孫建軍，孟凡星，劉業(yè)添 （合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230000）

對(duì)于礦坑涌水量預(yù)測(cè)，主要的方法有水均衡法、解析法、水文地質(zhì)比擬法、數(shù)值模擬法[1]，其中，數(shù)值模擬法是目前運(yùn)用最廣泛的礦坑涌水計(jì)算方法[2]。在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，Visual Modflow具有可視化、適用性及數(shù)值模擬能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，在涌水量預(yù)測(cè)中運(yùn)行較為廣泛。武強(qiáng)[4]根據(jù)我國煤礦床的水文地質(zhì)條件特點(diǎn)，論證Visual Modflow軟件在我國礦井水防治研究中應(yīng)用潛力巨大。此后，廣大學(xué)者對(duì)涌水量數(shù)值模擬進(jìn)行了大量的探究，楊彥林[5]運(yùn)用Visual Modflow軟件對(duì)陶二煤礦礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障。郭小銘[6]提出利用數(shù)值模擬法進(jìn)行礦井涌水預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)充分分析水文地質(zhì)條件，進(jìn)行合理概化。May,R等[7]利用Visual Modflow的3D數(shù)值模型去估算抽取地下水后對(duì)開礦池、河流和含水層系統(tǒng)的影響，校正模型用于開礦池周圍有無抽水泵，無抽水泵時(shí)研究區(qū)的涌水主要來自恒定水頭、河流和降雨，有抽水泵時(shí)涌水量大量增加，這對(duì)抽取地下水時(shí)研究池塘、河流和含水層系統(tǒng)之間的相互作用提供有用信息。

本文通過分析煤礦開采區(qū)滲透變化特征，對(duì)其進(jìn)行水文地質(zhì)模型的概化，結(jié)合Visual Modflow軟件中開采區(qū)邊界條件的物理模型和數(shù)值算法，對(duì)其進(jìn)行涌水概化，最終進(jìn)行礦坑涌水預(yù)測(cè)，并對(duì)煤礦開采過程中含水層地下水位的影響進(jìn)行研究評(píng)價(jià)。

1 項(xiàng)目概況

紅四煤礦及選煤廠位于寧夏回族自治區(qū)銀川市興慶區(qū)，井田面積22.30km2，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，本井共有8層可開采煤層，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量0.69億噸，設(shè)計(jì)規(guī)模240萬噸/年。工程采用立井開拓方式，礦井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)設(shè)主井、副井和回風(fēng)井，計(jì)3個(gè)立井井筒。紅四礦井及選煤廠項(xiàng)目生產(chǎn)期不設(shè)置水源井，因?yàn)樯a(chǎn)期內(nèi)可能產(chǎn)生礦井排水對(duì)區(qū)域地下水流系統(tǒng)產(chǎn)生影響，礦井水外排、污水排放和臨時(shí)矸石堆場(chǎng)淋溶水對(duì)地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響。

2 紅四井田水文地質(zhì)條件

2.1 含水層組劃分及其特征

根據(jù)含水層的巖性、厚度、埋藏條件、分布范圍等，將井田含水層劃分為：第Ⅰ含水層(第四系孔隙潛水層)、第Ⅱ含水層組（古近系及基巖風(fēng)化帶孔隙裂隙含水層組）、第Ⅲ含水層組（二疊系孫家溝組、石盒子組裂隙含水層組）、第Ⅳ含水層組（山西組裂隙含水層組）、第Ⅴ含水層組（太原組裂隙含水層組）、第Ⅵ含水層組（奧陶系裂隙含水層組）。

第Ⅰ含水層以沖洪積的粉土、粉砂為主,單位涌水量0.04L/s·m～0.06L/s·m，水質(zhì)較好，含水性極其微弱。

第Ⅱ含水層組由古近系細(xì)砂、中砂、粗砂及底部半膠結(jié)砂巖礫巖和基巖風(fēng)化帶的不同粒級(jí)的砂巖組成,為紅墩子勘查區(qū)的主要含水層，含水層累計(jì)厚度288.50m～386.34m,單 位 涌 水 量0.0728 L/s·m～0.1537L/s·m，滲透系數(shù)0.0193 m/d～0.0966m/d，富水性中等。

第Ⅲ含水層組由粗粒、中粒、細(xì)粒砂巖構(gòu)成，單位涌水量0.0909L/s·m，含水層富水性較弱，具有承壓性，屬微咸水。含水層屬間接充水含水層。

第Ⅳ含水層組為直接充水含水層，在全區(qū)廣泛分布，由山西組陸相碎屑巖系的粗粒、中粒、細(xì)粒砂巖構(gòu)成。單位涌水量0.0225L/s·m～0.0238L/s·m，滲透系數(shù) 0.0965m/d～0.0634m/d，弱富水性。

第Ⅴ含水層組為直接充水含水層，在全區(qū)廣泛分布，由太原組的海陸交互相的粗粒、中粒、細(xì)粒砂巖和石灰?guī)r構(gòu)成。單位涌水量0.0083L/s·m～0.0326L/s·m，滲透系數(shù)0.0192m/d～0.0326m/d，弱富水性。

第Ⅵ含水層組上部巖性為深灰、灰黑、灰綠色細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)石灰?guī)r，鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理發(fā)育。下部巖性為淺灰-深灰色微帶棕紅色石灰?guī)r，厚層狀，致密，可見灰色緩波狀泥質(zhì)條帶，裂隙及節(jié)理發(fā)育不均，含水層富水性差異很大。

2.2 隔水層劃分

根據(jù)本井田的巖性組合及含水層水力性質(zhì)、埋藏條件等，將隔水層劃分為：古近系粘土隔水層；二疊系上部的粉砂巖、泥巖隔水層；二疊系石盒子組底部山西組頂部的煤層、泥巖、粉砂巖隔水層；石炭系太原組底部土坡組頂部的煤層、泥巖、粉砂巖隔水層。

2.3 水文地質(zhì)勘察類型

紅四井田直接充水含水層屬弱-中等富水性，補(bǔ)給條件差，隔水層穩(wěn)定性好。煤層位于侵蝕基準(zhǔn)面以下，地表水不是礦床的主要充水因素，第四系僅見于井田東部，厚度為1m～20m，古近系承壓水涌水量較大，沿著傾向徑流或補(bǔ)給下部石炭二疊系地層，故本井田水文地質(zhì)勘探類型屬于二類二型，即以裂隙充水含水層為主的水文地質(zhì)條件中等的礦床。

3 煤炭開采對(duì)地下水影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

3.1 采礦工程對(duì)地下水位影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

3.1.1 水文地質(zhì)條件概化

礦床自上而下分布6個(gè)含水層，礦床各含水組間隔水層自上而下分為4層。區(qū)域6個(gè)含水層中第Ⅳ與第Ⅴ含水層組與第Ⅲ含水層組水位接近，具有一定水力聯(lián)系。為提高預(yù)測(cè)精度，反映局部隔水層的影響，建立數(shù)值模型時(shí)，結(jié)合不同含水層組的空間分布狀況，并綜合考慮巖性和裂隙發(fā)育程度，將模擬區(qū)概化為12層。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖的地質(zhì)剖面及區(qū)域地質(zhì)條件分析可知，紅四礦位于紅墩子礦區(qū)紅二井田與紅三井田之間，因此，建立數(shù)值模型過程中，充分考慮到礦區(qū)排水過程中的干擾作用，以及疏干排水過程中可能出現(xiàn)的影響范圍，模擬區(qū)范圍確定為井田西部開采邊界外1120m，其他三個(gè)方向?yàn)榫镞吔缤?828m的區(qū)域，面積為60.30km2。礦床下部有巨厚的土坡組粘土層，可以概化為底部隔水層，概化后的模擬區(qū)平面圖見圖1。

圖1 模型概化平面圖

3.1.2 模型建立與識(shí)別運(yùn)行

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型及含水層水力性質(zhì)，綜合模擬區(qū)地層巖性、地下水類型、地下水補(bǔ)徑排特征、地下水動(dòng)態(tài)變化等水文地質(zhì)條件及模擬區(qū)水均衡分析等，可將模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。選取相應(yīng)水模擬軟件，進(jìn)行源匯項(xiàng)處理，對(duì)其初始條件及邊界條件進(jìn)行概化，根據(jù)抽水試驗(yàn)與前期統(tǒng)計(jì)的降雨、河流入滲數(shù)據(jù)綜合確定各含水層水文地質(zhì)參數(shù)，并進(jìn)行模型的識(shí)別與修正，最終各層水文地質(zhì)參數(shù)取值見上表。

各層水文地質(zhì)參數(shù)取值表

3.1.3 礦坑涌水預(yù)測(cè)分析

采用經(jīng)過模型識(shí)別與模型驗(yàn)證的數(shù)值模型，結(jié)合礦床開發(fā)利用方案，預(yù)測(cè)礦區(qū)礦坑涌水量。預(yù)測(cè)得到的涌水量隨時(shí)間的變化過程如圖2所示。即初期涌水量為1100m3/d，隨著礦床開采的進(jìn)行，礦坑涌水量逐漸減小，開采三年后，涌水量遞減幅度變小，逐漸趨于平衡，約為530m3/d。

圖2 礦坑涌水量變化過程線

3.1.4 礦坑排水影響分析

3.1.4.1 對(duì)第四系含水層水位影響

勘察期間，鉆孔深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)地下水，埋藏有極少量上層滯水，一般無穩(wěn)定的自由水面，主要受大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給，且礦坑排水用于工業(yè)生產(chǎn)和生活用水。因此，對(duì)第四系含水層并無明顯影響。

3.1.4.2 礦坑排水對(duì)古近系含水層組的影響

建設(shè)期內(nèi)，由于礦井井筒施工采用凍結(jié)法施工，對(duì)煤系地層以上的地下水影響小，根據(jù)紅四礦井從2012年到2014年的水位監(jiān)測(cè)資料，在井筒施工階段地下水水位沒有發(fā)生變化，2012年到2014年的古近系地下水水位監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，地下水水位基本上沒有發(fā)生變化。

模型模擬結(jié)果（圖3）表明，運(yùn)行期開采10年后，古近系含水層地下水流場(chǎng)變化不大，含水層水位略有下降，但沒有形成明顯降落漏斗，補(bǔ)給排泄基本穩(wěn)定。由于開采層位上部有古近系粘土隔水層和二疊系上部隔水層的隔水作用，作為評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)的主要含水層位，紅四井田礦坑排水對(duì)古近系含水層水位影響較小。

圖3 開采10年后古近系含水層水位等值線

3.1.4.3 礦坑排水對(duì)山西組、太原組裂隙含水層的影響

山西組裂隙含水層和太原組裂隙含水層是礦床的直接充水含水層，礦坑排水對(duì)其影響較為明顯。根據(jù)校正過的模型預(yù)測(cè)，開采10年后，開采范圍內(nèi)水位下降明顯，形成降落漏斗，中心點(diǎn)附近降深約為40m（圖4），影響范圍約為開采區(qū)域周邊300m。

圖4 開采10年后山西組含水層水位等值線

3.1.4.4 礦坑涌水對(duì)其他用戶的影響

紅四井田及周邊無工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，礦區(qū)內(nèi)無村莊，周邊分布的中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要有月牙湖鄉(xiāng)，該鄉(xiāng)鎮(zhèn)生產(chǎn)及居民生活用水主要來自管網(wǎng)供水。月牙湖鄉(xiāng)距井田邊界約20km，井田內(nèi)無過境河流。結(jié)合評(píng)價(jià)范圍方圓5km并無居民居住，且礦坑排水對(duì)當(dāng)?shù)貪撍畬硬o明顯影響。因此，礦坑涌水不會(huì)影響礦區(qū)及周邊居民的生活用水。

3.2 地下水水質(zhì)影響分析評(píng)價(jià)

3.2.1 煤炭開采對(duì)地下水水質(zhì)影響

煤炭開采過程中疏排的地下水以礦井涌水的形式排到礦井水處理站，處理后部分作為項(xiàng)目生產(chǎn)用水，部分送生態(tài)牧場(chǎng)作為生態(tài)用水。因此，煤礦原煤開采對(duì)地下水水質(zhì)影響的可能性較小。

3.2.2 矸石浸出液對(duì)地下水水質(zhì)影響

矸石在臨時(shí)矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)堆放，如排水不暢受雨水浸泡后其有害元素中的可溶部分就可能溶解隨降雨遷移，對(duì)水體和土壤產(chǎn)生影響。

但根據(jù)工業(yè)場(chǎng)地和煤矸石場(chǎng)的包氣帶滲水試驗(yàn)可知，場(chǎng)地包氣帶防污性能較強(qiáng)。臨時(shí)矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)處于排水暢通的低洼地帶，矸石浸出液對(duì)土壤環(huán)境的影響屬可接受的程度。

根據(jù)礦山矸石淋溶液浸出試驗(yàn)，任何一種污染物濃度均未超出《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8927）最高允許排放濃度，且評(píng)價(jià)區(qū)年最大降水量僅為273mm，降雨量很少，矸石被充分浸泡可能性很小。降雨量分布于全年，每次的降水量與矸石積存量相比就更要小得多，因而矸石受降雨而產(chǎn)生的淋溶水很少。另一方面，評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)氣候干燥，年最大蒸發(fā)量為2722mm，是年降雨量的10倍，降水后在臨時(shí)矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)條件下的固液比，即出現(xiàn)充分浸出的條件較小。臨時(shí)矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)處于排水暢通的低洼地帶，潛水面埋深很大，且與承壓水有相對(duì)穩(wěn)定的隔水層，含水層組間水力聯(lián)系較弱，浸出液透滲到地下水中的可能性較小，因而固體廢物浸出液通過垂直滲透或補(bǔ)給方式污染地下水環(huán)境的可能性不大。因此矸石浸出液不會(huì)對(duì)地下水造成明顯影響。

4 結(jié)論

①礦坑初期涌水量為1100m3/d，隨著礦床開采的進(jìn)行，礦坑涌水量逐漸減小，開采三年后，涌水量遞減幅度變小，逐漸趨于平衡，約為530m3/d。

②礦坑排水對(duì)山西組、太原組裂隙含水層的影響較為明顯，根據(jù)預(yù)測(cè)，開采10年后，地下水位下降明顯，形成降落漏斗范圍約為開采區(qū)域周邊300m，中心降深約40m；

③礦區(qū)生產(chǎn)廢水、矸石場(chǎng)浸出液對(duì)地下水水質(zhì)影響較小。