李夢姣，曹鳳波，劉曉超

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

近年來，在內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地已探明的煤炭儲量十分豐富，同時在煤炭周邊區(qū)域先后發(fā)現(xiàn)了多個大規(guī)模鈾礦床，鈾煤資源重疊共存現(xiàn)象在該地區(qū)普遍存在[1]。某礦區(qū)便是該區(qū)域內(nèi)典型的鈾煤資源重疊共存礦區(qū)，且呈現(xiàn)出“上鈾下煤”的地層結(jié)構(gòu)。

煤礦開采前需進(jìn)行疏排水，疏排水將導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)的鈾礦區(qū)地下水水位持續(xù)下降。礦區(qū)的鈾礦床地質(zhì)詳查報(bào)告表明，該鈾礦床是適于地浸工藝開采的砂巖型鈾礦，其開采需維持一定的承壓水頭。若煤礦疏排水使得地下水水位過低，將導(dǎo)致鈾礦無法有效開采或成為無法利用的呆礦。

本研究通過詳細(xì)調(diào)查礦區(qū)水文地質(zhì)條件，刻畫鈾煤之間的平面及垂向位置關(guān)系，應(yīng)用地下水?dāng)?shù)值模擬系統(tǒng)(GMS)建立鈾煤協(xié)同開采三維地下水?dāng)?shù)值模型，并利用煤礦疏排水和水文孔監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行識別與驗(yàn)證。在保證模型準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上，結(jié)合鈾煤開發(fā)利用方案，開展鈾煤協(xié)同開采條件下的地下水流場數(shù)值模擬預(yù)測，分析地下水水位變化特征，研究鈾煤協(xié)同開采制約因素，并探討水力帷幕措施在鈾煤協(xié)同開采中的可行性，為鄂爾多斯盆地鈾煤協(xié)同開采提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

1.1 鈾煤位置關(guān)系

某礦區(qū)地層層位自上而下有白堊統(tǒng)(K1)、侏羅系安定組(J2a)、侏羅系直羅組(J2z)、朱羅系延安組(J2y)、三疊系延長組(T3y)。其中，直羅組細(xì)分為直羅組上段(J2z2)和下段(J2z1)。直羅組下亞段是鈾礦床主要含礦層位，其下部的延安組是煤礦的主要含礦層位。在平面關(guān)系上，鈾礦床與煤礦主采3-1號煤層存在重疊(圖1)；在垂直關(guān)系上，鈾礦床位于可采煤層上部，二者之間的垂直距離約90～150 m(圖2)。

1.2 水文地質(zhì)條件

該礦區(qū)地下水含水層自上而下劃分為：第四系潛水含水層(Q)、下白堊統(tǒng)孔隙潛水-承壓含水層(K)、侏羅系安定組直羅組上段承壓含水層(J2a-J2z2)、侏羅系直羅組下段承壓含水層(J2z1)、侏羅系延安組承壓含水層(J2y)[2]。其中，下白堊統(tǒng)地下水的主要補(bǔ)給源為大氣降水，其徑流、排泄條件受地貌及地層結(jié)構(gòu)控制明顯，地下水總體流向從西南、東南向北徑流。中侏羅統(tǒng)直羅組地下水主要通過區(qū)域北部的隔水層剝蝕地區(qū)接受上覆白堊系含水層垂向補(bǔ)給，在地層出露地區(qū)也接受大氣降水補(bǔ)給。受地下水儲層空間分布及其產(chǎn)狀、埋深的控制，地下水總體流向從北、北東向南、南西徑流；但由于地層傾角較小，水動力相對較弱，徑流緩慢。

由礦區(qū)水文地質(zhì)剖面圖(圖3)可知，鈾礦體位于侏羅系直羅組下段承壓含水層，該含礦含水層是煤礦的直接充水含水層，也是煤礦開采排水降壓的目標(biāo)層。含礦含水層與其上層含水層之間存在全區(qū)普遍分布的隔水層；煤田勘探報(bào)告顯示該隔水層的隔水性能良好，切斷了白堊統(tǒng)含水層與含礦含水層之間的水力聯(lián)系。

圖1 某礦區(qū)煤礦與鈾礦平面位置關(guān)系示意圖

圖2 煤礦與鈾礦垂直位置關(guān)系示意圖

1—下白堊統(tǒng)；2—安定組-直羅組上段；3—直羅組下段；4—延安組；5—角度不整合界線；6—平行不整合界線；7—整合界線；8—煤測井伽馬增高異常體/鈾礦體；9—煤層；10—隔水層；11—含水層；12—鈾礦鉆孔；13—煤田鉆孔。

2 鈾煤開采地下水?dāng)?shù)值模擬

與解析法、水文地質(zhì)比擬法、相關(guān)分析法等傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，地下水三維數(shù)值模型能較好地刻畫地下水流系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，較為真實(shí)地反映實(shí)際水文地質(zhì)狀況；并且能夠根據(jù)礦井的實(shí)際采掘進(jìn)度和工作面特征預(yù)測礦井涌水量[3]。因此，在刻畫區(qū)域三維地層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用GMS三維地下水?dāng)?shù)值模擬軟件對地下水流場進(jìn)行模擬預(yù)測。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，劃定模擬范圍東西長35.7 km、南北寬30.9 km，模擬面積約1 025 km2。模型四周邊界均概化為通用水頭邊界。鈾礦含礦含水層與上部白堊系含水層之間的隔水層切斷了含礦含水層和上含水層之間的水力聯(lián)系。因此，模擬區(qū)垂向上邊界為侏羅系安定組底板，模型區(qū)下邊界為煤層頂板。模擬區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)、單層結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

模擬區(qū)剖分為200 m×200 m的矩形網(wǎng)格。在鈾礦區(qū)對網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，計(jì)算單元為50 m×50 m；在煤礦開采工作面區(qū)域縱向進(jìn)行加密處理，計(jì)算單元為200 m×100 m；計(jì)算區(qū)共有66 032個有效計(jì)算單元。

根據(jù)煤礦及鈾礦區(qū)開展的水文地質(zhì)勘查報(bào)告確定模型的滲透系數(shù)、儲水系數(shù)等參數(shù)，以天然流場為初始流場，利用煤礦疏排水期間的水文孔水位監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行識別與驗(yàn)證，對研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分區(qū)。

經(jīng)識別與驗(yàn)證后，主要監(jiān)測井M-GC1～M-GC5的水位擬合結(jié)果如圖4所示。可以看出，計(jì)算的監(jiān)測井水位曲線與監(jiān)測井實(shí)際觀測水位曲線擬合較好。M-GC3孔距離煤礦豎井距離最近，對煤礦排水引起的水位響應(yīng)也最為敏感，模擬預(yù)測結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果基本一致。此外，距離豎井最遠(yuǎn)的M-GC1孔及M-GC5孔擬合效果也較好。經(jīng)相關(guān)性計(jì)算，各監(jiān)測井水位擬合度均在95%以上，說明本次建立的數(shù)值模型可以對模擬區(qū)地下水流場進(jìn)行刻畫。

3 鈾煤協(xié)同開采制約因素分析

3.1 地下水流場預(yù)測

該礦區(qū)的鈾礦床類型適用于CO2+O2原地浸出采鈾，礦床和含礦層水文地質(zhì)條件決定著地浸采鈾能否順利進(jìn)行[4-8]。O2的溶解度受地下水水溫和壓力的影響，地下水有一定的承壓水頭才能保證所需要的溶解氧濃度；當(dāng)承壓水頭小于一定值時，加入的O2在未到達(dá)抽液井時就會從水中逸出，無法保證地浸效果[9]。根據(jù)該鈾礦地浸工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果，地浸開采時需要的溶解氧質(zhì)量濃度為400～800 mg/L；至少需要100 m的承壓水頭(承壓水頭為地下水水位與含礦含水層頂板標(biāo)高的差值)，才可以保證地下水中的溶解氧質(zhì)量濃度大于400 mg/L。因此，地下水水位將成為制約區(qū)域鈾煤協(xié)同開采的關(guān)鍵因素。

根據(jù)煤礦開采方案，開采起始面為西一盤區(qū)第11個工作面，自西向東開采，開采方式為長臂式全部垮落法。為保障煤礦開采安全，在開采前進(jìn)行疏排水，開采后煤礦頂板垮落，形成導(dǎo)水裂隙帶。因此，在GMS模型中用排水溝(Drain)模塊對煤礦開采方式進(jìn)行概化，排水溝的頂板高程為煤礦頂板高程。經(jīng)模型預(yù)測得出煤礦開采第1年和第16年(鈾礦服務(wù)期末)的地下水流場預(yù)測結(jié)果(圖5)，圖中綠顏色區(qū)域?yàn)槭撞擅嫖恢谩?/p>

圖4 監(jiān)測井M-GC1～M-GC5水位擬合圖

由圖5可知，在煤礦開采條件下，煤礦區(qū)疏放水改變了原有地下水流向，四周地下水均流向采空區(qū)，開采工作面周邊很大范圍內(nèi)的水位大幅下降，形成了以工作面為中心的大范圍降落漏斗。這直接導(dǎo)致鈾礦區(qū)含水層出現(xiàn)大幅度水位下降，且隨著工作面的不斷擴(kuò)大，地下水水位降落漏斗也會逐漸增大。

該鈾礦床擬采用的原地浸出采鈾工藝，不需要采出礦石，不會造成地下采空區(qū)。為保護(hù)地下水環(huán)境，其抽液量略大于注液量，基本保持抽注平衡；鈾礦生產(chǎn)對區(qū)域地下水水位影響不大，井場外地下水流場基本可以保持在天然狀態(tài)。在天然狀態(tài)下，鈾礦含礦含水層水位為1 330～1 360 m，承壓水頭大于150 m；而煤礦開采會導(dǎo)致鈾礦區(qū)的地下水水位出現(xiàn)大幅度下降。

(a)第1年流場圖 (b)第16年流場圖

以鈾礦區(qū)內(nèi)的3個監(jiān)測井WN1、WN2、WN3為研究對象(圖1)，分析煤礦開采對鈾礦區(qū)地下水水位的影響程度。監(jiān)測井WN1、WN2、WN3水位隨時間變化的模擬曲線如圖6所示。

圖6 WN1～WN3孔水位隨時間變化模擬曲線

由圖6可知，在模擬期內(nèi)，鈾礦區(qū)地下水水位持續(xù)降低，WN2水位降幅最大，WN3次之，WN1最小。由監(jiān)測井位置關(guān)系可知，地下水水位降幅與監(jiān)測井至煤礦開采區(qū)的距離成正相關(guān)關(guān)系，監(jiān)測井距煤礦開采區(qū)越遠(yuǎn)，地下水水位降幅越小，煤礦對鈾礦區(qū)水位的影響程度隨距離增大而逐漸減小。

3.2 制約因素分析

以WN1、WN2、WN3為研究對象，通過監(jiān)測井含水層埋深及礦體埋深，并與地下水水位模擬預(yù)測結(jié)果對比，分析煤礦開采對鈾礦區(qū)的影響程度，進(jìn)而判斷鈾礦區(qū)地下水水位是否能夠滿足地浸生產(chǎn)要求。鈾礦區(qū)各監(jiān)測井參數(shù)見表1。

表1 鈾礦區(qū)監(jiān)測井參數(shù)

當(dāng)煤礦開采第3年后，WN1孔處的水位由1 348 m降低至1 272 m(圖6)，該點(diǎn)位含水層頂板標(biāo)高為1 191 m(表1)，WN1處的承壓水頭由157 m降為81 m，此時該監(jiān)測孔的承壓水頭低于100 m(圖7)。當(dāng)煤礦開采第4年后，WN2、WN3處的承壓水頭分別降低至92 m和82 m，低于100 m(圖7)。在當(dāng)前地浸生產(chǎn)技術(shù)條件下，其地下水水位無法達(dá)到地浸開采的要求，會影響鈾礦的正常開采。

圖7 WN1～WN3孔承壓水頭隨時間變化曲線

從圖7和表1還可看出：煤礦開采第9年后，WN1處的水位降低至1 185 m，該點(diǎn)位含水層頂板標(biāo)高為1 191 m，該點(diǎn)位的地下水水位低于含水層頂板標(biāo)高，標(biāo)志著該點(diǎn)位地下水含水層的承壓狀態(tài)發(fā)生了改變；煤礦開采第12年后，WN2、WN3處的水位也低于了該點(diǎn)處含水層的頂板標(biāo)高，地下水含水層狀態(tài)由承壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為無壓狀態(tài)。

3.3 水力帷幕措施

為保護(hù)鈾礦資源及保證鈾煤礦產(chǎn)的的正常開采，需對鈾煤礦區(qū)采取隔離開采技術(shù)，隔離開采技術(shù)主要有帷幕注漿法、水力帷幕法、凍結(jié)法等[10]；但不論采取哪種方法，均需確保煤礦開采形成的水位降落漏斗不影響鈾礦開采形成的局部降落漏斗，從而避免二者之間的相互影響。水力帷幕技術(shù)具有費(fèi)用相對較低、可控性強(qiáng)、對地層破壞程度小等優(yōu)點(diǎn)。因此，對水力帷幕措施的可行性開展初步研究。

水力帷幕技術(shù)是在距離礦體邊界一定范圍內(nèi)施工一定數(shù)量的注水孔，通過水幕孔(管井注入法)人工注水補(bǔ)給地下水，使可充水巖層的孔隙或通道充水飽和，并具有一定的承壓性，達(dá)到抬升含礦層水位的效果，可在區(qū)域內(nèi)形成反向充水漏斗。

本研究在距鈾礦西北邊界100 m處設(shè)計(jì)水力帷幕，帷幕總長度8 732 m，共布設(shè)168口注水井，注水井間距為50 m，通過注水使水力帷幕注水井處的地下水水位保持在1 340 m。通過模擬預(yù)測，反求水力帷幕所需注水總量，水力帷幕下第1年及第16年的地下水流場預(yù)測如圖8所示。

圖8 水力帷幕措施下地下水流場圖

由圖8可知，在水力帷幕西側(cè)由于煤礦開采水位急劇降低，水位最大落差高達(dá)450 m；而在水力帷幕東側(cè)，水位較為平緩，在鈾礦協(xié)議區(qū)范圍內(nèi)水位落差最高為10 m。水力帷幕處的水位保持在1 340 m，鈾礦區(qū)水位維持在1 330～1 340 m，可以滿足鈾礦生產(chǎn)需求。經(jīng)模擬預(yù)測，水力帷幕注水量隨著煤礦開采工作面向鈾礦推進(jìn)而逐漸增大，平均每口井的最大注水量約為48.65 m3/d。

4 結(jié)論

煤礦開采引起的鈾礦區(qū)域地下水水位明顯下降問題是制約鈾煤協(xié)同開采的關(guān)鍵因素。鈾礦開采對區(qū)域地下水流場影響較小，煤礦開采將導(dǎo)致區(qū)域地下水水位下降，煤礦開采第4年后，鈾礦區(qū)承壓將低于1 MPa，影響鈾礦在現(xiàn)有技術(shù)條件下進(jìn)行正常地浸開采。

在靠近煤礦一側(cè)的鈾礦區(qū)邊界設(shè)置注水水力帷幕，可以顯著改變煤礦開采對鈾礦地下水水位的影響；通過水力帷幕注水可使鈾礦區(qū)水位保持在承壓1 MPa以上，滿足地浸采鈾對地下水水位的要求。