司马煤矿煤层开采对含水层影响的数值模拟研究(1).pdf

分类号P641.4 密 级 公开 UDC 单位代码 10076 工程硕士学位论文 司马煤矿煤层开采对含水层 影响的数值模拟研究 作者姓名 安佳伟 指导教师 李 彦 恒 副 教 授 企业导师 宋 洪 柱 高 工 申 请 学 位 级 别 工程硕士 工程领域 地质工程 所在单位 地球科学与工程学院 授 予 学 位 单 位 河 北 工 程 大 学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering Numerical Simulation Research of the Influence of the Sima Coal Mining to the Aquifer Candidate An Jiawei Supervisor A/Prof. Li Yanheng Pluralistic Supervisor Senior engineer Song Hongzhu Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Geological Engineering College/Department School of Earth Science and Engineering Hebei University of Engineering Dec, 2018 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程河北工程大学大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 摘 要 I 摘 要 司马煤矿位于潞安矿区东南部， 井田全区被第四系黄土所覆盖， 第四系冲洪积 孔隙含水层中的地下水是矿区人民的主要生活生产用水。司马煤矿现开采 3煤层， 3煤分布于全区，为全区可采，煤层厚度大，3煤回采完后，导水裂隙带发育高度 97.87～181.42m。井田东部导水裂隙带发育到第四系含水层，西部导水裂隙带发育 到 K10 砂岩含水层，势必会对上覆含水层尤其是矿区人民生活依赖的第四系孔隙 水产生灾难性的破坏。 因此， 研究煤层开采对第四系含水层的影响具有重要意义。 本文以地下水动力学为原理， 数值模拟为研究手段， 保护地下水资源为目的， 通过收集分析水文地质调查材料， 得出主要含水层与主采煤层、 主要隔水层的空间 关系，含水层的补给、径流、排泄条件。以第四系含水层为研究对象，建立了与实 际相符的水文地质概念模型和数学模型，并对 3煤开采完后的第四系孔隙水流场 和水位进行预测。 研究结果表明，3煤开采完后，井田西南部及中部薄黄土区第四系孔隙水受到 影响较小。 东北部厚黄土区第四系孔隙水受煤矿开采的影响， 水位呈逐年下降的趋 势，2000d 内的水位降幅在 11m 以内。 关键词司马煤矿；第四系含水层；导水裂隙带；数值模拟 万方数据 Abstract II Abstract Sima Minefield is located in the southeast of Luan mining area. The whole mine area is covered by Quaternary loess. The groundwater in Quaternary Alluvial-diluvial pore aquifer is the main domestic and productive water for the people in the mining area. Sima Coal Mine is currently mining 3 coal seam, 3 coal distributed in the whole area, for the whole area can be mined, the thickness of coal seam is large, 3 coal mining after the completion of the water conduction fracture zone development height 97.87 181.42 m. Quaternary porous aquifer is developed in the eastern water-conducting fracture zone of the minefield, and K10 sandstone aquifer is developed in the Western water-conducting fracture zone, which is bound to cause catastrophic damage to the overlying aquifer, especially the Quaternary aquifer which the people of the mining area depend on. Therefore, it is of great significance to study the influence of coal mining on Quaternary aquifer. In this paper, groundwater dynamics as the principle, numerical simulation as the research means to protect groundwater resources for the purpose, through the collection and analysis of hydrogeological survey materials, the main aquifer and the main mining seam, the main aquifer space relations, aquifer recharge, runoff, discharge conditions. Taking the Quaternary unconsolidated aquifer as the research object, the hydrogeological conceptual model and mathematical model are established, and the Quaternary pore water flow field and water level are predicted after the mining of No. 3 coal. The results show that the Quaternary pore water in the thin loess area in the southwest and middle of the minefield is less affected after coal mining. The Quaternary pore water in the thick loess area of northeast China is affected by coal mining. The water level is decreasing year by year. The water level varies within 11m in 2000 days. Keywords Sima coal mine; Quaternary aquifer; Water flowing fractured zone; Numerical simulation 万方数据 目 录 I 目 录 摘 要 ............................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................... II 第 1 章 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 选题依据及意义 ................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 1 1.2.1 国外研究现状 .......................................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状 .......................................................................................... 3 1.3 研究内容及技术路线 ........................................................................................ 5 1.3.1 研究内容 .................................................................................................. 5 1.3.2 技术路线 .................................................................................................. 5 第 2 章 研究区概况 ........................................................................................................ 6 2.1 位置交通 ............................................................................................................ 6 2.2 自然地理条件 .................................................................................................... 7 2.2.1 气象 .......................................................................................................... 7 2.2.2 水文特征 .................................................................................................. 7 2.3 矿井生产建设概况 ............................................................................................ 7 2.4 井田地质条件 .................................................................................................... 8 2.4.1 井田地层 .................................................................................................. 8 2.4.2 井田构造 ................................................................................................ 10 第 3 章 矿井水文地质条件 .......................................................................................... 13 3.1 井田内主要含水层 .......................................................................................... 14 3.1.1 第四系冲洪积孔隙含水层 .................................................................... 14 3.1.2 二叠系砂岩裂隙含水层 ........................................................................ 14 3.1.3 太原组薄层灰岩岩溶裂隙含水层 ........................................................ 15 3.1.4 奥陶系中统岩溶裂隙含水层 ................................................................ 15 3.2 隔水层及其特征 .............................................................................................. 16 3.2.1 15煤层与奥灰之间隔水层 .................................................................... 16 3.2.2 3煤层与奥灰之间隔水层 ...................................................................... 16 3.2.3 二叠系砂岩裂隙含水层层间隔水层 .................................................... 17 万方数据 目 录 II 3.2.4 第四系粘土层 ........................................................................................ 17 3.3 井田地下水补径排条件 .................................................................................. 17 3.3.1 第四系孔隙水补径排条件 .................................................................... 17 3.3.2 石炭二叠系碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙水补径排条件 ........................ 17 3.3.3 岩溶裂隙水补径排条件 ........................................................................ 17 3.4 煤层与各含水层之间的距离 .......................................................................... 18 第 4 章 采煤对含水层影响分析 .................................................................................. 19 4.1 下伏含水层 ...................................................................................................... 19 4.2 二叠系砂岩裂隙含水层 .................................................................................. 19 4.3 3煤开采对第四系含水层的影响 .................................................................... 19 4.3.1 导水裂隙带高度计算 ............................................................................ 20 4.3.2 3煤回采完后对第四系含水层的影响分析 .......................................... 24 4.4 矿井涌水量预测 .............................................................................................. 25 第 5 章 地下水流数值模拟 .......................................................................................... 27 5.1 水文地质概念模型 .......................................................................................... 27 5.2 地下水水流数学模型 ...................................................................................... 29 5.3 地下水数值模型 .............................................................................................. 29 5.3.1 网格剖分 ................................................................................................ 30 5.3.2 源汇项的处理 ........................................................................................ 30 5.3.3 水文地质参数选取 ................................................................................ 31 5.3.4 模型拟合 ................................................................................................ 32 5.4 第四系含水层水位预测 .................................................................................. 32 结论与建议 .................................................................................................................... 37 结论 ......................................................................................................................... 37 建议 ......................................................................................................................... 38 致 谢 ............................................................................................................................ 39 参考文献 ........................................................................................................................ 40 作者简介 ........................................................................................................................ 43 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果 ................................................................ 43 万方数据 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 1.1 选题依据及意义 水是地球上所有生命的物质基础， 人类文明的生存延续更是与之息息相关。 我 国作为人口大国，随着人口增长、经济发展和生活水平的提高，人类对水资源的需 求量与日俱增。地下水具有水质好、分布广、利用方便的特点，是北方许多城市的 主要供水水源。 煤炭作为我国能源的主要组成部分， 对煤炭生产区的经济发展做出 了巨大贡献，煤炭资源是经济增长重要的基础。煤和水共存于地下岩层中，煤矿开 采会改变原来地下水的赋存状态， 进而对地下水资源造成严重破坏。 由于缺乏科学 指导， 在煤碳开采过程中没有对区域地下水采取有效的保护措施， 致使我国多个地 区的地下水资源受到破坏，严重制约着区域经济的可持续发展[1]。 煤炭是长治市的支柱产业，采煤范围分布广，面积达 8407km2，占全市国土面 积的 60，为长治经济发展作出了极大贡献。但是，与此同时，水资源也遭到了持 续性的破坏[2]。从 1997 年到 2017 年，全市水资源总量持续减少，由 22.96 亿 m3 降低至 19.07 亿 m3，年降雨量也有所下降，由 606mm 下降至 573mm。随着经济 的快速增长和人口的增加，长治市日益减少的水资源量成为制约经济可持续发展 的重要因素[3]。 司马井田位于长治市潞安矿区东南部，根据全国地下水资源及其环境问题调 查评价结果显示，潞安矿区各乡镇单位生活及农业生产用水主要来自于第四系冲 洪积孔隙含水层。随着农业生产的迅速发展，人类活动的不断加剧，当地人民对水 的需求量日益增多，第四系孔隙水水量逐年减小，地下水水位随之下降。同时，煤 矿开采产生的导水裂隙带可能上升到第四系含水层，使得上覆含水层通过裂隙带 补给形成的采空区，甚至导致上覆含水层被疏干。因此，水资源相对紧张的矿区面 临着用水的威胁，农民的生活用水得不到保障。本文通过地下水数值模拟，系统的 分析长治盆地司马煤矿 3煤层开采后对第四系松散孔隙含水层的影响，预测未来 地下水的水位的变化规律，对解决经济发展与地下水资源保护之间的矛盾具有一 定的意义。 1.2 国内外研究现状 数值模拟研究很早就应用于地下水的评价工作中，自 20 世纪 60 年代以来， 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 有限差分法、有限元法等方法在地下水资源评价的地下水中溶质运移计算中得到 应用，现在，数值模拟发展为地下水研究的可靠手段，成为地下水研究中的重要分 支[4]。 在地下水数值模拟的起步阶段，研究者使用自己或别人开发的程序段进行计 算， 这些程序段虽然具有数值计算的核心功能， 但繁琐冗长的数字准备和计算结果 整理工作浪费了研究工作者大量的时间， 而诸如水文地质条件概化、 水文地质参数 确定等核心工作没有得到充足准备， 导致计算结果不尽人意。 随着计算机技术飞速 发展， 交互视窗式地下水数值模拟专门软件， 如 Visual Modflow， Visual Groundwater， Feflow，GMS 等，可以方便地输入模型参数、分析计算结果，通过不断调试模型 参数进行重复计算，以观测结果和计算结果拟合差为标准，不断校正模型，最后使 得数值模型能够更加接近实际的展示地下水的流动状态，提高了模拟结果的准确 性。 1.2.1 国外研究现状 1956 年 RW Stallman[5]将数值计算应用于地下水流动问题，但由于缺乏电子计 算机技术的支持，导致计算结果误差较大。20 世纪 60 年代，WC.Walton[6]首次将 当时先进的电子计算机与地下水数值模拟相结合， 使计算精度得到了大大提高， 开 创了地下水数值模拟的新开端。1966 年，Freeze R A [7]等首次将稳定流数值模型应 用于区域地下水流动系统。1979 年，WC Walton[8]采用映射原理处理边界条件和井 群问题。到 20 世纪 80 年代，地下水数值模拟技术逐渐趋于成熟[9]。1980 年， Dasgupya D 等[10]建立了美国某垃圾场的地下水溶质迁移模型，模拟了垃圾场中渗 滤液中铁离子的迁移转化，模拟结果表明铁离子迁移浓度分布对化学参数不敏感， 但对弥散参数及地下水的流速较敏感。1982 年，美国加州大学 Jury W A 教授[11][12] 首先建立了一种不考虑溶质在土壤中运移的黑箱随机模型传递函数模型，用 于模拟土壤中稳定流条件下保守溶质的运移。该模型通过研究溶质从土壤表面运 移到土壤某一深度历经时间的概率密度函数，来推求溶质平均浓度与时间和土壤 深度的关系，并以此来模拟溶质在土壤中的运移。1984 年，Walton W C [13]建立地 下水向井以及向河流运动的解析模型。 同年，Javandel 和 Iraj [14]共同建立了地下 水的热传导和质量迁移模型。1986 年，Feinerman E 等[15]根据统计学原理建立了地 下水随机模型。1992 年，Stoner J D 等[16]详细研究了采煤对区域地下水含水层的影 响， 对盖斯河矿地下水进行了各种研究工作， 对以后研究分析煤炭开采对地下水资 源的影响起到了参考作用。1995 年，Morrison S J 等[17]建立了潜水中六价铀与铁的 相互作用-迁移模型，用以分析含铁氢氧化物反应墙对六价铀在地下水中迁移的影 万方数据 第 1 章 绪论 3 响。 1996 年， Toride N 等[18]初次建立了稳定下渗和初级运动线性吸附的数值模型。 1998 年，Flury M [19]概化了溶质的降解和吸附过程与土壤深度的函数关系，并用数 值模拟验证该函数关系的准确性。从 1998 年开始，Belcher W R[20]用五年时间建立 了几万平方公里的 Nevada 死谷地下水流数值模型，利用该模型来确定在 Nevada 的地下核实验基地的存储位置。1999 年，Pachepsky Y A 等[21]建立了能够描述不同 土壤含水量并体现介质分形特性的对流-弥散方程。1999 年，Stewart I T 等[22]建立 了 TTFs 模型， 对美国加利福尼亚州弗雷斯诺市东部区域 DBCP 对地下水水质的影 响进行了模拟评价。2001 年，Karapanagioti H K等[23]结合挥发、弥散、吸附和降解 对地下水中污染物的影响， 建立含水层中污染物运移的多组分混合模型。 2003 年， Ebraheem A M 等[24]模拟了埃及 Oweinat 东部区域的地下水流动系统，用以地下水 资源的合理利用和优化管理， 并且加密开采地下水密集区域的剖分网格， 预测含水 层在不同开采方案下的的动态变化。2004 年，Crowe A S 等[25]在加拿大 Point Pelee 湿地建立了地下水流动系统和水中污染物运移的数值模型，通过该模型预测出湿 地污染物随时间、空间的运移情况，为保护湿地环境提供了重要依据。2005 年， Nastev M 等[26]在加拿大 Montreal 西北地区建立了面积 1500km2的地下水流动模 型， 预测出该地区地下水水位和水量的变化规律， 并预估出该研究区最大地下水资 源利用量。 2007年， Vanderborght J等[27]在研究农药和盐分在土壤中运移的实验中， 将描述物在固态和液态两种状态下的反应函数与对流弥散方程相结合，并进行 了应用。2014 年，Hsieh B 等[28]建立了美国 Savannah River 核电站基地地下水污染 物运移模型， 将模拟的结果与野外实测的污染物浓度分布情况进行拟合对比， 为治 理地下水污染提供了重要依据。 2015 年， Vallner 等[29]建立了爱沙尼亚 Kohtla-Jarve 垃圾填埋场的地下水污染物运移的模型，同时考虑了水动力及水化学对污染物运 移的作用，更接近实际状况地展示污染物在地下水中的分布、运移过程。 1.2.2 国内研究现状 1973 年，地下水数值模拟开始在我国得到应用，当时只是处于模仿学习国外 的已有成果阶段[30]。但 40 多年已来，在国家大量资金投入的支持下，通过众多水 文地质专家、数学家刻苦钻研[31][32]以及现代计算机的普及发展，现在已经能独立 自主处理复杂的地下水热量运移模型， 已处于世界先进水平， 对于改善我国很多地 区缺水、极度缺水的局面以及解决地下水污染问题提供了巨大帮助。 20 世纪 80 年代的初期， 以王秉忱为首[33]首先引进国外的地下水水质模型， 并 在济宁市取得实验成功。 后来， 他的研究团队与英国合作以内蒙古沙漠绿洲为研究 区域建立数值模型， 分析了咸水入侵的机理， 为后人继续研究内陆地区咸水入侵提 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 4 供了理论基础。 直到 20 世纪 90 年代，煤矿开采造成的地下水污染、地下水水位下降等问题 严重影响矿区人民群众的用水安全， 引发越来越多国内专家的关注， 并意识到将数 值模拟应用于预测矿区地下水动态的优越性、准确性。1994 年，韩宝平等[34]以南 桐矿区为模拟研究区域， 根据概化的矿区水文地质条件建立数学模型， 并进行了数 值模拟， 以此来分析煤矿开采诱发的各种不良水文地质效应， 分析了地下水环境在 采矿条件下的演化规律，对于人们正确认识煤矿开采引起的水环境破坏效应具有 指导意义。1996 年，宁建宏[35]总结分析大量北方煤矿地下水环境的评价模式，提 出了地下水源地的评价模式。1997 年，石晓枫等[36]分析论证了采煤对地下水的破 坏机理， 并对采煤影响下地下水的破坏程度进行了划分， 成为评价采煤对地下水环 境影响的一种参考指标。2002 年，张凤娥等[37]以大柳塔井田为模拟区，建立了煤 层上覆含水层的地下水流动系统的模型，通过模拟预测出煤矿开采后地下水流场 的变化规律， 为预防煤矿开采造成的地下水环境恶化提供精确数据参考。 2005 年， 刘海涛[38]建立了西山矿区的二维地下水流模型，预测出岩溶含水水位的变化趋势。 2011 年，黄垚[39]通过 GMS 软件中的 Modflow 模块对马营堡井田煤矿开采前后的 地下水流场进行了模拟，并将模拟结果与矿区的地质构造条件、水文地质条件、采 煤方式相结合进行分析，确定了采煤对地下水资源的破坏程度及范围。2012 年， 赵磊[40 ]提出矿区地下水环境评价应作为保护矿区环境的重点内容，数值模拟由于 其模拟地下水流场准确性，应成为地下水环评中的重要技术手段。2013 年，连玮 [41 ]对陕西某煤矿进行数值模拟研究，重点研究了对当地人民供水具有重要意义的 第四系潜水含水层。2014 年，薛晓飞[42]用 Visual Modflow 软件模拟了三百子煤矿 开采过程中下地下水水位的动态变化、 水量变化影响范围， 并且模拟了煤工业和煤 矸石对地下水水质造成的影响，模拟结果为预防矿区生活用水被污染提供了主要 依据。2015 年，崔迪[43]以数值模拟为研究手段，研究了内蒙古某露天煤矿开采对 地下水环境的作用， 研究表明采煤可能会疏干大面积潜水含水层， 同时也会使承压 水位大幅度下降，降落漏斗中心也会随开采位置不同而变化。2016 年，王浪[44]利 用 SPSS、Surfer 等软件结合水文地质条件对淮南谢桥矿区的地下水化学场、水流 场进行分析，同时结合 GMS 软件对采煤影响下的地下水流场变化进行预测分析， 研究了采煤对水质影响空间上的分布情况，地下水位在五个采煤年份不同的变化 情况，对水温的影响，及降落漏斗的范围，最大降幅。2017 年，