基于Visual MODFLOW的煤矿开采对地下水影响的数值模拟研究

2016-09-18赵晓玲

西部探矿工程 2016年7期

关键词：基岩潜水含水层

赵晓玲，王　博

（安徽省地质环境监测总站，安徽合肥230000）

基于Visual MODFLOW的煤矿开采对地下水影响的数值模拟研究

赵晓玲*，王博

（安徽省地质环境监测总站，安徽合肥230000）

为了研究该煤矿开采对研究区内地下水的影响，通过对研究区的水文地质条件的分析，构建了水文地质概念模型，并采用Visual MODFLOW软件就开采3煤层对地下水的影响进行了数值模拟研究。结果表明：3煤层开采后，潜水含水层的地下水位变化幅度较小，最大水位降深为6m；基岩裂隙含水层的地下水位降幅较大，最大水位降深为25m。

煤矿开采；含水层；地下水位；数值模拟

随着我国经济和社会的高速发展，对能源的需求也日益增长，而在我国的能源结构中，煤炭资源占比超过7成，煤炭资源的开发为经济和社会的发展提供了能源和动力。但是在煤炭资源开发的过程中，也产生了采空区塌陷，地下水漏斗、水质污染和生态环境恶化等不良影响和危害。某煤矿所处地区降雨量小、蒸发量大，地下水资源匮乏，区内工农业生产用水、人民生活用水和生态用水大部分来源于地下水。煤矿开采与工农业、生活以及生态用水之间存在一定矛盾，亟待解决。因此，为了研究该煤矿开采对地下水的影响［1-2］，首先对该区的水文地质条件进行了分析，并构建了该区的水文地质概念模型，然后采用Visual MODFLOW软件就该煤矿开采3煤层对其上覆含水层地下水系统的影响进行了数值模拟研究，对煤矿的合理开采和所处地区地下水资源保护具有一定的指导意义。

1　水文地质概况

图1　研究区位置示意图

本次研究的煤矿位于安徽省淮北市城东北的杜集区石台镇境内（图1），地处淮北平原北部，地形平坦，地表高程在35～37.6m之间；地貌类型冲洪积平原地貌单元；研究区属北方型大陆气候与湿润性气候之间的季风气候区，气候温和，日照充足，春秋季明显短于冬夏季，春夏季节盛行东南风，炎热潮湿多雨，秋冬季盛行东北风，寒冷干燥少雨。

研究区的地下水为类型主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水由细砂、粉砂层组成、存在砂质粘土夹层，总厚33～38m，平均为35m，较稳定。地表以下4～5m为潜水。砂层含水组钻孔单位涌水量为q=0.24mL/（s·m），渗透系数k=1～2m/d，水质类型为HCO3--CI--Ca2+-Mg2+型。基岩裂隙水主要为下石盒子组中、细砂岩孔隙裂隙含水层，厚度15～45m，一般在25m左右，该含水组砂岩裂隙不发育，富水性较弱。钻孔单位涌水量q=0.000085～0.0624mL/（s·m），渗透系数k=0.00047～0.202m/d，水质类型属于CI-—Na+或CO23--C1--Na+型。

2　地下水模型的建立

2.1水文地质概念模型

根据研究区水文气象、水文地质特征、主要含水层的流场特征以地层结构的分析结果，并依照主要含水层的渗透性能、地下水的迁移特征及水力联系等，对实际的水文地质条件进行概化［3-5］，建立水文地质概念模型（图2）。模拟区地下水流方向自北东向南西，因此将东部与北部设置为补给边界，将南部和西部设置为排泄边界，主要含水层的边界划为二类边界。潜水的自由面作为上部边界，底部边界则为二叠系下二叠统山西组泥岩。

图2　水文地质概念模型示意图

2.2数学模型

根据水文地质模型，将实际地下水流概化为非均质各向同性三维非稳定地下水系统，可用如下偏微分方程来描述［6-8］：

式中：Kx、Ky、Kz——x、y、z方向的渗透系数；

h——含水层水头；

ε——源汇项；

μ——潜水含水层潜水面上的重力给水度；

h0——含水层的初始水头；

Γ0——潜水面边界；

Γ1——渗流区第二类边界；

Kn——边界法向方向的渗透系数；

Ω——计算区范围；

p——潜水面上的降水入渗和蒸发；

2.3数值模型结构及其识别与检验

2.3.1数值模型结构

根据研究区水文地质概念模型和数学模型，采用Visual MODFLOW 4.6构建数值模型并进行求解。研究区长约12.5km，宽约12.2km，总面积约152.2km2。计算前先对研究区进行网格剖分，网格间距为100m，在X、Y方向上分别剖分136×133，总网格共18088个。并根据模拟范围将其范围外地网格设定为不活动单元格。根据地下水的长期观测资料，选取2014年3月～2015年2月的水位资料，应力期定为1个月，时间步长根据模型自动控制。初始地下水位数据采用2014年3月的统一观测资料，利用Kriking插值法获得初始水位等值线。

2.3.2模型的识别与检验

采用试估校正法对模型进行识别与检验，将渗透系数、贮水率、入渗补给系数和边界条件等［9-10］输入软件中，根据模拟计算的水位值与实际观测值进行对比，根据拟合情况不断修正各参数，直到结果符合误差的要求。根据研究区内的水位观测的位置，本次选取J1113、J1307、J913、观36等4个观测点，在2014年3月～2015 年2月的地下水位观测值与模拟值进行对比，分别计算各观测点的模拟水位与实测水位之间的误差，均满足要求，拟合结果比较符合实际。各观测孔的实测地下水位与模拟地下水位的拟合曲线如图3所示。

2.3.3识别检验后的水文地质参数

通过对研究区实测水位与模拟水位的拟合、对地下水均衡的分析、对边界流量和水文地质参数的调节，得出较为符合实际情况的水文地质参数，如表1所示。

3　煤层开采对地下水的影响

图3　观测孔实测与模拟地下水位的拟合曲线

表1　研究区识别检验后的水文地质参数

煤层开采过程中，对地下水采取排水疏干措施，会导致地下水流场发生明显的改变，部分区域地下水甚至会被疏干，会导致各含水层出现水头差并进一步加大。若各含水层之间无隔水层，则对浅层地下水的水位影响显著，对煤矿的开采也有着巨大的影响；若各含水层之间存在弱透水地层，则两者之间的渗透系数决定了越流量的大小，进而决定了浅层含水层水位；若各含水层之间存在连续完整且渗透系数很小的隔水层，煤层开采对浅层含水层影响很小。

研究区的潜水含水层与基岩裂隙含水层之间存在相对隔水层，该隔水层厚度不均匀，有多处该层缺失，因此，潜水含水层与基岩裂隙含水层中的地下水可以互相补给。基岩裂隙含水层是研究区内3煤层的直接充水水源，该煤层开采时对地下水的疏干作用，会导致基岩裂隙含水层中的地下水位大幅降低，进而与上覆潜水含水层之间形成较大水头差，潜水含水层会对基岩裂隙含水层进行补给，影响潜水含水层中的地下水位。

本次根据地下水数值模型对3煤层开采后的潜水含水层和基岩裂隙含水层的地下水水位的变化情况进行的模拟，并进行了分析预测。3开采后各含水层的水位等值线和水位降深如图4所示。

由图4a和图4b可以看出：3煤层开采后潜水含水层的水位等值线有所降低，但是变化幅度较小，最大水位降深为6m，对潜水含水层的影响不大；在开采疏干作用下，局部地段潜水含水层水位已近彻底疏干，快达到潜水含水层底板，而多部分地段的地下水位下降幅度很小，造成差别的原因主要在于含水层的渗透性能和给水能力有较大差异，在透水性和给水能力较强的地段，疏干水量大于补给量，地下水位下降，在透水性和给水能力较弱的地段，地下水位下降幅度不明显。

图4　3开采后各含水层的水位等值线和水位降深图

由图4c和图4d可以看出：3煤层开采后基岩裂隙含水层的水位等值线降幅较大，最大水位降深为25m；造成上述差别的原因是潜水含水层与基岩裂隙含水层之间的相对隔水层有缺失，基岩裂隙含水层是3煤层的直接充水水源，煤层开采导致基岩裂隙含水层中的地下水位大幅降低，潜水含水层对其进行补给，进而导致局部地段潜水含水层的地下水位降幅较大。