煤矿地下水流场动态模拟及预测研究*

芦 震,张小五,王 鹏,樊发旺

(宁夏回族自治区煤炭地质局,宁夏 银川 750011)

0 引言

经过多年的煤炭资源开采,地下水水位下降严重,已产生了地下水降落漏斗。地下水位下降造成的影响不仅仅是水资源量的减少,还会损害水循环系统,进而引起诸如地面沉降、地裂缝、井泉干涸、水质恶化、地面植被破坏、土地荒漠化等环境地质问题[1-7]。以某矿为例,通过收集煤炭资源开采前的地下水水位数据,结合开采多年后的地下水水位现状,分析研究地下水流场演化规律。采用VMOD数值模拟方法,以2021年为现状年,以2035年为规划年,就开采前、现状及未来地下水流场动态过程进行模拟。

1 研究区概况

1.1 地层概况

研究区自下而上依次发育有三叠系上田组(T3s);侏罗系延安组(J2y)、直罗组(J2z);侏罗系安定组(J3a);古近系清水营组(E3q)和第四系(Q)。

三叠系上统上田组:研究区内钻孔最大揭露217.40 m,据邻区以往地质资料显示其最大沉积厚度为756 m。上田组地层岩性以灰绿色、灰白色细粒、中粒、粗粒砂岩为主,局部夹薄层泥岩,砂岩成分以石英、长石为主,云母次之,含钙质、泥质胶结。

侏罗系中统延安组:研究区内钻孔揭露厚度为261.21～377.28 m,平均揭露厚度331.21 m。岩性由灰色、灰白色长石石英砂岩,深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、煤和少量含铝质泥岩组成,底部为一套浅白或黄色带红斑的粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩,并与下伏三叠系上统上田组(T3s)呈假整合接触。

延安组地层岩性由灰白色和灰色的各粒级碎屑岩、灰色和灰黑色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、碳质泥岩和煤层组成。底部与下伏三叠系上统上田组呈不整合接触。

侏罗系中统直罗组:直罗组地层岩性分上下两段,上段以灰白色、灰褐色、灰绿色及少量紫色的细粒砂岩、粉砂岩为主,夹薄层粗粒砂岩或泥岩;下段以灰白色、灰色中粒、粗粒砂岩为主,夹少量细粒砂岩和粉砂岩,底部为一层巨厚粗粒砂岩,泥质胶结,俗称“七里镇砂岩”,层位非常稳定,区内普遍发育。底部与下伏侏罗系中统延安组呈假整合接触。

侏罗系上统安定组:安定组地层岩性上部以棕红、紫红、紫褐色砂质泥岩、粉砂岩为主,夹中厚层或薄层细粒砂岩、薄层粗粒砂岩,粗粒砂岩中以长石、石英为主;下部为中粒砂岩、细粒砂岩和粉砂岩互层。底部与下伏侏罗系中统直罗组呈整合接触。

古近系渐新统清水营组:清水营组地层岩性主要由红色、褐红色、紫红色泥岩、粉砂质泥岩组成,偶有绿色、黄绿色薄层泥岩、粉砂岩,局部为砾岩和砂岩。底部与下伏各地层呈不整合接触。

第四系:第四系在研究区内广泛分布,主要岩性为风积沙土,与下伏各地层呈不整合接触。

1.2 含水层概况

研究区含水层按岩性组合特征及地下水水力性质、埋藏条件等,由上而下划分为以下5个主要含水层,如图1所示。

第四系孔隙潜水含水层:第四系地层厚1.5～38.33 m,平均厚7.25 m,潜水含水层主要赋存于风积沙土层中,该地层渗透性强,潜水水位主要受下部古近系泥岩顶板标高控制,古近系泥岩为潜水隔水底板,由于以大气降水补给为主,少量沙漠凝结水补给次之,排泄以蒸发消耗为主,而研究区多年平均蒸发量为1 866.8 mm,多年平均降水量为202.8 mm,潜水主要赋存于古近系泥岩顶板标高较低处,潜水面随季节变化较大,民井大多雨季有水,干旱时大多干枯。

侏罗系碎屑岩裂隙孔隙承压水含水层(Ⅱ含～Ⅴ含):包括侏罗系中统直罗组和延安组的各含水层。根据含水层分布、区域稳定隔水层分布及水文地质特征分析,垂向上分别为直罗组碎屑岩裂隙孔隙承压水含水层(Ⅱ含)、2～6号煤间碎屑岩裂隙孔隙承压水含水层(Ⅲ含)及6～18号煤间碎屑岩裂隙孔隙承压水含水层(Ⅳ含),18号煤以下碎屑岩裂隙孔隙承压水含水层(Ⅴ含)。

侏罗系中统直罗组碎屑岩裂隙孔隙含水层(Ⅱ含):侏罗系中统直罗组碎屑岩裂隙孔隙含水层主要为干旱条件下的河流相碎屑沉积。岩性以灰色、灰白色的粗粒、中粒、细粒砂岩为主,泥质胶结为主,部分为钙质胶结,整体胶结程度较差,具有大型交错层理,局部裂隙发育。底部发育有巨厚粗粒砂岩,弱-中等富水,是影响该煤矿煤炭资源开采的主要含水层。直罗组中部发育有一层区域稳定隔水层,将直罗组含水层分割为上下两段。

上段:包括区域稳定隔水层以上直罗组含水层,岩性以灰色、灰白色及灰黄色的细、中砂岩为主,泥质胶结,颗粒支撑,含水层埋深120 m左右,厚度约为3.37～371.45 m,平均厚度为60.27 m。

下段:岩性主要为灰白色、蓝灰色、灰褐色夹紫斑的粗粒、中粒砂岩,夹少量的粉砂岩和泥岩,局部含砾石;砂岩分选性差,接触式胶结为主。底部为一层巨厚灰白色粗粒砂岩,局部为黄褐色带红斑,底部见磨圆中等的石英小砾石,颗粒支撑,泥质胶结,胶结程度差,松散-较松散,俗称“七里镇砂岩”,层位非常稳定,区内普遍发育。含水层厚度为9.32～288.66 m,平均厚度为98.33 m。本含水层是煤矿的主要充水含水层。

2号煤～6号煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层(Ⅲ含):本含水层主要由三角洲平原相和河流冲积平原相的碎屑岩沉积组成,岩性由灰色、灰白色不同粒级的砂岩组成,泥岩和煤层互层夹于含水层之间,层位较稳定。含水层厚度为25.75～201.55 m,平均厚度为74.56 m,富水性弱。

6号煤～18号煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层(Ⅳ含):本含水层主要由浅湖-三角洲体系下的三角洲前缘相及平原相的碎屑岩沉积组成,岩性由灰色及灰白色中粒砂岩、细粒砂岩组成,砂岩分选性中等,渗透性较差,富水性弱-极弱。含水层厚度为19.63～137.87 m,平均厚度为62.97 m。

18号煤以下至底部分界线砂岩含水层组(Ⅴ含):本含水层岩性以灰白色粗粒砂岩为主,含水层厚度为3.24～89.98 m,平均厚度为26.89 m。

1.3 隔水层概况

研究区稳定的隔水层有:直罗组中部的粉砂岩、泥岩为主的隔水层;各主要煤层及其顶底板泥岩、粉砂岩组成的隔水层。

直罗组中部隔水层:该隔水层岩性以粉砂岩、泥岩为主,层厚为1.83～110.83 m,平均厚度为37.98 m。该隔水层有效降低了Ⅱ含水层下段(直罗组底部砂岩)与上部所有含水层间的水力联系。

煤层及其顶底板隔水层:包括2号煤组、3号煤组及其顶底板隔水层,4号煤组及其底板隔水层,6号煤及其顶底板隔水层,10号煤、12号煤及其顶底板隔水层,18号煤本身及其顶底板隔水层。隔水层岩性以煤层、灰黑色泥岩、灰黑色粉砂岩互层组成,局部夹碳质泥岩。这些隔水层有效降低了延安组Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水层间的水力联系。

2 模型体系构建

2.1 水文地质概念模型

2.1.1 目的含水层

本次研究区内共收集了多个监测井不同时期的水位数据,监测井的监测层位主要集中在影响煤炭资源开采的直罗组下段含水层(Ⅱ下含),且煤矿正在开采的2号煤组及3号煤组属于2号煤～6号煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层(Ⅲ含)隔水顶板,直罗组下段含水层(Ⅱ下含)是该矿影响煤炭资源开采的主要充水含水层。因此,仅模拟该含水层动态流场。

2.1.2 水流运动数学模型

根据水文地质概念模型,可将模拟区地下水流概化成非均质各向异性、承压水三维流数学模型,建立如下数值模型。

(1)

式中,H为水头,m;K为渗透系数,m/d;Ss为承压水贮水率,1/m;w为源汇项,d-1,流入为+,流出为-;Γ1为水头边界,m;Γ2为流量边界,m3/d;Ω为渗流模拟区域,m2;H0为初始水位,m;H1为已知水头,m;q为边界单宽流量,m2/d;x,y,z为空间坐标,m;n为边界外法线方向;t为时间,d。

2.1.3 初始条件

初始条件是初始时刻地下水运动的状态表征,即t=0时式(1)应满足的条件

h(x,y,z,0)=h0(x,y,z),t=0,(x,y,z)∈Ω

(2)

初始时刻之后,在介质水力学特性和各类边界输入(出)的影响下,水头随时间发生变化

h(x,y,z,t)=ht(x,y,z),t>0,(x,y,z)∈Ω

(3)

上述公式中,Ω为渗流空间,其余符号同上。

将2004年1月研究区观测井地下水位输入模型,经空间插值得到模型运行初始水位,作为模型初始条件。

2.1.4 边界条件概化

依据《宁东煤田地下水控水构造研究及水文地质单元划分》[8],结合红柳井田直罗组下段砂岩含水层(Ⅱ下)水文地质条件,将东部马柳逆断层定义为隔水断层,构成东部隔水零通量边界;北部杨家窑正断层通过音频大地电磁测深法(AMT)探查确定为导水断层[9],在矿井疏干时构成北部补给边界;东南部直罗组下段砂岩含水层(Ⅱ下)隐伏露头区域构成东南部补给边界;西部和南部井田边界距离先期开采地段距离较远,远大于疏干状态下影响半径,在矿井疏干状态下构成西部和南部补给边界,如图2所示。

图2 直罗组含水层边界条件

2.1.5 含(隔)水层结构的概化

目的含水层及其上部隔水层、含水层共概化为3层:第1层是第四系孔隙潜水含水层(Ⅰ)和直罗组上段砂岩含水层(Ⅱ上)概化为同一含水层;直罗组下段砂岩含水层顶板隔水层为第2层;直罗组下段砂岩含水层(Ⅱ下)作为目的含水层为第3层,如图3所示。

图3 直罗组含水层结构概化示意

2.1.6 补给和排泄概化

补给项:受直罗组下段砂岩含水层(Ⅱ下)顶板稳定隔水层影响,上部含水层与该含水层水力联系微弱,补给以侧向径流补给为主,煤矿建井前的原始流场条件下,该层地下水自南向北径流。在煤炭资源开采条件下,矿井长期处于疏干状态,井田内形成了以工作面为中心的降落漏斗,除东部隔水边界外,其余方向均变为侧向径流补给方向。

排泄项:目的含水层的排泄方式主要是人为矿井疏干排泄。该煤矿主要动用煤层为2号煤、3号煤、4-3煤,2号煤开采时直罗组下段砂岩含水层(Ⅱ下含)为直接充水含水层,矿井涌水量即等同于含水层开采排泄量。开采3号煤和4-3煤工作面涌水量最大值多出现在上部采空区疏放水峰值或工作面采空区“两带”高度初步导通上部采空区时,涌水量呈现由小增加到峰值再快速下降至最低值直至工作面开采结束的特征。涌水量组成以上部采空区积水为主,极少量巷道淋水次之。矿井涌水来源主要为直罗组下段砂岩含水层(Ⅱ下含),少量来自于2～4号煤间砂岩含水层(Ⅲ上含)。因此,矿井涌水量可以代表含水层开采排泄量进行数值模拟。

2.2 数值模型及模型验证

2.2.1 数值模型建立及求解

空间及时间离散:该煤矿南北走向长约15 km,东西倾向宽约5.5 km。计算网格下部以含水层底部为边界,设置为不活动网格,研究区外围均设置为不活动网格,不参与计算。计算单元平面上177行135列,垂向共1层,共23 895个网格。

该矿勘查阶段初探水位时间为2005年,2009年开始开采,初次形成采空区于2011年,收集的涌水量记录台账始于2012年,收集的观测井记录台账始于2013年,终止于2021年3月,故本次模拟开始时间为2004年1月1日,模拟时间12 000 d,模拟至2035年1月1日(11 323 d)。含水层的水位数据进行非稳定流模拟。

水文地质模型参数选取:地下水流动模型参数包括含水层介质水平渗透系数、垂向渗透系数、释水系数。研究区直罗组底部含水层岩性以粗粒砂岩为主,泥质胶结,俗称“七里镇砂岩”,该含水层岩性沉积环境及层位非常稳定,区内普遍发育。据收集的抽水试验数据显示,该含水层渗透系数差距极大,为0.005～0.446 m/d,平均0.093 m/d,本次水平渗透系数采用0.093 m/d,垂向渗透系数采用0.009 3 m/d。释水系数采用3.7×10-6m/d[10]。

2.2.2 模型求解及拟合效果

通过多次水文地质数据调整与运算,得到概化后数值模型形成的地下水流场,根据非稳定期水位监测结果开展水位拟合,模型与实测野外数据的拟合程度如图4所示,相关性系数均达到99%,模型输出精度较高,表明能够用于未来地下水流场预测的模拟。

图4 非稳定水位拟合结果

2.3 地下水流场演化及趋势预测

从模拟出的2012年、2015年、2021年流场可以看出,直罗组下段含水层受矿井疏干影响,降落漏斗直径在不断增加,漏斗中心最大降深达到了241 m,降落中心水位已低于该含水层隔水顶板,该区域含水层由承压转无压。东部隔水逆断层的存在致使降落漏斗东部半径偏大。

依据该煤矿2020—2035年矿井涌水量预测结果[11],结合各煤层开采后上部“两带”发育高度,综合考虑影响直罗组下段含水层的因素条件[12],调整影响概化疏水位置及疏水量,预测未来至2035年地下水位流场如图5所示,由于下部煤层开采时部分煤层“两带”无法导通上部煤层采空区,导致疏水量有所降低。因此,直罗组底部含水层降落漏斗的中心水位有所恢复,半径也有所减小,但东部隔水断层区域水位恢复较慢。

图5 地下水流场模拟及预测

3 结论

(1)通过模型求解,获得的模型拟合程度较好,表明模型输出精度较高,能够用于未来地下水流场动态分析。

(2)该煤矿直罗组下段含水层受矿井疏干影响,降落漏斗直径在不断增加。2021年漏斗中心最大降深达到了241 m,降落中心水位已低于该含水层隔水顶板,该区域含水层由承压转无压。

(3)2035年由于下部煤层开采时部分煤层“两带”无法导通上部煤层采空区,导致疏水量有所降低。直罗组底部含水层降落漏斗的中心水位有所恢复,半径也有所减小,但东部隔水断层区域水位恢复较慢。