砂-基型生态脆弱区煤炭开采潜水位响应研究

刘启蒙，刘 瑜，薛 森

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；3.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023)

我国煤炭资源开发重心已快速转移到西部生态环境脆弱地区。大规模、高强度开采西部埋藏浅、厚度大的煤炭资源时，较少顾及水资源承载力，存在水资源破坏、地表植被死亡等严重问题[1-2]。萨拉乌苏组沙层潜水是西部矿区具有大范围供水及生态意义的珍贵地下水资源，也是井下水害的重要充水水源[3-4]。因此，研究煤炭开采过程中萨拉乌苏组沙层潜水水位的响应，对实现煤炭安全开采与生态环境保护并举具有重要理论与现实意义。

西部矿区煤炭开采顶板突水、地表水资源破坏及次生灾害不断出现，已有大量学者对突水灾害及潜水漏失进行研究[5-8]。20世纪末，叶贵钧等在《我国西部侏罗纪煤田(榆神府矿区)保水采煤及地质环境综合研究》中提出“保水采煤”概念[9]。李文平等对榆神府矿区保水采煤工程地质条件进行分区，按照水文工程地质特性将研究区分为“砂-基”、“土-基”、“砂-土-基”、“基岩”及“烧变岩”五类，并初步给出了保水采煤技术措施[10]。“砂-基”型矿区内潜水含水层直覆于基岩之上，呈砂层-基岩的岩层结构，缺失关键隔水土层，采动可能导致潜水的严重漏失[11]。文献[12]针对“砂-基”型浅埋煤层，指出：保水采煤是含水结构不受到破坏，或虽受一定影响，但一定时间后含水层水位仍可恢复，流失量应保证最低水位不严重影响地表生态。

文献[13]在对秃尾河流域沙漠植被的长期观测研究表明：潜水水位埋深与植被密切相关，1.5～5m为最佳地下水位埋深，当潜水位埋深较大时，生态环境将进一步恶化。范利民等综合水文地质结构、开采条件与采动响应总结了保水采煤的科学内涵，认为保水采煤目标是保护地下含水层结构与地表河流流量稳定[14]。 文献[15]指出我国西部浅埋煤层保水开采的核心理念是保护生态水位。 文献[16]团队提出了绿色开采理论，并将水资源保护性开采技术作为理论的核心技术之一。“砂-基”型工程地质结构条件下潜埋煤炭资源的开采容易造成地表砂层潜水水位的下降，把握矿区水文地质空间结构，研究开采过程中潜水水位响应，是采煤保水技术制定、实施的重要基础。

本文以典型“砂-基”型转龙湾矿区为例，基于地质勘查、室内外试验等，分析了含隔水层水文工程地质条件及其空间赋存结构，利用Visual Modflow建立了三维水文地质数值模型，研究了煤层开采的条件下直覆于基岩的潜水含水层的水位变化。研究成果对西部“砂-基”型矿区保水采煤与生态地质环境保护具有重要意义。

1 研究区概况

转龙湾矿区位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗东北部(E 110°00′～110°07′，N 39°30′～39°37′)。矿区东西长10.0km，南北宽5.6km，面积约43.5km2。该区海拔1 183～1 405m，地形相对高差较大，主要为风积、沙漠地貌；年平均降水量359.6mm，年平均蒸发量2 485.2mm，属干旱-半干旱气候。植被以沙柳、沙蒿为主，地表生态环境脆弱。大地构造单元属华北地台鄂尔多斯地台向斜东胜凸起之南部，构造简单。目前主要开采延安组2-3煤层，煤层倾角1°～3°，平均厚度4.4m，平均埋深190.2m。

矿区内大部分为第四系砂层所覆盖，较少出露基岩。地表河流主要包括西南部乌兰木伦河与东南公涅尔盖沟。沉积地层由老及新依次为：三叠系上统延长组，侏罗系中、下统延安组，中统直罗组和安定组，白垩系下统伊金霍洛组，第四系上更新统萨拉乌苏组和全新统地层。缺失N2红土与Q2黄土隔水土层，为典型的“砂-基”型地质结构。

2 含隔水层水文地质特征

2.1 含隔水层空间赋存结构

根据水文地质特征，将2-3煤层顶板划分三个含、隔水层组，分别为第四系砂层潜水含水组、基岩裂隙承压含水层组与基岩泥质相对隔水层组。其中，基岩含水层组与基岩泥质相对隔水层组交互赋存，含隔水层空间结构如图1所示。

图1 含隔水层空间结构示意图

具体特征分述如下：

2)基岩裂隙承压含水层组。该组由侏罗系中统安定组、直罗组与延安组裂隙承压含水层组成，一般可分为4～8层，岩性以中、粗粒砂岩为主，是2-3煤层开采的直接充水含水层组。含水层组厚度受地形与剥蚀强度控制，平均厚度50m左右。但富水性一般较弱且不均一性强，由浅至深呈逐渐减小的趋势。含水层组静止相对水位+7.95 ～ 42.58m，水位标高+1 234.234～1 271.45m，单位涌水量0.002～0.090L/(s·m)，渗透系数0.002～0.019m/d。

3)基岩泥质相对隔水层组。该组主要由粉砂质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩等岩性岩层组成，单位涌水量小于0.001L/(s·m)的岩层组成。自第四系底板至延安组底板之间共划分7个隔水层，总厚12.20～93.54m，隔水层整体呈由北西向南东变薄的趋势。西部煤层开采覆岩导水裂缝带高度较大(一般20～30倍采厚)，采动条件下该组岩层(大部分或全部)隔水能力降低甚至丧失，导水裂缝带上部基岩相对隔水层的厚度是评价潜水漏失的重要参量。

2.2 地下水补径排条件

第四系砂层潜水主要接受大气降水下渗补给，次为区域潜水含水层侧向补给。基岩承压水主要接受区域侧向径流补给及潜水垂向渗流与越流补给。潜水一般沿基岩相对隔水层倾向自井田东北向西南方向径流或垂直岩层层面向下渗流。基岩承压水主要顺岩层倾向方向往深部径流运移。潜水主要以泉或者渗流(垂向或侧向)的形式进行排泄，蒸发、蒸腾与人工开采也是主要排泄形式。基岩承压水主要在沟谷切割部位以泉的形式排泄，人工开采强度低。井田的地表水、地下水有着密切的联系，乌兰木伦河及公捏尔盖沟与潜水互为补给。煤矿开采排水后，将形成人工流场，地下水的径流条件也会随之改变。

3 水文地质数值模型

3.1 数值模型基础

由于基岩裂隙承压含水层富水性较差且本文主要研究潜水水位的变化，因此将含水层结构概化为单层潜水含水层并将地下水含水系统模型概化为非均质各向同性介质中的三维非稳定流。研究区北部高地接受更北端高处区域的侧向地下径流补给，北部两翼分别为乌兰木伦河与公涅尔盖沟的上游，将其概化为补给边界。东、西、南三面为乌兰木伦河与公涅尔盖沟环绕包围，河流外研究区边界沿地下分水岭划分，作为隔水边界。

根据已概化的非均质、各向异性三维非稳定流模型，在不考虑地下水密度变化的条件下，建立如下水文地质数学模型[17]

(1)

式中：Kx，Ky，Kz为潜水含水层在x，y，z方向上渗透系数 ，m·d-1；h为潜水含水层厚度，m；t为模拟时间，d；R为研究区降雨强度，m·d-1；E为研究区蒸发强度，m·d-1；μ为潜水含水层重力给水度；H0为初始时刻的研究区水位标高，m；Ω为研究区范围；Γ1为研究区北部基岩边界；Γ2为研究区河流边界。

3.2 数值模型构建

考虑界条件、 参数分区特征，在不规则区加密，建立了包括14 400个单元格的数值模型。 基于129个钻孔数据，采用kriging插值方法，生成连续地层面高程。将2015年设为数值模拟启动时间，模型校验期为1年(365d)，模型预测期设5年(2 020d)，自动控制时间步长，初始时间步长10天。根据模拟区内30个水文观测孔水位数据，得到初始水位等值线图，获得研究区地下水的初始空间分布及运移特征。在分析含水层岩性、构造分布、抽注水试验中地下水降落漏斗的形态及扩展特征，以及相同距离水位观测孔地下水水位降深的变化规律的基础上，将研究区含水层的水文地质参数分为4个子区，如图2所示。

西、南以乌兰木伦河为界，北为高海拔基岩山区(侏罗、白垩系砂岩广泛出露)，东为公涅尔盖沟及其西侧分水岭，东南部为河谷冲击汇流区(被冲积层和风积层所覆盖)。结合地下水动态特征，将模型地层概化为非均质性含水层，分为4个子区域，各分区参数如表1所示。

图2 模型水文地质分区

分区Kx=Ky/(m·d-1)Kz/(m·d-1)Sy #110.4241.042 40.3 #20.8090.080 90.2 #30.026 50.002 650.15 #40.006 70.000 670.1

研究区流域与周边环境的水文循环十分活跃。在本次模拟模型中，由于地下抽注水试验周期较短，抽注水试验期内的水体变化效果对总体水量及流场分布影响不大，因此仅作为校验与日常水位观测井，以验证地下水数值模拟的相似性。

3.3 数值模型的识别检验

本文从流场拟合、水位分析与敏感性分析三个方面进行数值模型的识别检验。

(1)流场拟合。采取试算和参数反演相结合方法，通过改变水文地质参数试算，尽量减小各观测点水头的计算和观测值误差。通过优化迭代，进行参数自动调整。选取2015年4月2日～2016年4月2日作为模型识别期，以2015年4月2日的地下水流场作为模型的初始流场(见图3)。通过多次的代入计算和参数调试，地下水流场和观测井水位的计算值和观测值(实际流场)最终达到较好的拟合效果(见图4)。

图3 水文地质模型初始水头

实际水头/m图4 模型稳态检验效果

(2)水位分析。为验证识别拟合所得参数的准确性与可靠性，对模型进一步进行分析与验证。将识别后的2016年4月2日的计算流场作为初始流场，利用2016年5～7月份所得的地下水监测资料作为模型检验的依据。图5为检验期末S2观测井水位与模拟水位的对比拟合图。拟合结果表明：水位计算值与观测值拟合状况良好，流场的流向大致相同，证明识别后的水文地质参数符合实际情况。

图5 S2观测孔水位与模拟水位对比

(3)敏感性分析。为分析模型中参数的敏感性，对各参数的数值进行了上下调整50%并对地下水水位进行分析[18]，图6为参数调整时钻孔水位相应变化。不发生渗透性突变的条件下，降雨边界是水位的主要控制因素。河流的渗水功能既与导水介质息息相关，又和河床内的河流流量有莫大关系。水平方向的渗透系数变化对于模型的影响要大于竖直方向上的参数变化。给水度变化对模型几乎没有影响。

图6 模型单因素参数敏感性分析

4 开采潜水水位响应

地下煤炭资源开采是造成潜水水位的最重要的因素。根本原因是采动条件下覆岩裂隙的发育导致隔水岩层的渗透性增加、隔水层能力丧失[19]。计算煤层采动导水裂缝带的发育高度，分析残余隔水层厚度的分布规律是研究开采潜水水位响应的前提。根据“两带”探测成果，研究区导水裂缝带的发育高度约为煤层开采厚度的20倍。本文根据这一裂采比，计算得到研究区煤层开采后导水裂缝带的发育高度为78.0～110.0m。根据采前隔水层空间分布特征，分析了残余隔水层分布厚度，具体如图7所示。

图7 采后残余保护层厚度

由图7可知，在煤层满采条件下231采区南端采空区上部残余基岩隔水层厚度不足，局部区域导水裂缝带发育到基岩面以上，即图中“破坏区”，潜水将发生严重渗漏。

研究区2-3煤层顶板多为砂岩，强度中硬。据参考文献[20]，防水安全煤岩柱保护层厚度应达到3倍采厚。假设残余保护层厚度大于3倍采厚的区域具有良好的隔水效果，将图7中的保护层厚度不足区域作为潜水漏失的条件设置区。同时以2016年为模型预测计算的初始年份，将研究区多年平均降水量以及2016年各类均衡要素统计结果作为模型补给项和排泄项计算依据，进行5年后的地下水水位状况进行预测，预测结果如图8所示。

图8 采动破坏后地下水位标高

由图8可知，采动对于上游高海拔基岩地区的地下水赋存影响较小。这是由于在一定时间范围内，该部分区域仍然能够接受由相邻区域含水层及河流上游足够的侧向水量补给。中游乌兰木伦河及公涅尔盖沟河谷段由于上游水体运移变化也较小。而在23101采区山前冲积扇地区，周边地下水补给量不足以弥合因煤层采动而产生的渗漏损失，本区域地下水位降幅较大且趋于相同(图8底部区域)，以破坏区为中心的区域水位降低最多40m，水位标高近至潜水含水层底板。地下水位的长期剧烈下降对于河流正常流动和对下游地下水补给有显著影响。

5 结论

(1)在研究含隔水层空间结构与地下水补径排条件的基础上，基于129个钻孔数据，建立了非均质、各向异性三维非稳定流模型，并概化为4个分区。

(2)地下水流场和水位的计算值与实际值吻合度较高。降雨边界是水位的主要控制因素；水平方向的渗透系数变化对于模型的影响要大于竖直方向；给水度变化对模型几影响不大。从流场拟合、水位分析与敏感性分析三个方面识别检验了数值模型的有效性。

(3)煤层开采导水裂缝带的发育高度为78.0～110.0m，满采条件下231采区南端采空区上部残余基岩隔水层厚度不足，局部区域导水裂缝带发育到基岩面以上。

(4)受煤层开采影响，高海拔基岩地区与河谷段水位变化较小；231采区山前冲积扇区域水位下降明显，最大超过40m且近潜水含水层底板。地下水位的长期剧烈下降对于河流正常流动和对下游地下水补给有显著影响。