采煤对小保当井田地下水资源影响数值模拟研究.pdf
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1、收稿日期:基金项目:榆北煤业科研项目();陕煤联合基金项目();陕西省科技厅中央引导地方科技发展专项资金计划项目()作者简介:杨征(),男,陕西神木人,硕士,高级工程师,现从事煤矿管理及生产工作。采煤对小保当井田地下水资源影响数值模拟研究杨征,雷方超,薛晓强,乔永力,徐裴,李慧(陕西小保当矿业有限公司,陕西 榆林 ;西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 )摘要:在煤炭开采影响下地下水系统的补径排条件势必发生变化,导致区域地下水动力循环特征复杂化,分析确定采煤引起的地下水位变幅及漏失量是探究煤矿开采 地下水 生态环境互馈响应机制的关键。以榆神矿区小保当井田为例,采用 建立区域地下水流数值模型
2、,并通过长观孔水位动态监测资料对模型进行识别和验证,预测分析煤炭开采影响下第四系及侏罗系风化基岩含水层水位及水量的变化规律。模拟结果表明,采煤影响下第四系水位和侏罗系风化基岩含水层水位出现不同程度下降,但幅度较小,小保当二号井开采 末潜水最大水位降深 ,潜水漏失量约为 万 ,占矿井涌水量的 ,风化基岩水位降深 。该结果可为煤矿开采对地下水影响的研究及矿区生态环境保护提供借鉴。关键词:煤炭开采;地下水位;漏失量;数值模型中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:;引言地下水是联结地质环境与生态环境的重要纽带,具有非常重要的资源功能和生态功能 。煤矿开采不可避免地会对区域地下水流场、
3、水资源量杨征雷方超薛晓强等采煤对小保当井田地下水资源影响数值模拟研究 年及水化学特征造成影响,尤其是水位下降引起的地下水降落漏斗、地面沉降及地裂缝等环境水文地质问题给煤矿安全生产、水源地保护及区域植被生态带来了较大威胁 。煤炭开采及地下水相关研究是矿井水害防治和生态及地质环境保护的研究基础,基于煤炭作为基础能源的现实状况,国内外学者对煤炭开采对地下水资源的影响进行了一系列研究。等 运用同位素地球化学模型定量分析了地下水对河流的贡献,得出与煤层气和煤矿开采有关的地下水排水会导致地下水对河流补给量减少;等 基于地下水数值模拟模型研究了澳大利亚大自流河水文地质盆地下深层煤炭资源开发对地下水的潜影响,
4、发现在 尺度以上单个采煤点造成的地下水位下降不显著,最大水位降深仅为 ;范立民等 探讨榆神府矿区高强度煤层开采对地下水的影响,认为矿区地下水位下降的主要原因是高强度煤层开采导致的,而导水裂隙带和含水层特征是控制地下水位变幅和影响范围的关键;董震雨等 以杭来湾煤矿为例,识别分析煤矿开采对榆溪河地下水资源的影响,结果表明杭来湾井田首采区对地下水资源量破坏较大,但对地下水质影响较小;赵春虎、虎维岳等 以蒙陕矿区为研究对象,探究了煤炭开采对地下水系统的扰动机制,并对扰动程度进行了定量评价,认为西部矿区煤炭开采活动对水文地质结构的扰动而导致水动力要素的响应是区域地下水环境演变的根本原因;此外,陈维池、武
5、强、侯恩科等 分别基于地下水循环及采煤覆岩破坏对煤层开采影响下地下水资源及其赋存条件的变化规律进行研究。榆神矿区是陕北能源基地的核心组成部分,矿区内小保当井田内含有臭柏保护区、居民点、水源地等重要的环境保护目标,并且区内地下水资源匮乏,生态环境脆弱,地质环境对于地下水有很强的依赖性。笔者以小保当煤矿为研究对象,基于地下水流数值模型定量和定性分析采煤排水过程对区域地下水位动态及水资源量的影响,以期为矿区煤水协调开采、煤炭开采影响下地下水环境及植被生态环境保护提供科学依据和技术借鉴。水文地质概况小保当井田位于陕北黄土高原榆神矿区期规划区东北部,毛乌素沙漠东南缘,如图 所示。大部分地域被第四系风积半
6、固定沙丘和固定沙丘所覆盖,以风蚀风积沙漠丘陵地貌为主,地形总的趋势为西南部高东北部低。井田主要含水层可划分为第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层、风化基岩基岩孔隙裂隙承压水含水层、侏罗系中统安定组、直罗组、延安组基岩裂隙承压水含水层。其中松散层孔隙潜水含水层和风化基岩裂隙承压含水层是井田范围内的主要含水层,主要隔水层为新近系保德组红土,如图 所示。图 小保当井田位置?图 研究区水文地质剖面 第 期杨征雷方超薛晓强等采煤对小保当井田地下水资源影响数值模拟研究?秃尾河流域和榆溪河流域的分水岭在井田范围内由西北向东南展布,分水岭以西为榆溪河的支流五道河流域,分水岭以东为秃尾河流域。分水岭东部地下水
7、由西南向东北方向径流,并在下游黑龙沟转化为地表水排泄;分水岭以西潜水总体由东南向西北方向径流,沿隔水界面向低凹带汇集,在井田外围向榆溪河的支流五道河转化为地表水排泄。补给区与排泄区的地形高差大,补给区地下水垂直入渗后向径流区运移时,水力坡度大;至径流排泄区,水力坡度变缓。水文地质概念模型 模拟范围和边界条件概化小保当井田除井田内分水岭外井田周围无明显天然水文边界,考虑井田及周边的地形地貌、水文地质条件以及潜水含水层的流场分布情况等综合因素确定模拟区边界,模拟区东西最长达 ,南北最宽达 ,总面积约为 。潜水含水层边界条件划分如图 所示,边界类型划分如下:边界为秃尾河及其支流,概化为河流边界;边界
8、近似沿一条流线布置,概化为零流量边界;边界为排泄边界,将其概化为 定水头边界;边界与等水头线近似正交,将其概化为零流量边界;边界评价区地下水存在着不同程度的径流排泄,将其概化为二类排泄流量边界;边界近似沿一条流线布设,将其概化为零流量边界。对于承压含水层,根据模拟区承压含水层的初始流场图,大部分边界均存在着不同程度的对地下水的径流排泄,均概化为二类流量边界。?图 模型范围及边界类型划分 含水层概化根据模拟区地层、岩性、含水孔隙特征、渗透系数及埋藏条件,在垂向上将模拟区地下水系统概化为 层,如图 所示。第四系孔隙潜水含水层;新近系保德组红土隔水层;侏罗系中统安定组风化基岩基岩裂隙承压水含水层;侏
9、罗系中统安定组基岩裂隙承压水含水层;侏罗系中统直罗组泥岩粉砂岩弱透水层;侏罗系中统直罗组基岩裂隙承压水含水层;侏罗系中统延安组泥岩粉砂岩弱透水层;煤层以上侏罗系中统延安组基岩裂隙承压水含水层;侏罗系中统延安组 煤层含水层;煤层以下侏罗系中统延安组基岩裂隙承压水含水层(煤层向下取 )。?图 模拟区三维空间结构示意 地下水流数学模型根据模拟区水文地质条件概化和含、隔水层岩性特征,将模拟区地下水流确定为一个非均质、各向同性、空间三维结构、非稳定渗流,其数学模型表达式为 ()()(),;(,)(,)(,),;,;(),;()潜水面边界,陕西煤炭 年式中,为渗流区域;(,)为含水层水位标高,;为含水层的
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