采煤对含水层地下水水位和水量的影响

穆鹏飞

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司， 西安 710054; 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室， 西安 710177)

煤矿采煤工作面的回采，使煤层顶板岩体原始应力状态遭到破坏，引起应力重新分布，从而使围岩产生变形及破坏，逐渐形成顶板导水裂隙带[1]，并沟通煤层顶板上覆含水层水体，地下水沿裂隙带涌入矿坑，而导水裂隙带未波及到的含水层地下水，由于直接充水含水层涌入矿坑中地下水的疏排，水位降低，矿井含水层水力梯度的变化导致裂缝带未波及到的含水层地下水的水位下降和越流向下补给排泄水量的增加[2]，为了研究矿井采煤对含水层地下水的影响，采用Visual Modflow数值模拟软件预测和分析采煤工作面回采后导水裂隙带未波及到的含水层地下水的动态变化规律[3]。

1 水文地质概况与导水裂隙带

1.1 水文地质概况

井田位于山西省太行山西麓，属于华北型煤田，矿井规划开采石炭系上统太原组(C3t)的15号煤层，顶板上覆主要含水层为太原组K2、K3、K4灰岩含水层，单位涌水量0.008 6～0.24 L/(s·m)；山西组K7砂岩含水层，单位涌水量0.001 1 L/(s·m)；下石盒子组K8砂岩含水层，单位涌水量0.167 L/(s·m)；上石盒子组K10砂岩含水层含水层[4-5]，单位涌水量0.167 L/(s·m)。含水层富水性划分为弱富水性q≤0.1 L/(s·m)，中等富水性0.1

1.2 导水裂隙带

15号煤层平均厚度5.67 m，顶板主要由砂质泥岩、细砂岩和石灰岩组成，岩体抗压强度为12.2～96.8 Mpa，煤层开采后导水裂隙带发育高度依据《煤矿防治水细则》[6]，按中-坚硬岩石考虑，计算公式如下：

(1)

(2)

式中：hli——导水裂隙带高度，m；

d——煤层厚度，m；

根据井田内地质(水文)钻孔资料，计算得到煤层开采后顶板导水裂缝带发育高度为65.72～91.39 m，一般高度77.64 m，如表1所示，而15号煤层顶板至太原组K2、K3、K4灰岩含水层底板平均距离分别为17.66 m、35.45 m和52.94 m，至山西组K7砂岩含水层底板平均距离93.11 m，至下石盒子组K8砂岩含水层底板平均距离164.71 m，至上石盒子组K10砂岩含水层底板平均距离282.64 m，如表2所示。

经煤层顶板导水裂隙带发育高度与煤层顶板含水层位置关系对比分析，15号煤层开采后顶板导水裂隙带未发育至下石盒子组K8砂岩和上石盒子组K10砂岩含水层。

表1 部分钻孔导水裂缝带计算结果

Table 1 Calculation results of partial boreholedrainage fracture zone

表2 煤层与含水层距离

2 地下水数值模拟

建立水文地质概念模型，运用地下水动态模拟软件Visual Modflow建立模拟区地下水流数值模型[7]，利用矿井实测水位，绘制实测流场，校正数值模拟参数及模型，最后利用校正后的数值模型来预测采煤对含水层水位及越流排泄水量的影响。

2.1 含水层概化

根据矿井地层沉积厚度、岩性类型、含水层孔隙特征、水文地质参数、水力联系以及导水裂缝导通情况等，在垂向上将模拟区含水层概化为：第一层为上石盒子组；第二层为下石盒子组；第三层为山西组；第四层为太原组。

下石盒子组为砂泥岩互层的复合含水岩组，砂岩含水层与泥岩隔水层互层分布，垂向上该层隔水性能良好，模拟时将其概化为各向异性地层，通过降低垂向渗透系数将其表征为隔水层。山西组K7砂岩含水层和太原组K2、K3、K4灰岩含水层为煤层开采后顶板导水裂隙带沟通的含水层，两层共用相同水头。

2.2 模型范围和边界条件概化

将水库的陆域区范围外扩1.5 km的矩形区域确定为地下水模拟范围，模拟区东西长8 km， 南北宽10.2 km，面积81.6 km2。

下石盒子组K8砂岩和上石盒子组K10砂岩含水层初始水位流场及模拟研究区边界类型划分如图1所示，其中西(1-2)边界、北(2-3)边界、南(4-1)边界模拟区外含水层地下水向模拟区内存在径流补给，概化为补给流量边界；东(3-4)边界模拟区内含水层地下水向模拟区外存在径流排泄，概化为排泄流量边界；模拟区中部为水库，为模拟区内含水层地下水的主要补给区域，概化为定水头边界；模拟区顶部边界通过松散覆盖层或裸露基岩直接接受大气降雨的入渗补给和蒸发排泄；模拟区的底部边界为15号煤层，可概化为隔水边界[8]。

图1 石盒子组含水层初始流场及边界类型Fig. 1 Initial flow field and boundary type of Shihezi formation aquifer

太原组K2、K3、K4灰岩含水层和山西组K7砂岩含水层初始水位流场及模拟区边界类型划分如图2所示，其中西(1-2)边界、东(3-4)边界与含水层的水位等值线基本垂直，模拟区内外含水层互补非常微弱，概化为零流量边界[9]；北(2-3)边界模拟区内含水层地下水向模拟区外存在径流排泄，概化为排泄流量边界；南(4-1)边界模拟区外含水层地下水向模拟区内存在径流补给，概化为补给流量边界。

图2 太原组和山西组含水层初始流场及边界类型Fig. 2 Initial flow field and boundary type of Taiyuan formation and Shanxi formation aquifer

2.3 地下水流数学模型

根据研究区内煤层顶板分布的含(隔)水层厚度、岩性、水文参数等特征，确定模拟区为一个非均质、各向异性、空间立体三维结构、非稳定流的水文地质概念模拟模型[10-11]，其数学模型表达式如下：

h(x,y,z,t)|t=0=h0(x,y,z)，(x,y,z)∈Ω，

h(x,y,z,t)|Γ1=h1(x,y,z,t)，t>0，

式中：h——地下水位标高，m；

Q——边界上的单位渗流量，m3/d；

h0——初始流场，m；

h1——定水头边界水头高度，m；

n——边界外法线方向；

K——渗透系数，m/d；

Γ1——水头边界；

Γ2——流量边界；

Γ3——隔水边界；

Ω——计算域；

W——潜水面上的垂向补给或排泄强度，L/d；

Ss——含水层的储水率，L/m；

Kxx、Kyy、Kzz——含水层渗透系数，m/d；

t——时间，d。

3 模拟结果与分析

3.1 地下水流模型结构

3.1.1 空间离散及含水层结构数据

模型剖分采用等间距有限差分的离散方法对模拟区含水介质自动剖分，网格单元的行×列×层按102×80×4划分，各沉积地层顶、底板高程数据(等值线)根据地质钻孔资料统计导入。

3.1.2 边界条件

模拟区内的水库概化为水头边界(Г1边界)；上石盒子组和下石盒子组地层的东、南、北、西边界，山西组和太原组地层的南、北边界均概化为流量边界(Г2边界)，模型通过流量边界与外界进行水量交换；山西组和太原组东、西部边界以及模型底部边界概化为隔水边界(Г3边界)；模型中矿井排水采用WEL孔井流子程序包实现，孔井的抽水量为负值表示抽水，抽水量为矿井涌水量，约为68 m3/h。

3.1.3 初始条件

含水层地下水的初始流场以2018年6月井田内所有目标含水层水文孔实测的地下水水位为基础，同时结合矿井水文地质条件、参数赋值综合考虑，各含水层地下水初始流场[12]，如图1和图2所示。

3.2 模型校正

研究区模拟模型通过流场拟合来校正模型，进一步深化模拟研究区内的水文地质条件，确定出能够反映地下水流系统实际情况的水文地质参数，进而为地下水水位和水量变化的准确预测分析奠定基础[13-14]。

由于下石盒组K8和上石盒组K10砂岩含水层为承压含水层，地下水水位变化受外界影响较小，地下水动态变化较小，可将其视为一个连续水文年内流场近似相同的含水层，故丰水期与枯水期流场相似。

以2018年6月(枯水期)统测的流场为初始流场，运行模型计算2018年10月(丰水期)流场，2018年10月计算流场与实测流场拟合情况如图3所示，从图3可以看出，仁者宏观形态拟合效果较好。

图3 流场拟合Fig. 3 Flow field fitting

3.3 水文地质参数

通过调整参数，模型校正后得到预测分析模型的水文地质参数见表3，参数分区如图4所示。

表3 模型参数

图4 上石盒子组参数分区Fig. 4 Upper-shihezi group parameter partition

3.4 地下水水位和水量的预测

15号煤层工作面开采所形成的导水裂隙带直接沟通太原组K2、K3、K4灰岩和山西组K7砂岩含水层地下水，随着含水层的漏失及矿井水的疏排，推采工作面上覆含水层及规划采区周边地下水影响半径范围内的含水层水位逐渐出现不同程度的降低[15]，从而引起15号煤层顶板导水裂隙带未沟通的下石盒子组K8和上石盒子组K10砂岩含水层的水力梯度发生变化，改变了原有水力平衡，使K8砂岩和K10砂岩含水层地下水垂直向下越流排泄，进而引起含水层的水位和水量发生变化。

根据矿井采煤规划，研究区内逐步完成北、中、南部3个区域工作面的开采，根据规划工作面的开采范围和开采时间分别进行了预测[16]，各区域开采结束后，15号煤层顶板导水裂隙带未沟通的下石盒子组K8和上石盒子组K10含水层地下水最大水位降深为0.25 m，结合含水层水文地质参数和模拟区范围，换算导水裂隙带直接沟通含水层越流排泄水量约为145 m3/d，水位降深漏斗如图5所示。

图5 含水层水位降深Fig. 5 Depth reduction of aquifer

4 结束语

研究发现矿井15号煤层开采后，顶板导水裂隙带的形成，直接沟通太原组K2、K3、K4灰岩和山西组K7砂岩含水层地下水，使其成为矿井直接充水水源；未沟通的下石盒子组K8砂岩和上石盒子组K10砂岩含水层，成为矿井的间接充水水源，对矿井防治水安全够成潜在的影响，通过地下水流三维动态数值模拟模型，预测分析规划区内煤层开采后下石盒子组K8砂岩和上石盒子组K10砂岩含水层地下水的流场动态变化规律，其中含水层(K8和K10)地下水受采煤的影响，最大水位降深为0.25 m，预计垂向向下进入矿井的越流排泄量为145 m3/d，该研究对本矿井未来开采及水文地质条件相似矿井疏排水工作具有重要的指导意义。