Visual MODFLOW在煤矿建设地下水环境影响评价中的应用 ——以甘肃省灵台县安家庄煤矿为例

结合甘肃省灵台县安家庄煤矿地下水环境影响评价实例,建立了评价区水文地质概念模型,并基于Visual MODFLOW对评价区地下水进行了数值模拟计算和验证;预报了设计开采条件下研究区不同含水层的地下水水位。预报结果表明:矿坑排水使得煤层所在含水层出现疏干现象,并且疏干范围随着开采范围的增加而不断扩大;在煤矿开采作用下,随着模拟时间的延续,煤系层上覆白垩系洛河组—宜君组含水层地下水位降落漏斗的范围及地下水位下降幅度不断增大,但降落漏斗的范围基本上不超过采空区范围;煤矿开采对白垩系环河组含水层无影响,至矿区开采期结束,未引起含水层水位下降;对上部孔隙、裂隙潜水含水层也无影响,至矿区开采期结束未引起含水层水位下降。     

北京市西山地区地下水数值模拟及预测

北京西山地区地下水资源丰富,水质优良,是北京市重要的地下水供水水源地之一。长期过量开采地下水已经引起了区域地下水水位下降等环境问题。南水北调客水进京后,将会改变区域用水结构,逐步实现对含水层系统的涵养目的。采用有限差分方法进行区域含水层系统数值模拟,分析不同开采条件下含水层系统响应特征。取得如下认识:西山地区地下水开采总量达到3.546 2×108m3/a,为达到可持续开采目的,需要将开采量压至2.798 8×108m3/a,实现采补平衡;维持现状开采至2030年,岩溶水水位下降22m,第四系承压水水位下降约28m,部分地区第四系潜水含水层出现疏干现象;南水北调进京后,按照规划压采方案实施,2030年末岩溶水水位平均恢复约5m,第四系承压水水位下降约6m。区域岩溶含水层恢复贮水0.185 4×108m3,第四系含水层系统贮水损失2.782 8×108m3。     

工作面回采期间地下承压水位变化规律分析

根据煤矿开采岩层移动与覆岩破坏理论,运用地下水动力学基本原理,阐述了采动裂隙导水与采动变形压力作用使采动承压含水层水位变化的力学机制,并依此建立了采动承压含水层水位变化数学模型。结合铁煤(集团)公司大平矿三台子水库下N1S2综放开采工作面水文地质条件,通过编程计算得出工作面回采过程中白垩系下部承压含水层水位变化曲线,经与矿井水文监测系统实测数据对比,结果较为理想。     

基于RFPA2D的采动区水资源流失控制方法研究

在国矿、地方煤矿和个体煤矿相继开采条件下，阜新矿区八家子自然村附近地下水水位下降到地表以下43m，导致民井断水。文章运用RFPA^2D分析系统，以断水现象为例，通过对此系列采矿活动数值模拟分析，阐述了覆岩应力变化与采动裂隙发育的关系。结果表明，采动裂隙的发育（生成、扩张和贯通）及其延伸范围，与开呆方式、开采层位和地下开采条件下地下岩体应力场不断变化密切相关。随着采区不断扩大、位置不断抬高导致采动裂隙扩张和贯通，使不同的水文地质单元联合，为浅部地下水迅速流失和地下水水位快速下降创造了有利条件，造成采动区及其附近区域木资源持续流失、向深部采空区渗流汇集。由于在不同的采矿阶段，水资源流失的程度和地下水水位下降的幅度是不同的，应该采取相应的控制方法，例如，在采掘前和初期应该合理设计采掘工作面、合理预留保护煤柱；在采掘中达到较大采空区时应采取实时控制措施、堵塞渗流裂隙；最后进行综合治理。     

唐山某厂区地下水开采对区域地下水位影响预测研究

在合理概化研究区水文地质条件的基础上,建立地下水流数值模型,选择地下水模拟软件Visual Modflow对某厂区开采后的地下水流场进行预测评价。结果表明,单独厂区本身地下水增采虽然所引起的区域水位下降并不大,扩展范围相对比较小。但是鉴于研究区目前由于多个大型企业以及居民生活用水对地下水的开采,已经造成了该区域地下水位的明显下降,含水系统遭到了一定的破坏,使得该区域的地下水资源量正在逐步减少,建议政府水务行政职能部门严格规范控制该地区各行各业的地下水开采量,开展一水多用,开源节流等节水措施,逐步减少对地下水开采,维护地下水采补平衡。     

采动及渗流作用下隔水土层破坏规律研究

为了研究土层隔水层在采动及渗流作用下的破坏规律,采用了固-液耦合相似材料模拟试验研究和土层破坏理论分析。试验表明,在采用的长壁间隔式开采中,浅埋煤层中的组合关键层破断后进入裂隙带,隔水土层协调运动进入弯曲下沉带。该开采方法改变了岩层的运动破坏规律,抑制了采动裂隙在隔水土层中的发展,避免了导水裂隙与含水层贯通,达到了保护土层的采动隔水性目的。土层变形、破坏理论分析表明,组合关键层的破断距亦即对应土层的跨距,在弯曲下沉过程中没达到变形破坏极限跨距,不会产生导水裂隙,满足保持隔水性能的判据。现场开采实践证明,试验工作面开采后未出现潜水渗漏。该方法并已成功实现多个工作面的保水开采。     

西北生态脆弱区浅埋煤层保水开采隔水层稳定性评价方法

水资源保护与煤炭资源开采是西北地区面临的重要问题。保水采煤是西北地区实现煤炭资源与水资源协调发展的重要技术,其中隔水层稳定性评价是保水采煤技术的首要关键问题。针对西北生态脆弱区煤层埋深浅,地形切割强烈,近地表含水层变化较为复杂,传统的隔水层评价方法与实际水文观测情况存在较大误差等问题,提出采用三维地质建模和数值模拟相结合的方法以实现浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的精准评价。首先根据勘探信息和地形等值线构建直观可靠的三维地质模型以精细刻画地形切割及浅层含水层的复杂变化,然后选择典型工作面开展数值模拟分析煤层采动覆岩破坏特征以获取三维煤层模型各煤层点导水裂隙带高度,最后利用三维地质块体模型从全三维角度计算各煤层顶板点导水裂隙带高度与含水层覆岩厚度之差作为保水开采隔水层稳定性评价依据。以内蒙古鄂尔多斯满都拉煤矿为例,通过搜集区内36个钻孔柱状图与地形地质图构建精细化的三维地质模型并计算隔水层的稳定性。与2个井下积水区观测结果对比发现,传统方法计算的隔水层不稳定区未能准确反映南侧工作面充水区,而新方法计算的隔水层不稳定区更加精细,充分反映了第四系含水层受地形切割、风化、剥蚀的影响作用。研究结果表...     

基于数值模拟技术的地下水流场变化特征分析

矿山的开采大多需要进行疏干排水,而在疏干排水时持续的地下抽水势必导致区内含水层中地下水流场的变化,对周边地下水的开发利用造成影响。为了分析矿山开采中地下水流场的变化特征,本文通过对兴隆县某金、铁矿水文地质条件分析建立研究区地下水系统的数值模拟模型,并通过对已知地下水动态水位的拟合与检验,确定模型的可靠性,然后利用识别后的模型预测兴隆县某金、铁矿运行投产含水层水位的变化特征,探讨矿山开采对地下水系统的影响。     

基于随机模拟的浑河冲洪积扇地区地下水压采风险预报

在分析随机因素对水位模拟结果影响程度的基础上建立地下水流随机模拟模型,可为地下水资源风险管理和决策提供重要依据。以浑河冲洪积扇地区为研究区,基于蒙特卡罗原理建立了区域地下水流随机预报模型,对压采条件下的地下水位上升进行风险预测和评价。参数灵敏度分析结果表明,地下水水位对含水层渗透系数的变化最敏感,其次是给水度,而对河床沉积物渗透系数和降雨入渗补给系数的灵敏性较差,且渗透系数和给水度在其率定值附近增加或减少时,灵敏度系数随之增加或减小。研究表明,压缩开采地下水资源能够有效缓解地下水水位下降带来的环境问题,地下水开采量以每年5%的速度压采时,区内地下水水位平均上涨3.3 m,但水位恢复的同时也可能诱发局部地下工程渗水,且地下建筑物的设计安全水位越低,渗水风险越大。     

吉林省白城市地下水数值模拟及其变化趋势

为了给吉林省白城市地下水资源合理开发利用提供科学依据,运用地下水模拟技术对白城市地下水位变化趋势进行预测。首先在分析研究区水文地质条件的基础上建立水文地质概念模型,将含水系统概化为潜水含水层、越流层和承压含水层,并确定了系统的边界条件。运用地下水模型软件(GMS)对研究区地下水流进行了模拟和预测,预测结果表明在扩大开采的情况下,潜水含水层水位总体下降约1~2 m;随着开采量的增加和时间的增长,含水层在洮儿河扇形地、洮南、研究区东北部、镇赉、大安南部等地相继出现疏干现象,最大降幅达5~6 m。承压含水层在大安南部、镇赉北部等地水位下降较大,但是流场整体降幅不大,总体降幅在0.5 m以内。最后提出了地下水合理开发利用建议。     

采煤对松散含水层地下水扰动影响规律及评价指标——以神东补连塔井田为例

针对采煤对松散含水层地下水扰动程度评价方法适用性不足等问题,以神东补连塔井田为研究背景,通过分析采煤对地下水动力场的影响规律,得出矿井水（矿井排水与采空区储水）的形成是导致大气降水、地表水与地下水转化关系和转化量发生改变的主要原因;并从松散含水层生态水位变化、含水层损伤以及水量损失的角度,提出了采煤对地下水扰动程度的3个评价指标,结果显示,截至2012年补连塔井田松散含水层地下水生态水位扰动指标基本均大于1,采扰比达92%,说明采煤对生态水位影响较大;由于采动裂隙直接发育至松散含水层内部,导致井田范围内8%面积的含水层完全损伤而失去地下水调蓄能力;而在重复利用矿井水并开发地下水库储水功能的条件下,补连塔矿地下水量损失减少至8.5%,说明矿井水的充分利用对减少地下水资源损失意义重大。      

苏北沿海三市三维地下水流数值模拟

20世纪80年代以来,苏北沿海三市（连云港、盐城和南通）地下水过量开采导致部分地区水位持续大幅下降,引发地面沉降、水质咸化等问题。本文基于研究区大量地质、水文地质资料,以及2005—2013年地下水开采和水位观测数据,经过模型识别、验证,建立了能刻画苏北沿海三市地下水流场演化的三维非均质各向异性地下水流数值模型,模拟了研究区2005—2013年开采量由约2.03亿m³逐渐减少到1.56亿m³条件下深部地下水系统流场（包括第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承压含水层）的动态演化过程。结果表明,各观测孔的水位实测值与模拟值吻合良好,水位及水均衡模拟结果显示各含水层水位下降得到有效控制,但是该区域地下水仍处于超采状态。为进一步控制水位下降,防治咸水扩散、地面沉降等地质环境灾害,模型预测并比较了现状开采和限制开采2种不同开采方案下2014—2020年苏北沿海三市深层地下水流场的变化趋势。预报结果显示,2种开采方案下,各含水层水位下降速率均减小,尤其是限制开采方案下,第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ承压含水层的区域水位平均下降速率依次为0.15、0.16和0.15 m/a,分别比模拟期减小了46.43%、65.21%和48.28%,在开采强度降至最低的条件下储存量变化速率仍为负值,说明需要进一步加强地下水限制开采的力度。     

神府矿区马家梁村地下水位下降原因分析

分析神府矿区马家梁村一带煤矿开采对地下水径流及水位的影响,认为杨伙盘煤矿开采对该村西部地下水量的增减影响甚微。老张沟煤矿开采造成区内地表径流量减少,地下水位下降。孙营岔一矿开采后对地下水有影响。煤层开采是影响井水、沟流减少不可忽视的因素。爆破采煤将导致原生裂隙、裂纹数量的增加,致部分裂隙穿透上部隔水层,从而造成地下水漏失,水位下降,泉流量减少。     

宁河南部地区地下水流场特征研究

宁河南部地区地下水资源较丰富,过去无规划开采地下水造成该地区地下水位下降,引发了诸如地面沉降、降落漏斗形成和扩展、水质恶化等一系列的环境地质问题。加强区域地下水管理,抑制地下水无序开采,合理开发利用地下水势在必行。通过区域地下水位测量,结合水文地质条件绘制各组地下水流场图,对区域地下水流场特征进行研究。结果可知:第Ⅰ含水岩组潜水、微承压水受地表水体控制比较明显,整体水位差距不大;深层含水层流场受区域地下水开采量的控制,Ⅱ、Ⅲ含水岩组在区域东北部存在水位降落漏斗,整体流场南西—北东;Ⅳ含水岩组在区域东北部和东南部为低水位区,整体流场由西向东南、东北一带径流。Ⅴ含水岩组在中部为水位低值区,北部、南部为水位高值区,整体流场由南部、北部水位高值区流向中部低值区。     

淮北孙疃煤矿水文地质特征及涌水分析

孙疃煤矿水文地质条件复杂,水害问题直接影响着煤炭资源的安全高效开采。基于水文地质背景资料,探讨了煤矿充水条件,并对煤矿涌水量的控制因素进行了系统分析。结果认为,属于新生界的松散层孔隙含水层、位于煤层之间的砂岩内裂隙含水层以及石灰岩岩溶-裂隙含水层是矿区的主要含水层。新生界的第四含水层,煤层顶底板砂岩裂隙含水层,灰岩岩溶-裂隙含水层以及老坑水是矿区充水的主要来源。地下水主要沿断层及构造裂隙、岩溶陷落柱、采动冒落带裂隙、底板受其承压水的影响而产生的破坏带裂隙等通道相矿井运移。煤矿月平均涌水量171.01m3/h,主要受煤层顶底砂岩裂隙富水性、断裂及构造裂隙以及采掘面积、煤产量和巷道掘进等开采因素影响,而大气降水、地表水受第四系更新统隔水层阻隔,与矿井涌水量没有关系。     

基于数值模拟的浅层地下水资源论证

运用数值模拟软件对户县涝渭水源地潜水含水层进行分段模拟开采,并结合分段比选法在设计要求下对布井方案进行分段比选,确定整个水源地的最优布井方案。通过对水源地整体模拟开采,计算得出潜水含水层可开采量为76 800 m3/d,且最大降深未超过7 m,水源地地下水资源取得了较好的论证。通过实际应用看出:数值模拟方法在计算地下水可开采量方面具有易于计算、精度较高的特点,可提高小区域浅层地下水资源论证的质量。     

李家峪灰场2^#副坝区地下水运动数值模拟

李家峪灰场由于灰场灰水的渗漏致使储灰场周围出现地下水位上升,水质变差等一系列环境地质问题。从水文地质条件角度分析灰场堆灰形成新的地下水分水岭致使灰水在2^#副坝坝前垂直下渗进入风化带,沿白云岩裂隙（溶隙）补给潜水含水层,并向韩家哨村区域流动补给孔隙含水层,改变后的潜水部分通过民井向外排泄。本次研究运用地下水数值模拟软件对研究区的地下水位进行动态模拟和预测,为该地区地下水污染评价提供参考。     

岩溶区线性工程影响下的地下水监测及数值模拟研究——以广州市金沙洲为例

以广州市金沙洲地区的水文地质条件及地下水位监测结果为基础,应用地下水数值模拟FEFLOW 软件建立了金沙洲地区的地下水系统的数值计算模拟模型。模拟结果表明:（1） 高铁金沙洲隧道施工降水是引起金沙洲地下水流场变化的主要原因,高铁隧道施工大量抽排地下水时,地下水位变化形成以抽水点为中心的降落漏斗;（2） 随着抽水量的加大,形成水位下降漏斗及地下水强径流排泄带,加速地下水对泥沙的搬运动力,增大对岩土体结构的冲刷作用,使与岩溶管道连通的土洞及覆盖层稳定性受到破坏,从而导致地面塌陷的发生;（3） 随着地下水水位的下降,金沙洲一带的软弱淤泥土容易出现排水固结沉降和失托沉降,从而产生地面沉降灾害。      

小庄矿井采煤对地下水的影响及保水采煤措施

针对煤炭开采易造成地表塌陷及含水层破坏等问题,采用类比法计算了彬长矿区规划新建的矿井——小庄矿井开采导水裂缝带高度,在此基础上分析了采煤对地下水的影响,并提出保水采煤的措施。经计算,采用分层开采时产生的导水裂隙带最大高度为147.84 m,在三盘区将导通安定组隔水层,造成宜君组、洛河组承压含水层破坏,导通区域面积为0.773 6 km2。因此,在可能导通的区域应进行保水采煤以保证安定组隔水层的稳定,从而达到保护具有供水意义的含水层和保障矿井生产安全的双重目的。      

采动影响下矿井突水水源Fisher判别与地下水补给关系反演

为了揭示采动影响下矿井突水水源误判原因,进而推测地下水补给关系,收集了朱仙庄煤矿历年水化学资料,建立了突水水源的Fisher判别模型,并根据水样误判结果以及矿井地质与水文地质条件,反演分析了地下水补给关系.研究结果表明朱仙庄煤矿煤系砂岩裂隙含水层全部水样回判正确,含水层较为封闭,与其他含水层无水力联系;新生界第四含水层、侏罗系砾岩含水层与石炭系或奥陶系灰岩含水层部分水样误判,矿井采动影响下不同时期含水层间的地下水存在不同程度的水力联系,矿井新生界第四含水层水源对侏罗系砾岩含水层存在补给,石炭系或奥陶系灰岩水则通过矿井南部露水补给新生界第四含水层.地下水动力条件的变化验证了地下水补给关系.建立突水水源判别模型,分析回代误判原因,反演地下水补给关系,为正确认识矿井采动影响下地下水循环条件提出了新的研究手段.