采煤对小保当井田地下水资源影响数值模拟研究*

2023-09-18雷方超薛晓强乔永力

陕西煤炭 2023年5期

杨征,雷方超,薛晓强,乔永力,徐裴,李慧

(1.陕西小保当矿业有限公司,陕西榆林 719302;2.西安科技大学地质与环境学院,陕西西安 710054)

0 引言

地下水是联结地质环境与生态环境的重要纽带,具有非常重要的资源功能和生态功能[1-2]。煤矿开采不可避免地会对区域地下水流场、水资源量及水化学特征造成影响,尤其是水位下降引起的地下水降落漏斗、地面沉降及地裂缝等环境水文地质问题给煤矿安全生产、水源地保护及区域植被生态带来了较大威胁[3-5]。

煤炭开采及地下水相关研究是矿井水害防治和生态及地质环境保护的研究基础,基于煤炭作为基础能源的现实状况,国内外学者对煤炭开采对地下水资源的影响进行了一系列研究。MEREDITH等[6]运用同位素地球化学模型定量分析了地下水对河流的贡献,得出与煤层气和煤矿开采有关的地下水排水会导致地下水对河流补给量减少;SREEKANTH J等[7]基于地下水数值模拟模型研究了澳大利亚大自流河水文地质盆地下深层煤炭资源开发对地下水的潜影响,发现在 5 km尺度以上单个采煤点造成的地下水位下降不显著,最大水位降深仅为0.2 m;范立民等[8]探讨榆神府矿区高强度煤层开采对地下水的影响,认为矿区地下水位下降的主要原因是高强度煤层开采导致的,而导水裂隙带和含水层特征是控制地下水位变幅和影响范围的关键;董震雨等[9]以杭来湾煤矿为例,识别分析煤矿开采对榆溪河地下水资源的影响,结果表明杭来湾井田首采区对地下水资源量破坏较大,但对地下水质影响较小;赵春虎、虎维岳等[10-11]以蒙陕矿区为研究对象,探究了煤炭开采对地下水系统的扰动机制,并对扰动程度进行了定量评价,认为西部矿区煤炭开采活动对水文地质结构的扰动而导致水动力要素的响应是区域地下水环境演变的根本原因;此外,陈维池、武强、侯恩科等[12-16]分别基于地下水循环及采煤覆岩破坏对煤层开采影响下地下水资源及其赋存条件的变化规律进行研究。

榆神矿区是陕北能源基地的核心组成部分,矿区内小保当井田内含有臭柏保护区、居民点、水源地等重要的环境保护目标,并且区内地下水资源匮乏,生态环境脆弱,地质环境对于地下水有很强的依赖性。笔者以小保当煤矿为研究对象,基于地下水流数值模型定量和定性分析采煤排水过程对区域地下水位动态及水资源量的影响,以期为矿区煤水协调开采、煤炭开采影响下地下水环境及植被生态环境保护提供科学依据和技术借鉴。

1 水文地质概况

小保当井田位于陕北黄土高原榆神矿区Ⅲ期规划区东北部,毛乌素沙漠东南缘,如图1所示。大部分地域被第四系风积半固定沙丘和固定沙丘所覆盖,以风蚀风积沙漠丘陵地貌为主,地形总的趋势为西南部高东北部低。井田主要含水层可划分为第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层、风化基岩基岩孔隙裂隙承压水含水层、侏罗系中统安定组、直罗组、延安组基岩裂隙承压水含水层。其中松散层孔隙潜水含水层和风化基岩裂隙承压含水层是井田范围内的主要含水层,主要隔水层为新近系保德组红土,如图2所示。

图1 小保当井田位置

秃尾河流域和榆溪河流域的分水岭在井田范围内由西北向东南展布,分水岭以西为榆溪河的支流五道河流域,分水岭以东为秃尾河流域。分水岭东部地下水由西南向东北方向径流,并在下游黑龙沟转化为地表水排泄;分水岭以西潜水总体由东南向西北方向径流,沿隔水界面向低凹带汇集,在井田外围向榆溪河的支流五道河转化为地表水排泄。补给区与排泄区的地形高差大,补给区地下水垂直入渗后向径流区运移时,水力坡度大;至径流排泄区,水力坡度变缓。

2 水文地质概念模型

2.1 模拟范围和边界条件概化

小保当井田除井田内分水岭外井田周围无明显天然水文边界,考虑井田及周边的地形地貌、水文地质条件以及潜水含水层的流场分布情况等综合因素确定模拟区边界,模拟区东西最长达36.8 km,南北最宽达29.8 km,总面积约为650.57 km2。

潜水含水层边界条件划分如图3所示,边界类型划分如下:CD边界为秃尾河及其支流,概化为河流边界;DE边界近似沿一条流线布置,概化为零流量边界;EF边界为排泄边界,将其概化为General Head定水头边界;FG边界与等水头线近似正交,将其概化为零流量边界;GA边界评价区地下水存在着不同程度的径流排泄,将其概化为二类排泄流量边界;ABC边界近似沿一条流线布设,将其概化为零流量边界。对于承压含水层,根据模拟区承压含水层的初始流场图,大部分边界均存在着不同程度的对地下水的径流排泄,均概化为二类流量边界。

2.2 含水层概化

根据模拟区地层、岩性、含水孔隙特征、渗透系数及埋藏条件,在垂向上将模拟区地下水系统概化为10层,如图4所示。①第四系孔隙潜水含水层;②新近系保德组红土隔水层;③侏罗系中统安定组风化基岩基岩裂隙承压水含水层;④侏罗系中统安定组基岩裂隙承压水含水层;⑤侏罗系中统直罗组泥岩粉砂岩弱透水层;⑥侏罗系中统直罗组基岩裂隙承压水含水层;⑦侏罗系中统延安组泥岩粉砂岩弱透水层;⑧2-2煤层以上侏罗系中统延安组基岩裂隙承压水含水层;⑨侏罗系中统延安组2-2煤层含水层;⑩2-2煤层以下侏罗系中统延安组基岩裂隙承压水含水层(煤层向下取50 m)。

2.3 地下水流数学模型

根据模拟区水文地质条件概化和含、隔水层岩性特征,将模拟区地下水流确定为一个非均质、各向同性、空间三维结构、非稳定渗流,其数学模型表达式为

式中,U为渗流区域;H(x,y,z,t)为含水层水位标高,L;K为含水层的渗透系数,LT-1;Ss为含水层的单位释水率;μ为潜水含水层的重力给水度;W1为作用在潜水面的各源汇项,L3T-1L-2;H0(x,y,z)为含水层的初始水位,L;Γj为模拟区的边界;j为不同的分段边界;q(x,y,z,t)为流量边界的单宽流量,L2T-1L-1;n为模拟区边界面的法线方向;K′,b′分别为河流底部的垂向渗透系数和厚度,LT-1,L;H1为河流的水位高程,L。

3 模型的识别、验证及参数确定

3.1 模型的识别和验证

模型采用2018年5月统测地下水流场作为初始流场,选用2018年5月—2018年10月水位监测数据对模型进行识别,通过不断调整水位地质参数和边界参数,使计算结果和地质条件的分析相结合,以取得最佳拟合效果。选用2018年11月—2019年4月地下水观测资料进行模型验证,模型识别期和验证期典型观测孔实测水位和计算水位动态历时曲线拟合效果如图5所示。模型识别期观测孔最大模拟误差为0.416 m,最小值为0.039 m;在模型验证期平均模拟误差最大值为0.338 m,最小值为0.051 m。模拟误差均值均小于0.5 m,说明所建数值模型的模拟精度较高,能够较精确地反映模拟区地下水流的水动力学过程,能够满足数值模型的可靠性和仿真性,也能够用于对模拟区地下水流运动过程的预测。

图5 模型识别/验证期观测孔水位动态拟合曲线

3.2 水文地质参数

根据对模拟区抽水试验成果(包括渗透系数、储水系数、给水度及单位涌水量等)、含水层分布规律、流场特征及地质条件的差异性等因素的综合分析,通过模型识别与验证,确定模拟区的参数与分区,潜水含水层参数分区如图6所示,保德组红土弱透水层与风化基岩层、安定组、直罗组、延安组、2-2煤层等含水层均未进行参数分区,整个含水层均按一个参数区设置,各分区参数值见表1。

表1 模拟区分区及参数值一览

图6 潜水含水层参数分区

4 采煤对地下水影响预测

4.1 地下水位影响预测

小保当二号井田11、12盘区2-2煤层厚度较大且分布较为均匀,回采率较高,按照“远粗近细”的原则,重点预测小保当二号井田11、12盘区煤层开采对地下水的影响。根据井田开采方案及回采接续资料计算,11盘区5 a内采完,12盘区6～10 a内采完;研究区内2-2煤层导水裂隙带发育高度按采厚30倍计算,导水裂隙带发育高度范围内,岩层垂向渗透系数增大,按其水平渗透系数的10倍设置。

模拟区第5 a末、10 a末潜水水位及降深等值线如图7所示,风化基岩含水层流场及水位降深如图8所示。

图7 模型预测期潜水水位/降深等值线

图8 模型预测期风化基岩地下水水位/降深等值线

从5 a末和10 a末的潜水流场图看,除了在二号井11、12盘区范围及附近一定区域内,二者等水位线形态略有差别外,其他区域内二者等水位线几乎一致,表明潜水水位下降主要发生在上述2个盘区范围及附近。开采第5 a末潜水位下降幅度为0.08～0.93 m,平均降深0.43 m,10 a末水位降深0.1～1.01 m,平均水位降深0.39 m。由潜水降深场等值线图可知,第5 a末11盘区降深等值线以11盘区为中心向外扩散,由于地下水袭夺作用,周围一号井井田和二号井13盘区水位也出现了不同程度的下降,10 a末潜水降落漏斗中心位于11、12盘区分界线附近,最大降深1.01 m,11盘区部分区域水位出现回升。

对于风化基岩含水层,第5 a末与10 a末流场均形成了降落漏斗,比较第5 a、第10 a末风化基岩的流场图可以发现,第5 a末的降落漏斗覆盖了二号井11盘区与12盘区;而第10 a末的漏斗则只出现在12盘区,11盘区在第5 a末生成的漏斗则因水位恢复,与上游的1 290 m等水位线连成一片。第5 a末风化基岩含水层水位下降幅度为0.3～3.21 m,由降深场可以看出,5 a末降深主要出现在二号井11盘区,降深等值线以11盘区为中心向外展开,1.0 m的等降深线向二号井12、13、14盘区和一号井扩展。第10 a末降深场图表明,因11盘区开采结束,风化基岩水位降深中心已经转移至12盘区,漏斗中心最大降深4.03 m,平均降深2.1 m。11盘区的风化基岩水位因矿井排水结束及激发的侧向径流补给增量降深呈减小趋势。

综上,采煤引起区内潜水含水层和风化基岩含水层水位呈下降趋势,但降幅较小。地下水位下降幅度呈先增大后减小的趋势,主要因为随着开采时间的进行,激发了补给增量(袭夺了周围侧向径流及河流排泄量),同时导水裂隙带受充填物的弥合作用使得其导水能力下降。

4.2 第四系地下水量影响预测

根据小保当井田地质勘探结果,研究区煤层回采后导水裂缝带发育高度不会贯穿安定组隔水层和红土隔水层,因此研究区矿井涌水量主要由直接充水含水层的地下水和第四系潜水的越流量组成,确定矿井涌水量中第四系地下水的占比情况对于矿井水害防治及采煤对地下水资源的影响程度具有重要意义。各预测时段煤层开采对第四系含水量的影响预测结果见表2。