基于不同開采方式的煤礦涌水量預測及其環境影響分析

韋華鵬，羅奇斌,2，康衛東,2，張子琛

（1.西北大學地質學系, 陜西 西安 710069；2.西北大學大陸動力學國家重點實驗室, 陜西 西安 710069）

煤礦開采過程中礦井涌水，不僅會對礦區水資源與水環境造成一定程度的破壞，而且還會對礦井安全生產構成威脅。煤礦開采造成的頂板冒裂而引起地下水漏失或疏干，會引發地下水水位下降、泉水斷流、地表徑流減少等一系列水環境問題[1?3]，還可能誘發突水事故。因此，開展煤礦涌水量預測對煤礦設計和煤礦水害防治工作十分必要[4?5]。

目前，我國在煤礦水害防治過程中，形成了如解析法、比擬法、數值法、神經網絡法等許多礦井涌水量預測的方法[6?9]。陳酩知等[10]對各種煤礦涌水量方法的適用性進行了評價，并提出了煤礦涌水量預測方法和新技術結合的展望。李超峰等[11]提出了煤礦開采過程的漸進式時空動態涌水量預測方法，并對高家堡礦井涌水量進行預測，預測結果精度較高。黃歡[12]對煤礦涌水量的預測方法進行了分析與總結，認為數值模擬以其較高的預測精度、較寬的適用范圍成為預測礦井涌水量的主要發展趨勢。侯恩科等[13]基于GMS構建了檸條塔煤礦地下水數值模型，研究了區內火燒巖下礦井涌水量隨回采過程的動態變化。劉基等[14]基于Modflow模擬了葫蘆素煤礦涌水量隨開采進度的動態變化。宮厚健等[15]通過改變初始流場研究了不同采掘順序煤礦涌水量。但以往利用數值法預測煤礦涌水量，大多直接對單一煤礦開采進行預測與分析，沒有很好地重視溝域內煤礦群長時間開采對地下水環境共同作用的影響，因不能客觀地模擬地下水的激勵因素及其響應關系，導致其預測結果誤差較大。

條帶膏體充填是將條帶開采和充填技術有機結合起來，對采空區進行條帶式部分充填的煤礦開采工藝[16?17]。通過抑制煤層頂底板的大幅冒落與塌陷等危害，有效地控制地表沉陷、減小礦坑涌水量，該項技術在國內外得到廣泛的推廣[18]。我國對條帶膏體充填技術研究起步較晚，但經過多年的研究和探索，逐漸形成了一個完整體系，得到了各類煤礦企業的認可與應用[19]。但是有關條帶膏體充填開采的煤礦涌水量研究還較少。

據此，本文以頭道河則溝域煤田為例，構建了溝域地下水流數值模型，模擬溝域煤礦群開采（綜采方式）礦井涌水量與地下水水位下降過程。預測了9#煤礦綜采和條帶膏體充填開采的煤礦涌水量，分析不同開采方式礦井涌水對水環境的影響，為煤田的礦井涌水防治以及區域煤礦采煤方式的選擇提供了科學依據。

1 試驗設計與研究方法

1.1 研究區概況

頭道河則流域位于榆溪河東側，屬于毛烏素沙漠南緣與陜北黃土高原接壤地帶，研究區水文地質圖及剖面圖，見圖1。區內地表絕大部分被第四系全新統風積沙所覆蓋，地層巖性主要為：侏羅系中統延安組砂泥巖（J2y）、直羅組砂質泥巖（J2z）、新近系靜樂組紅黏土（N2j）、中更新統離石組黃土（Q2l）、上更新統薩拉烏蘇組砂土（Q3s）及全新統粉細砂（Q4）。研究區地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水以及碎屑巖類風化殼裂隙潛水與碎屑巖類裂隙承壓水。研究區分布有16座煤礦，9#煤礦位于頭道河則溝域群礦的中心部位，靠近河流與地表水體（石峁水庫），存在突水風險，該煤礦開采時間長，積累了長序列礦井涌水量等資料，因此將9#煤礦選擇為典型礦進行研究。煤礦可采煤層為延安組第三段頂部3號煤層，層位穩定厚度大。礦坑直接充水水源為煤層頂板基巖裂隙水，間接充水水源為上覆松散層潛水。

圖1 研究區水文地質圖和水文地質剖面圖Fig.1 Hydrogeological map and hydrogeological profile of the study area

1.2 模型建立

1.2.1 水文地質概念模型

依據頭道河則溝域水文地質條件，綜合考慮9#煤礦開采范圍和周圍水環境特征等因素，確定以溝域外圍地下水分水嶺圍閉區域為模型區范圍，面積為453.07 km2，以潛水面為模型區頂界、以3號煤層底板為模型底界。位于流域下游的西南邊界，遠離煤礦開采區，為溝域地表水與地下水的總出口，是地下水排泄基準面，該處地下水水位比較穩定。為了便于數值模型的計算，綜合考慮研究區煤層開采和其頂板冒裂情況，地層結構自上而下劃分為5層：①第四系薩拉烏蘇組及黃土層，②新近系紅色黏土層，③導水裂隙帶之上侏羅系砂泥巖層，④導水裂隙帶及其兩側的侏羅系砂泥巖層，⑤3號煤層分布區及其采空區。

模型區潛水補給項主要為大氣降水、凝結水和農灌回歸水以及地表積水的入滲補給；在煤炭開采狀態下，還可能存在激發河庫水的入滲補給。潛水排泄項主要是潛水蒸發蒸騰、沿河的地下水溢出、地下水開采、礦坑涌水及向下游邊界處的地下水側向徑流。降水入滲等面狀補給采用Recharge模塊處理，將補給量作用于最上一層活動單元；采用River模塊模擬地下水溢出或河庫水入滲，地下水蒸發及地下水開采分別采用模型中的ET模塊和Well模塊處理；地下水側向徑流排泄量，模型依據Darcy公式計算。

1.2.2 數學模型

根據研究區水文地質概念模型，其地下水流數學模型為：

式中：H——地下水水位標高/m；

Hr——河庫水位標高/m；

μ——潛水含水層給水度/m?1；

Ss——承壓含水層彈性釋水率/m?1；

Q——水井開采量/（m3·d?1）；

W——礦坑涌水量/（m3·d?1）；

δ——δ函數（分別對應水井、坑道位置坐標）；

h0——初始水位標高/m；

h1——排泄基準面水位標高/m；

Qr——河庫水入滲量或地下水溢出量/（m3·d?1）；

A——河庫水區計算面積/m2；

Kr——河庫床淤積層滲透系數/（m·d?1）；

Mr——河庫床淤積層厚度/m；

ε——潛水面垂向交換量/（m3·d?1·m?2）；

Ω——計算區范圍。

1.2.3 數值模型

通過Modflow有限差分求解數學模型。采用100 m×100 m的網格將整個模型區剖分為226 380個單元，其中模型區單元為125 939個，有效面積為252.4 km2（圖2）。

圖2 模型區有限差分剖分網格圖Fig.2 Finite difference meshing of the model area

1.2.4 模型識別

以2005年和2021年的統測流場作為模型識別的初始流場和模擬末期流場，模擬期為2005年1月——2021年12月；2005年煤礦開采模型區天然地下水流場干擾很小，可視為無煤礦開采干擾的時期；模型識別的中后期，區內煤礦開采強度和采空區面積不斷增大，模型按照煤礦的開采順序，采用變采空區空間步長的方法，模擬逐步加大采空區面積的過程；將地下水各項補給量及開采量等數據加入數值模型，以抽水試驗獲取的水文地質參數為初值，通過調試水文地質參數，對模型識別期溝域內的礦井涌水量、地下水水位、地表水流量的長觀數據以及模擬末期流場等進行模型擬合與分析。

（1）模型區內的16座煤礦（圖1），2013年和2018年實測煤礦群總涌水量分別為12 800，29 300 m3/d；模型模擬的2013年和2018年煤礦群總涌水量分別為12 839，29 341 m3/d，模型模擬與實測總涌水量數據的擬合誤差小。

（2）模型模擬的9#煤礦礦坑涌水量、區域地下水水位、地表水流量以及地下水模擬末期流場見圖3——圖6，模型模擬與實測數據時空變化的總體趨勢一致，各類數據擬合誤差較小。

圖3 9#煤礦礦井實測與計算涌水量擬合曲線Fig.3 Fitting of the measured and calculated water inflow

圖4 模型區代表性地下水水位動態擬合曲線Fig.4 Dynamic fitting of the representative groundwater levels in the model area

圖5 模型區代表性地表水流量動態擬合曲線Fig.5 Dynamic fitting of the representative surface water flow in the model area

圖6 模型區第四系潛水流場擬合圖Fig.6 Diagram showing the Quaternary submersible flow field fitting

由此表明，所建數值模型具有較好的仿真性，可用于研究區內9#煤礦開采區綜采和條帶充填開采的礦坑涌水量預測及其環境影響分析。

模型識別參數：（1）模型區分布有黃土梁崗、沙蓋黃土、沙漠、灘地和河谷等地貌單元。模型識別的大氣降水入滲系數分區值為：黃土梁崗區為0.03，沙蓋黃土區為0.13，沙漠區為0.4，灘地區為0.35，河谷區為0.28。（2）模型區可分為11個水文地質參數分區，模型識別的各分區水文地質參數見表1。

表1 模型區水文地質參數分區與參數值Table 1 Hydrogeological parameter partition and parameter values in the model area

1.3 試驗方案

對于9#煤礦3號煤層，設置2種采礦方案，用數值模型對2種開采方案的礦坑涌水量及地下水水位下降和地下水溢出量等進行預測與分析。

方案1：采用綜采模式開采。采空區全部放頂，煤層采高6.98 m，參照中能榆陽煤礦的實測裂采比27.5，推算采空區導水裂隙帶發育高度為192 m，煤礦開采區上覆基巖厚度為69.53～163.13 m，煤礦開采時礦區導水裂隙帶將與第四系潛水完全溝通。

方案2：采用條帶膏體充填模式開采。每組條帶的開采高度為6.98 m，條帶寬度為6.5 m，條帶之間煤柱間隔為19.5 m，采完條帶后，對每組采空條帶用矸石粉煤灰膏體進行充填。參照溝域東北部12#煤礦充填開采的實測導水裂隙帶發育高度為5 m，作為該方案的導水裂隙帶發育高度。煤礦開采時導水裂隙帶在礦區內全部未導通第四系含水層。

在模型區內共設置模型預測期的區域地下水水位觀測點8個、9#礦區附近地下水水位觀測點6個，模型預測期的觀測點位置見圖3。根據煤礦設計的開采年限，設置模型預測期時長為22 a。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

2.1.1 礦坑涌水量

將地下水流模型識別得到的末流場（圖6）作為各方案預測的初始流場；將模型區的補給項按面源加入模型；計算2種開采方案的9#煤礦涌水量（表2）。方案1，煤礦開采預測期末礦坑涌水量為15 391 m3/d，較預測期初的增加量為6 961 m3/d；方案2，煤礦開采預測期末礦坑涌水量為9 577 m3/d，較預測期初的增加量為1 147 m3/d。

表2 各方案的地下水補排量預測成果Table 2 Prediction results of groundwater recharge and discharge of each scheme /（104 m3·d?1）

2.1.2 地下水水位降深

模型模擬煤礦開采期末2種開采方案的礦區及區域地下水水位降深見圖7。方案1，開采區及附近地下水水位最大降深為17.92 m，區域地下水水位最大降深為0.62 m。方案2，開采區及附近地下水水位最大降深為0.44 m，區域地下水水位最大降深為0.06 m。

圖7 方案1和方案2預測觀測點的地下水降深曲線Fig.7 Groundwater level dropdown of the observation wells under scheme 1 and scheme 2

2.2 試驗結果分析

模型區煤礦群開采狀態下，模型擬合期末（預測期初）溝域內地下水溢出減少量為2.46×104m3/d，占地下水天然溢出量（3.83×104m3/d）的 64.2%；同時，煤礦開采導致區域（長觀孔）地下水水位下降幅度為1.05～6.15 m（圖4）。煤礦群開采對地下水溢出量和地下水水位影響較大，說明溝域內煤礦群開采的影響不可忽視。因此，在研究區內構建模型進行礦井涌水量預測時，應考慮煤礦群開采對地下水環境的改變。

預測方案1，因導水裂隙帶全部溝通了第四系含水層，導致地下水水位大幅下降，進一步激發了河庫水的入滲補給，補給量為988 m3/d；預測方案2，由于充填式開采的導水裂隙帶高度大幅變小，引起的地下水水位降幅較小，并未誘發河庫水的入滲補給。2種預測方案的數值模擬結果均顯示地下水處于負均衡狀態，預測期初的地下水負均衡量（1.33×104m3/d），主要是煤礦群開采涌水量增加，含水層儲存量釋放所致；預測期末的地下水負均衡，是預測期初地下水負均衡狀態的進一步延續。2種方案預測期末地下水負均衡量分別為 1.62×104，1.38×104m3/d；煤礦綜采方式開采進一步加大了地下水的負均衡狀態，而條帶充填開采較之預測期初的地下水均衡狀態的變化并不顯著。

3 討論

為了對比綜采與條帶充填開采對水環境的作用效果，基于煤礦群開采模型的預測成果，分析9#煤礦綜采與條帶充填開采對地下水和地表水的影響。

3.1 礦坑涌水對地下水的影響

（1）地下水水量

根據預測結果，9#煤礦綜采方式的礦坑涌水量的增加量約是充填開采方式的6倍；2種開采方式的預測期末地下水溢出量，較預測初期地下水溢出量（13 700 m3/d）分別減少了 2 000，400 m3/d，綜采方式的地下水溢出量的減少量是充填開采方式的5倍（表3）。充填開采較綜采可以顯著減少煤礦涌水量，可以有效抑制對地下水水位和地下水溢出量的影響。

表3 預測期末煤礦綜采與充填開采預測結果對比Table 3 Comparison of fully mechanized mining and filling mining at the end of the prediction period

（2）地下水水位

研究區內由于煤礦的開采影響地下水徑流的方向，圍繞礦區形成了地下水局部的降落漏斗（圖8）。按綜采方式進行采煤，礦區內地下水水位最大降深為17.92 m，伴隨產生超出礦區范圍的降落漏斗，影響范圍波及附近水庫區，由于導水裂隙帶導通潛水含水層，將造成第四系潛水含水層水位下降或疏干，對第四系潛水有較大的影響；按充填開采方式采煤引發的煤礦涌水，礦區及區域地下水水位降深小于0.44 m，降落漏斗影響范圍多在礦區內部，對礦區外的區域影響很小。

圖8 預測地下水末降深場Fig.8 Groundwater level drawdown field at the end of the prediction period

（3）薩拉烏蘇組含水層地下水水位

研究區內第四系上更新統薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層富水性較強，具有較好的供水意義，對區內生態環境起著支撐作用，煤礦開采引發的地下水滲漏，會對其造成破壞，進而影響生態環境。因此，薩拉烏蘇組是需要重點保護的含水層[20?22]。

根據區內薩拉烏蘇組含水層的地下水水位觀測點（g1、g4——g8、G3、G4）的地下水水位降深可知，方案1的地下水水位下降高度為0.21～0.85 m。煤礦按照綜采方式進行采煤，礦坑涌水對薩拉烏蘇組含水層地下水水位有一定影響；方案2的地下水水位下降高度小于0.11 m，說明采用充填開采方式進行采煤時，礦坑涌水對薩拉烏蘇組含水層地下水水位的影響很小。

3.2 礦坑涌水對地表水的影響

（1）溝域地表水徑流量

2021年2——12月頭道河則溝口的地表水平均流量為6 503.70 m3/d。綜采和充填開采的礦坑涌水，引起的地下水溢出減量占地表水平均流量的比例分別為30.75%、6.15%。綜采方式下，礦坑涌水較大程度地減少了地表水徑流量；條帶充填式開采，礦坑涌水對地表水徑流量的影響程度較低。

（2）水庫庫水

在煤礦附近建有石峁水庫（庫容2 509×104m3）及十八墩水庫（庫容623×104m3）。根據水庫區地下水觀測點G5與G6的統計數據，繪制沿河的地下水水位與河庫水位差值變化曲線，見圖9。按照綜采方式采煤時，石峁水庫區的大部分地段和十八墩水庫區的部分地段以及2個水庫間的部分河段，地下水水位低于水庫水位，說明綜采方式礦坑涌水造成的地下水水位下降將會引起庫水漏失（補給地下水），存在誘發庫水突水的危險；按照充填開采方式采煤時，水庫區及全部河段的地下水水位均高于河庫水位，說明9#煤礦按照充填式方案采煤，礦坑涌水不會對水庫庫水造成影響。

圖9 2種方案地下水水位與河庫水位差值沿河剖面圖Fig.9 Difference in groundwater level and reservoir level along the river

4 結論

（1）煤礦群采時，涌水量主要襲奪地下水溢出量，引起地下水水位的持續下降。因此，在頭道河則溝域內進行涌水量預測時，構建模型必須考慮完整溝域內煤礦群開采對地下水環境的整體影響。

（2）9#煤礦開采的預測期末，條帶膏體充填開采的礦井涌水增加量約為綜采的1/6，說明條帶充填開采可有效地降低導水裂隙帶高度和大幅度減少煤礦涌水量。

（3）9#煤礦3號煤層上方覆巖厚度小，以綜采方式采煤，導水裂隙帶將導通潛水含水層，產生的礦井涌水量對礦區及區域水環境造成一定程度的破壞；若煤層以充填方式開采，礦坑涌水量對礦區及區域水環境影響較小。因此，建議煤礦企業在煤層覆巖厚度較薄且地表需要進行重要保護的地段進行采煤時，應對煤礦采取充填方式開采。

致謝：該研究的地下水監測數據由中國地質環境監測院的國家地下水監測工程項目提供，在此表示真摯的感謝！