鄂尔多斯盆地某矿区铀煤协同开采地下水影响研究

李梦姣，曹凤波，刘晓超

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

近年来，在内蒙古鄂尔多斯盆地已探明的煤炭储量十分丰富，同时在煤炭周边区域先后发现了多个大规模铀矿床，铀煤资源重叠共存现象在该地区普遍存在[1]。某矿区便是该区域内典型的铀煤资源重叠共存矿区，且呈现出“上铀下煤”的地层结构。

煤矿开采前需进行疏排水，疏排水将导致矿区内的铀矿区地下水水位持续下降。矿区的铀矿床地质详查报告表明，该铀矿床是适于地浸工艺开采的砂岩型铀矿，其开采需维持一定的承压水头。若煤矿疏排水使得地下水水位过低，将导致铀矿无法有效开采或成为无法利用的呆矿。

本研究通过详细调查矿区水文地质条件，刻画铀煤之间的平面及垂向位置关系，应用地下水数值模拟系统(GMS)建立铀煤协同开采三维地下水数值模型，并利用煤矿疏排水和水文孔监测数据对模型进行识别与验证。在保证模型准确度的基础上，结合铀煤开发利用方案，开展铀煤协同开采条件下的地下水流场数值模拟预测，分析地下水水位变化特征，研究铀煤协同开采制约因素，并探讨水力帷幕措施在铀煤协同开采中的可行性，为鄂尔多斯盆地铀煤协同开采提供技术支持。

1 研究区概况

1.1 铀煤位置关系

某矿区地层层位自上而下有白垩统(K1)、侏罗系安定组(J2a)、侏罗系直罗组(J2z)、朱罗系延安组(J2y)、三叠系延长组(T3y)。其中，直罗组细分为直罗组上段(J2z2)和下段(J2z1)。直罗组下亚段是铀矿床主要含矿层位，其下部的延安组是煤矿的主要含矿层位。在平面关系上，铀矿床与煤矿主采3-1号煤层存在重叠(图1)；在垂直关系上，铀矿床位于可采煤层上部，二者之间的垂直距离约90～150 m(图2)。

1.2 水文地质条件

该矿区地下水含水层自上而下划分为：第四系潜水含水层(Q)、下白垩统孔隙潜水-承压含水层(K)、侏罗系安定组直罗组上段承压含水层(J2a-J2z2)、侏罗系直罗组下段承压含水层(J2z1)、侏罗系延安组承压含水层(J2y)[2]。其中，下白垩统地下水的主要补给源为大气降水，其径流、排泄条件受地貌及地层结构控制明显，地下水总体流向从西南、东南向北径流。中侏罗统直罗组地下水主要通过区域北部的隔水层剥蚀地区接受上覆白垩系含水层垂向补给，在地层出露地区也接受大气降水补给。受地下水储层空间分布及其产状、埋深的控制，地下水总体流向从北、北东向南、南西径流；但由于地层倾角较小，水动力相对较弱，径流缓慢。

由矿区水文地质剖面图(图3)可知，铀矿体位于侏罗系直罗组下段承压含水层，该含矿含水层是煤矿的直接充水含水层，也是煤矿开采排水降压的目标层。含矿含水层与其上层含水层之间存在全区普遍分布的隔水层；煤田勘探报告显示该隔水层的隔水性能良好，切断了白垩统含水层与含矿含水层之间的水力联系。

图1 某矿区煤矿与铀矿平面位置关系示意图

图2 煤矿与铀矿垂直位置关系示意图

1—下白垩统；2—安定组-直罗组上段；3—直罗组下段；4—延安组；5—角度不整合界线；6—平行不整合界线；7—整合界线；8—煤测井伽马增高异常体/铀矿体；9—煤层；10—隔水层；11—含水层；12—铀矿钻孔；13—煤田钻孔。

2 铀煤开采地下水数值模拟

与解析法、水文地质比拟法、相关分析法等传统计算方法相比，地下水三维数值模型能较好地刻画地下水流系统的内部结构和功能，较为真实地反映实际水文地质状况；并且能够根据矿井的实际采掘进度和工作面特征预测矿井涌水量[3]。因此，在刻画区域三维地层结构的基础上，采用GMS三维地下水数值模拟软件对地下水流场进行模拟预测。

根据区域水文地质条件，划定模拟范围东西长35.7 km、南北宽30.9 km，模拟面积约1 025 km2。模型四周边界均概化为通用水头边界。铀矿含矿含水层与上部白垩系含水层之间的隔水层切断了含矿含水层和上含水层之间的水力联系。因此，模拟区垂向上边界为侏罗系安定组底板，模型区下边界为煤层顶板。模拟区地下水系统概化为非均质、单层结构、非稳定地下水流系统。

模拟区剖分为200 m×200 m的矩形网格。在铀矿区对网格进行了加密处理，计算单元为50 m×50 m；在煤矿开采工作面区域纵向进行加密处理，计算单元为200 m×100 m；计算区共有66 032个有效计算单元。

根据煤矿及铀矿区开展的水文地质勘查报告确定模型的渗透系数、储水系数等参数，以天然流场为初始流场，利用煤矿疏排水期间的水文孔水位监测数据对模型进行识别与验证，对研究区的水文地质参数进行分区。

经识别与验证后，主要监测井M-GC1～M-GC5的水位拟合结果如图4所示。可以看出，计算的监测井水位曲线与监测井实际观测水位曲线拟合较好。M-GC3孔距离煤矿竖井距离最近，对煤矿排水引起的水位响应也最为敏感，模拟预测结果与实际观测结果基本一致。此外，距离竖井最远的M-GC1孔及M-GC5孔拟合效果也较好。经相关性计算，各监测井水位拟合度均在95%以上，说明本次建立的数值模型可以对模拟区地下水流场进行刻画。

3 铀煤协同开采制约因素分析

3.1 地下水流场预测

该矿区的铀矿床类型适用于CO2+O2原地浸出采铀，矿床和含矿层水文地质条件决定着地浸采铀能否顺利进行[4-8]。O2的溶解度受地下水水温和压力的影响，地下水有一定的承压水头才能保证所需要的溶解氧浓度；当承压水头小于一定值时，加入的O2在未到达抽液井时就会从水中逸出，无法保证地浸效果[9]。根据该铀矿地浸工业试验结果，地浸开采时需要的溶解氧质量浓度为400～800 mg/L；至少需要100 m的承压水头(承压水头为地下水水位与含矿含水层顶板标高的差值)，才可以保证地下水中的溶解氧质量浓度大于400 mg/L。因此，地下水水位将成为制约区域铀煤协同开采的关键因素。

根据煤矿开采方案，开采起始面为西一盘区第11个工作面，自西向东开采，开采方式为长臂式全部垮落法。为保障煤矿开采安全，在开采前进行疏排水，开采后煤矿顶板垮落，形成导水裂隙带。因此，在GMS模型中用排水沟(Drain)模块对煤矿开采方式进行概化，排水沟的顶板高程为煤矿顶板高程。经模型预测得出煤矿开采第1年和第16年(铀矿服务期末)的地下水流场预测结果(图5)，图中绿颜色区域为首采面位置。

图4 监测井M-GC1～M-GC5水位拟合图

由图5可知，在煤矿开采条件下，煤矿区疏放水改变了原有地下水流向，四周地下水均流向采空区，开采工作面周边很大范围内的水位大幅下降，形成了以工作面为中心的大范围降落漏斗。这直接导致铀矿区含水层出现大幅度水位下降，且随着工作面的不断扩大，地下水水位降落漏斗也会逐渐增大。

该铀矿床拟采用的原地浸出采铀工艺，不需要采出矿石，不会造成地下采空区。为保护地下水环境，其抽液量略大于注液量，基本保持抽注平衡；铀矿生产对区域地下水水位影响不大，井场外地下水流场基本可以保持在天然状态。在天然状态下，铀矿含矿含水层水位为1 330～1 360 m，承压水头大于150 m；而煤矿开采会导致铀矿区的地下水水位出现大幅度下降。

(a)第1年流场图 (b)第16年流场图

以铀矿区内的3个监测井WN1、WN2、WN3为研究对象(图1)，分析煤矿开采对铀矿区地下水水位的影响程度。监测井WN1、WN2、WN3水位随时间变化的模拟曲线如图6所示。

图6 WN1～WN3孔水位随时间变化模拟曲线

由图6可知，在模拟期内，铀矿区地下水水位持续降低，WN2水位降幅最大，WN3次之，WN1最小。由监测井位置关系可知，地下水水位降幅与监测井至煤矿开采区的距离成正相关关系，监测井距煤矿开采区越远，地下水水位降幅越小，煤矿对铀矿区水位的影响程度随距离增大而逐渐减小。

3.2 制约因素分析

以WN1、WN2、WN3为研究对象，通过监测井含水层埋深及矿体埋深，并与地下水水位模拟预测结果对比，分析煤矿开采对铀矿区的影响程度，进而判断铀矿区地下水水位是否能够满足地浸生产要求。铀矿区各监测井参数见表1。

表1 铀矿区监测井参数

当煤矿开采第3年后，WN1孔处的水位由1 348 m降低至1 272 m(图6)，该点位含水层顶板标高为1 191 m(表1)，WN1处的承压水头由157 m降为81 m，此时该监测孔的承压水头低于100 m(图7)。当煤矿开采第4年后，WN2、WN3处的承压水头分别降低至92 m和82 m，低于100 m(图7)。在当前地浸生产技术条件下，其地下水水位无法达到地浸开采的要求，会影响铀矿的正常开采。

图7 WN1～WN3孔承压水头随时间变化曲线

从图7和表1还可看出：煤矿开采第9年后，WN1处的水位降低至1 185 m，该点位含水层顶板标高为1 191 m，该点位的地下水水位低于含水层顶板标高，标志着该点位地下水含水层的承压状态发生了改变；煤矿开采第12年后，WN2、WN3处的水位也低于了该点处含水层的顶板标高，地下水含水层状态由承压状态转为无压状态。

3.3 水力帷幕措施

为保护铀矿资源及保证铀煤矿产的的正常开采，需对铀煤矿区采取隔离开采技术，隔离开采技术主要有帷幕注浆法、水力帷幕法、冻结法等[10]；但不论采取哪种方法，均需确保煤矿开采形成的水位降落漏斗不影响铀矿开采形成的局部降落漏斗，从而避免二者之间的相互影响。水力帷幕技术具有费用相对较低、可控性强、对地层破坏程度小等优点。因此，对水力帷幕措施的可行性开展初步研究。

水力帷幕技术是在距离矿体边界一定范围内施工一定数量的注水孔，通过水幕孔(管井注入法)人工注水补给地下水，使可充水岩层的孔隙或通道充水饱和，并具有一定的承压性，达到抬升含矿层水位的效果，可在区域内形成反向充水漏斗。

本研究在距铀矿西北边界100 m处设计水力帷幕，帷幕总长度8 732 m，共布设168口注水井，注水井间距为50 m，通过注水使水力帷幕注水井处的地下水水位保持在1 340 m。通过模拟预测，反求水力帷幕所需注水总量，水力帷幕下第1年及第16年的地下水流场预测如图8所示。

图8 水力帷幕措施下地下水流场图

由图8可知，在水力帷幕西侧由于煤矿开采水位急剧降低，水位最大落差高达450 m；而在水力帷幕东侧，水位较为平缓，在铀矿协议区范围内水位落差最高为10 m。水力帷幕处的水位保持在1 340 m，铀矿区水位维持在1 330～1 340 m，可以满足铀矿生产需求。经模拟预测，水力帷幕注水量随着煤矿开采工作面向铀矿推进而逐渐增大，平均每口井的最大注水量约为48.65 m3/d。

4 结论

煤矿开采引起的铀矿区域地下水水位明显下降问题是制约铀煤协同开采的关键因素。铀矿开采对区域地下水流场影响较小，煤矿开采将导致区域地下水水位下降，煤矿开采第4年后，铀矿区承压将低于1 MPa，影响铀矿在现有技术条件下进行正常地浸开采。

在靠近煤矿一侧的铀矿区边界设置注水水力帷幕，可以显著改变煤矿开采对铀矿地下水水位的影响；通过水力帷幕注水可使铀矿区水位保持在承压1 MPa以上，满足地浸采铀对地下水水位的要求。