煤炭开采区水源地保护范围界定的数值模拟研究

秦 娜，唐芳芳，胡君春，刘志刚

(1.山西水利职业技术学院，山西 太原 030032；2.北京中水新华国际工程咨询有限公司山西分公司，山西 太原 030024；3.云南省煤炭地质勘查院 云南 昆明 650218；4. 山西农业大学 山西 太原 030031)

煤炭是中国重要的能源产业，水资源是人类赖以生存的基础性资源，在煤炭开采过程中，需要对区域地下水采取有效的保护措施，否则将会形成导通水源地取水含水层的导水裂隙带，矿井水疏排直接造成含水层地下水水位下降、水量减少甚至水质变劣等问题。七元矿井位于山西省晋中市寿阳县境内，其地理坐标为：东经113°08′41.01″～113°21′39.08″，北纬37°48′55.46″～37°58′52.86″。井田范围涉及乡镇水源地两处，分别为尹灵芝镇集中供水水源地和马首乡集中供水水源地，主要为4个村3500人供水，为保护这两个水源地不受七元矿井开采的影响，本文采用Visual Modflow软件对七元煤矿为期10 a、30 a及60 a的开采过程对于区域地下水位的影响进行了数值模拟和预测，设置了相应的禁采区范围，为合理生产和开发区域地下水资源提供决策依据，即可保障能源产业，也可保护好生命之源。

1 煤矿开采及水文地质概况

七元矿井位于山西省晋中市寿阳县东约7km的七里河村，井田地跨晋中市寿阳县和阳泉市盂县，行政区划隶属于寿阳县，总面积为195.140 km2，设计生产规模500万 t/a，矿井设计服务年限为122.9 a。根据地质调查，含煤地层有石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组及下石盒子组[1]。太原组及山西组为勘查区主要含煤地层，煤层自上而下编号为1、2、3、4、5、6、6下、81、82、9、9下、11、12、12下、13、15、15下、16共18层煤，主要开采石炭系太原组81#、82#、15#、15下#煤层，太原组平均厚122 m，含煤11层，总厚度9.52 m。15号煤全区发育，为全区可采煤层，81、82煤层在区内大部分地段发育，为大部可采煤层。根据煤层间距，划分为上、下两组，上组煤有3、6、81、82煤层，上组煤之间间距一般小于20 m，且81与82煤层部分合并，下组煤有15、15下煤层，间距平均6.29 m。上下两组煤之间间距一般为70～90 m，平均80 m左右，设计设置1个水平(1个主水平，1个辅助水平)，主水平设于15号煤层顶板岩层内，标高+400 m，主要服务下组煤的15、15下煤层，辅助水平设于81煤底板岩层内，标高+470 m，主要服务上组煤的3、6、81、82煤层。井田以矿井井筒及工业场地大致划分为南、北两区开拓。井田主水平15煤层和辅助水平各划分北一～北五和南一～南七共十二个盘区，15下煤层布置北一、北三、北五、南六、南七共五个盘区，全矿井共划分29个盘区。煤层开采顺序设计先开采作为保护层的下煤组15煤、15下煤层，之后进入上组煤顺序开采3、81、82煤层。

矿区内地下水含水层由老到新有：奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层、太原组灰岩裂隙岩溶含水层、山西组砂岩裂隙含水层、石盒子组砂岩裂隙含水层、第四系及风化带砂砾石含水层[2]。

井田中部偏东的尹灵芝镇有集中供水水源井1处(图1)，井深118 m，混合开采第四系松散岩类孔隙水和二叠系砂岩裂隙水，井孔标高1 033 m，日取水量约200 m3/d，服务对象为芹泉村和照白沟村2个村，服务人口2 000人，目前该水源井保护区范围为以水源井为中心，半径为60 m的圆形区域。

图1 井田与水源井及利用钻孔位置图

井田西南角的马首乡有集中供水水源井1处(图1)，井深291 m，开采二叠系砂岩裂隙水。井孔标高1 056 m，日开采量为150 m3/d。服务对象为马首村及张家沟村，服务人口1 500人，目前该水源井保护区范围为以水源井为中心，半径为55 m的圆形区域。

2处水源井均以管井的方式采取地下水，水源地一级保护区均位于井田范围内。

2 煤矿开采对水源井的影响

2.1 水源井附近地层

本次研究收集到距尹灵芝镇水源井分别为1 221.49 m和 654.52 m的Q810号钻孔、Q1713号钻孔柱状图(图2)，距马首乡水源井8 057 m的Q1102钻孔柱状图(图3)，结合水源井井孔柱状图及七元煤业地层综合柱状图得出水源井附近地层以新到老为第四系(Q)、二叠系石千峰组(P2sh)、二叠系上石盒子组(P2s)、二叠系下石盒子组(P1x)、二叠系山西组(P1s)、石炭系太原组(C3t)。

图2 尹灵芝镇水源井与附近钻孔相对关系

图3 马首乡水源井与附近钻孔相对关系

2.2 煤矿开采对水源井附近上覆含水层的影响

据调查，该井田在2个水源井附近煤层底板埋深均大于700 m。据《阳泉煤业集团七元煤业有限责任公司七元煤矿对娘子关泉域水环境影响评价报告》中对导水裂缝的计算得知：本井田开采81#、82#、151#、152#煤层导水裂缝带埋深分别为424.07～1 002.55 m、435.64～863.26 m、549.09～1 105.16 m、599.81～985.62 m，导水裂缝带埋深均大于2个水源井的深度118 m和291 m，因此，矿井开采造成的导水裂缝带沟通不到该水源井，影响较小。

2.3 煤矿开采对水源井附近地下含水层的影响

煤炭开采对地下水资源的破坏程度及其数量，受多方面因素的影响，主要是水文地质条件、地质构造特征、煤矿开采阶段、开采面积、开采深度、开采沉陷、降水量等因素的影响[3]。

该井田第四系孔隙含水层及基岩风化裂隙水含水层分布于水源井上部，尹灵芝镇水源地厚度为55.1～71.36 m，马首乡水源地厚度为7.84～53.18 m，岩性为黄白色砂质粘土、亚粘土、砂砾层及砾石层等，厚度变化因地形而异，该层渗水性、含水性均好，主要接受大气降水和雨后地表径流的补给，煤炭开采将影响该含水层。同时在开采期间地表受沉陷影响，在一定程度上改变了地面降水的径流与汇水条件[4]，含水层的水文和流向受到干扰，间接使第四系孔隙含水层及基岩风化裂隙水含水层的水位有所下降，水量有所减少。

3 数值模拟法对水源地禁采区模拟

3.1 模型建立

3.1.1 目标含水层选取及概化

根据煤层对上覆含水层的影响结果分析、煤层开采设计及开采分区、水源井深等众多因素，目标含水层选取为煤系地层，石炭系上统太原组，地层平均厚度120.88 m；二叠系下统山西组，地层平均厚度51.29 m，将两组地层概化为一层，厚173 m，区内隔水层较多，各基岩含水层之间都有厚度稳定的泥岩、砂质泥岩，各煤层隔水层厚度总体上西南厚，向东北方向变薄。矿区基岩裂隙含水层地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律。目标含水层系统的结构及水动力学条件可概化为非均质各向异性三维非稳定流。

3.1.2 模型边界概化

综合本地区基岩裂隙含水层流场分布和地形地貌条件、矿界水系发育情况、总体地下水流向等条件。模拟范围以矿界为边界，范围为136.77 km2。模拟区北东、南西边界垂直于基岩裂隙水水位等值线，概化为隔水边界，流量为零；北西边界可概化为补给边界(流量边界)；南东边界为排泄边界(流量边界)。通过这条边界的流量用达西公式计算得北西边界的流量为202.86 m3/d，通过南东边界的流量为339.86 m3/d(图4)。

图4 模拟参数分区及概化边界

3.2 数学模型

根据本次模拟区的水文地质渗流概念模型，建立非均质各向异性三维流数学模型如下：

(1)

式中：Ω为计算域；H为水头；Kxx、Kyy、Kzz、Kn等为渗透系数K在坐标主轴x、y、z及边界法向n上的数值/分量； Ss为含水层贮水(释水)率；Γ2为流量边界，隔水边界流量为零，边界流量计算可得；q为单宽流量；W为源汇项(流量)；M为含水层厚度；t为时间。

3.3 模型识别与校正

在模拟区范围内，目标含水层上部入渗补给主要为第四系大气降水入渗补，排泄项主要为水源井人工开采排泄及矿井正常涌水。矿井正常涌水量为500 m3/h，模拟时将此涌水量平摊到各模拟时段的采区面积上。模拟参数分区及水文地质概化边界见图4。

参与地下水均衡计算的水文地质参数主要有含水层的渗透系数K、贮水系数Ss。选择2018年11月-2019年9月模型的识别阶段，将模拟区的水文地质参数、水头初始条件及边界条件作为模型调参的初始值，对这一阶段的实际水位和计算水位进行拟合分析，如果计算水位与实际水位相差很大，则根据参数变化范围和实际水位差值，重新给定一组参数，直至二者拟合较好为止[5]。通过调参计算，实际水位和计算水位等值线的水位拟合绝对误差小于0.5 m的占已知水位(点据)的80%以上(图5)，拟合结果较好，说明含水层概化、参数选择符合实际(表1)。

图5 初始水位拟合图

表1 调参后水文地质参数分区表

3.4 模拟预测时段选取及模拟结果

根据井田开拓布置，设计总服务年限为122.9 a。由于122.9 a开采时间跨度大，结合采区的平面布置，模拟分一阶段(0～60 a)进行模拟预测，二阶段(60～122.9 a)检验模型和修正模型。一阶段模拟至60 a，当开采至60 a时，结合采煤至60 a时水文地质条件和开采情况，即可验证模型的准确性，也可对模型进行逐步调试和修正，使模型更加科学化和精准化，从而符合本区因采煤剧烈活动地下水移动规律，为水源井保护提供科学的数据支撑。

因此，本次模拟时段分为10 a、30 a、60 a，预测三个时期的目标含水层的水位变化(图6～图8)。

图6 开采10 a后等水位线图

图7 开采30 a后等水位线图

图8 开采60 a后等水位线图

3.5 数值模拟结果分析及禁采区界定

由模拟预测结果(图6和图7)可以看出，煤矿开采10 a和30 a结束后，尹灵芝镇水源井和马首乡水源井影响较小。

由模拟结果图8看出，煤矿开采60 a结束后，区域上尹灵芝镇水源井位和马首乡水源井位等水位线下降，尹灵芝镇水源井处于近疏干状态，即水源井报废。

预测30 a等水位线图(图7)、预测60 a等水位图(图8)、开采设计分区图，三张图叠加为一张图(图9)。如图9所示，红线区域是水源井水位极限，即保证水源井不被疏干，达到保护目的。因此，尹灵芝水源井在开采南一盘(图9⑦)、南二盘(图9⑨)和南三盘(图9⑧)时影响较强烈，尹灵芝水源井保护范围长420 m，宽300 m，面积为126 000 m2；马首乡水源井在开采南四盘(图9)时对水源井影响较强烈，马首乡水源井保护范围为长220 m，宽160 m，面积为35 200 m2。

图9 水源井保护范围图

4 结语

本文通过建立数学模型并运用软件对七元煤矿开采过程对区域地下水位的模拟，分析了煤矿开采对区域地下水开采的动态影响，得出如下结论与建议：

(1)考虑矿山服务年限和各种影响因子，分别对矿区10 a、30 a和60 a进行地下水数值模拟，系统对比，客观反映不同时期地下水的变化情况。

(2)为保护水源井正常开采，圈定相应的禁采区范围：尹灵芝水源井保护范围长420 m，宽300 m，面积为126 000 m2；马首乡水源井保护范围为长220 m，宽160 m，面积为352 00 m2。

(3)从三个时期模拟可以看出，七元煤矿开采10 a和30 a结束，采煤对两个水源井影响较小。开采60 a后，两个水源井位置均出现等水位下降，未来煤炭开采过程中受人类活动(政策变化、企业运转是否正常、开采强度、开采速度、工业农业取水等影响因子)的剧烈影响，加之极端气候，不可控因素较多，后期预测时建议针对模型进行修正、调试和再预测，使模型具有时效性，模拟精度提高，更加科学化，为水源井保护提供科学的决策支持，实现动态监测、动态管理、科学规范，达到人、水、环境和谐目的。