基于地下水数值模型的保护矿区水源井禁采区界定

徐树媛

(山西省煤炭地质勘查研究院，山西省太原市，030031)

★ 煤炭科技·地质与勘探 ★

基于地下水数值模型的保护矿区水源井禁采区界定

徐树媛

(山西省煤炭地质勘查研究院，山西省太原市，030031)

亨元顺煤矿开采必将对矿区内既有供水水源地构成影响，不仅使取水含水层结构破坏，而且矿井排水形成的地下水降落漏斗也将导致水源井水位降低、供水量明显减少。为了确保煤矿开采情况下水源井供水不受影响，并尽可能地减少留设煤柱资源，应用Visual Modflow软件建立了水文地质概念模型和数学模型，预测煤矿开采对供水水源井的影响，并根据数值模拟结果与矿井开拓部署，采用试算模拟的方法划定了水源地禁采区范围。

数值模拟 煤炭开采 水源井 太原组含水层 禁采区

在煤矿区内合理开发煤炭资源的同时对既有水源地实施保护，往往是影响煤矿开采布局的突出问题。亨元顺煤矿位于山西省灵石县境内，在其矿区范围内有坛镇乡集中供水水源井，主要为乡属13个村庄4200人供水，取水含水层属于煤系地层石炭系太原组含水层。亨元顺煤矿主采煤层10#煤层位于水源井取水含水层之下，煤炭开采将破坏煤层上覆含水层结构，而生产过程中矿坑排水将会使该含水层地下水逐渐被疏干，从而影响水源井的集中供水。为了确保矿区内水源地供水不受影响，并尽可能减少煤炭资源的浪费，应用Visual Modflow软件建立水文地质概念模型和数学模型，以定量预测煤炭开采对供水水源地的影响程度，并根据数值模拟的结果划定保护水源地的煤炭禁采区范围，以期为煤矿保护水源地而合理规划开采布局提供参考依据。

1 矿井开采及水文地质概况

亨元顺煤矿位于晋中市灵石县城西南18 km处，井田总面积约19 km2，设计生产规模90万t/a，矿井服务年限为10.7年，主要开采石炭系太原组4#、10#、11#煤层，开采标高为1074.94～819.94 m。4#煤层位于太原组顶部，煤层厚0～2.7 m，平均厚度为1.03 m，井田内大部被剥蚀，赋存区为井田西部和中北部，为赋存区稳定的大部可采煤层；10#煤层位于太原组下部，上距4#煤层58.10～76.55 m，煤层厚0～2.35 m，平均厚度为0.93 m，除井田东部沟谷处局部被剥蚀和中南部不可开采外，其余大部地区均可采，属较稳定大部可采煤层；11#煤层位于太原组下部，上距10#煤层5.75～13.45 m，煤层厚0～1.25 m，平均厚度为0.47 m，井田范围内大部不可采，可采地区为井田西部和中北部，为不稳定局部可采煤层。4#、10#、11#煤层均为薄煤层。为满足矿井生产能力，矿井设计两个工作面，根据开拓部署，10#、11#煤层划分为一个主水平，采用联合布置，标高为+890 m；4#煤层划分为一个辅助水平，水平标高为+970 m；矿井主辅水平同时开采。

矿区内地下水含水层自下而上有奥陶系中统碳酸岩岩溶裂隙含水层、石炭系上统太原组碎屑岩夹碳酸岩岩溶裂隙含水层、二叠系下统山西组、下石盒子组碎屑岩裂隙含水层、基岩风化带裂隙含水层以及第四系松散岩类孔隙含水层，其中具有供水作用的主要为奥陶系中统碳酸岩岩溶裂隙含水层、石炭系上统太原组碎屑岩夹碳酸岩岩溶裂隙含水层。在矿区西南部有坛镇乡集中供水水源井，井水主要取自80 m以下的石炭系太原组石灰岩地层中的岩溶裂隙水，静水位埋深63.6 m，动水位埋深83.8 m，静水位高出隔水顶板近15 m左右，为碎屑岩类裂隙和岩溶裂隙承压型水源井。该含水层以上覆盖地层进行了止水，以管井(机井)的方式采取地下水。服务对象为13个村庄，供水人口约4200人；日可采水量约400 m3，目前实际取水量为60 m3/d。目前该水源井以井孔为中心，半径35 m的圆形区域为水源井一级保护区，未设立二级保护区。

2 煤矿开采对上覆含水层的影响分析

矿井主要开采石炭系4#、10#、11#煤层，煤层开采后所产生的顶板垮落带及导水裂缝带使得煤层与上覆含水层、地表水之间的隔水层遭到破坏，各含水层之间发生水力联系，地下水转化为矿井水，通过矿坑排水的方式排出。利用“三下”采煤规程中导水裂隙带公式，计算开采4#、10#、11#煤层所产生的导水裂隙带最大高度见表1，预测井下采煤对地下含水层所产生的破坏及影响。由于10#、11#煤层间距小于11#煤层冒落带高度，按照规程，10#、11#煤层为近距离煤层；因此，11#煤层的导水裂隙带最大高度采用10#、11#煤层的综合开采厚度叠加计算。

表1 导水裂隙带最大高度计算结果

由导水裂隙带计算结果可知，4#煤层顶板冒落带最大高度为10.7 m，导水裂隙带最大高度为42.9 m，最大导通高度可达山西组砂岩裂隙含水层，煤层浅埋区可直达地表；10#、11#煤层采空后，顶板冒落带最大高度为12.2 m，最大导水裂隙带高度为48 m，向上最大破坏高度为60.2 m，可沟通4#煤层采空积水。

坛镇乡水源井取水层位为太原组K2～K4石灰岩地层中的岩溶裂隙水。4#煤层位于太原组顶部，高出太原组含水层静水位26.5 m，煤层下距太原组主要含水层石灰岩组约41 m，其间岩性主要为泥岩、砂质泥岩、砂岩及1～2层不稳定薄煤层，隔水效果良好；根据水文地质现状调查与井下开采资料，4#煤层开采活动对供水水源太原组石灰岩含水层影响不大。而10#、11#煤层位于太原组主要含水层K2～K4石灰岩组之下，煤层上覆K2、K3、K4含水层会被煤层顶板导水裂隙带直接导通，各含水层中的地下水径流将改变原有层间流动的方向，转向沿导水裂隙向下部采空区快速径流，使供水含水层处于疏干或半疏干状态，丧失原有赋水功能，从而使水源井枯竭、报废，因此，10#、11#煤层的开采对坛镇乡集中供水水源影响严重。

3 煤矿开采对上覆含水层影响数值模拟研究

矿区煤层开采后对上覆含水层的影响范围及水位降深可用地下水数值模拟的方法来研究计算。

3.1 地下水概念模型

3.1.1 含水层结构概化

矿区内太原组4#、10#、11#煤层开采后形成导水裂隙带可导通上部山西组碎屑岩裂隙含水层组。因此，本次模拟将山西组及太原组地层作为模拟的目标含水层。模拟区目标含水层所在岩层平均厚度约150 m，主要由中-细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤层及石灰岩组成。

目标含水层在模拟区东北部出露，出露区接受大气降水及地表水体的渗入补给，其他区域目标含水层顶部主要由厚度不等的泥岩、砂质泥岩组成，阻隔了上下含水层间的垂向水力联系，故将该区域目标含水层顶板以上概化为上部隔水层；目标含水层下部为石炭系中统本溪组泥质岩类隔水层组，厚度平均为23 m左右，岩性致密，隔水性能好；目标含水层底板概化为下部隔水层。

3.1.2 模型边界概化

根据矿井水文地质特征以及实测碎屑岩夹碳酸岩岩溶裂隙含水层的流场分布，取模拟区东北部的太原组底部泥质岩类隔水层出露线作为东北部边界，属自然边界；取流场上游 970 m 等水位线作为西南部边界，这两个边界均处理为二类流量边界。模拟区的西北部边界及南部边界均取垂直于实测等水位线的流线，属流量零通量边界，概化为隔水边界，如图1所示。

3.1.3 含水层水力特征概化

矿区碎屑岩夹碳酸岩岩溶裂隙含水层地下水系统符合质量守恒和能量守恒定律，目标含水层系统的结构及水动力学条件可概化为非均质各向同性二

维非稳定流。

3.1.4 源汇项概化

根据模型概化结果可知，模拟区目标含水层在东北部出露区接受大气降水及地表水的入渗补给。排泄项主要为模拟区目标含水层内水井的人工开采，以及亨元顺煤矿的矿井水排泄。

3.2 地下水数学模型

根据上述概念模型，不考虑水的密度变化，地下水的流动可用如下偏微分方程来表示。

式中：D——计算区范围；

K——沿x，y坐标轴方向的渗透系数，m/d；

W——源汇项，m/d；

μ——含水层弹性释水系数，L/m；

h——点(x，y)在t时刻水头值，m；

h0——含水层的初始水头，m；

Kn——边界法线方向的渗透系数，m/d；

Γ2——第二类边界；

q——渗流区二类边界上的单位面积流量，m3/d。

3.3 模型识别

选择适宜的时间段对模型进行识别，将模拟区的水文地质参数、水头初始条件及边界条件作为模型调参的初始值，运行预报模型，对目标含水层的实测水位与计算水位进行拟合分析，若二者相差较大，则根据参数变化范围和实际水位差值，重新给定参数迭代计算，直至二者拟合较好。通过调参计算，实测水位和计算水位等值线拟合结果较好，含水层概化与参数选择符合实际，见图2。

3.4 模拟预测结果及评价

3.4.1 计算思路

根据井田开拓布置，亨元顺煤矿开采4#、10#、11#煤层，其中4#、10#煤层大部可采，11#煤层局部可采，服务年限为10.7年。辅助水平只开采4#煤层，划分为3个采区；主水平开采10#、11#煤层，划分为4个采区；矿井主辅水平同时开采。矿井正常涌水量为2250 m3/d，模拟时将此涌水量平摊到整个采区面积上，利用Visual Modflow软件中的RECHARGE(补给)模块(抽水取负值)排泄出去，模拟时段为10.7年，预测矿井开采结束后，目标含水层的水位变化。

图2 水位拟合图

3.4.2 模拟结果分析

通过模拟计算，亨元顺煤矿4#、10#、11#煤层开采10.7年后，模拟区目标含水层地下水水位等值线见图3。

图3 模拟矿井开采10.7年后含水层地下水流场图

由图3可以看出，煤层采空后，目标含水层地下水位形成以矿坑为中心的降落漏斗，漏斗中心的水位降深最大，约为26 m；往上、下游水位降深逐渐变小，影响面积约为45 km2。位于井田西南部的坛镇乡集中供水水源井水位降深约为20 m。

井田范围内石炭系太原组碎屑岩夹碳酸岩岩溶裂隙含水层和部分二叠系碎屑岩裂隙含水层被疏干。在煤层露头线附近区域及目标含水层浅埋区，目标含水层与第四系松散层直接接触，煤层开采会进一步疏干第四系松散孔隙含水层；水源井取水含水层的水量及其补给来源均受到影响。

3.4.3 禁采区范围界定

通过以上煤矿开采对上覆含水层的影响分析及地下水数值模拟结果，10#、11#煤层的开采对供水水源含水层破坏严重，且短时间内难以恢复，而这些含水层又是煤矿与居民生活所依赖的水源，因此为确保水源工程不受影响，并尽可能地减少留设煤炭资源量，需在建立地下水流数值模型的基础上，对各采区的可采范围进行界定，即划定保护水源井之煤炭禁采区范围。

10#、11#煤层间距平均为7.62 m，且11#煤层在井田内大部分不可采，可采区仅位于井田西部和中北部；10#、11#煤层为一个主水平，矿井巷道布置采用联合布置；因此本次按照10#煤层设计采区对水源井禁采区范围进行划分。主水平10#煤层采区设计见图4。

图4 10#煤层采区设计图

根据数值模拟结果与矿井开拓部署，主水平首采工作面位于1001采区北部，随着采掘工作面不断向西南部推进，势必会影响到水源井。因此，为保证水源井取水含水层水位不受影响，本次1001采区采用北部首采区与西南部采区距离水源井由远及近逐渐扩大可采范围的方法对煤层开采造成的上覆含水层影响进行数值模拟；可采区范围逐步扩大慢慢靠近供水水源井的过程为试算模拟过程；根据地下水流场分布，可采区范围的扩大采用垂直于等水位线的方向慢慢扩大，如果可采区煤层开采对水源井水位造成影响，则缩小可采区范围重新模拟计算，直至煤层开采形成的水位降深恰好未影响到水源井为止，此时1001采区可采范围以外的区域即为保护供水水源井的禁采区。

经过反复模拟试算，1001采区北部可采区为距离水源井900 m平行于等水位线的直线与煤层可采边界线、井田边界所圈定的范围；1001采区西南部可采区为距离水源井950 m平行于等水位线的直线与井田边界所圈定的范围。北部及西南部可采区开采结束后形成的地下水降落漏斗影响范围恰好未到达供水水源井。

1001采区可采范围内煤层开采后，水源井含水层水位未受到影响；继而对1002采区可采范围进行模拟计算，通过试算，1002全采区开采结束后，形成的降水漏斗对供水水源井没有影响。矿井范围内石灰岩岩溶裂隙含水层水位等值线见图5。

图5 1001可采区及1002全采区煤层开采后水位预测结果

综合上述模拟结果，亨元顺煤矿内供水水源井东北部900 m、西南部950 m以外的区域，煤层开采对水源井含水层没有影响。坛镇乡供水水源井煤柱留设范围，也就是亨元顺煤矿10#煤层的禁采区范围，即以水井为中心向东北900 m、向西南950 m的平行于等水位线的直线与煤层可采边界线、井田边界所圈定的范围，如图6所示。禁采区面积约为2.8 km2。

4 结语

亨元顺煤矿的开采将对井田内所属供水水源井取水含水层结构、水位产生严重影响。应用Visual Modflow软件进行煤矿开采对水源井影响的数值模拟研究表明，煤矿开采后供水水源井的水位降深约为20 m，取水含水层水位、水量受到严重影响。依据数值模型进行模拟试算，划定水源井禁采区面积约为2.8 km2。鉴于矿井水文地质条件的复杂性，模拟结果可能与实际存在一定偏差，建议结合煤矿开采规划和井田水文地质条件合理确定禁采区范围，在煤矿开采过程中做好水源井动态监测工作，及时调整开采布局。

图6 10#煤层可采区与禁采区分布图

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(责任编辑 郭东芝)

The definition of ban area to protect water source in mining area basedon the groundwater numerical model

Xu Shuyuan

(Shanxi Coal Geology Investigation and Research Institute, Taiyuan, Shanxi 030031, China)

The coal mining will impact the water source in Heng Yuan Shun mining area, it not only causes the aquifer structure damage, but also the groundwater drawdown funnel which is formed by the mine drainage, which will cause the water level of the water source to be reduced and the water supply quantity decreased obviously. In order to ensure that the water supply is not affected, and reduce the coal pillar resources as much as possible, using Visual Modflow software established hydrogeological conceptual model and the mathematical model, forecasting the influence of water source well from coal mining, and atrial simulation method is adopted to delineate water source protection ban mining areas according to the numerical simulation results and mine deployment.

numerical simulation, coal mining, water wells, Taiyuan group aquifer, ban area

P641

A

徐树媛(1981-)，女，安徽六安人，硕士研究生，高级工程师，主要从事水资源及水环境评价、水文地质勘查与研究工作。