安新煤田地下水流场演化规律研究

2022-10-19王强华杜明泽李江华张陇强

煤炭工程 2022年10期

王强华，杜明泽，黎灵，李江华，张陇强

(1.华亭煤业集团有限责任公司，甘肃华亭744100；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；4.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

侏罗纪煤炭资源地质储量约占总量的60%，主要集中分布于西北地区。我国规划的14个大型煤炭基地中有4个处于蒙、陕、甘、宁四省交界处[1-3]。随着开采强度的加大，尤其是开采水平的延伸，顶板水害问题日益突出，突水灾害时有发生，造成大量生命财产损失和负面社会影响，同时还严重制约着我国煤炭开发战略西移[4-6]。

西部深埋侏罗纪煤田受沉积环境和构造条件的影响，其煤层顶板含水层富水性不均一，是煤矿发生顶板突水的先决地质因素[7]。众多学者针对沉积和构造控水规律进行了研究[8-10]，方刚等[11]以巴拉素井田为例，从沉积控水理论研究对2#煤层顶板含水层进行富水性分区；杨建等[12]对鄂尔多斯盆地北部深埋区“地貌—沉积”控水关键要素进行了研究，得出地形地貌和地质沉积是控制直接充水含水层富水性和工作面涌水量的关键要素；冯洁等[13]采用沉积微相划分、地学信息定性统计与灰色关联定量分析等多种方法分别研究了陕北侏罗系沉积微相、岩性及其组合、微观孔隙结构与富水性的关系，揭示沉积控水机理；王洋等[14]应用沉积控水规律，分析了含(隔)水层在平面与剖面的空间展布规律与含水层富水性分布规律，并提出了深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术；杜明泽等[15]对煤矿区地下水污染场地和地下水污染流场单元进行了科学界定，明确了煤矿区地下水污染场地范围和地下水流场评估范围。

安新煤田是华亭矿区规划开采的主要煤田之一，随着开采深度不断加深和开采范围不断扩大，安新煤田各矿井局部水文地质条件趋于复杂，水害事故时有发生，已严重威胁安新煤田矿井安全生产。2015年7月，大柳煤矿1402采煤工作面发生涌水，停产20多天；2017年10月，新柏煤矿3511采煤工作面发生涌水，最大水量达到270m3/h；新窑煤矿13号勘探线附近多个工作面集中出水。诸多工作面异常涌水及突水发生给安新煤田矿井安全生产带来严重威胁。目前对该煤田地下水补径排关系尚未系统研究，地下水渗流规律还不完全清楚，为此，开展安新煤田地下水流场演化规律研究，为该矿区水害防治提供参考依据。

1 研究区域概况

1.1 地层条件

研究区域为安新煤田内的三个煤矿，分别是大柳、新柏、新窑煤矿。井田内地层由老至新分别为：上三叠统延长群(T3yn)、中侏罗统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)、下白垩统志丹群(K1zh)、上第三系甘肃群(Ngn)、第四系(Q)，局部存在地层缺失。研究区域如图1所示。

1.2 水文地质条件

区域内的含水层、隔水层按其含水性、含水类型及水力特征，可划分为5个含水层：第四系全新统砂砾层孔隙潜水含水层、上第三系甘肃群(Ngn)或下白垩统志丹群第二组(K1zh2)基岩表层风化裂隙潜水含水层、白垩系志丹群第一组砂岩、砾岩承压含水层、中下侏罗统延安组中部(煤4顶板以上)砂岩复合承压含水层和中下侏罗统延安组下部煤6-2底板以下(或煤5底板以下)——三叠系砂岩、砾岩复合承压含水层。其中，大柳井田缺失上第三系甘肃群或下白垩统志丹群第二组基岩表层风化裂隙潜水含水层。

2 水文地质概念模型

2.1 模拟范围

水文地质条件的概化是数值模拟的基础，概念模型通过确定该几何尺寸、边界条件、源汇项和水力等参数，并通过划分网格、编辑水文地质参数等完成概化[16-19]。

研究区位于甘肃安新煤田的南部，井田地跨崇信县、华亭市。北以煤层露头线为界，南以安新煤田深部初始勘探线为界；西以煤5层隐伏露头为界，东以36399940经线为界，面积约40.0199km2，井田范围如图1所示。本次模拟垂向范围上起地表松散层，下至中侏罗统延安组(J2y)泥岩隔水层。

2.2 含、隔水层结构的概化

综合考虑研究区域的埋藏条件、含水层之间的水力联系、厚度以及介质的物理性质，在垂向上将地层划分为7层，自上而下依次为一含(新柏、新窑一含和二含合一)、一隔、二含(新柏、新窑三含)、二隔、三含(新柏、新窑四含)、三隔、四含(新柏、新窑五含)，矿区三维地层如图2所示。

2.3 模型边界条件的概化

平面上，将矿区南边界概化为有水量补给的定水头的补给边界，南部概化为排泄区；矿区西边以煤5层隐伏露头为界，阻碍了研究区与其西面的水力联系，概化为隔水边界；东以36399940经线为界，由于受到东部新安煤田矿井排水的影响，两矿井边界处形成分水岭，故将东边界概化为零通量的隔水边界。

垂向上，上部潜水含水层接受大气降水的入渗补给，概化为有水量交换的开放边界；底部以四含下部的泥岩、砂质泥岩做为模型的底部边界，视为无水量交换的隔水边界。整个模拟区概化成一个相对独立的水力单元。

3 数学模型的建立与求解

3.1 数学模型的建立

基于有限差分原理进行模拟，其数学模型如下[20-22]：

h|t=0=h0(x，y，z)

(2)

h|Γ1=h0(x，y，z) (x，y，z)∈Γ1

(3)

式中，W为流入汇或源项的水量；Ss为储水率 (承压含水层)；Kh为水平渗透系数；Kv为垂直渗透系数；h为水头；Γ1为给定水头边界；Γ2为流量边界；n为边界面法线方向；q为Γ2边界的流量，流出为负，零通量边界为0。

对于该模型来说，式 (2) 为初始条件，式 (3) 为第一类边界条件，式 (4) 为第二类边界条件，式 (5) 为第三类边界条件。

3.2 源汇项的处理

研究涉及源汇项有补给项和排泄项，模拟中地下水主要接收地下含水层的侧向补给与大气降水的面状入渗补给，由于地表的黑河为常年性河流，从西到东贯穿整个矿区，如图3所示，在雨季能及时排泄而在旱季能及时补给地下水层，能很好地平衡大气降水的补给；由于井田第一隔水层平均厚度318.96m，在全区范围内都有分布，在很大程度上阻隔了区域内降雨入渗补给源以及第一含水层对下面含水层的越流补给，因此，模型的边界条件设置时仅考虑地下水含水层之间的侧向补给，补给概化为线状补给源。

4 矿区流场数值模型

4.1 数值模型的建立

采用GMS(Groundwater Modeling System)地下水模拟系统，对矿区地下水流场进行模拟研究。模拟涉及的源汇项主要有降雨入渗补给、蒸发以及通用水头等；利用local source sink属性确定边界的补给排泄及赋值，对于定水头边界，通过定义弧段端点水头高程来定义定水头值，矿区水平网格划分如图4所示，矿区的初始水头分布情况如图5所示，矿区三维地层剖面如图6所示。

通过对各含水层初始流场进行赋值，进行流场的模拟，初始模拟结果如图7所示，选择不同层位获得各含水层或弱透水层的等水位线分布情况，分别如图8—图10所示。

4.2 模型校核

选用二含、三含的水位观测值做校核，通过设置观测井的水位值和设置模拟的置信度来进行校核，具体数据见表1、表2。观测值与计算值的条形显示在校核置信范围，则显示绿色；超出置信区间范围但小于200%，则显示橙色；超出置信区间范围但大于200%，则显示红色。

表1 研究区用于第二含水层校核观测井

4.3 模型参数反演

考虑第二、三含水层观测孔的位置不同，为使实际值跟计算值更容易拟合，根据观测孔内的水文参数进行反演分区。模拟采用“参数区划法”对反演参数区域进行分区，赋以渗透系数、大气降水入渗率速率等参数，含水层分区如图11所示。通过反演，获得第二含水层及第三含水层经过反演优化后的流场拟合结果，分别如图12和图13所示。

表2 研究区第三含水层校核观测井

4.4 敏感性分析

通过数值模拟得到第二、三含水层的观测井水位拟合情况分别如图14、图15所示。由图可知，拟合结果相对较高，观测值和计算值基本散落在斜率为45°的斜线周围。通过对研究区各含水层地下水数值模型的全局灵敏度分析，模型总灵敏度较小，结果比较稳定，说明用于模拟地下水位可靠性高。

4.5 模拟结果分析

根据模拟结果可知，大柳煤矿第二含水层在黑河河谷地区具有较高承压水头，靠近东部区域由于周边煤矿的开采，对地下水有一定的疏干作用，如井筒检查孔处水头高度为1262.44m，水头大约已衰减约10m左右，说明降落漏斗在向西扩展。煤4顶板上部的砂岩复合承压含水层具有较高承压水头，该含水层的富水性在平面和垂向上均存在着较大差异，但补给条件差，富水性差，在615孔以西的河谷地带一般高于地表。615孔以东由于周边矿井的疏干作用，在河谷地带水位已低于地表。对于研究区南部的大柳矿区，井田区内构造中等，井田范围内断裂构造的富水性、导水性均弱。受采掘活动影响的含水层上部覆盖有巨厚的隔水层，补给条件差，补给量有限，富水性较差，矿井涌水稳定，涌水量小。

对于新柏煤矿而言，潜水含水层水流由地势较高的部位向地势较低的部位径流，总的趋势是由西北向东南方向径流。第二含水层抽水钻孔静止水位均超出孔口而承压，但随着本矿井及周边矿井的开采，对地下水有一定的疏干作用，其水头会有一定的衰减。对于煤4顶板上部的复合承压含水层，具有较高承压水头，在井田东部个别钻孔中出现自流，对煤4的安全开采存在顶板水害安全隐患。但由于该含水层大部分深埋地下，补给条件较为不利，故其富水性不强，且富水性整体有随埋深而减弱的趋势。