蘭榮輝，雷俊琴，鄭秀清，秦作棟

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024;2.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006)

地下水含水系統(tǒng)是由隔水或相對(duì)隔水巖層圈閉的、具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水巖系，通常兩層以上的含水層系統(tǒng)稱為多層含水層系統(tǒng)［1－4］。煤炭開采產(chǎn)生的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶使上覆隔水層和含水層系統(tǒng)遭到破壞，形成以礦井為中心的降落漏斗，從而引起地下水水位的急劇下降，甚至疏干。同時(shí)隨著開采深度的不斷加大，下伏含水層也常常受到采煤的影響［5－9］。因此，對(duì)煤礦分布區(qū)的多層含水系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)水資源保護(hù)對(duì)策的制定和煤礦安全開采具有重要意義。以某煤礦開采為例，采用Visual Modflow軟件對(duì)煤礦所在區(qū)的地下水多層含水系統(tǒng)進(jìn)行模擬［10－12］，分析煤炭開采條件下太灰含水層和奧灰含水層地下水水位的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處呂梁山脈中段東麓，太原盆地西部邊緣，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫10.6℃，年均降水量400.1mm。礦區(qū)內(nèi)地勢由西北向東南逐漸降低，屬低中山區(qū)的構(gòu)造剝蝕侵蝕地貌。井田位于清交斷裂帶的西北部，即正斷層下盤，清交斷層落差大于400m。區(qū)內(nèi)地表出露二疊系上石盒子組地層，煤層主要賦存于石炭系太原組和二疊系山西組地層中。

研究區(qū)屬于晉祠泉域的徑流區(qū)，區(qū)內(nèi)的主要含水層包括二疊系石盒子組和山西組砂巖裂隙含水層、石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層和奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層。二疊系砂巖裂隙含水層富水性弱，對(duì)下伏水動(dòng)力場的影響可以忽略;石炭系太原組巖溶裂隙含水層是主要的煤系含水層，其下伏為奧陶系峰峰組巖溶裂隙含水層。在研究區(qū)東南部，太灰含水層和奧灰含水層埋藏較淺且臨近清交斷裂帶，富水性較強(qiáng)，西北部富水性相對(duì)較弱。

2 地下水流數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)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?guī)r溶含水層作為一個(gè)互相聯(lián)系的多層含水系統(tǒng)考慮，確定石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層和奧陶系峰峰組灰?guī)r巖溶裂隙含水層為目標(biāo)含水層，在垂向上將地下水系統(tǒng)概化為3層:第一承壓含水層 (太原組灰?guī)r含水層)、弱透水層 (太灰至奧灰相對(duì)隔水巖段-本溪組地層)和第二承壓含水層 (峰峰組灰?guī)r含水層)。

礦區(qū)內(nèi)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(yùn)動(dòng)為主，垂向運(yùn)動(dòng)為輔;礦區(qū)各含水層裂隙發(fā)育不均勻且具方向性，水文地質(zhì)參數(shù)隨空間位置和方向變化，故將含水介質(zhì)概化為非均質(zhì)各向異性介質(zhì);地下水系統(tǒng)的輸入輸出隨時(shí)間、空間變化，故地下水流為非穩(wěn)定流。因此，將區(qū)內(nèi)太灰和奧灰兩含水層中的地下水流概化為非均質(zhì)各向異性的三維非穩(wěn)定流，其間的弱透水層概化為均質(zhì)各向同性介質(zhì)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上水文地質(zhì)概念模型，結(jié)合水流在介質(zhì)中運(yùn)移的數(shù)學(xué)描述，建立非均質(zhì)各向異性承壓水三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型如下:

式中，Kxx，Kyy，Kzz分別為，x，y，z方向的滲透系數(shù)，m/d;H為含水層水位，m;t為時(shí)間，d; Ss為儲(chǔ)水系數(shù) (無量綱);Ω為滲流區(qū)域;H0為初始水位，m;n?為邊界面的外法線方向;Q為第二類邊界上的單寬流量，m2/d，流入為正，流出為負(fù);Γ2為第二類邊界。

2.3 模型建立

本文采用Visual Modflow軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)采煤條件下礦區(qū)的太灰和奧灰?guī)r溶裂隙水水位動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測分析，具體步驟如下:

(1)網(wǎng)格剖分 模擬區(qū)總面積為15.32km2，采用矩形網(wǎng)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(gè)單元格，其中有效單元格有7336個(gè)，無效單元格有4664個(gè)，每個(gè)計(jì)算單元面積為0.0021km2。

(2)邊界條件 礦區(qū)內(nèi)目標(biāo)層地下水主要接受地下水側(cè)向徑流及垂向越流補(bǔ)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(duì)地下水模擬結(jié)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(bǔ)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(zhì)參數(shù)確定 水文地質(zhì)參數(shù)是表征含水層特性的重要指標(biāo)。依據(jù)礦區(qū)抽水試驗(yàn)資料，并結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、含水層的富水性特征等，將研究區(qū)劃分為6個(gè)不同的參數(shù)區(qū)，其中I，II，III為石炭系灰?guī)r含水層的參數(shù)分區(qū)，IV，V，VI為奧陶系灰?guī)r含水層的參數(shù)分區(qū) (分別見圖1和圖2)，其中間的相對(duì)隔水層劃分為一個(gè)區(qū)，各分區(qū)的參數(shù)根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果賦初值。

圖1 太灰含水層參數(shù)分區(qū)

圖2 奧灰含水層參數(shù)分區(qū)

(4)模型識(shí)別 本次模擬選擇2013年3月至2013年10月研究區(qū)口兒村和方山口村水源井水位觀測資料進(jìn)行模型的識(shí)別與驗(yàn)證。通過計(jì)算水位與實(shí)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(zhì)參數(shù)值見表1，太灰含水層和奧灰含水層的水位歷時(shí)擬合曲線分別見圖3和圖4。

表1 多層含水層各分區(qū)參數(shù)值

圖3 太灰含水層觀測孔水位歷時(shí)擬合曲線

圖4 奧灰含水層觀測孔水位歷時(shí)擬合曲線

3 煤炭開采對(duì)多層含水系統(tǒng)影響分析

研究區(qū)煤礦規(guī)劃開采年限為6.5a(為2373d)，其礦井排水量為2615m3/d。利用已驗(yàn)證的地下水?dāng)?shù)值模擬模型，模擬預(yù)測的礦井排水量為2615m3/ d時(shí)，多層含水系統(tǒng)的水位動(dòng)態(tài)。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(yù)測結(jié)果分別見圖7和圖8。

圖5 太灰地下水初始水位流場

圖6 奧灰地下水初始水位流場

圖7 2373d后太灰地下水流場預(yù)測結(jié)果

3.1 采煤對(duì)太灰含水層水位動(dòng)態(tài)的影響

圖8 2373d后奧灰地下水流場預(yù)測結(jié)果

在煤礦開采條件下，太灰含水層中的地下水水位持續(xù)下降，降落漏斗形成并不斷擴(kuò)大。2373d后在井田中部出現(xiàn)最大水位降深，降深值為137m。在研究區(qū)的南部地區(qū)出現(xiàn)疏干現(xiàn)象，疏干面積為0.0189km2。

研究區(qū)內(nèi)不同位置的太灰地下水位隨開采時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線見圖9。由圖9可見，地下水水位隨著開采時(shí)間的延長均呈下降趨勢。總體上，在0～500d內(nèi)下降速度較快，其后下降速度逐漸降低并基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 研究區(qū)太灰地下水水位隨時(shí)間變化曲線

研究區(qū)南部因接近清交斷裂，含水層滲透性強(qiáng)，所以地下水水位下降幅度較大，0～100d的平均降速達(dá)70.3m/d，100～500d內(nèi)的平均降速降為10.4m/d，之后的 500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d各時(shí)段內(nèi)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(shí)間呈穩(wěn)定下降的趨勢，且在500d后水位基本趨于穩(wěn)定。

研究區(qū)北部因?yàn)榫嚯x井田相對(duì)較遠(yuǎn)，水位下降相對(duì)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(nèi)的平均降速降為9.1m/d，在500～1000d，1000～1500d，1500～2000d和2000～2373d各時(shí)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(wěn)定。

3.2 采煤對(duì)奧灰含水層水位動(dòng)態(tài)的影響

奧灰水是礦井生產(chǎn)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(bǔ)給上覆含水層。由圖8可見，研究區(qū)奧灰水位也呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，但相對(duì)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(xiàn)最大水位降深區(qū)，降深值為8.1 m，并出現(xiàn)一定范圍的降落漏斗。研究區(qū)內(nèi)地下水水位隨開采時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線見圖10。由圖10可知，奧灰含水層隨著煤炭開采時(shí)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(wěn)定的。

圖10 研究區(qū)奧灰地下水水位隨時(shí)間變化曲線

研究區(qū)南部含水層滲透性較強(qiáng)，水力傳導(dǎo)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(nèi)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(shí)段的平均降速分別為0.46m/d，0.38m/ d，0.32m/d和0.27m/d?？梢?，地下水水位下降速度總體上也具有隨著時(shí)間延長而減小的規(guī)律。研究區(qū)北部地下水水位變化規(guī)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(guī)劃開采期滿后地下水位仍未達(dá)到穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

利用Visual Modflow軟件對(duì)太原西山煤田某煤礦在開采過程中地下水水位動(dòng)態(tài)進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)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(duì)奧灰含水層也造成了較大的影響。隨著煤炭開采時(shí)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(qū)，地下水位降速在500d后逐漸趨于穩(wěn)定。奧灰含水層的地下水水位隨著開采時(shí)間延長不斷降低，而且具有時(shí)間的滯后性和非穩(wěn)定性的特點(diǎn)?？傊禾康拈_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(dòng)態(tài)。在斷裂構(gòu)造發(fā)育地帶，采煤對(duì)含水系統(tǒng)的破壞更大。研究結(jié)果可為煤礦區(qū)水資源保護(hù)和煤礦開采防治水措施的制定提供依據(jù)。

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