黄土沟壑型煤炭开采对地下水系统影响的数值模拟研究

赵耀东，张朝逢，杨 建

(1.陕西省地下水管理监测局, 陕西 西安 710003；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)



黄土沟壑型煤炭开采对地下水系统影响的数值模拟研究

赵耀东1，张朝逢1，杨 建2

(1.陕西省地下水管理监测局, 陕西 西安 710003；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

在黄土沟壑区，由于煤层埋藏浅，煤炭资源的开发对地下水系统造成重大影响。本文以神东矿区大柳塔煤田为例，利用地下水数值模拟技术，对采前地下水流特征、现状开采条件下地下水流场、维持开采条件的地下水动态以及采煤对地下水均衡的影响等进行深入分析和研究。得到煤炭开采造成地下水位明显下降，并且随着持续采掘，对地下水影响加剧，地下水水均衡总量持续减少，并且由于流场变化，导致侧向补给量直线减少，向采掘空间排泄量相对增加，潜水蒸发量相对减少，向河流排泄量明显减少，最后趋于稳定。

黄土沟壑区；地下水数值模拟；地下水流场；含水层水位

黄土沟壑型煤炭开采是指在浅埋藏煤层地表覆盖层为黄土沟壑区域，采用煤炭现代开采工艺(如超大工作面)的开采。神东矿区大柳塔矿南～保德区域均属于该类型开采区域。该区域由于煤层埋藏浅，煤层开采产生的导水裂缝带极易波及上部含水层，造成含水层水大量排泄到采场，并对地表产生明显影响[1-3]。另外，该区地处陕北黄土高原与毛乌素沙地接壤地带，水资源贫乏，植被稀疏，生态环境脆弱[4]，煤炭资源大规模的开发势必会对地下水系统产生重大影响。因此，科学认识煤炭开采与水资源变化的关系，评价煤炭开采对水资源的影响，对实现煤炭高效生产、合理利用与保护水资源有重要的理论价值和现实意义[5]。本文以大柳塔井田为代表，利用地下水数值模拟技术，深入分析黄土沟壑型煤炭开采对地下水系统影响的主要特征。

1 大柳塔井田概况

大柳塔井田地处陕北黄土高原之北侧和毛乌素沙漠东南缘，窟野河中游东岸，井田面积126.3 km2。地势南高北低，东侧和北侧支沟发育，北侧基岩裸露，一般海拔在+1 120～+1 280 m之间。地面高程相对高差最大216 m，区内大部属黄土沟壑地貌，沟壑纵横，切割强烈，井田内大的沟谷8条以上，如活朱太沟、蛮兔沟、三不拉沟等，沟谷两侧基岩裸露，属河流侵蚀地貌。地表水系则是由松散层沙层泉和(或)烧变岩泉排泄而形成，流入窟野河和勃牛川，如图1所示。

截止2009年6月底，大柳塔煤矿保有地质储量10.92亿 t，剩余可采储量5.62亿 t。井田地质构造简单，煤层赋存稳定。煤层倾角为0°～3°，含煤地层为中下侏罗统延安组，共有煤层9层，主采1-2煤层、2-2煤层、5-2煤层共3层，2015年实际年生产能力达到3 800万 t/a，是世界上产量最高的矿井。采用平硐加斜井开拓方式，长壁式综合机械化采煤工艺，全部跨落法管理顶板。矿井主采工作面两个，每个工作面年生产能力超过千万吨。

根据1-2理论计算成果，该矿井最大冒落带高度33.39 m，导水裂隙带(包括冒落带)最大计算高度为139 m，由于井田内1-2煤埋深基本均小于80 m，因而通过理论初步分析可知，井田导水裂缝带高度已发育至地表。

井田含水层主要是第四系松散层含水层和中生界碎屑岩类裂隙含水层。受地形控制，含水层与周边矿井含水层基本无水力联系。

图1 水文地质调查

2 矿区地下水数值模拟

2.1 水文地质概念模型

如图2所示，模拟区地表水系以柠条梁为分水岭，东及东北部属于勃牛川流域，西部属于窟野河流域。两大流域内有多个次一级分水岭，两大水系又由多个支沟形成的次水流域单元组成。

图2 大柳塔井田地质模型

本次研究重点模拟的层位为第四系孔隙含水层、白垩系志丹群裂隙-孔隙含水层及3-1煤层顶板的延安组砂岩裂隙含水层。通过充分收集水源地及井田各时期施工的地质钻孔信息，将研究区含水层结构进行了三维剖分分层，如图3所示，在垂向上对应于(自上而下)含水层岩性的变化把地表孔隙含水层、砂岩裂隙含水层与3-1煤层之间，垂向上共剖分了五个单元层，六个结点层。模拟区底部以3-1煤层底版为界，深度范围大致在深度范围大致在160.06～182.35 m之间。第一层：风积沙、萨拉乌苏组松散孔隙含水层，为本次主要模拟计算层位；第二层：白垩系孔隙裂隙含水层；第三层：直罗组相对隔水层；第四层：延安组砂岩裂隙承压水层；第五层：3-1煤层。根据收集整理、分析地质钻孔，研究区内地质层位稳定，倾角小，连续性好。通过绘制各层位标高等值线图并导入模型分层，构建模拟区的三维地质模型见图3。

由于岩性空间分布、构造条件和水动力条件存在差异性，致使研究区风积沙、萨拉乌苏组孔隙含水层与下伏砂岩裂隙含水层，以及层间相对隔水层在空间表现出明显的非均质特征。因此，将其概化为非均质各向异性含水层，充分体现了模型三维刻画的优点。

2.2 数学模型

依据上述水文地质概念模型，地下水流非稳定数学模型[6]为：

式中：D为渗流区域；H为含水层水位标高(m)；K为含水层的渗透系数(m/d)；Ss为自由水面以下含水层储水率(1/d)；μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度；W为潜水面的降水补给量、河流渗漏补给量，田间水补给量、蒸发排泄量等强度的综合(补给为正，排泄为负)(m2/d·m2)；H0(x,y,z)为含水层的初始水位分布(m)；Γ1为研究区北部与南部边界(第一类边界)；Γj为研究区第二类边界，j=2,3,4；qj(x，y，z，t)为二类边界的单宽流量(m2/d·m)，j=2,3,4；n为渗流区东部、西部、南部边界的法线方向； Qi为第口井的抽水量(m3/d)；δi为第i口井的狄拉克函数；δi=δ(x-xi，y-yi)，(xi，yi)为第i口井的坐标；

2.3 边界条件

模型在垂向上根据地质岩性结构特征划分了5个对应的参数分区，分别为第四系、白垩系、安定组、延安组、煤层5个地质分层。平面上，根据收集到研究区水文地质钻孔资料的水文地质参数信息，在平面上根据统计资料绘制孔隙含水层渗透系数等值线图，将渗透系数通过插值计算导入模型，作为模型的计算预赋值，进行稳定流模拟，其后再根据含水层地层对接关系、岩性分布特征，和地下水补给、径流、排泄等，对研究区含水层进行水文地质参数分区。通过局部调整孔隙含水层渗透系数与重力给水度使稳定流计算流场与实测天然流场基本一致。

顶部为接受降雨补给的潜水边界，底部以3-1煤层底部为界，取零通量边界。模拟区水文地质单元相对独立，西侧为乌兰木伦河地表水体，定义为一类水头边界，东侧以为悖牛川一类水头边界，南侧以悖牛川与乌兰木伦河交汇定义为一类水头边界，北部为二类流量边界条件。

3 模拟结果分析

3.1 采前地下水流特征

3.1.1 地下水流场特征

如图4，为模拟输出的采掘扰动之前的松散含水层地下水流场特征。根据模拟结果：以大柳塔煤矿为分水岭，分水岭以西，地下水主体流向为由东至西，窟野河为井田的地下水排泄点；分水岭以东，地下水主体流向为由西至东，活朱太沟、勃牛川等为井田的地下水排泄点。从地下水流向可以看出(蓝色箭头为地下水流向，红色箭头为地下水转地表水流向)，总体上，地下水流线和等水位线分布较为均匀，基本上没有突变，局部由于地形控制而改变流动方向，因而在采掘前地下水表现出向补连沟、敖包沟、石灰沟、坝渠沟及窟野河等地表水体排泄的特征，因而地下水流向未发生大的变化。

(计算流场蓝色箭头为地下水流向，红色箭头为地下水转地表水流向)

图4 大柳塔井田计算地下水流场(单位；m)

3.1.2 地下水水均衡特征

经稳定流计算模拟后，大柳塔井田天然条件下松散含水层地下水均衡计算结果如表1。

从表1可以看出，未采掘前井田地下水补、径、排特征：

(1)地下水补给：大气降水是井田地下水补给的主要来源(占到95%左右)，侧向补给次之(5%)。

(2)地下水排泄：区内地下水主要排泄形式为蒸发排泄(约为71%)，向河流排泄次之(29%)，由于模拟区水文地质单元较为完整，地下水向区外侧向排泄量为0。

(3)地下水均衡：补排结果显示，补排差为-10.65 m3/d，基本保持补排平衡，有利于维持区域水生态环境。

表1 天然条件下大柳塔井田松散含水层地下水均衡表

2015年水位

2015年降深

3.2 现状开采条件下地下水流场分析

随着采掘范围进一步拓展，导水裂缝带沟通或揭露范围和地表沉陷范围扩大，对含水层地下水影响加剧[7-8]，导致地下水的流向发生变化，如图5为2015年的地下水流场分布特征。由图可知，在经历13 a的开采，模拟区地下水分水岭向东北方向移动，形成了以矿区为中心的地下水下降漏斗，矿区四周的地下水大部分向矿区中心方向流动，模拟区流线、等水位变动较大，越靠近矿区，降深愈大，且由于地下水位下降明显，矿区中心地带的松散含水层基本干涸。只有靠近河流的区域，由于存在水位落差，地下水仍流向河流。

3.3 维持开采条件的地下水动态预测

如图6为2020年持续开采条件下的地下水流场分布特征。由图可知，“十三五”期间，随着采掘范围进一步拓展，导水裂缝带沟通或揭露范围和地表沉陷范围扩大，对含水层地下水影响加剧，模拟区地下水分水岭继续向东北方向移动，以矿区采掘空间为中心的地下水下降漏斗不断扩大，地下水降深最大可达100 m左右。从地下水流场图来看，矿区四周的地下水加大了向矿区中心方向的流动，向矿区的流动更加明显。在靠近河流的区域，地下水仍流向河流，补给河流地表水，但补给水量继续减少。

2015年水位

2020年降深

(黄色部分为地下水干涸区域；蓝色箭头为地下水流向)

图6 维持开采条件的地下水水位变化预测(2020年)(单位：m)

3.4 采煤对地下水均衡的影响

如图7所示，为经过稳定流计算模拟补连塔井田在采掘扰动下地下水均衡结果过程线。可以看出，随着井田采掘范围逐年增加，受采掘扰动(导水裂缝带、地面沉陷)范围扩大，在煤矿开采初期，地下水向已采掘区段排泄的水量急剧增大，之后由于含水层被疏干，井田侧向补给不足，井下的涌水量有减小趋势，随着井田松散含水层水位持续降低，潜水位埋深增大，导致潜水蒸发量和向河流排泄量减少明显。由于井田水文地质单元较为完整，仅在井田北部接受外围的侧向补给，但北部为其它生产矿井(哈拉沟煤矿等)，含水层被破坏，导致侧向补给逐年减少，直至外围含水层被疏干，侧向补给消失。

由以上模拟成果可以看出，由于采煤影响，地下水水均衡总量减少，2004年以后，由于流场变化，导致侧向补给量直线减少，向采掘空间排泄量相对增加，潜水蒸发量相对减少，向河流排泄量减少明显，最后趋于稳定。

图7 采掘过程中含水层补给总量历时曲线(单位：m3/d)

4 结语

(1)开采前，总体上，地下水流线和等水位线分布较为均匀，基本上没有突变，局部由于地形控制而改变流动方向。因而在采掘前地下水表现出向补连沟、敖包沟、石灰沟、坝渠沟及窟野河等地表水体排泄的特征，河沟系统是地下水的主要排泄通道。

(2)现状开采条件下，矿区四周的地下水大部分向矿区中心方向流动，模拟区流线、等水位变动较大，越靠近矿区，降深愈大，且由于地下水位下降明显，矿区中心地带的松散含水层基本干涸。

(3)未来开采情景下，随着采掘范围进一步拓展，导水裂缝带沟通或揭露范围和地表沉陷范围扩大，对含水层地下水影响加剧，地下水向矿区的流动更加明显，以矿区采掘空间为中心的地下水下降漏斗不断扩大。在靠近河流的区域，地下水仍流向河流，补给河流地表水，但补给水量继续减少。

(4)采煤对地下水均衡的影响。开采前，补排基本保持平衡，有利于维持区域水生态环境。开采后，地下水水均衡总量减少，由于流场变化，导致侧向补给量直线减少，向采掘空间排泄量相对增加，潜水蒸发量相对减少，向河流排泄量明显减少，最后趋于稳定。

[1]范立民，马雄德，杨泽元.论榆神府区煤炭开发的生态水位保护[J].矿床地质.2010，29：1043-1044.

[2]范立民,王国柱.萨拉乌苏组地下水及采煤影响与保护[J].采矿技术.2006,6(3)：422-423.

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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

神府榆地区煤炭开采对地下水资源及地表植被影响研究(2015SLkj-14)

赵耀东(1961-)，男，陕西乾县人，教授级高工，主要从事地下水开发利用研究及保护管理工作。

P641.4+61

A

1004-1184(2017)02-0001-04