采煤影响下天山北麓潜水资源流失特征

许 峰，靳德武，石 磊，王世东，何 渊，黄 欢

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710054；3.陕西省煤矿水害防治技术重点试验室，陕西 西安 710077)

0 引 言

天山北麓位于新疆准噶尔盆地南缘，地处欧亚大陆腹地，属于大陆干旱性气候，蒸发量远大于降水量，生态环境脆弱。以往研究表明，天山北麓“三水”转化规律为天山融雪在基岩山区形成径流，流经坡降相对较小的山前洼地或丘陵区域时补给或转化为河谷潜流，至冲洪积扇区域时转化为地下水径流，最终汇至准噶尔盆地，通过蒸发蒸腾方式排泄[1-3]。地表径流在转化为地下潜水流向盆地的过程中，受到的蒸发作用不明显，因而这些潜水资源成为工农业以及居民生活用水的主要来源[4-5]。而在山前洼地或丘陵地区，由于人类采矿活动导致地表塌陷，形成塌陷通道，致使潜水资源流失[6-11]。通过文献调研，国内外学者对于天山博格达峰北麓区域，因采矿活动引起的地下水资源变化研究较少，而对于采煤过程中潜水资源流失的研究更少。

因此，笔者以天山博格达峰北麓铁厂沟河山前丘陵冲洪积层潜水为研究对象，采用水文地质测绘、地面物探、水文地质钻探、数值模拟等手段，对研究区采煤活动影响下的潜水资源流失特征进行研究，为水资源保护与综合利用提供依据。

1 研究区水文地质概况

铁厂沟河发源于天山东段博格达峰北麓，自南向北，穿越山前丘陵地带流入米东区境内，如图1所示。冰川及冰雪融水、山区的大气降水是该河及其冲洪积层潜水的主要补给水源。

图1 铁厂沟位置卫星图Fig.1 Satellite map of Tiechanggou

由于多期构造运动影响，博格达峰北麓多发育NEE向逆冲推覆构造，其中八道湾向斜为区域内的次一级构造单元[12-15]，该区发育有侏罗系(J)和第四系(Q)地层，其中侏罗系西山窑组为含煤地层，主要可采煤层为45号、43号煤，煤厚为40～60 m。受八道湾向斜影响，南翼含煤地层近直立，北翼含煤地层倾角达50°。铁厂沟河由南向北径流过程中侵蚀切割煤系地层，并沿沟流及河床两岸形成宽度数十米至数百米第四系冲洪积砂砾石层条带，而研究区即位于铁厂沟河冲洪积层与八道湾向斜煤系地层交汇区域，如图2所示。

图2 研究区地质平面图及剖面图Fig.2 Study area plan and section

2 煤矿开采地表塌陷特征

由于45号和43号煤层较厚且出露，八道湾向斜两侧存在众多大小煤矿，部分矿井已开采至河道底部，如图3所示。

图3 小窑采空区与铁厂沟河空间关系示意Fig.3 Schematic of spatial relationship between small kiln goaf and Tiechanggou River

通过现场观测发现，在铁厂沟河与向斜北翼45号煤层露头交汇处存在一塌陷坑，平面形状呈圆形，直径10 m左右，距离河道约15 m，平面上处于河流冲洪积砂砾石层范围内(图4)。通过近距离观察，塌陷坑内部存在流水声音，考虑到地表水没有通过塌陷裂缝直接灌入，分析认为由于铁厂沟河冲洪积层直接不整合接触煤层及基岩，小窑采动破坏了留设的防隔水煤柱，导致塌陷坑处存在沟通潜水含水层与小窑采空区的集中通道，造成潜水资源的流失。

图4 塌陷坑现场照Fig.4 Site photo of collapse pit

3 潜水含水层空间展布及富水性特征

3.1 松散覆盖层空间展布特征

采用高密度电阻率法对研究区冲洪积砂砾石松散覆盖层厚度及底界起伏形态进行了探测，探测范围如图5所示，控制面积0.08 km2。通过野外施工、数据采集及解释分析，绘制出第四系松散层底界等高线图(图6)以及松散层等厚线图(图7)。

图6 研究区松散层底界面标高等值线Fig.6 Contour map of the bottom interface elevation of the loose layer in the study area

图7 研究区松散层厚度等值线Fig.7 Contour map of loose layer thickness in the study area

铁厂沟上游松散层砂砾石层底部标高为+800 m左右，下游标高为+745 m，相对高差55 m，呈逐渐下降趋势；研究区松散层厚度为20～60 m，沿河流方向，逐渐变厚，在铁厂沟下游断面厚度达60 m。研究区松散砂砾石层呈现上(游)高下(游)低，上薄下厚的空间展布特征，与山前丘陵地带冲洪积层展布规律基本一致。

3.2 松散潜水含水层地下水流场及富水性特征

以塌陷坑为中心，施工了14个水文地质探查钻孔，钻孔呈勘探线形式等距离布置，各钻孔之间间距约30 m(图5)。钻孔均完整揭露松散含水层，对研究区潜水含水层水位进行了观测，(水位钻孔潜水位标高统计见表1)同时，利用8号钻孔开展了一次单孔定流量似稳定流抽水试验，其单位涌水量q为0.146 L/(s·m)、渗透系数K为0.233 m/d，富水性中等。

图5 物探与钻探工程探测范围示意Fig.5 Schematic of exploration scope of geophysical exploration and drilling engineering

表1 水文钻孔潜水位标高统计Table 1 Statistics of groundwater level elevation of hydrological borehole

研究区潜水位标高为+772.2～+784.2 m，上游潜水位略高于下游，水位最低点为3号钻孔，潜水面呈现出以3号钻孔为中心的降落漏斗形态，而3号钻孔即位于地表塌陷坑边缘(图8)，因此，根据研究区潜水流场特征，结合塌陷坑内存在流水声现象，确定该塌陷坑区域存在沟通潜水含水层与井下采空区的集中通道。

图8 研究区潜水位标高等值线图Fig.8 Contour map of phreatic level elevation in the study area

4 潜水流失量预测与分析

基于潜水渗流原理，采用FEFLOW有限元数值模拟方法[16-20]，对地表塌陷坑集中导水通道处的潜水流失量进行预测与分析。

4.1 水文地质概念模型

根据水文地质钻探探查范围确定水文地质模型范围，模拟区面积19 065 m2，长度约144 m，宽度约137 m，近似平行四边形(图9)。底部边界取第四系砂砾石层含水层底板，顶部边界取第四系砂砾石层顶板(地表)。

图9 模拟区水文地质三维模型Fig.9 Three dimensional hydrogeological model of simulation area

模拟区第四系潜水在塌陷坑集中导水通道处渗漏进入采空区，形成以集中通道为中心的降落漏斗，钻孔水位动态观测显示流场基本稳定。模型西南部边界为露天剥离坑，经探查在该区域第四系含水层底板标高高于研究区潜水水位标高，且第四系地层趋于尖灭，因此，将该边界定为零流量边界，其他边界为给定水头边界，水位值利用已知钻孔水位数据插值获取。对研究区进行三角网格剖分，共剖分为2 298个结点，2 177个三角形单元，如图10所示。

图10 模型网格剖分及边界条件Fig.10 Model mesh generation and boundary conditions

4.2 潜水数学模型构建

根据定解条件，采用潜水三维稳定流、均质、各向异性、数学模型进行描述，其数学模型表示如下：

式中：Kxx、Kyy、Kzz分别为X、Y、Z轴方向的渗透系数；D为渗流区域；H为水位标高,m；K为渗透系数，m/d；W为垂向水量交换强度，m3/(d·m2)；n为边界外法线方向；h为给定水头值，m；Γ1为第一类边界；Γ2为零流量边界。

将研究区各参数代入到数值模型中，即构成第四系砂砾石层含水层塌陷坑潜水流失量的计算模型。

表2 研究区水文地质参数

4.3 预测结果及分析

以S3号钻孔水位为参考，设置排泄边界水位，进行稳定流计算，通过调整排泄水位及排泄区范围计算潜水流场(图11)基本接近实际观测流场(图8)。在此基础上，计算得出第四系潜水经塌陷坑集中裂隙的排泄水量(漏失量)为86 m3/h。

图11 模拟区潜水流场Fig.11 Flow field of diving in simulation area

由于该区煤系地层本身富水性弱，正常情况下，矿井开采井下几乎无涌水，但是，研究区矿井井下涌水量一直稳定在96 m3/h左右，潜水漏失量预测值与实际井下涌水量较为吻合，分析表明第四系潜水为该区井下涌水的主要补给水源。

5 结 论

1)铁厂沟河与八道湾向斜北翼煤系地层交汇区第四系冲洪积层呈南(上游)厚北(下游)薄特征，松散层底界标高沿河流方向呈逐渐降低趋势，与山前沟流冲洪积特征基本一致；该区潜水含水层单位涌水量为0.146 L/(s·m)，渗透系数为0.233 m/d，富水性中等。

2)采煤影响下，研究区潜水流场为以地表塌陷坑为中心的降落漏斗，塌陷坑区存在沟通潜水含水层与小窑采空区的集中导水通道；

3)采用FEFLOW数值模拟计算塌陷坑处的潜水漏失量约为86 m3/h，与井下涌水量数值基本吻合。

4)煤矿开采是引发该区潜水资源流失的主要原因，采动形成的塌陷、裂缝是潜水流失的主要通道，针对塌陷、裂缝的治理工程是保护潜水资源的主要途径。