银川市红墩子矿区红四矿井及选煤厂工程对地下水的影响

2022-11-21孙建军孟凡星刘业添合肥工业大学安徽合肥230000

安徽建筑 2022年11期

孙建军，孟凡星，刘业添（合肥工业大学，安徽合肥 230000）

对于矿坑涌水量预测，主要的方法有水均衡法、解析法、水文地质比拟法、数值模拟法[1]，其中，数值模拟法是目前运用最广泛的矿坑涌水计算方法[2]。在数值模拟计算过程中，Visual Modflow具有可视化、适用性及数值模拟能力强等优点[3]，在涌水量预测中运行较为广泛。武强[4]根据我国煤矿床的水文地质条件特点，论证Visual Modflow软件在我国矿井水防治研究中应用潜力巨大。此后，广大学者对涌水量数值模拟进行了大量的探究，杨彦林[5]运用Visual Modflow软件对陶二煤矿矿井涌水量进行了预测，为煤矿的安全生产提供了保障。郭小铭[6]提出利用数值模拟法进行矿井涌水预测时应充分分析水文地质条件，进行合理概化。May,R等[7]利用Visual Modflow的3D数值模型去估算抽取地下水后对开矿池、河流和含水层系统的影响，校正模型用于开矿池周围有无抽水泵，无抽水泵时研究区的涌水主要来自恒定水头、河流和降雨，有抽水泵时涌水量大量增加，这对抽取地下水时研究池塘、河流和含水层系统之间的相互作用提供有用信息。

本文通过分析煤矿开采区渗透变化特征，对其进行水文地质模型的概化，结合Visual Modflow软件中开采区边界条件的物理模型和数值算法，对其进行涌水概化，最终进行矿坑涌水预测，并对煤矿开采过程中含水层地下水位的影响进行研究评价。

1 项目概况

红四煤矿及选煤厂位于宁夏回族自治区银川市兴庆区，井田面积22.30km2，主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，本井共有8层可开采煤层，设计可采储量0.69亿吨，设计规模240万吨/年。工程采用立井开拓方式，矿井工业场地内设主井、副井和回风井，计3个立井井筒。红四矿井及选煤厂项目生产期不设置水源井，因为生产期内可能产生矿井排水对区域地下水流系统产生影响，矿井水外排、污水排放和临时矸石堆场淋溶水对地下水水质产生影响。

2 红四井田水文地质条件

2.1 含水层组划分及其特征

根据含水层的岩性、厚度、埋藏条件、分布范围等，将井田含水层划分为：第Ⅰ含水层(第四系孔隙潜水层)、第Ⅱ含水层组（古近系及基岩风化带孔隙裂隙含水层组）、第Ⅲ含水层组（二叠系孙家沟组、石盒子组裂隙含水层组）、第Ⅳ含水层组（山西组裂隙含水层组）、第Ⅴ含水层组（太原组裂隙含水层组）、第Ⅵ含水层组（奥陶系裂隙含水层组）。

第Ⅰ含水层以冲洪积的粉土、粉砂为主,单位涌水量0.04L/s·m～0.06L/s·m，水质较好，含水性极其微弱。

第Ⅱ含水层组由古近系细砂、中砂、粗砂及底部半胶结砂岩砾岩和基岩风化带的不同粒级的砂岩组成,为红墩子勘查区的主要含水层，含水层累计厚度288.50m～386.34m,单位涌水量0.0728 L/s·m～0.1537L/s·m，渗透系数0.0193 m/d～0.0966m/d，富水性中等。

第Ⅲ含水层组由粗粒、中粒、细粒砂岩构成，单位涌水量0.0909L/s·m，含水层富水性较弱，具有承压性，属微咸水。含水层属间接充水含水层。

第Ⅳ含水层组为直接充水含水层，在全区广泛分布，由山西组陆相碎屑岩系的粗粒、中粒、细粒砂岩构成。单位涌水量0.0225L/s·m～0.0238L/s·m，渗透系数 0.0965m/d～0.0634m/d，弱富水性。

第Ⅴ含水层组为直接充水含水层，在全区广泛分布，由太原组的海陆交互相的粗粒、中粒、细粒砂岩和石灰岩构成。单位涌水量0.0083L/s·m～0.0326L/s·m，渗透系数0.0192m/d～0.0326m/d，弱富水性。

第Ⅵ含水层组上部岩性为深灰、灰黑、灰绿色细砂岩、粉砂岩、泥岩、泥质石灰岩，钙质胶结，节理发育。下部岩性为浅灰-深灰色微带棕红色石灰岩，厚层状，致密，可见灰色缓波状泥质条带，裂隙及节理发育不均，含水层富水性差异很大。

2.2 隔水层划分

根据本井田的岩性组合及含水层水力性质、埋藏条件等，将隔水层划分为：古近系粘土隔水层；二叠系上部的粉砂岩、泥岩隔水层；二叠系石盒子组底部山西组顶部的煤层、泥岩、粉砂岩隔水层；石炭系太原组底部土坡组顶部的煤层、泥岩、粉砂岩隔水层。

2.3 水文地质勘察类型

红四井田直接充水含水层属弱-中等富水性，补给条件差，隔水层稳定性好。煤层位于侵蚀基准面以下，地表水不是矿床的主要充水因素，第四系仅见于井田东部，厚度为1m～20m，古近系承压水涌水量较大，沿着倾向径流或补给下部石炭二叠系地层，故本井田水文地质勘探类型属于二类二型，即以裂隙充水含水层为主的水文地质条件中等的矿床。

3 煤炭开采对地下水影响预测与评价

3.1 采矿工程对地下水位影响预测与评价

3.1.1 水文地质条件概化

矿床自上而下分布6个含水层，矿床各含水组间隔水层自上而下分为4层。区域6个含水层中第Ⅳ与第Ⅴ含水层组与第Ⅲ含水层组水位接近，具有一定水力联系。为提高预测精度，反映局部隔水层的影响，建立数值模型时，结合不同含水层组的空间分布状况，并综合考虑岩性和裂隙发育程度，将模拟区概化为12层。

根据区域地质图的地质剖面及区域地质条件分析可知，红四矿位于红墩子矿区红二井田与红三井田之间，因此，建立数值模型过程中，充分考虑到矿区排水过程中的干扰作用，以及疏干排水过程中可能出现的影响范围，模拟区范围确定为井田西部开采边界外1120m，其他三个方向为井田边界外1828m的区域，面积为60.30km2。矿床下部有巨厚的土坡组粘土层，可以概化为底部隔水层，概化后的模拟区平面图见图1。

图1 模型概化平面图

3.1.2 模型建立与识别运行

根据水文地质概念模型及含水层水力性质，综合模拟区地层岩性、地下水类型、地下水补径排特征、地下水动态变化等水文地质条件及模拟区水均衡分析等，可将模拟区地下水流系统概化成非均质各向异性非稳定地下水流系统，并建立相应的数学模型。选取相应水模拟软件，进行源汇项处理，对其初始条件及边界条件进行概化，根据抽水试验与前期统计的降雨、河流入渗数据综合确定各含水层水文地质参数，并进行模型的识别与修正，最终各层水文地质参数取值见上表。

各层水文地质参数取值表

3.1.3 矿坑涌水预测分析

采用经过模型识别与模型验证的数值模型，结合矿床开发利用方案，预测矿区矿坑涌水量。预测得到的涌水量随时间的变化过程如图2所示。即初期涌水量为1100m3/d，随着矿床开采的进行，矿坑涌水量逐渐减小，开采三年后，涌水量递减幅度变小，逐渐趋于平衡，约为530m3/d。

图2 矿坑涌水量变化过程线

3.1.4 矿坑排水影响分析

3.1.4.1 对第四系含水层水位影响

勘察期间，钻孔深度范围内未发现地下水，埋藏有极少量上层滞水，一般无稳定的自由水面，主要受大气降水和地表水渗入补给，且矿坑排水用于工业生产和生活用水。因此，对第四系含水层并无明显影响。

3.1.4.2 矿坑排水对古近系含水层组的影响

建设期内，由于矿井井筒施工采用冻结法施工，对煤系地层以上的地下水影响小，根据红四矿井从2012年到2014年的水位监测资料，在井筒施工阶段地下水水位没有发生变化，2012年到2014年的古近系地下水水位监测结果显示，地下水水位基本上没有发生变化。

模型模拟结果（图3）表明，运行期开采10年后，古近系含水层地下水流场变化不大，含水层水位略有下降，但没有形成明显降落漏斗，补给排泄基本稳定。由于开采层位上部有古近系粘土隔水层和二叠系上部隔水层的隔水作用，作为评价区内的主要含水层位，红四井田矿坑排水对古近系含水层水位影响较小。

图3 开采10年后古近系含水层水位等值线

3.1.4.3 矿坑排水对山西组、太原组裂隙含水层的影响

山西组裂隙含水层和太原组裂隙含水层是矿床的直接充水含水层，矿坑排水对其影响较为明显。根据校正过的模型预测，开采10年后，开采范围内水位下降明显，形成降落漏斗，中心点附近降深约为40m（图4），影响范围约为开采区域周边300m。

图4 开采10年后山西组含水层水位等值线

3.1.4.4 矿坑涌水对其他用户的影响

红四井田及周边无工业、农业生产企业，矿区内无村庄，周边分布的中心乡镇主要有月牙湖乡，该乡镇生产及居民生活用水主要来自管网供水。月牙湖乡距井田边界约20km，井田内无过境河流。结合评价范围方圆5km并无居民居住，且矿坑排水对当地潜水含水层并无明显影响。因此，矿坑涌水不会影响矿区及周边居民的生活用水。

3.2 地下水水质影响分析评价

3.2.1 煤炭开采对地下水水质影响

煤炭开采过程中疏排的地下水以矿井涌水的形式排到矿井水处理站，处理后部分作为项目生产用水，部分送生态牧场作为生态用水。因此，煤矿原煤开采对地下水水质影响的可能性较小。

3.2.2 矸石浸出液对地下水水质影响

矸石在临时矸石周转场堆放，如排水不畅受雨水浸泡后其有害元素中的可溶部分就可能溶解随降雨迁移，对水体和土壤产生影响。

但根据工业场地和煤矸石场的包气带渗水试验可知，场地包气带防污性能较强。临时矸石周转场处于排水畅通的低洼地带，矸石浸出液对土壤环境的影响属可接受的程度。

根据矿山矸石淋溶液浸出试验，任何一种污染物浓度均未超出《煤炭工业污染物排放标准》（GB8927）最高允许排放浓度，且评价区年最大降水量仅为273mm，降雨量很少，矸石被充分浸泡可能性很小。降雨量分布于全年，每次的降水量与矸石积存量相比就更要小得多，因而矸石受降雨而产生的淋溶水很少。另一方面，评价区内气候干燥，年最大蒸发量为2722mm，是年降雨量的10倍，降水后在临时矸石周转场内不会出现试验条件下的固液比，即出现充分浸出的条件较小。临时矸石周转场处于排水畅通的低洼地带，潜水面埋深很大，且与承压水有相对稳定的隔水层，含水层组间水力联系较弱，浸出液透渗到地下水中的可能性较小，因而固体废物浸出液通过垂直渗透或补给方式污染地下水环境的可能性不大。因此矸石浸出液不会对地下水造成明显影响。