榆神府地区煤炭开采对地下水资源的影响

柳宁 赵晓光 解海军 李瑜

摘 要：通過对覆岩含水性和地下水流场的研究，探讨了榆神府地区煤炭开采对地下水资源造成的影响。通过公式估算法、瞬变电磁法和GMS地下水数值模拟法，探讨了榆神府地区煤炭开采对地下水资源量、上覆岩层含水性和地下水流场的影响。研究发现煤炭开采会引起地下水水位下降，覆岩含水性降低，引起含水渗漏现象，最终改变原始地下水流畅，形成地下水降落漏斗。榆神府地区在产煤矿矿井水排水量（2014年）约为50×106 m3/a，其中有46.6%的矿井水会作为生产用水回用，随着在建和规划煤矿逐步建成，地下水外排量会增加140×106 m3/a，其中生产回用水量占矿井总排水量的50%以上;上覆岩层含水性在煤炭开采的不同开采阶段表现出不一样的特征，开采前覆岩含水性良好，开采中覆岩含水性逐渐降低，开采结束后，覆岩含水性会逐渐恢复;GMS模拟结果显示，煤炭开采初期地下水水位会以20 m/a的速度快速下降，到2018年已经形成地下水降落漏斗，2028年漏斗范围持续发展，到2048年，降落漏斗范围基本稳定，并形成以井田北部为中心的新地下水流动场。

关键词：地质资源与地质工程;地下水;瞬变电磁;地下水数值模拟;覆岩含水性;

地下水流场

中图分类号：P 641 文献标志码：ADOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0111文章编号：1672-9315（2019）01-0071-08

Influence of coal mining on groundwater

resources in Yushenfu AreaLIU Ning，ZHAO Xiao guang，XIE Haijun，LI Yu

（College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）Abstract：The influence of coal mining on groundwater in Yushenfu is discussed by studying the aquosity of overburden rock and groundwater flow field.The influence of coal mining on the amount of groundwater resources，the aquosity of overburden rock and the groundwater flow field in Yushenfu is investigated through formula estimation，transient electromagnetic method and GMS groundwater numerical simulation method.It is found that coal mining will cause the decline of groundwater level，reduce the aquosity of overburden rock，cause water leakage，and eventually change the flow of the original ground water to form a groundwater cone of depression.The displacement of mine water in Yushenfu（2014）is about

50×106m3/a，of which 47.6% of the mine water will be used as the production water.With the construction and planning of the coal mine，the external displacement of the groundwater will increase by 140×106m3/a，of which 50% of the total amount of displacement of mine water will be used as production water.The aquosity of overburden rock shows different characteristics in the different stages of coal mining.The aquosity of overburden rock before mining is good，then it will gradually reduce，and after the mining it will be gradually restored.The GMS simulation results show that the groundwater level in the early stage of coal mining will fall sharply with the speed of 20 m/a，and the groundwater cone of depression has been formed by 2018.In 2028，the range of the cone of depression will continue to expand.By 2048，the range of the cone of depression is basically stable，and the new groundwater cone of depression is formed in the north of the mine field.

Key words：geological resources and geological engineering;groundwater;time domain electromagnetic methods;groundwater model system simulation;groundwater flow field

0 引 言

煤炭开采产生较大范围的岩体结构改变，将会对地下水流场以及覆岩含水性造成影响[1]。位于陕西北部的榆神府矿区是西北地区的主要产煤地，煤矿开采时当地的主要产业，是重要的经济地位。该地区属于干旱、半干旱大陆性季风气候，水资源短缺，而煤炭开采影响地下水赋存状态，进一步加重了当地水资源匮乏的现象[2-4]。近几年随着陕北榆神府煤炭资源的大规模开发，所引起的地下水问题也日益凸显，诸如地下水水位下降、地下水流场发生变化、地下水水质恶化[5-7]。因此，研究采煤对地下水的影响是非常有意义的。国内外研究者围绕煤炭开发对地下水的影响展开了大量的研究[8-10]，冀瑞君等以窟野河中下游地区为例，通过现场调查和水化学特征分析，总结了神府矿区地下水循环规律，提出了采煤对地下水的影响机制[11];刘海涛等运用地下水数值模拟技术，深入研究分析了太原西山煤矿采前、采中地下水特征，陈述了地下水流场以及采煤对地下水均衡的影响。结果表明采煤会造成地下水位显著下降，地下水动态平衡受到严重干扰[12]。范立民等以陕北地区的第四系萨拉乌苏组含水层为例，结合该地区含水层的特征及分布，阐述了采煤与地下含水层之间的联系，对该地区采煤过程中地下水保护和预防措施提出了中肯的建议[13]。张发旺等结合干旱区地下水的特征，针对性的提出“含水层再造”的新理念，阐述了如何协调煤层顶板和地板含水层再造与地下水系统保护之间的关系，使二者共存[14]。董震雨等以杭来湾煤矿为例通过冒裂带高度、地下水静储量、地下水动储量、采空区积水的计算和实地采集水样的检测，定性及定量分析了煤矿开采对榆溪河流域地下水资源的破坏影响，发现煤炭开采会影响地下水储量，但对地下水水质影响较小[15]。

从上述研究成果来看，目前大多数研究都是采用单一的模拟或是实测方法来研究煤炭开采对地下水问题，文中采用模拟

与实测相结合的方法深入的探讨研究采煤对上覆岩层含水性、地下水水量和地下水流场的影响，以期为进一步认识煤炭开采对地下水的影响的基本特征和规律提供参考。

1 矿井水资源现状

榆神府地区现有煤矿477座，其中9个煤矿生产规模为1.0×106 t/a，0.50×106 ～1.0×106 t/a的煤矿22座;小于0.5×106 t/a的42座;小于0.1×106 t/a的404座。由于整合及停产，煤矿数量下降了40%，但产能却不断增加。榆神府地区煤矿众多，排水量很大，生产中的煤矿年排水量为41.7×106 m3/a，其中榆神矿区矿井水排放量为

27.3×106 m3/a，占该地区排放量的65%;神府矿区矿井水排放量为10.7×106 m3/a，占总排放量的26%，榆横矿区大部分煤矿已闭矿，外排水量非常小，约为

37.5×106 m3.因此本次研究以矿井水外排量较大的榆神矿区（锦界煤矿）、神府矿区（大柳塔煤矿）为重点研究对象，研究煤炭开采对地下水资源的影响。

2 煤炭开采对地下水水量的影响

煤矿排水对地下水动态影响是第一因素，对地下水水量的计算是研究井下采煤对地下水影响的第一步[16-17]，根据表1中对榆神府地区3大煤矿区主要煤矿矿井水排放量现状调查数据，根据下式计算吨煤排水系数，然后估算煤炭开采年排水量。

α=M/Q式中 α为吨煤排水系数，m3/t;M为原煤产量，t;Q为年排水量，m3/a.

通过对榆神府地区3大矿区进行实地调查得排水量数据，结合上述公式可计算出吨煤排水系数，见表1，根据表1可以估算神府榆地区3大煤矿区因采煤而流失的地下水总水量，见表2.

由表2可知，榆神府地区生产煤矿矿井水现状排水量约为50×106 m3/a，随着在建煤矿及规划煤矿的陆续建成投产，矿井排水量会逐步增加，在建煤矿建成投產增加排水量为42.6×106 m3/a，规划煤矿建成投产可再增加排水量为101×106 m3/a;矿井疏干水只是部分外排，有很大一部分会作为生产用水回用，查阅榆林市矿井资料显示，已投产煤矿矿井生产回用水占总排水量的47.6%，在建和规划中的矿井建成后预计矿井生产回用水占总矿排水量的50%以上。

3 煤炭开采对上覆岩层含水性的影响

选用瞬变电磁法对上覆岩层含水性进行研究，该方法属于电磁感应类探测方法[18]，它遵循电磁感应原理，其机理就是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场[19-20]，从而探测介质电阻率的一种方法。

3.1 探测仪器及探测点布设

瞬变电磁法勘探使用澳大利亚Alpha公司生产的TerraTEM中功率瞬变电磁系统[21]。选取榆神府地区具有代表性的红柳林煤矿作为研究对象，布点时采用中心回线法，发射线圈为10 m×10 m，两匝。接收线圈为中心探头，其等效面积为1 000 m2，测线总长1 000 m，每20 m布设一个测点，共布设51个测点，布点过程严格按照相关操作规范进行。

3.2 探测结果分析

图1是3-1煤层开采前岩层富水性瞬变电磁探测等视电阻率拟断面图，图中可以看出，3-1煤层所处位置显示为相对高阻，岩层的成层性较好，中、上部大部分区域显示相对低阻，可能是表层基岩风化后裂隙相对富水和中部砂岩、粉砂岩层相对富水后电阻率降低造成。

图2是3-1煤层开采后岩层富水性瞬变电磁探测等视电阻率拟断面图，可清晰看出，煤层所在岩层的电性发生很大变化。其中80 m处附近原3-1煤层上部位置显示为相对低阻，这与开采前的相对高阻正好相反，推测是由于3-1煤层开采后造成上覆岩层裂隙增大，隔水层发生破裂，使上部的含水层中的水导入采空区造成电阻率降低。200～280，440和720 m处附近显示相对高阻区域，推测是由于煤层开采后采空区未充水导致电阻率较高。而560 m附近处和840 m后的区域都显示低阻，推测原因同样是煤层开采后，下部承载力发生变换，造成上覆岩层的裂隙增大，进而导通了上部的含水层，其中840 m后的大片低阻区域可能是含水层中的水汇入采空区后导致。

4 煤炭开采对地下水流场的影响

选用GMS地下水流场模拟软件对煤炭开采对地下水流场进行模拟研究，GMS（Groundwater Modeling System）是由Brigham Yong University的环境模型实验室和美国军工水道实验站合作开发。GMS是一种先进的地下水建模软件，可以进行复杂2D，3D地下水动力场流动模拟[22-23]。GMS软件核心计算模块为MODFLOW，其数学模型的计算采用有限差分法[24]，见下式[25]

式中 h0（x，y，z）为初始水头，L;Гi为边界。

4.1 数值模拟构建

以锦界煤矿2011年10月～2013年10月地下水动态观测数据为依据建立模型，预测煤炭开采对地下水流场的影响。该区主要含水层是第四系松散层潜水，受采煤影响显著，因此，将该含水层作为本次模拟的目标含水层。

4.1.1 基础数据导入

鉴于数值模拟需要，将锦界矿区的MAPGIS底图、含水层顶底板的数据、区内各观测井观测水位标高（2012年10月）等数据导入GMS软件进行模拟。

4.1.2 边界条件设立[26]

根据锦界井田水文地质单元特征，井田东部以大树粱南分水岭为界，西部以大曼梁地表分水岭为界，南部以青草界沟域为界，北部以尔林兔与宫泊沟之间的地表分水岭为界。

4.1.3 关键参数设定

本次数值模拟所需的关键水文地质参数是岩土体渗透系数和目标含水层的贮水率。依据相关数据资料，并参考《陕西省水资源调查评价》，采用岩土体渗透系数经验值如下，见表3.

4.2 模型的辨别与校核

4.2.1 模型的辨别

模型的辨别是数值模拟过程中一个重要过程，目的是使建立的模型能够精确的模拟出地下将参数区划法与试点法相结合进行模型的辨别，使模型可以得到连续、精确的计算结果[27-28]。选取水文观测资料比较完整的时间段（2011年10月～2012年10月）来作为本次模型的辨别期，初始流场图由2011年10月的观测数据输出，如图3所示。

经过反复调整模型参数，使得辨识期末的地下水是水位标高的观测值和计算值的拟合度达到98.9%，拟合效果非常好，如图6所示。辨别期末的地下水流场和地下水流场拟合图，如图4和图5所示。

4.2.2 模型的校核

为了后期达到准确的模拟预测效果，对辨识后的模型進行校核。以图4作为校核的初始流场图，以2013年10月的地下水观测数据作为依据，进行模型校核，如图7～图9所示。

选取2013年10月份的地下水监测数据（图7～图9），作为模型校核的依据，将辨别后的2012年10月的计算流场作为初始流场，进行模拟。

通过对模型进行校核，校核期末的地下水视为计算值与观测值的拟合度达到了99.3%，拟合效果非常好，地下水流场的运动规律基本一致。因此，该模型水文参数设定相对合理，能很好的模拟榆神府地区地下水动态变化过程。

4.3 榆神府地下水流动态预测

在假设该矿区开采条件和自然环境相对稳定的前提下，将研究区锦界矿区2013年的地下水观测数据，输入GMS模拟软件，来预测该矿区未来5年、15年及25年（即2018年、2028及2048）的地下水流场动态变化情况。预测结果如图10～图12所示。

分析模拟结果发现，2013—2048年的地下水流场图，由于井下采煤，地下水水位持续下降，水位年降幅超过20 m.2018年时，在矿区北部，已初步形成地下水降落漏斗;到2028年时，地下水水位继续下降，漏斗范围继续扩大;到2048年，地下水水位达到新的动态平衡，漏斗范围基本稳定，在矿区北部形成新的地下水流场。

由于井下采动引起围岩移动，导致含水层渗漏，使得地下水水位下降，形成以采区为中心的降落漏斗，并且降落漏斗的范围和深度会随着采煤活动的进行持续增大，直到达到相对平衡状态。闭矿后，地下水通过自我恢复能力，漏斗范围和深度逐渐缩小，直到达到新的动态平衡，形成新的地下水流场，这与赵琳在研究漏斗区地下水运移规律时的结论相一致[29]。

锦界矿区的地下水水位会随着采煤活动的持续及时间的法杖逐渐降低，严重时会出现地下水降落漏斗，因此需要做好预防措施。

5 结 论

1）对地下水水资源量的影响。榆神府地区生产煤矿矿井水现状排水量约为50×106 m3/a，其中46.6%作为生产水回用，随着在建煤矿及规划煤矿的陆续建成投产，矿井排水量会逐步增加，增加排水量大约为140×106 m3/a，50%以上的排水用于生产，合理处理外排矿井水可在一定程度上缓解当地水资源紧缺这一难题;

2）对上覆岩层含水性的影响。开采前，煤系覆岩中地下含水层含水性较好，煤层基本干燥不含水;开采中，地下含水区因采动影响，发生含水层渗漏，含水性降低;开采后，地表层和地下松散含水层低阻特性明显，含水性水平达到采前，但基岩段总体呈现为煤层顶板砂岩层含水性较弱;

3）对地下水流场的影响。模拟结果表明：在自然条件及开采速度保持稳定的情况下，随着煤炭的开采，研究区地下水位逐年递减，平均减幅约为20 m/a.2018年，在矿区北部已经明显形成地下水降落漏斗，并且降落漏斗随着煤炭进一步开采会逐渐扩大;2028年，漏斗范围和深度持续增大;到2048年，地下水水位和漏斗范围基本稳定，并形成以井田北部为中心的新地下水流场，直到达到新的动态平衡状态。

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