煤礦地下水流場動態模擬及預測研究*

蘆 震,張小五,王 鵬,樊發旺

(寧夏回族自治區煤炭地質局,寧夏 銀川 750011)

0 引言

經過多年的煤炭資源開采,地下水水位下降嚴重,已產生了地下水降落漏斗。地下水位下降造成的影響不僅僅是水資源量的減少,還會損害水循環系統,進而引起諸如地面沉降、地裂縫、井泉干涸、水質惡化、地面植被破壞、土地荒漠化等環境地質問題[1-7]。以某礦為例,通過收集煤炭資源開采前的地下水水位數據,結合開采多年后的地下水水位現狀,分析研究地下水流場演化規律。采用VMOD數值模擬方法,以2021年為現狀年,以2035年為規劃年,就開采前、現狀及未來地下水流場動態過程進行模擬。

1 研究區概況

1.1 地層概況

研究區自下而上依次發育有三疊系上田組(T3s);侏羅系延安組(J2y)、直羅組(J2z);侏羅系安定組(J3a);古近系清水營組(E3q)和第四系(Q)。

三疊系上統上田組:研究區內鉆孔最大揭露217.40 m,據鄰區以往地質資料顯示其最大沉積厚度為756 m。上田組地層巖性以灰綠色、灰白色細粒、中粒、粗粒砂巖為主,局部夾薄層泥巖,砂巖成分以石英、長石為主,云母次之,含鈣質、泥質膠結。

侏羅系中統延安組:研究區內鉆孔揭露厚度為261.21～377.28 m,平均揭露厚度331.21 m。巖性由灰色、灰白色長石石英砂巖,深灰色、灰黑色粉砂巖、泥巖、煤和少量含鋁質泥巖組成,底部為一套淺白或黃色帶紅斑的粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖,并與下伏三疊系上統上田組(T3s)呈假整合接觸。

延安組地層巖性由灰白色和灰色的各粒級碎屑巖、灰色和灰黑色粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、碳質泥巖和煤層組成。底部與下伏三疊系上統上田組呈不整合接觸。

侏羅系中統直羅組:直羅組地層巖性分上下兩段,上段以灰白色、灰褐色、灰綠色及少量紫色的細粒砂巖、粉砂巖為主,夾薄層粗粒砂巖或泥巖;下段以灰白色、灰色中粒、粗粒砂巖為主,夾少量細粒砂巖和粉砂巖,底部為一層巨厚粗粒砂巖,泥質膠結,俗稱“七里鎮砂巖”,層位非常穩定,區內普遍發育。底部與下伏侏羅系中統延安組呈假整合接觸。

侏羅系上統安定組:安定組地層巖性上部以棕紅、紫紅、紫褐色砂質泥巖、粉砂巖為主,夾中厚層或薄層細粒砂巖、薄層粗粒砂巖,粗粒砂巖中以長石、石英為主;下部為中粒砂巖、細粒砂巖和粉砂巖互層。底部與下伏侏羅系中統直羅組呈整合接觸。

古近系漸新統清水營組:清水營組地層巖性主要由紅色、褐紅色、紫紅色泥巖、粉砂質泥巖組成,偶有綠色、黃綠色薄層泥巖、粉砂巖,局部為礫巖和砂巖。底部與下伏各地層呈不整合接觸。

第四系:第四系在研究區內廣泛分布,主要巖性為風積沙土,與下伏各地層呈不整合接觸。

1.2 含水層概況

研究區含水層按巖性組合特征及地下水水力性質、埋藏條件等,由上而下劃分為以下5個主要含水層,如圖1所示。

第四系孔隙潛水含水層:第四系地層厚1.5～38.33 m,平均厚7.25 m,潛水含水層主要賦存于風積沙土層中,該地層滲透性強,潛水水位主要受下部古近系泥巖頂板標高控制,古近系泥巖為潛水隔水底板,由于以大氣降水補給為主,少量沙漠凝結水補給次之,排泄以蒸發消耗為主,而研究區多年平均蒸發量為1 866.8 mm,多年平均降水量為202.8 mm,潛水主要賦存于古近系泥巖頂板標高較低處,潛水面隨季節變化較大,民井大多雨季有水,干旱時大多干枯。

侏羅系碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅱ含～Ⅴ含):包括侏羅系中統直羅組和延安組的各含水層。根據含水層分布、區域穩定隔水層分布及水文地質特征分析,垂向上分別為直羅組碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅱ含)、2～6號煤間碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅲ含)及6～18號煤間碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅳ含),18號煤以下碎屑巖裂隙孔隙承壓水含水層(Ⅴ含)。

侏羅系中統直羅組碎屑巖裂隙孔隙含水層(Ⅱ含):侏羅系中統直羅組碎屑巖裂隙孔隙含水層主要為干旱條件下的河流相碎屑沉積。巖性以灰色、灰白色的粗粒、中粒、細粒砂巖為主,泥質膠結為主,部分為鈣質膠結,整體膠結程度較差,具有大型交錯層理,局部裂隙發育。底部發育有巨厚粗粒砂巖,弱-中等富水,是影響該煤礦煤炭資源開采的主要含水層。直羅組中部發育有一層區域穩定隔水層,將直羅組含水層分割為上下兩段。

上段:包括區域穩定隔水層以上直羅組含水層,巖性以灰色、灰白色及灰黃色的細、中砂巖為主,泥質膠結,顆粒支撐,含水層埋深120 m左右,厚度約為3.37～371.45 m,平均厚度為60.27 m。

下段:巖性主要為灰白色、藍灰色、灰褐色夾紫斑的粗粒、中粒砂巖,夾少量的粉砂巖和泥巖,局部含礫石;砂巖分選性差,接觸式膠結為主。底部為一層巨厚灰白色粗粒砂巖,局部為黃褐色帶紅斑,底部見磨圓中等的石英小礫石,顆粒支撐,泥質膠結,膠結程度差,松散-較松散,俗稱“七里鎮砂巖”,層位非常穩定,區內普遍發育。含水層厚度為9.32～288.66 m,平均厚度為98.33 m。本含水層是煤礦的主要充水含水層。

2號煤～6號煤間砂巖裂隙孔隙承壓含水層(Ⅲ含):本含水層主要由三角洲平原相和河流沖積平原相的碎屑巖沉積組成,巖性由灰色、灰白色不同粒級的砂巖組成,泥巖和煤層互層夾于含水層之間,層位較穩定。含水層厚度為25.75～201.55 m,平均厚度為74.56 m,富水性弱。

6號煤～18號煤間砂巖裂隙孔隙承壓含水層(Ⅳ含):本含水層主要由淺湖-三角洲體系下的三角洲前緣相及平原相的碎屑巖沉積組成,巖性由灰色及灰白色中粒砂巖、細粒砂巖組成,砂巖分選性中等,滲透性較差,富水性弱-極弱。含水層厚度為19.63～137.87 m,平均厚度為62.97 m。

18號煤以下至底部分界線砂巖含水層組(Ⅴ含):本含水層巖性以灰白色粗粒砂巖為主,含水層厚度為3.24～89.98 m,平均厚度為26.89 m。

1.3 隔水層概況

研究區穩定的隔水層有:直羅組中部的粉砂巖、泥巖為主的隔水層;各主要煤層及其頂底板泥巖、粉砂巖組成的隔水層。

直羅組中部隔水層:該隔水層巖性以粉砂巖、泥巖為主,層厚為1.83～110.83 m,平均厚度為37.98 m。該隔水層有效降低了Ⅱ含水層下段(直羅組底部砂巖)與上部所有含水層間的水力聯系。

煤層及其頂底板隔水層:包括2號煤組、3號煤組及其頂底板隔水層,4號煤組及其底板隔水層,6號煤及其頂底板隔水層,10號煤、12號煤及其頂底板隔水層,18號煤本身及其頂底板隔水層。隔水層巖性以煤層、灰黑色泥巖、灰黑色粉砂巖互層組成,局部夾碳質泥巖。這些隔水層有效降低了延安組Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水層間的水力聯系。

2 模型體系構建

2.1 水文地質概念模型

2.1.1 目的含水層

本次研究區內共收集了多個監測井不同時期的水位數據,監測井的監測層位主要集中在影響煤炭資源開采的直羅組下段含水層(Ⅱ下含),且煤礦正在開采的2號煤組及3號煤組屬于2號煤～6號煤間砂巖裂隙孔隙承壓含水層(Ⅲ含)隔水頂板,直羅組下段含水層(Ⅱ下含)是該礦影響煤炭資源開采的主要充水含水層。因此,僅模擬該含水層動態流場。

2.1.2 水流運動數學模型

根據水文地質概念模型,可將模擬區地下水流概化成非均質各向異性、承壓水三維流數學模型,建立如下數值模型。

(1)

式中,H為水頭,m;K為滲透系數,m/d;Ss為承壓水貯水率,1/m;w為源匯項,d-1,流入為+,流出為-;Γ1為水頭邊界,m;Γ2為流量邊界,m3/d;Ω為滲流模擬區域,m2;H0為初始水位,m;H1為已知水頭,m;q為邊界單寬流量,m2/d;x,y,z為空間坐標,m;n為邊界外法線方向;t為時間,d。

2.1.3 初始條件

初始條件是初始時刻地下水運動的狀態表征,即t=0時式(1)應滿足的條件

h(x,y,z,0)=h0(x,y,z),t=0,(x,y,z)∈Ω

(2)

初始時刻之后,在介質水力學特性和各類邊界輸入(出)的影響下,水頭隨時間發生變化

h(x,y,z,t)=ht(x,y,z),t>0,(x,y,z)∈Ω

(3)

上述公式中,Ω為滲流空間,其余符號同上。

將2004年1月研究區觀測井地下水位輸入模型,經空間插值得到模型運行初始水位,作為模型初始條件。

2.1.4 邊界條件概化

依據《寧東煤田地下水控水構造研究及水文地質單元劃分》[8],結合紅柳井田直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下)水文地質條件,將東部馬柳逆斷層定義為隔水斷層,構成東部隔水零通量邊界;北部楊家窯正斷層通過音頻大地電磁測深法(AMT)探查確定為導水斷層[9],在礦井疏干時構成北部補給邊界;東南部直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下)隱伏露頭區域構成東南部補給邊界;西部和南部井田邊界距離先期開采地段距離較遠,遠大于疏干狀態下影響半徑,在礦井疏干狀態下構成西部和南部補給邊界,如圖2所示。

圖2 直羅組含水層邊界條件

2.1.5 含(隔)水層結構的概化

目的含水層及其上部隔水層、含水層共概化為3層:第1層是第四系孔隙潛水含水層(Ⅰ)和直羅組上段砂巖含水層(Ⅱ上)概化為同一含水層;直羅組下段砂巖含水層頂板隔水層為第2層;直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下)作為目的含水層為第3層,如圖3所示。

圖3 直羅組含水層結構概化示意

2.1.6 補給和排泄概化

補給項:受直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下)頂板穩定隔水層影響,上部含水層與該含水層水力聯系微弱,補給以側向徑流補給為主,煤礦建井前的原始流場條件下,該層地下水自南向北徑流。在煤炭資源開采條件下,礦井長期處于疏干狀態,井田內形成了以工作面為中心的降落漏斗,除東部隔水邊界外,其余方向均變為側向徑流補給方向。

排泄項:目的含水層的排泄方式主要是人為礦井疏干排泄。該煤礦主要動用煤層為2號煤、3號煤、4-3煤,2號煤開采時直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下含)為直接充水含水層,礦井涌水量即等同于含水層開采排泄量。開采3號煤和4-3煤工作面涌水量最大值多出現在上部采空區疏放水峰值或工作面采空區“兩帶”高度初步導通上部采空區時,涌水量呈現由小增加到峰值再快速下降至最低值直至工作面開采結束的特征。涌水量組成以上部采空區積水為主,極少量巷道淋水次之。礦井涌水來源主要為直羅組下段砂巖含水層(Ⅱ下含),少量來自于2～4號煤間砂巖含水層(Ⅲ上含)。因此,礦井涌水量可以代表含水層開采排泄量進行數值模擬。

2.2 數值模型及模型驗證

2.2.1 數值模型建立及求解

空間及時間離散:該煤礦南北走向長約15 km,東西傾向寬約5.5 km。計算網格下部以含水層底部為邊界,設置為不活動網格,研究區外圍均設置為不活動網格,不參與計算。計算單元平面上177行135列,垂向共1層,共23 895個網格。

該礦勘查階段初探水位時間為2005年,2009年開始開采,初次形成采空區于2011年,收集的涌水量記錄臺賬始于2012年,收集的觀測井記錄臺賬始于2013年,終止于2021年3月,故本次模擬開始時間為2004年1月1日,模擬時間12 000 d,模擬至2035年1月1日(11 323 d)。含水層的水位數據進行非穩定流模擬。

水文地質模型參數選取:地下水流動模型參數包括含水層介質水平滲透系數、垂向滲透系數、釋水系數。研究區直羅組底部含水層巖性以粗粒砂巖為主,泥質膠結,俗稱“七里鎮砂巖”,該含水層巖性沉積環境及層位非常穩定,區內普遍發育。據收集的抽水試驗數據顯示,該含水層滲透系數差距極大,為0.005～0.446 m/d,平均0.093 m/d,本次水平滲透系數采用0.093 m/d,垂向滲透系數采用0.009 3 m/d。釋水系數采用3.7×10-6m/d[10]。

2.2.2 模型求解及擬合效果

通過多次水文地質數據調整與運算,得到概化后數值模型形成的地下水流場,根據非穩定期水位監測結果開展水位擬合,模型與實測野外數據的擬合程度如圖4所示,相關性系數均達到99%,模型輸出精度較高,表明能夠用于未來地下水流場預測的模擬。

圖4 非穩定水位擬合結果

2.3 地下水流場演化及趨勢預測

從模擬出的2012年、2015年、2021年流場可以看出,直羅組下段含水層受礦井疏干影響,降落漏斗直徑在不斷增加,漏斗中心最大降深達到了241 m,降落中心水位已低于該含水層隔水頂板,該區域含水層由承壓轉無壓。東部隔水逆斷層的存在致使降落漏斗東部半徑偏大。

依據該煤礦2020—2035年礦井涌水量預測結果[11],結合各煤層開采后上部“兩帶”發育高度,綜合考慮影響直羅組下段含水層的因素條件[12],調整影響概化疏水位置及疏水量,預測未來至2035年地下水位流場如圖5所示,由于下部煤層開采時部分煤層“兩帶”無法導通上部煤層采空區,導致疏水量有所降低。因此,直羅組底部含水層降落漏斗的中心水位有所恢復,半徑也有所減小,但東部隔水斷層區域水位恢復較慢。

圖5 地下水流場模擬及預測

3 結論

(1)通過模型求解,獲得的模型擬合程度較好,表明模型輸出精度較高,能夠用于未來地下水流場動態分析。

(2)該煤礦直羅組下段含水層受礦井疏干影響,降落漏斗直徑在不斷增加。2021年漏斗中心最大降深達到了241 m,降落中心水位已低于該含水層隔水頂板,該區域含水層由承壓轉無壓。

(3)2035年由于下部煤層開采時部分煤層“兩帶”無法導通上部煤層采空區,導致疏水量有所降低。直羅組底部含水層降落漏斗的中心水位有所恢復,半徑也有所減小,但東部隔水斷層區域水位恢復較慢。