煤炭资源开采对地下水流场的影响

煤炭资源开采对地下水流场的影响

摘要摘要：：煤炭开采会使地下水流场产生变化，不仅破坏地下水环境，且对周围居民的生活供水产生重要影响。作为地下水数值模拟软件，GMS 软件具有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果，正被广泛应用于地下水流场的模拟应用中。本文以马营堡井田作为实例，运用GMS 软件建立了该井田的水文地质三维模型，通过对4号煤开采前后的地下水水文地质特征进行对比，表明采矿活动对新生界孔隙水影响较小，而对山西组裂隙含水组和太原组裂隙含水组影响较大。该研究对指导矿井水资源的整体利用，开采与保护相结合，排水与供水相结合具有重要的现实意义。

关键词关键词：：煤矿；地下水流场；GMS；马营堡井田

Influence of underground water flow field caused by coal mining

Abstracts ：Coal mining will make the groundwater flow field changes, not only damage the groundwater environment, and the life of the surrounding residents of water supply has an important impact. As the groundwater numerical simulation software, the GMS software has friendly user interface, powerful before treatment and after treatment function and excellent 3D visual effect, is being widely applied in groundwater flow simulation applications. The Ma Ying Bao mine as an example, using GMS software the mine hydrogeological 3D model is established. Through the contrast before and after the 4th coal mining hydrogeological characteristics of underground, show mining activities less influence of pore water on the Cenozoic, and water group and Taiyuan Group fissure aquiferous group has a great influence on the fracture of Shanxi Formation in the moisture. This study has important practical significance to guide the overall utilization of the mine water resources, the combination of the mining and protection, the drainage and water supply.

Key Words ：Coal mine ；groundwater flow field ；GMS ；mayingpu minefield

1 引言

煤矿开采对地下水的影响是一个动态且持续的过程。由于矿山开采引发的诸如矿井排水!含水层疏干!采动破坏等因素，打破了地下水原有的补径排平衡状态，改变了矿区地下水的循环关系，使地下水系统变得日益复杂[1]。为保证矿井安全，采煤前可能需要将充水含水层疏干以降低水位，地下水的疏干不仅破坏了地下水环境，对周围居民的生活供水也会产生影响。以往对煤矿地下水动态方面的研究，多侧重于保证矿区安全生产的矿井涌水量预测方面，很少关注疏排后，地下水流场及其对环境的影响。如何将开采与保护相结合，排水与供水相结合，综合开发利用矿井水资源，具有十分重要的现实意义[2]。

地下水动态预测的研究方法一般有解析法、物理模拟法和数值法等[3]。随着电子计算机的发展，数值模拟软件逐渐渗透到水文地质学科，它能够把复杂丰富的地理、地质等基本要素融入到简单而可视的三维空间中。经过多年的探索和实践表明，数值模拟软件对水文地质学科中某些理论和实际问题的解决起了很大作用，构成现代水文地质学科形成和发展的重要推动力之一，已成为人们揭示水文地质规律和资源评价与管理中必不可少的工具。

合理开发利用资源，加强水资源保护，综合利用矿井水资源的整体性能，开采与保护相结合，排水与供水相结合，既保证采矿事业的发展，又促进水资源的合理开发利用。因此，研究煤炭开采对地下水流场的破坏，不仅对本地的可持续发展有着重要的现实意义，而且对煤矿安全生产也有着长远的科学意义。

2 国内外研究现状

2.1地下水流场模拟研究现状

根据地下水流场的影响因素可将地下水流场预测模型分为确定性模型和非确定性模型。确定性模型是由地下水运动微分方程、控制方程、初始条件和边界条件构成的数学模型，其包括连续性模型（等效连续介质模型和双重介质模型）和非连续行模型（网络介质和随机网络介质模型）。目前，地下水流场预测的确定性模型的求解方法主要有解析法、物理模拟法和数值法等。解析法是求解数学模型较经典古老的方法。1935年美国学者泰斯建立了理想条件下承压水非稳定流计算公式，其后雅各布、汉士什等学者开拓了泰斯公式的应用范围。运用解析法在符合定解条件的情况下，计算结果精度高，步骤简单，计算公式清晰，易于分析水文与水文地质参数和地下水动态之间的关系[4]。

物理模拟法是根据渗流场与电场的相似性建立起来的，主要为电模拟，又根据导电介质的不同可将物理模拟法分为连续介质电模拟和非连续介质电模拟[5]。非连续介质电模拟（电网络法），它由变分原理建立，也可由差分原理建立，其中，变分原理建立的网络法可以吸收有限元的优点，适用于复杂的地址和边界条件，能够准确预测地下水动态。

20世纪60年代后期，伴随计算机科学的发展演化出了一种新的模拟地下水动态的数值方法。主要有限差分法（FDM）、有限单元法（FEM）、边界元法（BEM）和有限分析法（FAM）等，用这些方法进行求解，可以预测一个水文地质单元内地下水流场的变化。将求解结果用水位等值线图表示，用内插法推求任一点任意时刻的水位。

非确定性模型包括回归模型、灰色模型、组合模型、DM（n，h）模型和神经网络模型等。地下水动态受多种因素（如大气降雨、蒸发、地表水、太阳黑子活动、人为因素等）的影响，这就决定了地下水流场具有周期性、趋势性和随机性。然而，我们可借助概率统计理论找出这些不确定性质的规律，建立相应的随机模型。