許 峰，靳德武，石 磊，王世東，何 淵，黃 歡

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

0 引 言

天山北麓位于新疆準噶爾盆地南緣，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)坡降相對較小的山前洼地或丘陵區(qū)域時補給或轉化為河谷潛流，至沖洪積扇區(qū)域時轉化為地下水徑流，最終匯至準噶爾盆地，通過蒸發(fā)蒸騰方式排泄[1-3]。地表徑流在轉化為地下潛水流向盆地的過程中，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源[4-5]。而在山前洼地或丘陵地區(qū)，由于人類采礦活動導致地表塌陷，形成塌陷通道，致使?jié)撍Y源流失[6-11]。通過文獻調研，國內(nèi)外學者對于天山博格達峰北麓區(qū)域，因采礦活動引起的地下水資源變化研究較少，而對于采煤過程中潛水資源流失的研究更少。

因此，筆者以天山博格達峰北麓鐵廠溝河山前丘陵沖洪積層潛水為研究對象，采用水文地質測繪、地面物探、水文地質鉆探、數(shù)值模擬等手段，對研究區(qū)采煤活動影響下的潛水資源流失特征進行研究，為水資源保護與綜合利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質概況

鐵廠溝河發(fā)源于天山東段博格達峰北麓，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

由于多期構造運動影響，博格達峰北麓多發(fā)育NEE向逆沖推覆構造，其中八道灣向斜為區(qū)域內(nèi)的次一級構造單元[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、43號煤，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50°。鐵廠溝河由南向北徑流過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)地質平面圖及剖面圖Fig.2 Study area plan and section

2 煤礦開采地表塌陷特征

由于45號和43號煤層較厚且出露，八道灣向斜兩側存在眾多大小煤礦，部分礦井已開采至河道底部，如圖3所示。

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

通過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，在鐵廠溝河與向斜北翼45號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)。通過近距離觀察，塌陷坑內(nèi)部存在流水聲音，考慮到地表水沒有通過塌陷裂縫直接灌入，分析認為由于鐵廠溝河沖洪積層直接不整合接觸煤層及基巖，小窯采動破壞了留設的防隔水煤柱，導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)進行了探測，探測范圍如圖5所示，控制面積0.08 km2。通過野外施工、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高為+800 m左右，下游標高為+745 m，相對高差55 m，呈逐漸下降趨勢；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及富水性特征

以塌陷坑為中心，施工了14個水文地質探查鉆孔，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，對研究區(qū)潛水含水層水位進行了觀測，(水位鉆孔潛水位標高統(tǒng)計見表1)同時，利用8號鉆孔開展了一次單孔定流量似穩(wěn)定流抽水試驗，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 水文鉆孔潛水位標高統(tǒng)計Table 1 Statistics of groundwater level elevation of hydrological borehole

研究區(qū)潛水位標高為+772.2～+784.2 m，上游潛水位略高于下游，水位最低點為3號鉆孔，潛水面呈現(xiàn)出以3號鉆孔為中心的降落漏斗形態(tài)，而3號鉆孔即位于地表塌陷坑邊緣(圖8)，因此，根據(jù)研究區(qū)潛水流場特征，結合塌陷坑內(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)潛水位標高等值線圖Fig.8 Contour map of phreatic level elevation in the study area

4 潛水流失量預測與分析

基于潛水滲流原理，采用FEFLOW有限元數(shù)值模擬方法[16-20]，對地表塌陷坑集中導水通道處的潛水流失量進行預測與分析。

4.1 水文地質概念模型

根據(jù)水文地質鉆探探查范圍確定水文地質模型范圍，模擬區(qū)面積19 065 m2，長度約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水通道處滲漏進入采空區(qū)，形成以集中通道為中心的降落漏斗，鉆孔水位動態(tài)觀測顯示流場基本穩(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高高于研究區(qū)潛水水位標高，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。對研究區(qū)進行三角網(wǎng)格剖分，共剖分為2 298個結點，2 177個三角形單元，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 潛水數(shù)學模型構建

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

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為水位標高,m；K為滲透系數(shù)，m/d；W為垂向水量交換強度，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，即構成第四系砂礫石層含水層塌陷坑潛水流失量的計算模型。

表2 研究區(qū)水文地質參數(shù)

4.3 預測結果及分析

以S3號鉆孔水位為參考，設置排泄邊界水位，進行穩(wěn)定流計算，通過調整排泄水位及排泄區(qū)范圍計算潛水流場(圖11)基本接近實際觀測流場(圖8)。在此基礎上，計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，礦井開采井下幾乎無涌水，但是，研究區(qū)礦井井下涌水量一直穩(wěn)定在96 m3/h左右，潛水漏失量預測值與實際井下涌水量較為吻合，分析表明第四系潛水為該區(qū)井下涌水的主要補給水源。

5 結 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，松散層底界標高沿河流方向呈逐漸降低趨勢，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)的集中導水通道；

3)采用FEFLOW數(shù)值模擬計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)煤礦開采是引發(fā)該區(qū)潛水資源流失的主要原因，采動形成的塌陷、裂縫是潛水流失的主要通道，針對塌陷、裂縫的治理工程是保護潛水資源的主要途徑。