許 峰，靳德武，石 磊，王世東，何 淵，黃 歡

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

0 引 言

天山北麓位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處歐亞大陸腹地，屬于大陸干旱性氣候，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，生態(tài)環(huán)境脆弱。以往研究表明，天山北麓“三水”轉(zhuǎn)化規(guī)律為天山融雪在基巖山區(qū)形成徑流，流經(jīng)坡降相對(duì)較小的山前洼地或丘陵區(qū)域時(shí)補(bǔ)給或轉(zhuǎn)化為河谷潛流，至沖洪積扇區(qū)域時(shí)轉(zhuǎn)化為地下水徑流，最終匯至準(zhǔn)噶爾盆地，通過(guò)蒸發(fā)蒸騰方式排泄[1-3]。地表徑流在轉(zhuǎn)化為地下潛水流向盆地的過(guò)程中，受到的蒸發(fā)作用不明顯，因而這些潛水資源成為工農(nóng)業(yè)以及居民生活用水的主要來(lái)源[4-5]。而在山前洼地或丘陵地區(qū)，由于人類采礦活動(dòng)導(dǎo)致地表塌陷，形成塌陷通道，致使?jié)撍Y源流失[6-11]。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于天山博格達(dá)峰北麓區(qū)域，因采礦活動(dòng)引起的地下水資源變化研究較少，而對(duì)于采煤過(guò)程中潛水資源流失的研究更少。

因此，筆者以天山博格達(dá)峰北麓鐵廠溝河山前丘陵沖洪積層潛水為研究對(duì)象，采用水文地質(zhì)測(cè)繪、地面物探、水文地質(zhì)鉆探、數(shù)值模擬等手段，對(duì)研究區(qū)采煤活動(dòng)影響下的潛水資源流失特征進(jìn)行研究，為水資源保護(hù)與綜合利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

鐵廠溝河發(fā)源于天山東段博格達(dá)峰北麓，自南向北，穿越山前丘陵地帶流入米東區(qū)境內(nèi)，如圖1所示。冰川及冰雪融水、山區(qū)的大氣降水是該河及其沖洪積層潛水的主要補(bǔ)給水源。

圖1 鐵廠溝位置衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite map of Tiechanggou

由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，博格達(dá)峰北麓多發(fā)育NEE向逆沖推覆構(gòu)造，其中八道灣向斜為區(qū)域內(nèi)的次一級(jí)構(gòu)造單元[12-15]，該區(qū)發(fā)育有侏羅系(J)和第四系(Q)地層，其中侏羅系西山窯組為含煤地層，主要可采煤層為45號(hào)、43號(hào)煤，煤厚為40～60 m。受八道灣向斜影響，南翼含煤地層近直立，北翼含煤地層傾角達(dá)50°。鐵廠溝河由南向北徑流過(guò)程中侵蝕切割煤系地層，并沿溝流及河床兩岸形成寬度數(shù)十米至數(shù)百米第四系沖洪積砂礫石層條帶，而研究區(qū)即位于鐵廠溝河沖洪積層與八道灣向斜煤系地層交匯區(qū)域，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)平面圖及剖面圖Fig.2 Study area plan and section

2 煤礦開(kāi)采地表塌陷特征

由于45號(hào)和43號(hào)煤層較厚且出露，八道灣向斜兩側(cè)存在眾多大小煤礦，部分礦井已開(kāi)采至河道底部，如圖3所示。

圖3 小窯采空區(qū)與鐵廠溝河空間關(guān)系示意Fig.3 Schematic of spatial relationship between small kiln goaf and Tiechanggou River

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在鐵廠溝河與向斜北翼45號(hào)煤層露頭交匯處存在一塌陷坑，平面形狀呈圓形，直徑10 m左右，距離河道約15 m，平面上處于河流沖洪積砂礫石層范圍內(nèi)(圖4)。通過(guò)近距離觀察，塌陷坑內(nèi)部存在流水聲音，考慮到地表水沒(méi)有通過(guò)塌陷裂縫直接灌入，分析認(rèn)為由于鐵廠溝河沖洪積層直接不整合接觸煤層及基巖，小窯采動(dòng)破壞了留設(shè)的防隔水煤柱，導(dǎo)致塌陷坑處存在溝通潛水含水層與小窯采空區(qū)的集中通道，造成潛水資源的流失。

圖4 塌陷坑現(xiàn)場(chǎng)照Fig.4 Site photo of collapse pit

3 潛水含水層空間展布及富水性特征

3.1 松散覆蓋層空間展布特征

采用高密度電阻率法對(duì)研究區(qū)沖洪積砂礫石松散覆蓋層厚度及底界起伏形態(tài)進(jìn)行了探測(cè)，探測(cè)范圍如圖5所示，控制面積0.08 km2。通過(guò)野外施工、數(shù)據(jù)采集及解釋分析，繪制出第四系松散層底界等高線圖(圖6)以及松散層等厚線圖(圖7)。

圖6 研究區(qū)松散層底界面標(biāo)高等值線Fig.6 Contour map of the bottom interface elevation of the loose layer in the study area

圖7 研究區(qū)松散層厚度等值線Fig.7 Contour map of loose layer thickness in the study area

鐵廠溝上游松散層砂礫石層底部標(biāo)高為+800 m左右，下游標(biāo)高為+745 m，相對(duì)高差55 m，呈逐漸下降趨勢(shì)；研究區(qū)松散層厚度為20～60 m，沿河流方向，逐漸變厚，在鐵廠溝下游斷面厚度達(dá)60 m。研究區(qū)松散砂礫石層呈現(xiàn)上(游)高下(游)低，上薄下厚的空間展布特征，與山前丘陵地帶沖洪積層展布規(guī)律基本一致。

3.2 松散潛水含水層地下水流場(chǎng)及富水性特征

以塌陷坑為中心，施工了14個(gè)水文地質(zhì)探查鉆孔，鉆孔呈勘探線形式等距離布置，各鉆孔之間間距約30 m(圖5)。鉆孔均完整揭露松散含水層，對(duì)研究區(qū)潛水含水層水位進(jìn)行了觀測(cè)，(水位鉆孔潛水位標(biāo)高統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1)同時(shí)，利用8號(hào)鉆孔開(kāi)展了一次單孔定流量似穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，其單位涌水量q為0.146 L/(s·m)、滲透系數(shù)K為0.233 m/d，富水性中等。

圖5 物探與鉆探工程探測(cè)范圍示意Fig.5 Schematic of exploration scope of geophysical exploration and drilling engineering

表1 水文鉆孔潛水位標(biāo)高統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of groundwater level elevation of hydrological borehole

研究區(qū)潛水位標(biāo)高為+772.2～+784.2 m，上游潛水位略高于下游，水位最低點(diǎn)為3號(hào)鉆孔，潛水面呈現(xiàn)出以3號(hào)鉆孔為中心的降落漏斗形態(tài)，而3號(hào)鉆孔即位于地表塌陷坑邊緣(圖8)，因此，根據(jù)研究區(qū)潛水流場(chǎng)特征，結(jié)合塌陷坑內(nèi)存在流水聲現(xiàn)象，確定該塌陷坑區(qū)域存在溝通潛水含水層與井下采空區(qū)的集中通道。

圖8 研究區(qū)潛水位標(biāo)高等值線圖Fig.8 Contour map of phreatic level elevation in the study area

4 潛水流失量預(yù)測(cè)與分析

基于潛水滲流原理，采用FEFLOW有限元數(shù)值模擬方法[16-20]，對(duì)地表塌陷坑集中導(dǎo)水通道處的潛水流失量進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。

4.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)水文地質(zhì)鉆探探查范圍確定水文地質(zhì)模型范圍，模擬區(qū)面積19 065 m2，長(zhǎng)度約144 m，寬度約137 m，近似平行四邊形(圖9)。底部邊界取第四系砂礫石層含水層底板，頂部邊界取第四系砂礫石層頂板(地表)。

圖9 模擬區(qū)水文地質(zhì)三維模型Fig.9 Three dimensional hydrogeological model of simulation area

模擬區(qū)第四系潛水在塌陷坑集中導(dǎo)水通道處滲漏進(jìn)入采空區(qū)，形成以集中通道為中心的降落漏斗，鉆孔水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)顯示流場(chǎng)基本穩(wěn)定。模型西南部邊界為露天剝離坑，經(jīng)探查在該區(qū)域第四系含水層底板標(biāo)高高于研究區(qū)潛水水位標(biāo)高，且第四系地層趨于尖滅，因此，將該邊界定為零流量邊界，其他邊界為給定水頭邊界，水位值利用已知鉆孔水位數(shù)據(jù)插值獲取。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行三角網(wǎng)格剖分，共剖分為2 298個(gè)結(jié)點(diǎn)，2 177個(gè)三角形單元，如圖10所示。

圖10 模型網(wǎng)格剖分及邊界條件Fig.10 Model mesh generation and boundary conditions

4.2 潛水?dāng)?shù)學(xué)模型構(gòu)建

根據(jù)定解條件，采用潛水三維穩(wěn)定流、均質(zhì)、各向異性、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，其數(shù)學(xué)模型表示如下：

式中：Kxx、Kyy、Kzz分別為X、Y、Z軸方向的滲透系數(shù)；D為滲流區(qū)域；H為水位標(biāo)高,m；K為滲透系數(shù)，m/d；W為垂向水量交換強(qiáng)度，m3/(d·m2)；n為邊界外法線方向；h為給定水頭值，m；Γ1為第一類邊界；Γ2為零流量邊界。

將研究區(qū)各參數(shù)代入到數(shù)值模型中，即構(gòu)成第四系砂礫石層含水層塌陷坑潛水流失量的計(jì)算模型。

表2 研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)

4.3 預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

以S3號(hào)鉆孔水位為參考，設(shè)置排泄邊界水位，進(jìn)行穩(wěn)定流計(jì)算，通過(guò)調(diào)整排泄水位及排泄區(qū)范圍計(jì)算潛水流場(chǎng)(圖11)基本接近實(shí)際觀測(cè)流場(chǎng)(圖8)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得出第四系潛水經(jīng)塌陷坑集中裂隙的排泄水量(漏失量)為86 m3/h。

圖11 模擬區(qū)潛水流場(chǎng)Fig.11 Flow field of diving in simulation area

由于該區(qū)煤系地層本身富水性弱，正常情況下，礦井開(kāi)采井下幾乎無(wú)涌水，但是，研究區(qū)礦井井下涌水量一直穩(wěn)定在96 m3/h左右，潛水漏失量預(yù)測(cè)值與實(shí)際井下涌水量較為吻合，分析表明第四系潛水為該區(qū)井下涌水的主要補(bǔ)給水源。

5 結(jié) 論

1)鐵廠溝河與八道灣向斜北翼煤系地層交匯區(qū)第四系沖洪積層呈南(上游)厚北(下游)薄特征，松散層底界標(biāo)高沿河流方向呈逐漸降低趨勢(shì)，與山前溝流沖洪積特征基本一致；該區(qū)潛水含水層單位涌水量為0.146 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.233 m/d，富水性中等。

2)采煤影響下，研究區(qū)潛水流場(chǎng)為以地表塌陷坑為中心的降落漏斗，塌陷坑區(qū)存在溝通潛水含水層與小窯采空區(qū)的集中導(dǎo)水通道；

3)采用FEFLOW數(shù)值模擬計(jì)算塌陷坑處的潛水漏失量約為86 m3/h，與井下涌水量數(shù)值基本吻合。

4)煤礦開(kāi)采是引發(fā)該區(qū)潛水資源流失的主要原因，采動(dòng)形成的塌陷、裂縫是潛水流失的主要通道，針對(duì)塌陷、裂縫的治理工程是保護(hù)潛水資源的主要途徑。