柳寧 趙曉光 解海軍 李瑜

摘 要：通過(guò)對(duì)覆巖含水性和地下水流場(chǎng)的研究，探討了榆神府地區(qū)煤炭開采對(duì)地下水資源造成的影響。通過(guò)公式估算法、瞬變電磁法和GMS地下水?dāng)?shù)值模擬法，探討了榆神府地區(qū)煤炭開采對(duì)地下水資源量、上覆巖層含水性和地下水流場(chǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)煤炭開采會(huì)引起地下水水位下降，覆巖含水性降低，引起含水滲漏現(xiàn)象，最終改變?cè)嫉叵滤鲿常纬傻叵滤德渎┒?。榆神府地區(qū)在產(chǎn)煤礦礦井水排水量（2014年）約為50×106 m3/a，其中有46.6%的礦井水會(huì)作為生產(chǎn)用水回用，隨著在建和規(guī)劃煤礦逐步建成，地下水外排量會(huì)增加140×106 m3/a，其中生產(chǎn)回用水量占礦井總排水量的50%以上;上覆巖層含水性在煤炭開采的不同開采階段表現(xiàn)出不一樣的特征，開采前覆巖含水性良好，開采中覆巖含水性逐漸降低，開采結(jié)束后，覆巖含水性會(huì)逐漸恢復(fù);GMS模擬結(jié)果顯示，煤炭開采初期地下水水位會(huì)以20 m/a的速度快速下降，到2018年已經(jīng)形成地下水降落漏斗，2028年漏斗范圍持續(xù)發(fā)展，到2048年，降落漏斗范圍基本穩(wěn)定，并形成以井田北部為中心的新地下水流動(dòng)場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)資源與地質(zhì)工程;地下水;瞬變電磁;地下水?dāng)?shù)值模擬;覆巖含水性;

地下水流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：P 641?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0111文章編號(hào)：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

煤炭開采產(chǎn)生較大范圍的巖體結(jié)構(gòu)改變，將會(huì)對(duì)地下水流場(chǎng)以及覆巖含水性造成影響[1]。位于陜西北部的榆神府礦區(qū)是西北地區(qū)的主要產(chǎn)煤地，煤礦開采時(shí)當(dāng)?shù)氐闹饕a(chǎn)業(yè)，是重要的經(jīng)濟(jì)地位。該地區(qū)屬于干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，水資源短缺，而煤炭開采影響地下水賦存狀態(tài)，進(jìn)一步加重了當(dāng)?shù)厮Y源匱乏的現(xiàn)象[2-4]。近幾年隨著陜北榆神府煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)，所引起的地下水問(wèn)題也日益凸顯，諸如地下水水位下降、地下水流場(chǎng)發(fā)生變化、地下水水質(zhì)惡化[5-7]。因此，研究采煤對(duì)地下水的影響是非常有意義的。國(guó)內(nèi)外研究者圍繞煤炭開發(fā)對(duì)地下水的影響展開了大量的研究[8-10]，冀瑞君等以窟野河中下游地區(qū)為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和水化學(xué)特征分析，總結(jié)了神府礦區(qū)地下水循環(huán)規(guī)律，提出了采煤對(duì)地下水的影響機(jī)制[11];劉海濤等運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)，深入研究分析了太原西山煤礦采前、采中地下水特征，陳述了地下水流場(chǎng)以及采煤對(duì)地下水均衡的影響。結(jié)果表明采煤會(huì)造成地下水位顯著下降，地下水動(dòng)態(tài)平衡受到嚴(yán)重干擾[12]。范立民等以陜北地區(qū)的第四系薩拉烏蘇組含水層為例，結(jié)合該地區(qū)含水層的特征及分布，闡述了采煤與地下含水層之間的聯(lián)系，對(duì)該地區(qū)采煤過(guò)程中地下水保護(hù)和預(yù)防措施提出了中肯的建議[13]。張發(fā)旺等結(jié)合干旱區(qū)地下水的特征，針對(duì)性的提出“含水層再造”的新理念，闡述了如何協(xié)調(diào)煤層頂板和地板含水層再造與地下水系統(tǒng)保護(hù)之間的關(guān)系，使二者共存[14]。董震雨等以杭來(lái)灣煤礦為例通過(guò)冒裂帶高度、地下水靜儲(chǔ)量、地下水動(dòng)儲(chǔ)量、采空區(qū)積水的計(jì)算和實(shí)地采集水樣的檢測(cè)，定性及定量分析了煤礦開采對(duì)榆溪河流域地下水資源的破壞影響，發(fā)現(xiàn)煤炭開采會(huì)影響地下水儲(chǔ)量，但對(duì)地下水水質(zhì)影響較小[15]。

從上述研究成果來(lái)看，目前大多數(shù)研究都是采用單一的模擬或是實(shí)測(cè)方法來(lái)研究煤炭開采對(duì)地下水問(wèn)題，文中采用模擬

與實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法深入的探討研究采煤對(duì)上覆巖層含水性、地下水水量和地下水流場(chǎng)的影響，以期為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)煤炭開采對(duì)地下水的影響的基本特征和規(guī)律提供參考。

1?礦井水資源現(xiàn)狀

榆神府地區(qū)現(xiàn)有煤礦477座，其中9個(gè)煤礦生產(chǎn)規(guī)模為1.0×106 t/a，0.50×106 ～1.0×106 t/a的煤礦22座;小于0.5×106 t/a的42座;小于0.1×106 t/a的404座。由于整合及停產(chǎn)，煤礦數(shù)量下降了40%，但產(chǎn)能卻不斷增加。榆神府地區(qū)煤礦眾多，排水量很大，生產(chǎn)中的煤礦年排水量為41.7×106 m3/a，其中榆神礦區(qū)礦井水排放量為

27.3×106 m3/a，占該地區(qū)排放量的65%;神府礦區(qū)礦井水排放量為10.7×106 m3/a，占總排放量的26%，榆橫礦區(qū)大部分煤礦已閉礦，外排水量非常小，約為

37.5×106 m3.因此本次研究以礦井水外排量較大的榆神礦區(qū)（錦界煤礦）、神府礦區(qū)（大柳塔煤礦）為重點(diǎn)研究對(duì)象，研究煤炭開采對(duì)地下水資源的影響。

2?煤炭開采對(duì)地下水水量的影響

煤礦排水對(duì)地下水動(dòng)態(tài)影響是第一因素，對(duì)地下水水量的計(jì)算是研究井下采煤對(duì)地下水影響的第一步[16-17]，根據(jù)表1中對(duì)榆神府地區(qū)3大煤礦區(qū)主要煤礦礦井水排放量現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)下式計(jì)算噸煤排水系數(shù)，然后估算煤炭開采年排水量。

α=M/Q式中?α為噸煤排水系數(shù)，m3/t;M為原煤產(chǎn)量，t;Q為年排水量，m3/a.

通過(guò)對(duì)榆神府地區(qū)3大礦區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查得排水量數(shù)據(jù)，結(jié)合上述公式可計(jì)算出噸煤排水系數(shù)，見(jiàn)表1，根據(jù)表1可以估算神府榆地區(qū)3大煤礦區(qū)因采煤而流失的地下水總水量，見(jiàn)表2.

由表2可知，榆神府地區(qū)生產(chǎn)煤礦礦井水現(xiàn)狀排水量約為50×106 m3/a，隨著在建煤礦及規(guī)劃煤礦的陸續(xù)建成投產(chǎn)，礦井排水量會(huì)逐步增加，在建煤礦建成投產(chǎn)增加排水量為42.6×106 m3/a，規(guī)劃煤礦建成投產(chǎn)可再增加排水量為101×106 m3/a;礦井疏干水只是部分外排，有很大一部分會(huì)作為生產(chǎn)用水回用，查閱榆林市礦井資料顯示，已投產(chǎn)煤礦礦井生產(chǎn)回用水占總排水量的47.6%，在建和規(guī)劃中的礦井建成后預(yù)計(jì)礦井生產(chǎn)回用水占總礦排水量的50%以上。

3?煤炭開采對(duì)上覆巖層含水性的影響

選用瞬變電磁法對(duì)上覆巖層含水性進(jìn)行研究，該方法屬于電磁感應(yīng)類探測(cè)方法[18]，它遵循電磁感應(yīng)原理，其機(jī)理就是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)[19-20]，從而探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法。

3.1?探測(cè)儀器及探測(cè)點(diǎn)布設(shè)

瞬變電磁法勘探使用澳大利亞Alpha公司生產(chǎn)的TerraTEM中功率瞬變電磁系統(tǒng)[21]。選取榆神府地區(qū)具有代表性的紅柳林煤礦作為研究對(duì)象，布點(diǎn)時(shí)采用中心回線法，發(fā)射線圈為10 m×10 m，兩匝。接收線圈為中心探頭，其等效面積為1 000 m2，測(cè)線總長(zhǎng)1 000 m，每20 m布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)51個(gè)測(cè)點(diǎn)，布點(diǎn)過(guò)程嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)范進(jìn)行。

3.2?探測(cè)結(jié)果分析

圖1是3-1煤層開采前巖層富水性瞬變電磁探測(cè)等視電阻率擬斷面圖，圖中可以看出，3-1煤層所處位置顯示為相對(duì)高阻，巖層的成層性較好，中、上部大部分區(qū)域顯示相對(duì)低阻，可能是表層基巖風(fēng)化后裂隙相對(duì)富水和中部砂巖、粉砂巖層相對(duì)富水后電阻率降低造成。

圖2是3-1煤層開采后巖層富水性瞬變電磁探測(cè)等視電阻率擬斷面圖，可清晰看出，煤層所在巖層的電性發(fā)生很大變化。其中80 m處附近原3-1煤層上部位置顯示為相對(duì)低阻，這與開采前的相對(duì)高阻正好相反，推測(cè)是由于3-1煤層開采后造成上覆巖層裂隙增大，隔水層發(fā)生破裂，使上部的含水層中的水導(dǎo)入采空區(qū)造成電阻率降低。200～280，440和720 m處附近顯示相對(duì)高阻區(qū)域，推測(cè)是由于煤層開采后采空區(qū)未充水導(dǎo)致電阻率較高。而560 m附近處和840 m后的區(qū)域都顯示低阻，推測(cè)原因同樣是煤層開采后，下部承載力發(fā)生變換，造成上覆巖層的裂隙增大，進(jìn)而導(dǎo)通了上部的含水層，其中840 m后的大片低阻區(qū)域可能是含水層中的水匯入采空區(qū)后導(dǎo)致。

4?煤炭開采對(duì)地下水流場(chǎng)的影響

選用GMS地下水流場(chǎng)模擬軟件對(duì)煤炭開采對(duì)地下水流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，GMS（Groundwater Modeling System）是由Brigham Yong University的環(huán)境模型實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍工水道實(shí)驗(yàn)站合作開發(fā)。GMS是一種先進(jìn)的地下水建模軟件，可以進(jìn)行復(fù)雜2D，3D地下水動(dòng)力場(chǎng)流動(dòng)模擬[22-23]。GMS軟件核心計(jì)算模塊為MODFLOW，其數(shù)學(xué)模型的計(jì)算采用有限差分法[24]，見(jiàn)下式[25]

式中?h0（x，y，z）為初始水頭，L;Гi為邊界。

4.1?數(shù)值模擬構(gòu)建

以錦界煤礦2011年10月～2013年10月地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)建立模型，預(yù)測(cè)煤炭開采對(duì)地下水流場(chǎng)的影響。該區(qū)主要含水層是第四系松散層潛水，受采煤影響顯著，因此，將該含水層作為本次模擬的目標(biāo)含水層。

4.1.1?基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

鑒于數(shù)值模擬需要，將錦界礦區(qū)的MAPGIS底圖、含水層頂?shù)装宓臄?shù)據(jù)、區(qū)內(nèi)各觀測(cè)井觀測(cè)水位標(biāo)高（2012年10月）等數(shù)據(jù)導(dǎo)入GMS軟件進(jìn)行模擬。

4.1.2?邊界條件設(shè)立[26]

根據(jù)錦界井田水文地質(zhì)單元特征，井田東部以大樹粱南分水嶺為界，西部以大曼梁地表分水嶺為界，南部以青草界溝域?yàn)榻?，北部以爾林兔與宮泊溝之間的地表分水嶺為界。

4.1.3?關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

本次數(shù)值模擬所需的關(guān)鍵水文地質(zhì)參數(shù)是巖土體滲透系數(shù)和目標(biāo)含水層的貯水率。依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料，并參考《陜西省水資源調(diào)查評(píng)價(jià)》，采用巖土體滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值如下，見(jiàn)表3.

4.2?模型的辨別與校核

4.2.1?模型的辨別

模型的辨別是數(shù)值模擬過(guò)程中一個(gè)重要過(guò)程，目的是使建立的模型能夠精確的模擬出地下將參數(shù)區(qū)劃法與試點(diǎn)法相結(jié)合進(jìn)行模型的辨別，使模型可以得到連續(xù)、精確的計(jì)算結(jié)果[27-28]。選取水文觀測(cè)資料比較完整的時(shí)間段（2011年10月～2012年10月）來(lái)作為本次模型的辨別期，初始流場(chǎng)圖由2011年10月的觀測(cè)數(shù)據(jù)輸出，如圖3所示。

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整模型參數(shù)，使得辨識(shí)期末的地下水是水位標(biāo)高的觀測(cè)值和計(jì)算值的擬合度達(dá)到98.9%，擬合效果非常好，如圖6所示。辨別期末的地下水流場(chǎng)和地下水流場(chǎng)擬合圖，如圖4和圖5所示。

4.2.2?模型的校核

為了后期達(dá)到準(zhǔn)確的模擬預(yù)測(cè)效果，對(duì)辨識(shí)后的模型進(jìn)行校核。以圖4作為校核的初始流場(chǎng)圖，以2013年10月的地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，進(jìn)行模型校核，如圖7～圖9所示。

選取2013年10月份的地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖7～圖9），作為模型校核的依據(jù)，將辨別后的2012年10月的計(jì)算流場(chǎng)作為初始流場(chǎng)，進(jìn)行模擬。

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行校核，校核期末的地下水視為計(jì)算值與觀測(cè)值的擬合度達(dá)到了99.3%，擬合效果非常好，地下水流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本一致。因此，該模型水文參數(shù)設(shè)定相對(duì)合理，能很好的模擬榆神府地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

4.3?榆神府地下水流動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

在假設(shè)該礦區(qū)開采條件和自然環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的前提下，將研究區(qū)錦界礦區(qū)2013年的地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)，輸入GMS模擬軟件，來(lái)預(yù)測(cè)該礦區(qū)未來(lái)5年、15年及25年（即2018年、2028及2048）的地下水流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化情況。預(yù)測(cè)結(jié)果如圖10～圖12所示。

分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2013—2048年的地下水流場(chǎng)圖，由于井下采煤，地下水水位持續(xù)下降，水位年降幅超過(guò)20 m.2018年時(shí)，在礦區(qū)北部，已初步形成地下水降落漏斗;到2028年時(shí)，地下水水位繼續(xù)下降，漏斗范圍繼續(xù)擴(kuò)大;到2048年，地下水水位達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，漏斗范圍基本穩(wěn)定，在礦區(qū)北部形成新的地下水流場(chǎng)。

由于井下采動(dòng)引起圍巖移動(dòng)，導(dǎo)致含水層滲漏，使得地下水水位下降，形成以采區(qū)為中心的降落漏斗，并且降落漏斗的范圍和深度會(huì)隨著采煤活動(dòng)的進(jìn)行持續(xù)增大，直到達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)。閉礦后，地下水通過(guò)自我恢復(fù)能力，漏斗范圍和深度逐漸縮小，直到達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，形成新的地下水流場(chǎng)，這與趙琳在研究漏斗區(qū)地下水運(yùn)移規(guī)律時(shí)的結(jié)論相一致[29]。

錦界礦區(qū)的地下水水位會(huì)隨著采煤活動(dòng)的持續(xù)及時(shí)間的法杖逐漸降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)地下水降落漏斗，因此需要做好預(yù)防措施。

5?結(jié)?論

1）對(duì)地下水水資源量的影響。榆神府地區(qū)生產(chǎn)煤礦礦井水現(xiàn)狀排水量約為50×106 m3/a，其中46.6%作為生產(chǎn)水回用，隨著在建煤礦及規(guī)劃煤礦的陸續(xù)建成投產(chǎn)，礦井排水量會(huì)逐步增加，增加排水量大約為140×106 m3/a，50%以上的排水用于生產(chǎn)，合理處理外排礦井水可在一定程度上緩解當(dāng)?shù)厮Y源緊缺這一難題;

2）對(duì)上覆巖層含水性的影響。開采前，煤系覆巖中地下含水層含水性較好，煤層基本干燥不含水;開采中，地下含水區(qū)因采動(dòng)影響，發(fā)生含水層滲漏，含水性降低;開采后，地表層和地下松散含水層低阻特性明顯，含水性水平達(dá)到采前，但基巖段總體呈現(xiàn)為煤層頂板砂巖層含水性較弱;

3）對(duì)地下水流場(chǎng)的影響。模擬結(jié)果表明：在自然條件及開采速度保持穩(wěn)定的情況下，隨著煤炭的開采，研究區(qū)地下水位逐年遞減，平均減幅約為20 m/a.2018年，在礦區(qū)北部已經(jīng)明顯形成地下水降落漏斗，并且降落漏斗隨著煤炭進(jìn)一步開采會(huì)逐漸擴(kuò)大;2028年，漏斗范圍和深度持續(xù)增大;到2048年，地下水水位和漏斗范圍基本穩(wěn)定，并形成以井田北部為中心的新地下水流場(chǎng)，直到達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

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