煤炭开采对多层含水系统水位动态的影响分析

兰荣辉，雷俊琴，郑秀清，秦作栋

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024;2.山西大学黄土高原研究所，山西太原030006)

地下水含水系统是由隔水或相对隔水岩层圈闭的、具有统一水力联系的含水岩系，通常两层以上的含水层系统称为多层含水层系统［1－4］。煤炭开采产生的垮落带、导水裂缝带使上覆隔水层和含水层系统遭到破坏，形成以矿井为中心的降落漏斗，从而引起地下水水位的急剧下降，甚至疏干。同时随着开采深度的不断加大，下伏含水层也常常受到采煤的影响［5－9］。因此，对煤矿分布区的多层含水系统进行研究，对水资源保护对策的制定和煤矿安全开采具有重要意义。以某煤矿开采为例，采用Visual Modflow软件对煤矿所在区的地下水多层含水系统进行模拟［10－12］，分析煤炭开采条件下太灰含水层和奥灰含水层地下水水位的动态变化规律。

1 研究区概况

研究区地处吕梁山脉中段东麓，太原盆地西部边缘，属于暖温带大陆性季风气候，年均气温10.6℃，年均降水量400.1mm。矿区内地势由西北向东南逐渐降低，属低中山区的构造剥蚀侵蚀地貌。井田位于清交断裂带的西北部，即正断层下盘，清交断层落差大于400m。区内地表出露二叠系上石盒子组地层，煤层主要赋存于石炭系太原组和二叠系山西组地层中。

研究区属于晋祠泉域的径流区，区内的主要含水层包括二叠系石盒子组和山西组砂岩裂隙含水层、石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层和奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层。二叠系砂岩裂隙含水层富水性弱，对下伏水动力场的影响可以忽略;石炭系太原组岩溶裂隙含水层是主要的煤系含水层，其下伏为奥陶系峰峰组岩溶裂隙含水层。在研究区东南部，太灰含水层和奥灰含水层埋藏较浅且临近清交断裂带，富水性较强，西北部富水性相对较弱。

2 地下水流数值模拟

2.1 水文地质概念模型

根据矿区的水文地质条件，在本次模拟过程中，将太灰含水层、本溪组隔水层和奥灰岩溶含水层作为一个互相联系的多层含水系统考虑，确定石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层和奥陶系峰峰组灰岩岩溶裂隙含水层为目标含水层，在垂向上将地下水系统概化为3层:第一承压含水层 (太原组灰岩含水层)、弱透水层 (太灰至奥灰相对隔水岩段-本溪组地层)和第二承压含水层 (峰峰组灰岩含水层)。

矿区内地下水整体从西北流向东南，承压含水层地下水流主要以水平运动为主，垂向运动为辅;矿区各含水层裂隙发育不均匀且具方向性，水文地质参数随空间位置和方向变化，故将含水介质概化为非均质各向异性介质;地下水系统的输入输出随时间、空间变化，故地下水流为非稳定流。因此，将区内太灰和奥灰两含水层中的地下水流概化为非均质各向异性的三维非稳定流，其间的弱透水层概化为均质各向同性介质。

2.2 数学模型

根据以上水文地质概念模型，结合水流在介质中运移的数学描述，建立非均质各向异性承压水三维非稳定流数学模型如下:

式中，Kxx，Kyy，Kzz分别为，x，y，z方向的渗透系数，m/d;H为含水层水位，m;t为时间，d; Ss为储水系数 (无量纲);Ω为渗流区域;H0为初始水位，m;n⇀为边界面的外法线方向;Q为第二类边界上的单宽流量，m2/d，流入为正，流出为负;Γ2为第二类边界。

2.3 模型建立

本文采用Visual Modflow软件进行数值模拟，对采煤条件下矿区的太灰和奥灰岩溶裂隙水水位动态进行预测分析，具体步骤如下:

(1)网格剖分 模拟区总面积为15.32km2，采用矩形网格等距剖分，在垂直方向上分为3层，平面剖分100行、120列，共12000个单元格，其中有效单元格有7336个，无效单元格有4664个，每个计算单元面积为0.0021km2。

(2)边界条件 矿区内目标层地下水主要接受地下水侧向径流及垂向越流补给。本次模拟的东南部边界以清交大断裂为界，与井田的矿界重合，概化为二类排泄边界;为了减小人为边界划定对地下水模拟结果的影响，流场上游的北部边界划到矿界639m以北，概化为二类补给边界;西边界和东边界距矿界分别为1837m和1371m，均为流线，概化为零通量的隔水边界。

(3)水文地质参数确定 水文地质参数是表征含水层特性的重要指标。依据矿区抽水试验资料，并结合研究区的地质构造、含水层的富水性特征等，将研究区划分为6个不同的参数区，其中I，II，III为石炭系灰岩含水层的参数分区，IV，V，VI为奥陶系灰岩含水层的参数分区 (分别见图1和图2)，其中间的相对隔水层划分为一个区，各分区的参数根据抽水试验结果赋初值。

图1 太灰含水层参数分区

图2 奥灰含水层参数分区

(4)模型识别 本次模拟选择2013年3月至2013年10月研究区口儿村和方山口村水源井水位观测资料进行模型的识别与验证。通过计算水位与实测水位的拟合分析，得到的太灰和奥灰含水层最终水文地质参数值见表1，太灰含水层和奥灰含水层的水位历时拟合曲线分别见图3和图4。

表1 多层含水层各分区参数值

图3 太灰含水层观测孔水位历时拟合曲线

图4 奥灰含水层观测孔水位历时拟合曲线

3 煤炭开采对多层含水系统影响分析

研究区煤矿规划开采年限为6.5a(为2373d)，其矿井排水量为2615m3/d。利用已验证的地下水数值模拟模型，模拟预测的矿井排水量为2615m3/ d时，多层含水系统的水位动态。太灰和奥灰的地下水初始水位流场见图5和图6，煤炭开采2373d后，太灰和奥灰的地下水流场预测结果分别见图7和图8。

图5 太灰地下水初始水位流场

图6 奥灰地下水初始水位流场

图7 2373d后太灰地下水流场预测结果

3.1 采煤对太灰含水层水位动态的影响

图8 2373d后奥灰地下水流场预测结果

在煤矿开采条件下，太灰含水层中的地下水水位持续下降，降落漏斗形成并不断扩大。2373d后在井田中部出现最大水位降深，降深值为137m。在研究区的南部地区出现疏干现象，疏干面积为0.0189km2。

研究区内不同位置的太灰地下水位随开采时间的动态变化曲线见图9。由图9可见，地下水水位随着开采时间的延长均呈下降趋势。总体上，在0～500d内下降速度较快，其后下降速度逐渐降低并基本趋于稳定状态。

图9 研究区太灰地下水水位随时间变化曲线

研究区南部因接近清交断裂，含水层渗透性强，所以地下水水位下降幅度较大，0～100d的平均降速达70.3m/d，100～500d内的平均降速降为10.4m/d，之后的 500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d各时段内平均降速分别为0.95m/d，0.7m/d，0.5m/d和0.47m/d。说明地下水水位随着时间呈稳定下降的趋势，且在500d后水位基本趋于稳定。

研究区北部因为距离井田相对较远，水位下降相对于井田矿井排水稍有滞后。在0～100d平均降速为 36.3m/d，100～500d内的平均降速降为9.1m/d，在500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d各时段的平均速度分别为1.35m/d，0.65m/d，0.6m/d和0.34m/d，北部太灰水位在750d后趋于稳定。

3.2 采煤对奥灰含水层水位动态的影响

奥灰水是矿井生产的间接充水水源，在矿井开采的影响下，受太灰含水水位大幅下降的影响，奥灰水越流补给上覆含水层。由图8可见，研究区奥灰水位也呈现明显的下降趋势，但相对于太灰地下水位下降存在一定的滞后性。煤炭开采2373d后，在矿井南部出现最大水位降深区，降深值为8.1 m，并出现一定范围的降落漏斗。研究区内地下水水位随开采时间的动态变化曲线见图10。由图10可知，奥灰含水层随着煤炭开采时间的延长，地下水位不断下降，而且在2373d后水位下降仍然是非稳定的。

图10 研究区奥灰地下水水位随时间变化曲线

研究区南部含水层渗透性较强，水力传导快，地下水水位下降幅度较大，西南部地下水位平均下降速度在0～100d之间为0.28m/d，在100～500d范围内的平均降速有所升高，为0.47m/d，在500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d各时段的平均降速分别为0.46m/d，0.38m/ d，0.32m/d和0.27m/d。可见，地下水水位下降速度总体上也具有随着时间延长而减小的规律。研究区北部地下水水位变化规律与南部基本相似，其中，0～100d，100～500d，500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d的平均水位降 速 分 别 为 0.25m/d，0.9m/d，0.28m/d，0.15m/d，0.12m/d和0.09m/d，在矿井规划开采期满后地下水位仍未达到稳定。

4 结束语

利用Visual Modflow软件对太原西山煤田某煤矿在开采过程中地下水水位动态进行了预测。结果表明:煤炭开采不仅影响太灰含水层的地下水水位，而且对奥灰含水层也造成了较大的影响。随着煤炭开采时间的延长，太灰含水层地下水位不断下降，并在井田南部形成一定的疏干区，地下水位降速在500d后逐渐趋于稳定。奥灰含水层的地下水水位随着开采时间延长不断降低，而且具有时间的滞后性和非稳定性的特点。总之，煤炭的开采不仅影响直接充水层——太灰水，而且影响其下伏含水层——奥灰水的动态。在断裂构造发育地带，采煤对含水系统的破坏更大。研究结果可为煤矿区水资源保护和煤矿开采防治水措施的制定提供依据。

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