煤炭開采對多層含水系統的影響范文

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《煤礦開采雜志》2014年第三期

1地下水流數值模擬

1.1水文地質概念模型根據礦區的水文地質條件，在本次模擬過程中，將太灰含水層、本溪組隔水層和奧灰巖溶含水層作為一個互相聯系的多層含水系統考慮，確定石炭系太原組灰巖巖溶裂隙含水層和奧陶系峰峰組灰巖巖溶裂隙含水層為目標含水層，在垂向上將地下水系統概化為3層:第一承壓含水層(太原組灰巖含水層)、弱透水層(太灰至奧灰相對隔水巖段-本溪組地層)和第二承壓含水層(峰峰組灰巖含水層)。礦區內地下水整體從西北流向東南，承壓含水層地下水流主要以水平運動為主，垂向運動為輔;礦區各含水層裂隙發育不均勻且具方向性，水文地質參數隨空間位置和方向變化，故將含水介質概化為非均質各向異性介質;地下水系統的輸入輸出隨時間、空間變化，故地下水流為非穩定流。因此，將區內太灰和奧灰兩含水層中的地下水流概化為非均質各向異性的三維非穩定流，其間的弱透水層概化為均質各向同性介質。

1.2數學模型根據以上水文地質概念模型，結合水流在介質中運移的數學描述，建立非均質各向異性承壓水三維非穩定流數學模型如下:

1.3模型建立本文采用VisualModflow軟件進行數值模擬，對采煤條件下礦區的太灰和奧灰巖溶裂隙水水位動態進行預測分析，具體步驟如下:(1)網格剖分模擬區總面積為15.32km2，采用矩形網格等距剖分，在垂直方向上分為3層，平面剖分100行、120列，共12000個單元格，其中有效單元格有7336個，無效單元格有4664個，每個計算單元面積為0.0021km2。(2)邊界條件礦區內目標層地下水主要受地下水側向徑流及垂向越流補給。本次模擬的東南部邊界以清交大斷裂為界，與井田的礦界重合，概化為二類排泄邊界;為了減小人為邊界劃定對地下水模擬結果的影響，流場上游的北部邊界劃到礦界639m以北，概化為二類補給邊界;西邊界和東邊界距礦界分別為1837m和1371m，均為流線，概化為零通量的隔水邊界。(3)水文地質參數確定水文地質參數是表征含水層特性的重要指標。依據礦區抽水試驗資料，并結合研究區的地質構造、含水層的富水性特征等，將研究區劃分為6個不同的參數區，其中I，II，III為石炭系灰巖含水層的參數分區，IV，V，VI為奧陶系灰巖含水層的參數分區(分別見圖1和圖2)，其中間的相對隔水層劃分為一個區，各分區的參數根據抽水試驗結果賦初值。(4)模型識別本次模擬選擇2013年3月至2013年10月研究區口兒村和方山口村水源井水位觀測資料進行模型的識別與驗證。通過計算水位與實測水位的擬合分析，得到的太灰和奧灰含水層最終水文地質參數值見表1，太灰含水層和奧灰含水層的水位歷時擬合曲線分別見圖3和圖4。

2煤炭開采對多層含水系統影響分析

研究區煤礦規劃開采年限為6.5a(為2373d)，其礦井排水量為2615m3/d。利用已驗證的地下水數值模擬模型，模擬預測的礦井排水量為2615m3/d時，多層含水系統的水位動態。太灰和奧灰的地下水初始水位流場見圖5和圖6，煤炭開采2373d后，太灰和奧灰的地下水流場預測結果分別見圖7和圖8。

2.1采煤對太灰含水層水位動態的影響在煤礦開采條件下，太灰含水層中的地下水位持續下降，降落漏斗形成并不斷擴大。2373d后在井田中部出現最大水位降深，降深值為137m。在研究區的南部地區出現疏干現象，疏干面積為0.0189km2。研究區內不同位置的太灰地下水位隨開采時間的動態變化曲線見圖9。由圖9可見，地下水水位隨著開采時間的延長均呈下降趨勢。總體上，在0～500d內下降速度較快，其后下降速度逐漸降低并基本趨于穩定狀態。研究區南部因接近清交斷裂，含水層滲透性強，所以地下水水位下降幅度較大，0～100d的平均降速達70.3m/d，100～500d內的平均降速降為10.4m/d，之后的500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d各時段內平均降速分別為0.95m/d，0.7m/d，0.5m/d和0.47m/d。說明地下水水位隨著時間呈穩定下降的趨勢，且在500d后水位基本趨于穩定。研究區北部因為距離井田相對較遠，水位下降相對于井田礦井排水稍有滯后。在0～100d平均降速為36.3m/d，100～500d內的平均降速降為9.1m/d，在500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d各時段的平均速度分別為1.35m/d，0.65m/d，0.6m/d和0.34m/d，北部太灰水位在750d后趨于穩定。

2.2采煤對奧灰含水層水位動態的影響奧灰水是礦井生產的間接充水水源，在礦井開采的影響下，受太灰含水水位大幅下降的影響，奧灰水越流補給上覆含水層。由圖8可見，研究區奧灰水位也呈現明顯的下降趨勢，但相對于太灰地下水位下降存在一定的滯后性。煤炭開采2373d后，在礦井南部出現最大水位降深區，降深值為8.1m，并出現一定范圍的降落漏斗。研究區內地下水水位隨開采時間的動態變化曲線見圖10。由圖10可知，奧灰含水層隨著煤炭開采時間的延長，地下水位不斷下降，而且在2373d后水位下降仍然是非穩定的。研究區南部含水層滲透性較強，水力傳導快，地下水水位下降幅度較大，西南部地下水位平均下降速度在0～100d之間為0.28m/d，在100～500d范圍內的平均降速有所升高，為0.47m/d，在500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d各時段的平均降速分別為0.46m/d，0.38m/d，0.32m/d和0.27m/d。可見，地下水水位下降速度總體上也具有隨著時間延長而減小的規律。研究區北部地下水水位變化規律與南部基本相似，其中，0～100d，100～500d，500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d的平均水位降速分別為0.25m/d，0.9m/d，0.28m/d，0.15m/d，0.12m/d和0.09m/d，在礦井規劃開采期滿后地下水位仍未達到穩定。

3結束語

利用VisualModflow軟件對太原西山煤田某煤礦在開采過程中地下水水位動態進行了預測。結果表明:煤炭開采不僅影響太灰含水層的地下水水位，而且對奧灰含水層也造成了較大的影響。隨著煤炭開采時間的延長，太灰含水層地下水位不斷下降，并在井田南部形成一定的疏干區，地下水位降速在500d后逐漸趨于穩定。奧灰含水層的地下水水位隨著開采時間延長不斷降低，而且具有時間的滯后性和非穩定性的特點。總之，煤炭的開采不僅影響直接充水層———太灰水，而且影響其下伏含水層———奧灰水的動態。在斷裂構造發育地帶，采煤對含水系統的破壞更大。研究結果可為煤礦區水資源保護和煤礦開采防治水措施的制定提供依據。

作者：蘭榮輝雷俊琴鄭秀清秦作棟單位：太原理工大學水利科學與工程學院山西大學黃土高原研究所