基于不同开采方式的煤矿涌水量预测及其环境影响分析

韦华鹏，罗奇斌,2，康卫东,2，张子琛

（1.西北大学地质学系, 陕西 西安 710069；
2.西北大学大陆动力学国家重点实验室, 陕西 西安 710069）

煤矿开采过程中矿井涌水，不仅会对矿区水资源与水环境造成一定程度的破坏，而且还会对矿井安全生产构成威胁。煤矿开采造成的顶板冒裂而引起地下水漏失或疏干，会引发地下水水位下降、泉水断流、地表径流减少等一系列水环境问题[1−3]，还可能诱发突水事故。因此，开展煤矿涌水量预测对煤矿设计和煤矿水害防治工作十分必要[4−5]。

目前，我国在煤矿水害防治过程中，形成了如解析法、比拟法、数值法、神经网络法等许多矿井涌水量预测的方法[6−9]。陈酩知等[10]对各种煤矿涌水量方法的适用性进行了评价，并提出了煤矿涌水量预测方法和新技术结合的展望。李超峰等[11]提出了煤矿开采过程的渐进式时空动态涌水量预测方法，并对高家堡矿井涌水量进行预测，预测结果精度较高。黄欢[12]对煤矿涌水量的预测方法进行了分析与总结，认为数值模拟以其较高的预测精度、较宽的适用范围成为预测矿井涌水量的主要发展趋势。侯恩科等[13]基于GMS构建了柠条塔煤矿地下水数值模型，研究了区内火烧岩下矿井涌水量随回采过程的动态变化。刘基等[14]基于Modflow模拟了葫芦素煤矿涌水量随开采进度的动态变化。宫厚健等[15]通过改变初始流场研究了不同采掘顺序煤矿涌水量。但以往利用数值法预测煤矿涌水量，大多直接对单一煤矿开采进行预测与分析，没有很好地重视沟域内煤矿群长时间开采对地下水环境共同作用的影响，因不能客观地模拟地下水的激励因素及其响应关系，导致其预测结果误差较大。

条带膏体充填是将条带开采和充填技术有机结合起来，对采空区进行条带式部分充填的煤矿开采工艺[16−17]。通过抑制煤层顶底板的大幅冒落与塌陷等危害，有效地控制地表沉陷、减小矿坑涌水量，该项技术在国内外得到广泛的推广[18]。我国对条带膏体充填技术研究起步较晚，但经过多年的研究和探索，逐渐形成了一个完整体系，得到了各类煤矿企业的认可与应用[19]。但是有关条带膏体充填开采的煤矿涌水量研究还较少。

据此，本文以头道河则沟域煤田为例，构建了沟域地下水流数值模型，模拟沟域煤矿群开采（综采方式）矿井涌水量与地下水水位下降过程。预测了9#煤矿综采和条带膏体充填开采的煤矿涌水量，分析不同开采方式矿井涌水对水环境的影响，为煤田的矿井涌水防治以及区域煤矿采煤方式的选择提供了科学依据。

1.1 研究区概况

头道河则流域位于榆溪河东侧，属于毛乌素沙漠南缘与陕北黄土高原接壤地带，研究区水文地质图及剖面图，见图1。区内地表绝大部分被第四系全新统风积沙所覆盖，地层岩性主要为：侏罗系中统延安组砂泥岩（J2y）、直罗组砂质泥岩（J2z）、新近系静乐组红黏土（N2j）、中更新统离石组黄土（Q2l）、上更新统萨拉乌苏组砂土（Q3s）及全新统粉细砂（Q4）。研究区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙潜水以及碎屑岩类风化壳裂隙潜水与碎屑岩类裂隙承压水。研究区分布有16座煤矿，9#煤矿位于头道河则沟域群矿的中心部位，靠近河流与地表水体（石峁水库），存在突水风险，该煤矿开采时间长，积累了长序列矿井涌水量等资料，因此将9#煤矿选择为典型矿进行研究。煤矿可采煤层为延安组第三段顶部3号煤层，层位稳定厚度大。矿坑直接充水水源为煤层顶板基岩裂隙水，间接充水水源为上覆松散层潜水。

图1 研究区水文地质图和水文地质剖面图Fig.1 Hydrogeological map and hydrogeological profile of the study area

1.2 模型建立

1.2.1 水文地质概念模型

依据头道河则沟域水文地质条件，综合考虑9#煤矿开采范围和周围水环境特征等因素，确定以沟域外围地下水分水岭围闭区域为模型区范围，面积为453.07 km2，以潜水面为模型区顶界、以3号煤层底板为模型底界。位于流域下游的西南边界，远离煤矿开采区，为沟域地表水与地下水的总出口，是地下水排泄基准面，该处地下水水位比较稳定。为了便于数值模型的计算，综合考虑研究区煤层开采和其顶板冒裂情况，地层结构自上而下划分为5层：①第四系萨拉乌苏组及黄土层，②新近系红色黏土层，③导水裂隙带之上侏罗系砂泥岩层，④导水裂隙带及其两侧的侏罗系砂泥岩层，⑤3号煤层分布区及其采空区。

模型区潜水补给项主要为大气降水、凝结水和农灌回归水以及地表积水的入渗补给；
在煤炭开采状态下，还可能存在激发河库水的入渗补给。潜水排泄项主要是潜水蒸发蒸腾、沿河的地下水溢出、地下水开采、矿坑涌水及向下游边界处的地下水侧向径流。降水入渗等面状补给采用Recharge模块处理，将补给量作用于最上一层活动单元；
采用River模块模拟地下水溢出或河库水入渗，地下水蒸发及地下水开采分别采用模型中的ET模块和Well模块处理；
地下水侧向径流排泄量，模型依据Darcy公式计算。

1.2.2 数学模型

根据研究区水文地质概念模型，其地下水流数学模型为：

式中：H——地下水水位标高/m；

Hr——河库水位标高/m；

μ——潜水含水层给水度/m−1；

Ss——承压含水层弹性释水率/m−1；

Q——水井开采量/（m3·d−1）；

W——矿坑涌水量/（m3·d−1）；

δ——δ函数（分别对应水井、坑道位置坐标）；

h0——初始水位标高/m；

h1——排泄基准面水位标高/m；

Qr——河库水入渗量或地下水溢出量/（m3·d−1）；

A——河库水区计算面积/m2；

Kr——河库床淤积层渗透系数/（m·d−1）；

Mr——河库床淤积层厚度/m；

ε——潜水面垂向交换量/（m3·d−1·m−2）；

Ω——计算区范围。

1.2.3 数值模型

通过Modflow有限差分求解数学模型。采用100 m×100 m的网格将整个模型区剖分为226 380个单元，其中模型区单元为125 939个，有效面积为252.4 km2（图2）。

图2 模型区有限差分剖分网格图Fig.2 Finite difference meshing of the model area

1.2.4 模型识别

以2005年和2021年的统测流场作为模型识别的初始流场和模拟末期流场，模拟期为2005年1月——2021年12月；
2005年煤矿开采模型区天然地下水流场干扰很小，可视为无煤矿开采干扰的时期；
模型识别的中后期，区内煤矿开采强度和采空区面积不断增大，模型按照煤矿的开采顺序，采用变采空区空间步长的方法，模拟逐步加大采空区面积的过程；
将地下水各项补给量及开采量等数据加入数值模型，以抽水试验获取的水文地质参数为初值，通过调试水文地质参数，对模型识别期沟域内的矿井涌水量、地下水水位、地表水流量的长观数据以及模拟末期流场等进行模型拟合与分析。

（1）模型区内的16座煤矿（图1），2013年和2018年实测煤矿群总涌水量分别为12 800，29 300 m3/d；
模型模拟的2013年和2018年煤矿群总涌水量分别为12 839，29 341 m3/d，模型模拟与实测总涌水量数据的拟合误差小。

（2）模型模拟的9#煤矿矿坑涌水量、区域地下水水位、地表水流量以及地下水模拟末期流场见图3——图6，模型模拟与实测数据时空变化的总体趋势一致，各类数据拟合误差较小。

图3 9#煤矿矿井实测与计算涌水量拟合曲线Fig.3 Fitting of the measured and calculated water inflow

图4 模型区代表性地下水水位动态拟合曲线Fig.4 Dynamic fitting of the representative groundwater levels in the model area

图5 模型区代表性地表水流量动态拟合曲线Fig.5 Dynamic fitting of the representative surface water flow in the model area

图6 模型区第四系潜水流场拟合图Fig.6 Diagram showing the Quaternary submersible flow field fitting

由此表明，所建数值模型具有较好的仿真性，可用于研究区内9#煤矿开采区综采和条带充填开采的矿坑涌水量预测及其环境影响分析。

模型识别参数：（1）模型区分布有黄土梁岗、沙盖黄土、沙漠、滩地和河谷等地貌单元。模型识别的大气降水入渗系数分区值为：黄土梁岗区为0.03，沙盖黄土区为0.13，沙漠区为0.4，滩地区为0.35，河谷区为0.28。（2）模型区可分为11个水文地质参数分区，模型识别的各分区水文地质参数见表1。

表1 模型区水文地质参数分区与参数值Table 1 Hydrogeological parameter partition and parameter values in the model area

1.3 试验方案

对于9#煤矿3号煤层，设置2种采矿方案，用数值模型对2种开采方案的矿坑涌水量及地下水水位下降和地下水溢出量等进行预测与分析。

方案1：采用综采模式开采。采空区全部放顶，煤层采高6.98 m，参照中能榆阳煤矿的实测裂采比27.5，推算采空区导水裂隙带发育高度为192 m，煤矿开采区上覆基岩厚度为69.53～163.13 m，煤矿开采时矿区导水裂隙带将与第四系潜水完全沟通。

方案2：采用条带膏体充填模式开采。每组条带的开采高度为6.98 m，条带宽度为6.5 m，条带之间煤柱间隔为19.5 m，采完条带后，对每组采空条带用矸石粉煤灰膏体进行充填。参照沟域东北部12#煤矿充填开采的实测导水裂隙带发育高度为5 m，作为该方案的导水裂隙带发育高度。煤矿开采时导水裂隙带在矿区内全部未导通第四系含水层。

在模型区内共设置模型预测期的区域地下水水位观测点8个、9#矿区附近地下水水位观测点6个，模型预测期的观测点位置见图3。根据煤矿设计的开采年限，设置模型预测期时长为22 a。

2.1 试验结果

2.1.1 矿坑涌水量

将地下水流模型识别得到的末流场（图6）作为各方案预测的初始流场；
将模型区的补给项按面源加入模型；
计算2种开采方案的9#煤矿涌水量（表2）。方案1，煤矿开采预测期末矿坑涌水量为15 391 m3/d，较预测期初的增加量为6 961 m3/d；
方案2，煤矿开采预测期末矿坑涌水量为9 577 m3/d，较预测期初的增加量为1 147 m3/d。

表2 各方案的地下水补排量预测成果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

模型模拟煤矿开采期末2种开采方案的矿区及区域地下水水位降深见图7。方案1，开采区及附近地下水水位最大降深为17.92 m，区域地下水水位最大降深为0.62 m。方案2，开采区及附近地下水水位最大降深为0.44 m，区域地下水水位最大降深为0.06 m。

图7 方案1和方案2预测观测点的地下水降深曲线Fig.7 Groundwater level dropdown of the observation wells under scheme 1 and scheme 2

2.2 试验结果分析

模型区煤矿群开采状态下，模型拟合期末（预测期初）沟域内地下水溢出减少量为2.46×104m3/d，占地下水天然溢出量（3.83×104m3/d）的 64.2%；
同时，煤矿开采导致区域（长观孔）地下水水位下降幅度为1.05～6.15 m（图4）。煤矿群开采对地下水溢出量和地下水水位影响较大，说明沟域内煤矿群开采的影响不可忽视。因此，在研究区内构建模型进行矿井涌水量预测时，应考虑煤矿群开采对地下水环境的改变。

预测方案1，因导水裂隙带全部沟通了第四系含水层，导致地下水水位大幅下降，进一步激发了河库水的入渗补给，补给量为988 m3/d；
预测方案2，由于充填式开采的导水裂隙带高度大幅变小，引起的地下水水位降幅较小，并未诱发河库水的入渗补给。2种预测方案的数值模拟结果均显示地下水处于负均衡状态，预测期初的地下水负均衡量（1.33×104m3/d），主要是煤矿群开采涌水量增加，含水层储存量释放所致；
预测期末的地下水负均衡，是预测期初地下水负均衡状态的进一步延续。2种方案预测期末地下水负均衡量分别为 1.62×104，1.38×104m3/d；
煤矿综采方式开采进一步加大了地下水的负均衡状态，而条带充填开采较之预测期初的地下水均衡状态的变化并不显著。

为了对比综采与条带充填开采对水环境的作用效果，基于煤矿群开采模型的预测成果，分析9#煤矿综采与条带充填开采对地下水和地表水的影响。

3.1 矿坑涌水对地下水的影响

（1）地下水水量

根据预测结果，9#煤矿综采方式的矿坑涌水量的增加量约是充填开采方式的6倍；
2种开采方式的预测期末地下水溢出量，较预测初期地下水溢出量（13 700 m3/d）分别减少了 2 000，400 m3/d，综采方式的地下水溢出量的减少量是充填开采方式的5倍（表3）。充填开采较综采可以显著减少煤矿涌水量，可以有效抑制对地下水水位和地下水溢出量的影响。

表3 预测期末煤矿综采与充填开采预测结果对比Table 3 Comparison of fully mechanized mining and filling mining at the end of the prediction period

（2）地下水水位

研究区内由于煤矿的开采影响地下水径流的方向，围绕矿区形成了地下水局部的降落漏斗（图8）。按综采方式进行采煤，矿区内地下水水位最大降深为17.92 m，伴随产生超出矿区范围的降落漏斗，影响范围波及附近水库区，由于导水裂隙带导通潜水含水层，将造成第四系潜水含水层水位下降或疏干，对第四系潜水有较大的影响；
按充填开采方式采煤引发的煤矿涌水，矿区及区域地下水水位降深小于0.44 m，降落漏斗影响范围多在矿区内部，对矿区外的区域影响很小。

图8 预测地下水末降深场Fig.8 Groundwater level drawdown field at the end of the prediction period

（3）萨拉乌苏组含水层地下水水位

研究区内第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层富水性较强，具有较好的供水意义，对区内生态环境起着支撑作用，煤矿开采引发的地下水渗漏，会对其造成破坏，进而影响生态环境。因此，萨拉乌苏组是需要重点保护的含水层[20−22]。

根据区内萨拉乌苏组含水层的地下水水位观测点（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为0.21～0.85 m。煤矿按照综采方式进行采煤，矿坑涌水对萨拉乌苏组含水层地下水水位有一定影响；
方案2的地下水水位下降高度小于0.11 m，说明采用充填开采方式进行采煤时，矿坑涌水对萨拉乌苏组含水层地下水水位的影响很小。

3.2 矿坑涌水对地表水的影响

（1）沟域地表水径流量

2021年2——12月头道河则沟口的地表水平均流量为6 503.70 m3/d。综采和充填开采的矿坑涌水，引起的地下水溢出减量占地表水平均流量的比例分别为30.75%、6.15%。综采方式下，矿坑涌水较大程度地减少了地表水径流量；
条带充填式开采，矿坑涌水对地表水径流量的影响程度较低。

（2）水库库水

在煤矿附近建有石峁水库（库容2 509×104m3）及十八墩水库（库容623×104m3）。根据水库区地下水观测点G5与G6的统计数据，绘制沿河的地下水水位与河库水位差值变化曲线，见图9。按照综采方式采煤时，石峁水库区的大部分地段和十八墩水库区的部分地段以及2个水库间的部分河段，地下水水位低于水库水位，说明综采方式矿坑涌水造成的地下水水位下降将会引起库水漏失（补给地下水），存在诱发库水突水的危险；
按照充填开采方式采煤时，水库区及全部河段的地下水水位均高于河库水位，说明9#煤矿按照充填式方案采煤，矿坑涌水不会对水库库水造成影响。

图9 2种方案地下水水位与河库水位差值沿河剖面图Fig.9 Difference in groundwater level and reservoir level along the river

（1）煤矿群采时，涌水量主要袭夺地下水溢出量，引起地下水水位的持续下降。因此，在头道河则沟域内进行涌水量预测时，构建模型必须考虑完整沟域内煤矿群开采对地下水环境的整体影响。

（2）9#煤矿开采的预测期末，条带膏体充填开采的矿井涌水增加量约为综采的1/6，说明条带充填开采可有效地降低导水裂隙带高度和大幅度减少煤矿涌水量。

（3）9#煤矿3号煤层上方覆岩厚度小，以综采方式采煤，导水裂隙带将导通潜水含水层，产生的矿井涌水量对矿区及区域水环境造成一定程度的破坏；
若煤层以充填方式开采，矿坑涌水量对矿区及区域水环境影响较小。因此，建议煤矿企业在煤层覆岩厚度较薄且地表需要进行重要保护的地段进行采煤时，应对煤矿采取充填方式开采。

致谢：该研究的地下水监测数据由中国地质环境监测院的国家地下水监测工程项目提供，在此表示真挚的感谢！