內(nèi)1-2煤埋深基本均小于80 m，因而通過(guò)理論初步分析可知，井田導(dǎo)水裂縫帶高度已發(fā)育至地表。

井田含水層主要是第四系松散層含水層和中生界碎屑巖類(lèi)裂隙含水層。受地形控制，含水層與周邊礦井含水層基本無(wú)水力聯(lián)系。

圖1 水文地質(zhì)調(diào)查

2 礦區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

如圖2所示，模擬區(qū)地表水系以檸條梁為分水嶺，東及東北部屬于勃牛川流域，西部屬于窟野河流域。兩大流域內(nèi)有多個(gè)次一級(jí)分水嶺，兩大水系又由多個(gè)支溝形成的次水流域單元組成。

圖2 大柳塔井田地質(zhì)模型

本次研究重點(diǎn)模擬的層位為第四系孔隙含水層、白堊系志丹群裂隙-孔隙含水層及3-1煤層頂板的延安組砂巖裂隙含水層。通過(guò)充分收集水源地及井田各時(shí)期施工的地質(zhì)鉆孔信息，將研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維剖分分層，如圖3所示，在垂向上對(duì)應(yīng)于(自上而下)含水層巖性的變化把地表孔隙含水層、砂巖裂隙含水層與3-1煤層之間，垂向上共剖分了五個(gè)單元層，六個(gè)結(jié)點(diǎn)層。模擬區(qū)底部以3-1煤層底版為界，深度范圍大致在深度范圍大致在160.06～182.35 m之間。第一層：風(fēng)積沙、薩拉烏蘇組松散孔隙含水層，為本次主要模擬計(jì)算層位；第二層：白堊系孔隙裂隙含水層；第三層：直羅組相對(duì)隔水層；第四層：延安組砂巖裂隙承壓水層；第五層：3-1煤層。根據(jù)收集整理、分析地質(zhì)鉆孔，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)層位穩(wěn)定，傾角小，連續(xù)性好。通過(guò)繪制各層位標(biāo)高等值線(xiàn)圖并導(dǎo)入模型分層，構(gòu)建模擬區(qū)的三維地質(zhì)模型見(jiàn)圖3。

由于巖性空間分布、構(gòu)造條件和水動(dòng)力條件存在差異性，致使研究區(qū)風(fēng)積沙、薩拉烏蘇組孔隙含水層與下伏砂巖裂隙含水層，以及層間相對(duì)隔水層在空間表現(xiàn)出明顯的非均質(zhì)特征。因此，將其概化為非均質(zhì)各向異性含水層，充分體現(xiàn)了模型三維刻畫(huà)的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，地下水流非穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型[6]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/d)；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、河流滲漏補(bǔ)給量，田間水補(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))(m2/d·m2)；H0(x,y,z)為含水層的初始水位分布(m)；Γ1為研究區(qū)北部與南部邊界(第一類(lèi)邊界)；Γj為研究區(qū)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(m2/d·m)，j=2,3,4；n為滲流區(qū)東部、西部、南部邊界的法線(xiàn)方向； Qi為第口井的抽水量(m3/d)；δi為第i口井的狄拉克函數(shù)；δi=δ(x-xi，y-yi)，(xi，yi)為第i口井的坐標(biāo)；

2.3 邊界條件

模型在垂向上根據(jù)地質(zhì)巖性結(jié)構(gòu)特征劃分了5個(gè)對(duì)應(yīng)的參數(shù)分區(qū)，分別為第四系、白堊系、安定組、延安組、煤層5個(gè)地質(zhì)分層。平面上，根據(jù)收集到研究區(qū)水文地質(zhì)鉆孔資料的水文地質(zhì)參數(shù)信息，在平面上根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料繪制孔隙含水層滲透系數(shù)等值線(xiàn)圖，將滲透系數(shù)通過(guò)插值計(jì)算導(dǎo)入模型，作為模型的計(jì)算預(yù)賦值，進(jìn)行穩(wěn)定流模擬，其后再根據(jù)含水層地層對(duì)接關(guān)系、巖性分布特征，和地下水補(bǔ)給、徑流、排泄等，對(duì)研究區(qū)含水層進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)。通過(guò)局部調(diào)整孔隙含水層滲透系數(shù)與重力給水度使穩(wěn)定流計(jì)算流場(chǎng)與實(shí)測(cè)天然流場(chǎng)基本一致。

頂部為接受降雨補(bǔ)給的潛水邊界，底部以3-1煤層底部為界，取零通量邊界。模擬區(qū)水文地質(zhì)單元相對(duì)獨(dú)立，西側(cè)為烏蘭木倫河地表水體，定義為一類(lèi)水頭邊界，東側(cè)以為悖牛川一類(lèi)水頭邊界，南側(cè)以悖牛川與烏蘭木倫河交匯定義為一類(lèi)水頭邊界，北部為二類(lèi)流量邊界條件。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 采前地下水流特征

3.1.1 地下水流場(chǎng)特征

如圖4，為模擬輸出的采掘擾動(dòng)之前的松散含水層地下水流場(chǎng)特征。根據(jù)模擬結(jié)果：以大柳塔煤礦為分水嶺，分水嶺以西，地下水主體流向?yàn)橛蓶|至西，窟野河為井田的地下水排泄點(diǎn)；分水嶺以東，地下水主體流向?yàn)橛晌髦翓|，活朱太溝、勃牛川等為井田的地下水排泄點(diǎn)。從地下水流向可以看出(藍(lán)色箭頭為地下水流向，紅色箭頭為地下水轉(zhuǎn)地表水流向)，總體上，地下水流線(xiàn)和等水位線(xiàn)分布較為均勻，基本上沒(méi)有突變，局部由于地形控制而改變流動(dòng)方向，因而在采掘前地下水表現(xiàn)出向補(bǔ)連溝、敖包溝、石灰溝、壩渠溝及窟野河等地表水體排泄的特征，因而地下水流向未發(fā)生大的變化。

(計(jì)算流場(chǎng)藍(lán)色箭頭為地下水流向，紅色箭頭為地下水轉(zhuǎn)地表水流向)

圖4 大柳塔井田計(jì)算地下水流場(chǎng)(單位；m)

3.1.2 地下水水均衡特征

經(jīng)穩(wěn)定流計(jì)算模擬后，大柳塔井田天然條件下松散含水層地下水均衡計(jì)算結(jié)果如表1。

從表1可以看出，未采掘前井田地下水補(bǔ)、徑、排特征：

(1)地下水補(bǔ)給：大氣降水是井田地下水補(bǔ)給的主要來(lái)源(占到95%左右)，側(cè)向補(bǔ)給次之(5%)。

(2)地下水排泄：區(qū)內(nèi)地下水主要排泄形式為蒸發(fā)排泄(約為71%)，向河流排泄次之(29%)，由于模擬區(qū)水文地質(zhì)單元較為完整，地下水向區(qū)外側(cè)向排泄量為0。

(3)地下水均衡：補(bǔ)排結(jié)果顯示，補(bǔ)排差為-10.65 m3/d，基本保持補(bǔ)排平衡，有利于維持區(qū)域水生態(tài)環(huán)境。

表1 天然條件下大柳塔井田松散含水層地下水均衡表

2015年水位

2015年降深

3.2 現(xiàn)狀開(kāi)采條件下地下水流場(chǎng)分析

隨著采掘范圍進(jìn)一步拓展，導(dǎo)水裂縫帶溝通或揭露范圍和地表沉陷范圍擴(kuò)大，對(duì)含水層地下水影響加劇[7-8]，導(dǎo)致地下水的流向發(fā)生變化，如圖5為2015年的地下水流場(chǎng)分布特征。由圖可知，在經(jīng)歷13 a的開(kāi)采，模擬區(qū)地下水分水嶺向東北方向移動(dòng)，形成了以礦區(qū)為中心的地下水下降漏斗，礦區(qū)四周的地下水大部分向礦區(qū)中心方向流動(dòng)，模擬區(qū)流線(xiàn)、等水位變動(dòng)較大，越靠近礦區(qū)，降深愈大，且由于地下水位下降明顯，礦區(qū)中心地帶的松散含水層基本干涸。只有靠近河流的區(qū)域，由于存在水位落差，地下水仍流向河流。

3.3 維持開(kāi)采條件的地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

如圖6為2020年持續(xù)開(kāi)采條件下的地下水流場(chǎng)分布特征。由圖可知，“十三五”期間，隨著采掘范圍進(jìn)一步拓展，導(dǎo)水裂縫帶溝通或揭露范圍和地表沉陷范圍擴(kuò)大，對(duì)含水層地下水影響加劇，模擬區(qū)地下水分水嶺繼續(xù)向東北方向移動(dòng)，以礦區(qū)采掘空間為中心的地下水下降漏斗不斷擴(kuò)大，地下水降深最大可達(dá)100 m左右。從地下水流場(chǎng)圖來(lái)看，礦區(qū)四周的地下水加大了向礦區(qū)中心方向的流動(dòng)，向礦區(qū)的流動(dòng)更加明顯。在靠近河流的區(qū)域，地下水仍流向河流，補(bǔ)給河流地表水，但補(bǔ)給水量繼續(xù)減少。

2015年水位

2020年降深

(黃色部分為地下水干涸區(qū)域；藍(lán)色箭頭為地下水流向)

圖6 維持開(kāi)采條件的地下水水位變化預(yù)測(cè)(2020年)(單位：m)

3.4 采煤對(duì)地下水均衡的影響

如圖7所示，為經(jīng)過(guò)穩(wěn)定流計(jì)算模擬補(bǔ)連塔井田在采掘擾動(dòng)下地下水均衡結(jié)果過(guò)程線(xiàn)。可以看出，隨著井田采掘范圍逐年增加，受采掘擾動(dòng)(導(dǎo)水裂縫帶、地面沉陷)范圍擴(kuò)大，在煤礦開(kāi)采初期，地下水向已采掘區(qū)段排泄的水量急劇增大，之后由于含水層被疏干，井田側(cè)向補(bǔ)給不足，井下的涌水量有減小趨勢(shì)，隨著井田松散含水層水位持續(xù)降低，潛水位埋深增大，導(dǎo)致潛水蒸發(fā)量和向河流排泄量減少明顯。由于井田水文地質(zhì)單元較為完整，僅在井田北部接受外圍的側(cè)向補(bǔ)給，但北部為其它生產(chǎn)礦井(哈拉溝煤礦等)，含水層被破壞，導(dǎo)致側(cè)向補(bǔ)給逐年減少，直至外圍含水層被疏干，側(cè)向補(bǔ)給消失。

由以上模擬成果可以看出，由于采煤影響，地下水水均衡總量減少，2004年以后，由于流場(chǎng)變化，導(dǎo)致側(cè)向補(bǔ)給量直線(xiàn)減少，向采掘空間排泄量相對(duì)增加，潛水蒸發(fā)量相對(duì)減少，向河流排泄量減少明顯，最后趨于穩(wěn)定。

圖7 采掘過(guò)程中含水層補(bǔ)給總量歷時(shí)曲線(xiàn)(單位：m3/d)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)開(kāi)采前，總體上，地下水流線(xiàn)和等水位線(xiàn)分布較為均勻，基本上沒(méi)有突變，局部由于地形控制而改變流動(dòng)方向。因而在采掘前地下水表現(xiàn)出向補(bǔ)連溝、敖包溝、石灰溝、壩渠溝及窟野河等地表水體排泄的特征，河溝系統(tǒng)是地下水的主要排泄通道。

(2)現(xiàn)狀開(kāi)采條件下，礦區(qū)四周的地下水大部分向礦區(qū)中心方向流動(dòng)，模擬區(qū)流線(xiàn)、等水位變動(dòng)較大，越靠近礦區(qū)，降深愈大，且由于地下水位下降明顯，礦區(qū)中心地帶的松散含水層基本干涸。

(3)未來(lái)開(kāi)采情景下，隨著采掘范圍進(jìn)一步拓展，導(dǎo)水裂縫帶溝通或揭露范圍和地表沉陷范圍擴(kuò)大，對(duì)含水層地下水影響加劇，地下水向礦區(qū)的流動(dòng)更加明顯，以礦區(qū)采掘空間為中心的地下水下降漏斗不斷擴(kuò)大。在靠近河流的區(qū)域，地下水仍流向河流，補(bǔ)給河流地表水，但補(bǔ)給水量繼續(xù)減少。

(4)采煤對(duì)地下水均衡的影響。開(kāi)采前，補(bǔ)排基本保持平衡，有利于維持區(qū)域水生態(tài)環(huán)境。開(kāi)采后，地下水水均衡總量減少，由于流場(chǎng)變化，導(dǎo)致側(cè)向補(bǔ)給量直線(xiàn)減少，向采掘空間排泄量相對(duì)增加，潛水蒸發(fā)量相對(duì)減少，向河流排泄量明顯減少，最后趨于穩(wěn)定。

[1]范立民，馬雄德，楊澤元.論榆神府區(qū)煤炭開(kāi)發(fā)的生態(tài)水位保護(hù)[J].礦床地質(zhì).2010，29：1043-1044.

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[3]韓樹(shù)青,范立民,楊保國(guó).開(kāi)發(fā)陜北侏羅紀(jì)煤田幾個(gè)水文地質(zhì)工程地質(zhì)問(wèn)題分析[J].中國(guó)煤田地質(zhì).1992,4(1)：49-52.

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[8]張晉綸，張紹良，楊永均，等.黃土高原煤礦區(qū)地表采動(dòng)裂縫擾動(dòng)范圍預(yù)計(jì)方法研究[J].中國(guó)煤炭.2013,(3):111-123.

Numerical simulation of the influence of loess gully coal mining on groundwater system

ZHAO Yao-dong1，ZHANG Chao-feng1，YANG Jian2

(1.Shaanxi groundwater management monitoring Bureau, Xi’an 710003,China；2.Xi'an Research Institute of coal science and Industry Group Co., Ltd，Xi’an 710054,China)

In the loess gully region，because of the shallow buried coal seam, the development of coal resources have a significant impact on the groundwater system. Taking Daliuta coalfield of the Shendong mining area as an example, this taper using the groundwater numerical simulation technology, take the analysis and the research of the characteristics of groundwater flow before mining, the groundwater flow field under the condition of current mining, the groundwater dynamics under maintenance conditions and the influence of coal mining on groundwater balance. The result shows that the underground water level because of coal mining is obviously decreased, that with the continuous mining, the influence of groundwater is intensified, and that the total amount of groundwater water balance is continuously reduced ,and that due to the change of the flow field, the lateral recharge is reduced linearly, the discharge amount to the mining space is relatively increased, the phreatic evaporation is relatively reduced, the discharge to the river is obviously reduced, and finally to the stable.

the Loess gully region；Groundwater numerical simulation；the Groundwater flow field；the Aquifer level

2016-08-14

神府榆地區(qū)煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源及地表植被影響研究(2015SLkj-14)

趙耀東(1961-)，男，陜西乾縣人，教授級(jí)高工，主要從事地下水開(kāi)發(fā)利用研究及保護(hù)管理工作。

P641.4+61

A

1004-1184(2017)02-0001-04