浅埋薄基岩煤层开采对潜水含水层的影响及定量评价

秦红正

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

0 引言

榆神府矿区主要开采侏罗纪煤层，其厚度大、埋藏浅、开采强度高，表土层下普遍存在以非胶结沙土、砂砾为骨架组成的松散含水层，开采导水裂缝带发育至上部松散含水层对该含水层地下水的运移及赋存特征产生较大影响，甚至会引发后果严重的突水溃砂灾害[1-3]。同时，该含水层是研究区唯一具有供水意义和重要生态价值的含水层，地下水和表生植被生态联系紧密[4-5]，开采导致地下水水位下降，进而加剧了矿区脆弱的生态环境现状[6]。因此，开展浅埋薄基岩煤层开采对潜水含水层的影响规律研究对区域煤炭资源开发与地下水资源保护具有重要意义。

在研究内容上，周进生等[7]认为受煤炭开采影响，地下水由采煤前的横向运动变为矿坑排水的垂向运动；顾大钊等[8]分析了超大工作面开采对地下水的影响，认为基岩越薄开采对地下水的影响越大；范立民等[9]认为榆神府矿区71.5%的地下水位明显下降区(下降幅度大于8 m)是由高强度煤炭开采导致。在研究方法上，目前被普遍接受的地下水量评价方法主要包括解析法[10]、数值法[11]、水均衡法[12]、开采试验法[13]和相关分析法[14]。其中，由于数值法可以评估复杂的地质和边界条件下的地下水资源量，并能预测不同开采时段的地下水流场变化特征，故目前得到广泛应用[7,11,15]。本文以榆神矿区的凉水井煤矿为例，利用Visual Modflow模拟软件分析浅埋薄基岩煤层开采对潜水含水层的影响规律，以期为煤矿的地下水资源与生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

凉水井煤矿位于榆神矿区二期规划区的北部，为典型的半干旱大陆性气候，多年平均降水量423.3 mm，多年平均蒸发量1 694.7 mm，平均蒸发量约是降水量的4倍。井田西部为风积沙丘地貌，东部为黄土沟壑梁峁地貌，地形标高在1 100～1 326.40 m之间。煤矿中部东西向分水岭将地表水划分为南北流域，南部边界西沟流量256.80 L/s，北部边界麻家塔河流量528.75 L/s，均为长年性河流。目前该矿开采4-2煤层，可采厚度0.8～4.65 m，平均厚度3.25 m，煤层埋藏较浅(平均100 m)，基岩薄(约28 m)，具有浅埋薄基岩煤层的典型特征。4-2煤层上部含水层自上而下分别为萨拉乌苏组松散含水层、直罗组风化基岩含水层和延安组基岩裂隙含水层，隔水层为离石组黄土层和保德组红土层。目前矿井正常涌水量维持在520 m3/h左右，期间最大涌水量678.38 m3/h。

2 模型构建

2.1 非饱和带地下水流模型

研究区的主要地貌类型为风积沙，透水性好，降雨入渗补给量占地下水总补给量的78.5%[16]，因此准确的估算研究区降水入渗系数对评估矿井地下水资源量具有重要的意义。本文采集了井田范围内平均分布的10个剖面的风积沙样品(每个剖面采集深度为150 cm，采集间隔为30 cm，单个剖面采集5个样品)，并在室内进行颗粒分析。由于室内颗粒分析结果差别不大，因此对颗粒分析结果取平均值并利用ROSSTA软件根据砂、粉、黏粒含量生成风积沙所对应的土壤水力参数，详见表1。

表1 风积沙的颗粒组成及水力参数

裸土条件下，一维非饱和土壤水运动的控制方程为：

式中：C(h)为容水度，cm-1；h为土壤水压力水头，cm；t为时间，d；z为垂向坐标，cm，向上为正；K(h)为非饱和渗透系数，cm/d。

文中采用van-Genuchten-Mualem模型描述土壤水分特征曲线和渗透系数曲线[17]：

式中：θs为饱和含水量，cm3/cm3；θr为残余含水量，cm3/cm3；Ks为饱和渗透系数，cm/d；m、n及α为相关土壤参数，其中m=1-1/n，n>1；l为弯曲度参数，通常取0.5。

在此基础上，利用HYDRUS模拟技术分析长时间尺度的降水-土壤水-地下水转化关系，并提出利用采用土壤水流通量估算降水入渗系数[18]，定义为：

α=Fs/P

式中：α为降水入渗系数；Fs为平均土壤水通量，mm；P为平均降水量，mm。

2.2 饱和带地下水流模型

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基岩裂隙含水层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[19]。依据上述水文地质概念模型，建立研究区地下水非稳定流数学模型为：

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；Г1为研究区第一类边界(含模型内部边界：指井田导水裂缝带发育的边界范围)；Гj为研究区第二类边界；qj(x,y,z,t)为二类边界的单宽流量，m2/(d·m2)；n为渗流区边界的法线方向；Qi为第i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；

如图1所示，凉水煤矿位于相对独立的麻家塔河流域和西沟流域分水岭上，根据煤矿地形地貌与流域特征，模型以煤矿南部的西沟和北部的麻家塔河为河流边界(常年性河流)，煤矿地下水系统受地形地貌控制，地下水沿分水岭向南北两侧流动，东西两侧地下水径流微弱，模型定义为零通量边界，稳定流模拟的流场为其初始流场。

在垂向上按含水层岩性剖分为第四系松散孔隙含水层组(含全新统风积沙、萨拉乌苏组松散地层)、相对隔水层(离石组、保德组红土地层)、砂岩裂隙含水层(直罗组、延安组基岩裂隙含水层与最上可采4-2煤层共4个模拟分层，其中顶部孔隙含水层(Q)接受大气降水的补给，其中井田的水文地质参数如表2所示。

表2 井田水文地质参数一览表

3 结果分析

3.1 降水入渗系数获取

研究区地下水埋深和土壤水流通量的关系如图2所示，可以看出土壤水流通量随着埋深的增大呈现出先减小，后保持稳定的指数变化趋势。当地下水埋深由50 cm增加到250 cm时，土壤水流通量由0.16 cm显著减小到0.11 cm，当地下水埋深大于300 cm时，土壤水流通量随地下水位埋深的增大基本不发生变化。因此在西部风沙区，利用300 cm处土壤水的水流通量估算降水入渗系数具有可行性，计算结果显示风积沙的降水入渗系数高达0.53。

3.2 采煤对地下水均衡和流场的影响

图3反映了实测流场与稳定流计算流场的宏观形态基本一致。从图4可以看出，实测涌水量和模拟涌水量的变化趋势也基本一致，反映出本次所构建的水文地质模型与实际水文地质条件相符，具有较高的模拟精度，可用来预测煤炭开采条件下的地下水运移特征。4-2煤层未开采前，研究范围内表现出大气降水和地下水补给地表水的三水转化特征，地下水流场与地形保持一致，东西向地下水水力坡度约为0.4%，南北向水力坡度约为2.5%，地下水流动特征受地形地貌控制明显，地下水整体沿地表分水岭向两侧的麻家塔河和西沟流动，麻家塔河和西沟分别为井田的地下水主要排泄点。

如图5所示，4-2煤层未开采前，研究范围内地下水资源总量为5.16×104m3/d(平水年)。其中降水补给为4.29×104m3/d，约占95%，侧向补给为0.24×104m3/d，占比仅为5%，可见大气降水是研究区地下水补给的主要来源。同时，地下水向河流的排泄是主要的排泄形式(4.03×104m3/d)，约占78%，蒸发排泄次之(1.14×104m3/d)，约占22%，由于模拟区水文地质单元较为完整、独立，地下水向区外侧向排泄量基本为0。

凉水井煤矿主要开采4-2煤层，由于研究区煤层埋深较浅，采掘扰动形成的导水裂隙带直接发育至松散含水层底部，松散含水层地下水沿导水裂隙直接进入采掘空间，导致含水层被迅速疏干，基本形成以采掘范围为中心的干涸区域。以2016年为例，已回采区段顶部的含水层均被疏干，但是由于井田位于西沟与麻家塔河流域分水岭处，已采掘的421盘区位于西沟流域内，因此以已采掘的范围为边界，在井田南部形成最大为170 m左右的水位降深，而在井田北部麻家塔河流域的水位变化不明显，详见图6。

研究区大气降水是地下水补给的主要来源(约为95%)，图7a反映出模拟期井田地下水水均衡总量受大气降水控制明显，随着年降雨量动态变化，地下水补给与排泄量协同变化。以2015、2016年为例，2015年降雨量为410 mm，井田地下水补给量为5.39×104m3/d，2016年降雨量达到583 mm，井田地下水补给量增加至7.49×104m3/d。如图7b所示，未采掘前地下水向河流等地表水体的排泄是主要排泄形式，约占78%，蒸发排泄次之，约占22%；由于矿井开采，地下水形成新的排泄形式-矿井水，以2016年为例，矿井水占比为34.09%，河流排泄、蒸发排泄占比减少至53.07%(原78%)、12.84%(原22%)，由此可见，矿井水主要袭夺了地下水向地表水体排泄量和蒸发排泄量。

3.3 采煤地下水量的损失程度分析

赵春虎等[20]提出近地表松散含水层(风积沙、萨拉乌苏组含水层)地下水漏失量(Ql)与采掘前地下水排泄总量(Qd)的比值来表征采煤地下水量的损失程度指标Eq，如下式：

Eq=Ql/Qd

式中Ql为矿井水中松散层的漏失水量；Qd为采掘前地下水排泄总量；Eq为地下水损失指标。Eq一般小于1，其值越大表征矿井水对松散层地下水资源袭夺量越大，采掘破坏程度越强烈。基于数值模拟结果，凉水井煤矿采煤对潜水含水层损伤的扰动程度高达27%。

4 结论

(1)研究区土壤水流通量随着埋深的增大呈现出先减小，后保持稳定的指数变化趋势。当埋深大于3 m时，土壤水流通量随地下水位埋深的增大基本不发生变化，因此在西部风沙区可利用3 m处土壤水的水流通量估算降水入渗系数，计算结果显示风积沙的降水入渗系数高达0.53。

(2)研究区地下水资源总量约为5.16×104m3/d，其中大气降水补给为4.29×104m3/d，约占95%，是研究区地下水补给的主要来源。同时，地下水向河流的排泄是主要的排泄形式(4.03×104m3/d)，约占78%。

(3)受煤炭开采影响，矿井水成为地下水排泄的重要组成部分。以2016年为例，矿井水占比为34.09%，河流排泄和蒸发占比分别减少至53.07%(原78%)、12.84%(原22%)。提出利用潜水含水层地下水漏失量Ql与采前地下水排泄总量Qd的比值来表征地下水量的损失程度Eq(Eq=Ql/Qd)，认为采煤对潜水含水层的扰动程度高达27%。