新疆大南湖北露天煤矿首采区Ⅲ火烧区地下水资源的数值模拟_孙德全.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116 Vol. 42 No.4 Aug. 2014 摘要大南湖北露天煤矿首采区东南部需要揭露皿火烧岩区一部分，这使得烧变岩水成为露天煤 矿矿井元水的主要水源．资源勘探阶段的水文地质资料表明，烧变岩区赋水空间发育、透水能力 强，储存量非常可观，但由于受资源、勘探阶段水文地质勘探工程量和l约，水文地质条件未能详细 查明，现有水文地质成果尚不能满足首采区对烧变岩水疏排设计的要求．对烧变岩地下水资源、进 行模拟开采性抽水试验，获取III火烧区的水文地质参数，利用数值模拟的方法，运用MODFLOW 软件建立了III火烧区地下水数值模型，并模拟计算出了III火烧区地下水储存量．经验证，本次模 拟所取得成果与煤矿实际情况相符，能够作为 首禾区矿坑疏排水设计依据． 关键词煤矿；火烧区；地下水数值模拟；地下水储存量 中图分类号.P641.8 文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.l001-1986.2014.04.014 The numerical simulation of groundwater resources in burnt zone of the first mining area III in Dananhu northern surface mine of Xinjiang I I 2 SUN Dequan1, LU Mengsheng’ ,ZHANG Zhaomin I. Shandong Province Research Institute of Coal Geology Planning and Exploration, Taian 271000, China; 2. College of Enνironment burnt area; numerical simulation of groundwater; groundwater reserves 大南湖煤矿区位于新疆哈密市西南，距哈密市 区约84km ，总面积240.73km2，以42。20’17”纬线 将探矿权分为南北两个区，纬线以北为一区、以南 为二区。一区又以13勘探线划分为东、西两个井田， 以东为一井田、以西为二井田。大南湖矿区北露天 煤矿位于二井田北部，为原二井田范罔内的一部分， 首采区位于开采境界内的东南部临近日I号火烧区的 位置（图1）。 收稿日期2013-02-26 北露天煤矿位于残丘台地区，特点是残丘山体 山低而散乱，山顶浑圆，相对高差不大，干谷宽阔， 台地台面较平坦，地表被残积、坡积的岩屑层所覆 盖，通称戈壁（南湖戈壁）。工作区及其他周边50km 范围内元地表水系，也无其他地表水体。地势总体 北部、西部高，中部及东南部低，区内海拔高度 421 .30 564.10 m，地形高差最大142.8m，最高 点位于井田东北部，坡度150-300，属低山丘陵区。 作者简介孙德全（1982一），男，辽宁海城人，大学，工程师．从事煤田水文地质工作 ChaoXing 第4期孙德全等新疆大南湖北露天煤矿首采区III火烧区地下水资源的数值模拟 65 Tτl「 l t l /I ｜〕ζ；二1-1-1-1一1-J CJ bd [ID tSSJ 匡卫 探矿权范｜市｜二井ω范附－jj工山范闸北露天井ω范闸川火烧区 罔l北露天煤矿与大南湖矿区探矿权关系 矿区总体为一南倾的单斜构造，叠加次一级宽 缓梢曲，断裂构造不甚发育，井田中部地层平缓， 倾角30左右，西北、南部井田边界处地层较陡，西 北部一般在5。～10。，南部局部N7-8-ZK7-5间）地 层倾角达21。。井回南部发现断层4条，落差均不大 于30m。总体上，构造复杂程度中等偏简单。保罗 系中统西山窑组中段J2x2）为本矿区主要含煤地层。 哈密地区是全国少降水地区之一，降水量不足 40 mm/a，平均蒸发量3064.3 mm/a，最大4169.1 mm/a, 蒸发量是降水量的80倍以上。 根据勘探区水文地质条件和开采方案，在露 天开采的首采区东南部需要揭露一部分火烧岩 区，这使得烧变岩水成为露天煤矿矿井充水的主 要水源。资源勘探阶段的水文地质资料表明，烧 变岩区赋水空间发育、透水能力强，储存量非常 可观，但由于受资源勘探阶段水文地质勘探工程 量制约，水文地质条件未能详细查明。本文试图 在专门水文地质补充勘探阶段，结合实地调查所 掌握的资料，模拟开采性抽水试验，获取III火烧 区的水文地质参数，计算皿火烧区地下水储存量； 对火烧区地下水进行疏干模拟计算，为制定疏排 水方案提供依据。 1 矿区水文地质条件 1.1 含（隔）水层 矿区内地层由老至新出露有保罗系下统三工 河组（J1s） 、保罗系中统西山窑组J2x）、头屯河组J2t）、 古近系、新近系、第四系。区内含水层划分第四 系上更新统风积透水不含水层、第四系上更新统洪 积透水不含水层、保罗系中统头屯河组弱含水层组、 保罗系中统西山窑组上段弱含水层组、保罗系中统 西山窑组中段弱含水层组、保罗系中统西山窑组下 段弱含水层组、烧变岩浅部透水不含7_}及深部含水 层组。隔水层西山窑组上段泥岩、粉砂岩占该组 厚度36～86，平均65；西山窑组中段泥岩、粉 砂岩占该组厚度19～61，平均55，它们与砂砾 岩含水层相间分布，均能起到良好的隔水作用，阻 隔了各含水层间的水力联系［I］。 1.2 地下水的补给、径流和排泄 本区为典型的大陆温带极干旱气候区，通常情 况下由于蒸发量远大于降水量，大气降水的补给极 微弱，但在极端降水条件下，大气降水可在短期内 形成有效地地面径流和一定范围的地面积水，大气 降水对地下水具有较大的补给能力。 煤系地层砂砾岩含水层组与烧变岩含水层为大 南湖矿区主要的含水层，也是影响煤炭资源安全开 采的主要充水含水层。根据历次勘探抽水试验成果， 煤系地层砂砾岩含水层的水位标高为388.39～ 402.21 m，而III火烧区水位标高为406.64-406.97m。 抽水试验资料表明，III火烧区水位高于煤系地层含 水层水位，III火烧区含水层是其它各水层的补给源。 烧变岩含水层处于极干旱气候区．大气降水的 补给极微弱，其下伏及侧向均为煤系地层极弱含水 层，得到外部补给的能力也非常弱，与外部进行水 量交换的能力极差，因而可确定为补给缺乏，径流 缓慢，人工排泄为其唯一排泄方式的封闭、独立的 含水层系统。 1.3 皿火烧区水文地质条件 III火烧区位于井田东南部，火烧区面积4.55阳i2’ 其中进入北露天开采范罔的面积为0.48km2。烧 变岩从岩心上看，多易破碎，岩块呈蜂窝状，由 于该区位于原二井田地形上的最低点，是地表径 流的汇水区，地面标高413-430m，因此受大气 降雨和汇水补给，成为富水区。火烧区有16个钻 孔揭露，底板标高187.61～393.04m ，厚度 12.85188.22 m，潜水位以下平均厚度83.80m。 漏水孔率63，区内有2个抽水钻孔，2006年和 2009年观测水位分别为407.84m和406.31m（初 始静水位407.88时，比较接近，说明动态变化不 大。其水位埋深受地形影响变化较大，简易水文 观测表明7位埋深6.88～38.75m，但水位标高基 本一致，漏水孔水位标高基本在405-410m。含水 层单位涌水量0.449～7.536L/sm），矿化度15.38～ ChaoXing 66 煤田地质与勘探第42卷 16.5 g/L，水化学类型为ClNa 、CIS04-Na型。 硫酸根含量比例全区最高，矿化度最低，说明该 区为地下水补给区［2］。 2 群孔抽水试验 本次群孔抽水试验布置抽水主孔3个；皿火烧 区观测孔12个，孔号分别为Sl、S2、S4、S5、S6、 S7、S8、S9、N9-14、Nl0-13。本次群孔抽水试验26d, 总排水量208337.25 m3，抽水试验质量为优质。 3 群井抽水试验数值模拟 采用井流解析解方法，初步估算烧变岩水文地 质参数，做为数值模拟参数值的初始值。潜水完整 井在降深不大情况下，即s主三O.IH0，的为含水层厚 度，可用承压水井非稳定流Theis公式作近似计算［3］。 此次抽水试验降深不大（Zl、Z3、Z2孔降深分别 为8.424m、1.27m、1.13m），远小于火烧区烧变 岩厚度（平均l13 m），因此可用完整井承压水非稳 定井流公式，采用修正降深，直接利用Theis公式 计算 s’ s ＿＿二＝豆－Wu 2H0 4πT 式中Q为抽水井流量，Wu）为井函数，T为含水层 的导水系数。 抽水试验过程中，各观测孔最大降深不超过lm, 远小于烧变岩厚度，因此所用公式与Theis完全相同 s’＝s＝磊Wu 附） -0.57721川uu-1（－l）＂扛u＝话 式中s为抽水影响范围内任一点任一时刻的水位降 深；t为自抽水开始到计算时刻的时间；r为计算点 到抽水井的距离；μ为给水度；K为渗透系数。 各观测孔抽水时段数据计算T、μ及降深残差均 方根值见表l。 综合考虑降深历时曲线的拟合效果，抽水数据 计算的水文地质参数做为后续数值模型的初始值， 绘制观测降深与计算降深拟合曲线图（图2）。研究区 地下水位下烧变岩平均厚度Bl13 m，渗透系数 KTIB7.56口lihl81.52口lid。 整个抽水试验期间，根据水表读数得到抽水体 积共计203640 m3，研究区面积4445 200 d，平均 V 203640 降深0.5m，给水度μ＝一一一＝0.092 . Ax l,.h 44452000.5 与两次计算结果一致，平均给水度取0.1。 表1各观现Jj孔抽水时段数据计算T、μ及 降深残差均为根值 Table I The data of observation wells during pumping 观测孔 l245 c003。303 S6 S7 S8 S9 N9-14 NI0-13 均值 T /m2h1 768.6 792.l 408.3 1072.3 1264.5 1289.5 913.4 2234 410.4 519.5 854.68 4 抽水试验丰莫拟 μ RMS 0.02 0.002 7 0.041 。.0120 0.203 0.004 3 0.035 。0049 0.052 0.004 4 。.0600.005 2 0.023 0.005 8 0.042 0.007 3 。1090.006 3 0.378 0.010 9 0.098 8 以整个III火烧区为模拟范围，利用得到水文地 质参数为初始值，模拟群孔抽水试验。MODFLOW 网格东西向5000 m，南北向3000 m。III火烧区外 单元格作无效化处理。 4.1 模型概化 根据III火烧区水文地质特征和地下水补径排 条件，研究区含水层结构可作如下概化 研究区含水层为单层潜水含水层，烧变岩裂隙 发育，相似地区烧变岩裂隙率可达30[4］，因此可 做为孔隙含水层处理。考虑到求解参数是为了以后 的地下水资源评价，特定水头边界不能定为定水头 边界，也不能定为定流量边界。因为定水头边界会 增大其水量，定流量边界会减小其水量，在抽水过 程中会有其他的补给来源，所以把边界定为通用水 头边界，这也是软件中特有的边界［5］。模型边界处 理成通用水头边界，边界流量通过模型校准得到。 模型底部边界概化为隔水边界。 4.2 数学模型及计算机软件 上述地下水流概念模型可用如下微分方程的定 解问题描述 fθh lδ｛δh, ah --I Kxh z）一｜＋一IKν（h-z）一lq.,,Sv一 δX Aδx 8y\._ Y句p n at hx,y,zH tO δh I h,, -h ｜「＝K ，一－x,y,zεr “ an i 3 式中h为含水层水位标高；凡、几分别为水平方向 渗透系数；H为模型初始水头分布；F为模型边 界；如为抽水井流量。 ChaoXing 第4期孙德全等新疆大南湖北露天煤矿首采区m火烧区地下水资源的数值模拟 67 nu 01 234567 nununUA UAUAUAU 主运这UA 气军 -SI观jJlj值 一计算值 I 00 200 300 400 500 600 700 800 900 A tliJlh 0 0.1 主0.2 4平0.3 乓0.4 量。5 0.6 0.7 O 100 200 300 400 500 600 700 800 900 AtliJlh AU HUI‘94、JA吨，、J瓦U7’ nUAUAUAUAUAUnu E＼咀住这迟早一年 -SS观测值 一计算值 I 00 200 300 400 500 600 700 800 900 AJ“liJlh 。 0.1 -€ 02 运0.3 泣0.4 三0.5 0.6 0 70 -S4观j目lj值 计算值 I 00 200 300 400 500 600 700 800 900 A tf11J/h 0 0.1 -€ 02 恙。3 泣。4 专0.5 2军0.6 0.7 O I 00 200 300 400 500 600 700 800 900 时ji1J/h -s6观测值 计算值 nυ nutt、，－句3A忡，3ζU叮J nunUAUAUAUAUAU E＼运没－uT冉冉 nu nυ’t、，．句3A－Y气JζU吁， nununununununu 主运泣M 专王仲 nu nvI』、，伽句、JA吨，、J瓦υ吁， nunununvnununU E及这笔军 nu nv1t匀’h句、JA哼气dAV7， AUAUnunununUAU 主运这u专军 。 0.1 -€ 0.2 恙。3 这0.4 兰0.5 0.6 0.7 O NI0-13观测值 一ii-货值 I 00 200 300 400 500 600 700 800 900 Atli1J/h 9观测值 一计货值 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Atli 1J/h -S7观m11值 t十功值 I 00 200 300 400 500 600 700 800 900 Atli1J月1 -S8观i则值 i十rr.值 I 00 200 300 400 500 600 700 800 900 At/i1J月1 -S2观测值 计rr.值 100 200 300 400 500 600 700 800 900 At/ i1J/h 图2观测降深与计算降深拟合曲线图 Fig.2 The fitting curves of observed and calculated drawdown 模型水流计算由MODFLOW完成。本次模拟过 程中采用地下水模拟软件GMSGroundwater Modeling System）作为MODFLOW及后续所用地下 水溶质运移模拟软件MT3DMS的前后处理器。 4.3 初始条件及网格剖分 非稳定水流数值模型运行前原则上应进行稳定 流数值模拟，以获得模拟区稳定状态下水位分布， 作为非稳定流数值模型的初始条件。但研究区缺少 地下水补给量化数据，且水位埋深受地形影响变化 较大，难以进行稳定流模拟。为消除模型初始水位 分布对模拟降深的影响，为简便起见，模型初始水 位采用各观测孔初始水位均值，模型识别利用各井 降深数据。网格剖分为250列，150行，l层，单元 格大小20m20 m。III火烧区内，模型网格底板为 烧变岩底界，东部小部分地区因单元格厚度过小， 做无效化处理，模拟区有效单元格共计lI 113个， 模型网格剖分及边界条件见图3。 飞槟呵，l边界 抽水井 ．观测井 a通用水头边界 图3模型网格剖分及边界条件 Fig.3 The model meshing and boundary conditions ChaoXing 68 煤田地质与勘探第42卷 4.4 模型参数识别 因研究区面积较小，且岩性单一 ，传统的参数 分区会造成参数突变，影响模拟效果。此次模型参 数拟合，采用离散点－插值方法（PEST软件中的 Pilot Point参数拟合方法），即首先在模拟区设定一 定数量离散点，每个离散点均赋予一套参数值（该模 型为渗透系数和给水度），然后将离散点参数插值到 模型网格，做为模型参数输入值。模型识别过程中 调整各离散点处参数值。与参数分区比较，该方法 参数分布连续，无突变现象，且可避免参数分区不 当造成的影响。此次模拟离散点选用抽水井和各观 测井位置，以利于参数初始值输入及与解析解估计 值对比。 模型识别后，各观测井除Nl0-14外，其他现汩rJ 井最大平均误差0.04 m，相对误差除S9外均低于 5，计算降深和观测降深相关系数除N9-l4外均大 于0.99（表2）。在GB12719一1991矿区水文地质 工程地质勘探规范及GB50027-2001供水水文 地质勘察规范均未对数值法精度做具体要求，但 综合考虑抽水试验最大降深和研究区具体水文地质 特征，模拟精度达到工作要求［6］，所建模型能够用 于疏干排水方案模拟。 表2各观测井模拟降深i吴差统计 Table 2 The error statistics about the simulated drawdown of observation wells 观由i1J井观由ilj降深个数 平均误差Im误差均方根值Im相关系数平均误差绝对值／最大降深／ SI 1538 0.011 9 S2 1543 - 0.007 9 S4 1529 0.025 I SS 1529 0.005 6 S6 1527 - 0.005 6 S7 1535 0.000 2 S8 I 526 - 0.019 7 S9 1527 0.039 7 N9-14 1532 0.000 4 NI0-13 1526 0.005 8 10-14 1550 0.062 8 4.5 地下水储存量评价 烧变岩含水层同时具有基岩裂隙含水层裂隙储 水空间和岩溶含水层溶洞、榕隙储水空间2类含水层 的储水特点，具有储存空间大、接受补给速度快的特 点［飞但研究区烧变岩含水层缺乏稳定的补给来源， 接受降水补给有限，地下水资师、主要为含水层的静储 量。 整个模型模拟时段内，抽水总量20.4 104m3, 边界流量净流入量2.04104m3，可见抽水量主要来 自烧变岩的净储存量。 III火烧区地下水面下体积为50487.72104m3，按 模拟识别后给水度分布计算净储量为5005.08104m3o 5结论 在水文地质条件分析的基础上，运用MODFLOW 建立了大南湖北露天煤矿首采区III火烧区地下水数值 模拟模型，通过模型模拟调参，对模型进行识别和验证。 计算出III火烧区地下水面下体积为50487.72104旷， 按模拟识别后给水度分布计算净储量为5005.08104旷。 同时大南湖北露天煤矿首采区III烧变岩疏排水方案 。.0274 0.996 5 2.03 0.026 0 。.9974 1.30 0.027 9 0.997 9 4.25 0.018 5 0.997 I 0.99 0.016 7 0.997 7 0.90 0.019 2 0.997 6 0.04 0.025 7 0.996 2 3.33 0.048 9 0.992 8 7.50 0.126 3 。7824 0.07 0.025 3 0.995 3 0.89 0.068 4 0.991 7 10.61 应结合露天矿开挖设计制定疏排水方案，本次模拟所 取得参数能够为首采区矿坑疏排水设计提供有利的 地质依据。 参考文献 川鲁孟胜，姜明丽，孙德全，等新组哈密市大南湖矿区北露天 煤矿首采区专门水文地质勘探报告［R］.山东泰山地质勘查公 司.2008. 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