基于数值模拟探究巍山煤矿开采对地下水的影响机制与应对策略

基于数值模拟探究巍山煤矿开采对地下水的影响机制与应对策略一、引言1.1研究背景与意义煤炭作为全球重要的能源资源之一，在能源供应中占据着举足轻重的地位。在工业生产领域，煤炭是火力发电的主要燃料，通过高效燃烧转化为电能，满足社会生产和生活的用电需求；在钢铁行业，煤炭经过炼制形成焦炭，是高炉冶炼过程中不可或缺的还原剂，其稳定供应对钢铁行业的健康发展至关重要；在化工行业，煤炭经过加工可转化为合成氨、甲醇等多种化工原料，广泛应用于农业、医药、建材等领域。全球范围内，煤炭的分布相对广泛，许多国家和地区都拥有丰富的煤炭资源，这使得煤炭在能源供应方面具有较高的稳定性和可靠性，能够满足长期的能源需求。并且与一些新兴的清洁能源相比，煤炭的开采和利用成本相对较为经济实惠，在大规模能源生产中，煤能够在成本方面具有一定的竞争优势。然而，煤矿开采过程会对周边环境产生诸多负面影响，其中对地下水的影响尤为显著。煤炭开采活动打破了原有的地质平衡，导致一系列复杂的水文地质变化。随着煤层被挖掘，其上部及周边岩石的应力平衡被打破，致使岩石裂隙增大、扩展，进而形成导水通道。地表水可通过这些通道快速渗入地下，改变原有的地下水补径排条件，造成浅层和中层地下水水位下降，形成区域下降漏斗。深层地下水也会逐渐向浅层运移，最终大量转化为矿坑水被排出，造成严重的水资源浪费。据相关研究表明，每开采1吨煤，可能导致数立方米的地下水流失。煤炭中含有的多种化学元素，如硫、重金属等，在开采过程中会进入地下水，导致地下水水质恶化，影响其使用功能。煤矿开采过程中产生的酸性矿井水、高矿化度矿井水等，会使地下水中的酸碱度、离子浓度等指标发生改变，对周边土壤、植被及生态系统造成损害。对于巍山煤矿而言，深入研究其开采活动对地下水的影响具有重要的现实意义。从生态保护角度出发，地下水是生态系统的重要组成部分，对维持植被生长、土壤湿度和生态平衡起着关键作用。准确评估巍山煤矿开采对地下水环境的影响，能够为当地生态保护提供科学依据，有助于制定针对性的保护措施，减少对生态系统的破坏，促进生态系统的稳定与可持续发展。在水资源管理方面，合理利用和保护水资源至关重要。巍山煤矿开采对地下水水量和水质的影响，直接关系到当地水资源的可持续利用。通过科学的研究分析，可以了解地下水的变化趋势，为水资源的合理调配和管理提供数据支持，避免因煤矿开采导致水资源的过度消耗和污染，保障区域水资源的安全。从社会经济发展层面来看，巍山煤矿所在地区往往依赖煤炭产业，而地下水环境的恶化可能引发一系列社会问题，如居民用水困难、农业灌溉受影响、生态环境恶化导致旅游等其他产业受损等。研究煤矿开采对地下水的影响，有助于协调煤炭开采与社会经济发展的关系，实现产业发展与环境保护的双赢，保障当地社会经济的稳定、健康发展。1.2国内外研究现状在国外，煤矿开采对地下水影响的研究起步较早，并且取得了一系列重要成果。美国、澳大利亚等煤炭资源丰富的国家，借助先进的监测技术和数值模拟手段，深入探究了煤矿开采引发的地下水水位变化、水质污染等问题。例如，美国地质调查局（USGS）长期对煤矿区的地下水进行监测，通过建立水文地质模型，分析煤炭开采对区域地下水流动系统的影响，研究成果为当地的水资源管理和煤矿开采规划提供了科学依据。澳大利亚的学者运用数值模拟软件，模拟不同开采方式和开采强度下地下水的动态变化，为优化煤矿开采方案、减少对地下水的影响提供了技术支持。在国内，随着煤炭开采规模的不断扩大和环保意识的逐渐增强，煤矿开采对地下水影响的研究也日益受到重视。众多科研机构和高校针对不同矿区的地质条件和开采特点，开展了大量的研究工作。中国矿业大学的研究团队通过对多个煤矿区的实地调研和监测，分析了采煤沉陷对地下水文地质条件的影响机制，提出了相应的地下水保护措施。西安科技大学的学者利用数值模拟方法，研究了深部煤层开采对地下水的影响规律，为深部煤炭资源的安全、绿色开采提供了理论指导。此外，国内还制定了一系列相关的规范和标准，如《煤矿防治水规定》等，以加强对煤矿开采过程中地下水保护的管理和监督。尽管国内外在煤矿开采对地下水影响的研究方面已经取得了一定的进展，但仍然存在一些不足之处。一方面，现有的研究多侧重于单一因素对地下水的影响，而对于多种因素相互作用下的复杂情况研究相对较少。煤矿开采过程中，地质构造、开采方式、煤层赋存条件等多种因素会同时对地下水产生影响，这些因素之间的相互关系和综合作用机制尚未完全明确。另一方面，数值模拟技术在煤矿开采对地下水影响研究中的应用还存在一定的局限性。目前的数值模型在模拟复杂地质条件和多物理场耦合作用时，精度和可靠性有待进一步提高。此外，由于不同矿区的地质条件和开采情况差异较大，现有的研究成果在推广应用时存在一定的困难，需要针对具体矿区的特点进行深入研究和验证。1.3研究内容与技术路线本研究旨在深入探究巍山煤矿开采对地下水的影响，主要内容包括以下几个方面：地质条件分析：全面收集巍山煤矿的地质资料，包括地层岩性、地质构造、水文地质条件等，分析研究区的地质背景，为后续的数值模拟和影响分析提供基础数据。通过现场勘查和实验室测试，获取岩石物理力学参数、含水层渗透系数、给水度等关键数据，准确刻画研究区的地质特征。数值模拟方法应用：选用合适的数值模拟软件，建立巍山煤矿开采对地下水影响的数值模型。根据研究区的地质条件和开采规划，设置合理的模型参数和边界条件，模拟不同开采阶段地下水的水位、流速、流向等变化情况。通过对模拟结果的分析，揭示煤矿开采对地下水的影响规律，为制定有效的防治措施提供科学依据。影响分析：从地下水水位变化、水质污染、水资源量减少等方面，深入分析巍山煤矿开采对地下水的影响程度和范围。研究不同开采方式和开采强度下，地下水环境的响应特征，评估煤矿开采对周边生态环境和居民生活用水的影响。结合模拟结果和实际监测数据，预测未来煤矿开采过程中地下水环境的变化趋势，为提前采取防范措施提供参考。应对策略制定：基于研究结果，提出针对性的地下水保护和防治措施。从优化开采方案、加强矿井水治理与利用、建立地下水监测系统等方面入手，制定切实可行的应对策略，减少煤矿开采对地下水的负面影响，实现煤炭资源开发与水资源保护的协调发展。同时，对提出的应对策略进行技术经济可行性分析，确保措施的有效性和可操作性。本研究的技术路线如下：资料收集：广泛收集巍山煤矿的地质、水文地质、开采规划等相关资料，以及研究区的气象、地形地貌等基础数据。对收集到的资料进行整理和分析，了解研究区的基本情况，为后续工作奠定基础。模型建立：根据收集的资料，利用数值模拟软件建立研究区的地质模型和地下水流动模型。通过对模型参数的调试和验证，确保模型能够准确反映研究区的实际情况。在模型建立过程中，充分考虑地质构造、含水层分布、开采活动等因素对地下水的影响。模拟分析：运用建立好的数值模型，对巍山煤矿不同开采方案下的地下水动态变化进行模拟分析。对比不同方案的模拟结果，分析开采活动对地下水水位、水质、水资源量等的影响规律，确定最优的开采方案。结果验证：将模拟结果与实际监测数据进行对比验证，评估模型的准确性和可靠性。若模拟结果与实际情况存在较大偏差，分析原因并对模型进行修正和优化，直至模型能够较好地拟合实际数据。应对策略制定：根据模拟分析结果和实际情况，提出针对性的地下水保护和防治措施。组织专家对提出的措施进行论证和评估，确保措施的科学性、合理性和有效性。最后，将研究成果整理成报告，为巍山煤矿的开采决策和地下水保护提供参考依据。二、巍山煤矿及研究区概况2.1巍山煤矿基本情况巍山煤矿位于山西省晋中市榆次区乌金山镇西沙沟村北，地理坐标为东经[X1]°[X2]′[X3]″，北纬[Y1]°[Y2]′[Y3]″。该煤矿是山西煤炭运销集团晋中有限公司旗下的重要生产矿井，其前身为榆次区鸣谦巍山煤矿，后经过资源整合和技术改造，发展成为现代化的煤炭开采企业。2006年12月，山西煤炭运销集团榆次巍山煤业有限公司正式成立，注册资本3000万人民币，开启了规模化、规范化发展的新篇章。该煤矿井田面积3.7925平方千米，矿区范围涵盖了丰富的煤炭资源。目前，煤矿开采方式为地下开采，主要开采15#煤层。这一煤层厚度适中，平均厚度约为[X]米，煤层倾角5-13°，属于缓倾斜煤层，为煤炭开采提供了较为有利的地质条件。矿井设计生产规模为90万吨/年，随着技术的不断进步和管理水平的提升，实际生产能力也在逐步提高，在2012年预计原煤产量可达100万t，为当地的经济发展做出了重要贡献。在开采历史方面，巍山煤矿的建设可追溯到较早时期。其发展历程中经历了多次技术改造和产能提升。2001年，煤矿获筹建许可证，随后积极推进各项建设工作。2004年，晋煤行发[2004]254号对巍山煤矿批准立项，在立项批复后，煤矿委托山西省地质矿产局二一五地质队编制了《山西省榆次区巍山煤矿精查地质勘探报告》，并经晋中市安监局、煤炭局审查批准。2006年，委托山西省晋中煤炭规划设计研究院编制完成了《山西省榆次区巍山煤矿矿井初步设计安全篇》和《山西省榆次区巍山煤矿可行性研究报告》，为煤矿的科学开采和安全生产奠定了坚实基础。2007年11月9日，对15#煤层进行了检验，确定该煤层无煤尘爆炸危险性，自燃倾向性等级为Ⅲ级，自燃倾向性为不易自燃，这为煤矿的安全生产提供了重要的保障。2024年10月11日，其采矿权获延续，有效期至2026年10月11日，这也表明了该煤矿在煤炭资源开采领域的持续发展潜力。2.2研究区自然地理条件巍山煤矿研究区地处晋中盆地与太行山脉的过渡地带，地理位置独特。其经纬度范围大致为东经[X1]°[X2]′-[X3]°[X4]′，北纬[Y1]°[Y2]′-[Y3]°[Y4]′，这种地理位置决定了研究区在自然地理特征方面具有显著的特点。从地形地貌来看，研究区整体地势呈现出北高南低的态势，属于典型的中低山区地貌。区域内山峦起伏，沟壑纵横，地形较为复杂。最高处位于北部边缘的毛岭附近，海拔标高达到1088.16米；最低处在南部边缘的沟谷中，标高为910米，最大相对高差178.16米。这种地形起伏不仅影响了地表水的径流方向，也对地下水的赋存和运移产生了重要影响。山区的岩石经过长期的风化、侵蚀作用，形成了各种不同的地貌形态，如黄土梁峁、山谷等，这些地貌特征与地下水的补给、排泄密切相关。研究区属于温带大陆性季风气候，四季分明，气候条件对地下水的影响较为明显。夏季受东南季风的影响，降水较为集中，多暴雨天气；冬季则受西北季风控制，气候寒冷干燥。年平均降水量约为[X]毫米，降水主要集中在6-8月份，约占全年降水量的70%。年平均蒸发量为[X]毫米，蒸发量在不同季节也存在较大差异，春季和夏季气温较高，蒸发旺盛。年平均气温约为[X]℃，最高气温可达[X]℃，最低气温为[X]℃。春冬季节多西北风，夏秋季节多东南风，风力一般在3-4级，最大风力可达6级。这种气候条件下，降水通过地表入渗、坡面径流等方式补给地下水，而蒸发则会导致地下水的损耗，气候因素在地下水的动态变化中起着关键作用。在水文状况方面，研究区内河流较少，地表水系相对不发达。南部边缘的沟谷中只有在雨季时有水流通过，这些季节性河流的水量受降水影响较大，在雨季时水流湍急，而在旱季则可能干涸。由于地表水系不发达，研究区的地下水在水资源构成中占据重要地位，成为当地居民生活用水和农业灌溉用水的重要来源之一。然而，煤矿开采活动可能会对地下水的水位和水质产生影响，进而影响到地表水系的生态功能和水资源利用。2.3地质条件研究区在大地构造位置上处于华北地台的[具体构造单元名称]，区域地质构造较为复杂，经历了多期次的构造运动，这些构造运动对研究区的地层岩性、地质构造和煤层分布产生了深远的影响。区域内地层出露较为齐全，从老到新主要有太古界变质岩、长城系石英岩、石英砂岩、砾岩、白云岩，蓟县系白云岩，青白口系含白云质粘土质灰岩或泥灰岩、薄片状页岩、含海绿石粉细砂岩，寒武系上统风山组灰岩、泥质条带状灰岩，中统徐庄组砂页岩，下统毛庄组紫红色页岩夹薄层白云岩，奥陶系灰岩，石炭系细砂岩、粉砂岩、泥岩夹煤层，二叠系紫色、绿色、青灰色等杂色粉砂岩、泥岩、中砂细砂岩夹多层煤层，第三系明化镇组上部以灰色砂岩为主夹棕红色泥岩、下部浅黄色砂页岩夹薄层砂岩，馆陶组浅黄色泥岩、砂质泥岩夹灰色砂岩，第四系全新统、上更新统、中更新统及下更新统地层。不同地层的岩性差异较大，其物理力学性质和透水性也各不相同，这些特性对地下水的赋存和运移起着重要的控制作用。井田地质构造主要表现为褶皱和断层。区内发育有多个褶皱构造，褶皱轴向主要为[轴向方向]，这些褶皱构造使得地层发生弯曲变形，形成了向斜和背斜等构造形态。向斜部位往往是地下水的富集区域，而背斜部位则相对不利于地下水的储存。此外，井田内还发育有大小断层8条，断层落差在2-11米之间，断层倾角70°左右，走向60-75°。这些近北东向的张性正断层，在一定程度上沟通了上、下石盒子组、山西组和太原组三者之间的联系，为地下水的运移提供了通道。随着煤矿开采活动的进行，这些断层可能会进一步活化，加剧地下水的渗漏和突水风险。煤层分布方面，研究区内主要可采煤层为15#煤层，该煤层位于太原组地层中。15#煤层厚度较为稳定，平均厚度约为[X]米，煤层结构简单，含夹矸层数较少，一般为[X]层，夹矸厚度较薄，多为泥岩或炭质泥岩。煤层顶板主要为石灰岩，底板为泥岩或砂质泥岩。这种顶底板岩性组合对煤层的开采和地下水的保护具有重要意义。石灰岩顶板的强度较高，但透水性相对较强，在开采过程中如果顶板管理不当，可能会导致顶板垮落，引发地下水渗漏；泥岩或砂质泥岩底板的强度较低，容易发生底鼓等现象，影响开采安全，同时也可能对地下水的水质产生一定的影响。2.4水文地质条件区域水文地质条件复杂，含水层和隔水层交互分布。主要含水层自上而下包括松散岩类孔隙含水层、碎屑岩类裂隙含水层和碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。松散岩类孔隙含水层主要分布在第四系地层中，含水层岩性主要为砂、砾石等，其富水性受地形、地貌和沉积物颗粒大小的影响较大。在地势较低的河谷地带，含水层厚度较大，富水性较好；而在地势较高的山区，含水层厚度较薄，富水性相对较弱。碎屑岩类裂隙含水层主要分布在石炭系、二叠系等地层中，含水层岩性为砂岩、粉砂岩等，裂隙的发育程度和连通性决定了其富水性。碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层主要分布在奥陶系灰岩地层中，岩溶发育程度较高，富水性强，是区域内的主要含水层之一。该含水层的水位标高约为780米左右，对矿井开采构成了较大的威胁。主要隔水层有下石盒子组泥岩隔水层和本溪组隔水层。下石盒子组二段和四段均是一套以泥岩为主的地层，厚度平均为18.61米和28.84米，在区内稳定连续，具有良好的隔水性能，能够有效阻止上覆含水层与下伏含水层之间的水力联系。本溪组隔水层厚约24米左右，岩性以粘土岩、铁铝岩及石灰岩、砂岩为主，是15#煤下部较好的隔水层，对阻隔下部奥陶系灰岩含水层的水向上渗透起到了重要作用。地下水的补径排条件受地形、地质构造和气候等多种因素的影响。在补给方面，大气降水是地下水的主要补给来源。在山区，降水通过地表入渗和坡面径流的方式补给地下水；在河谷地带，地表水也可以通过渗漏的方式补给地下水。此外，侧向径流补给也是地下水的一种重要补给方式，当含水层之间存在水力联系时，地下水会从高水位区向低水位区流动，实现侧向补给。在径流方面，地下水的径流方向主要受地形和地质构造的控制。在山区，地下水一般沿着山坡的倾向向下径流；在平原地区，地下水则主要沿着含水层的走向流动。在排泄方面，地下水主要通过泉、河流等方式排泄到地表，此外，人工开采也是地下水排泄的一种重要方式。研究区地下水水位和水质特征具有明显的空间差异。在水位方面，山区地下水水位相对较深，一般在[X]米以下；而在河谷地带和山前平原地区，地下水水位相对较浅，一般在[X]米以内。受煤矿开采活动的影响，矿井周边地区的地下水水位可能会出现下降的趋势，形成降落漏斗。在水质方面，不同含水层的地下水水质存在较大差异。松散岩类孔隙含水层的地下水水质一般较好，矿化度较低，主要为HCO3-Ca型水；碎屑岩类裂隙含水层的地下水水质次之，矿化度相对较高，主要为HCO3-Ca・Mg型水；碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层的地下水矿化度较高，主要为SO4-Ca・Mg型水，且水中可能含有较多的重金属离子和有害物质。随着煤矿开采活动的进行，矿井水的排放可能会导致周边地区地下水水质恶化，对当地的生态环境和居民生活用水安全造成威胁。三、煤矿开采对地下水影响的机理分析3.1煤矿开采对地下水文地质结构的破坏在煤矿开采过程中，采煤活动对覆岩产生强烈的扰动，导致覆岩发生变形、破坏。当煤层被采出后，上覆岩层失去支撑，其原始应力平衡状态被打破，在重力和上覆岩层压力的作用下，岩层开始发生移动和变形。随着开采范围的扩大，这种移动和变形逐渐向上发展，形成覆岩破坏带。覆岩破坏带一般分为垮落带、导水裂缝带和弯曲带。垮落带是指直接位于采空区上方的岩层，在失去支撑后，发生垮落并充填采空区，该带内岩层破碎，岩块间空隙较大，透水性强。导水裂缝带则位于垮落带之上，岩层在变形过程中产生大量裂隙，这些裂隙相互连通，形成导水通道，使得地下水能够沿着这些通道快速渗漏。弯曲带位于导水裂缝带之上，岩层主要发生整体弯曲变形，裂隙相对较少，对地下水的影响较小。导水裂缝带的形成对含水层和隔水层结构产生了显著的改变。对于含水层而言，导水裂缝带的出现使得含水层的原有结构被破坏，含水层中的水通过导水裂缝带快速流失，导致含水层水位下降，富水性减弱。在一些情况下，导水裂缝带可能会沟通多个含水层，使得不同含水层之间的水力联系发生改变，原本相对独立的含水层之间可能会出现水力交换，从而影响地下水的补径排条件。对于隔水层来说，导水裂缝带的穿透会使其失去隔水性能，无法有效地阻隔上下含水层之间的水力联系，这可能导致下部含水层的水向上渗漏，增加矿井涌水的风险，也可能使上部含水层的水向下渗透，对下部含水层的水质产生影响。在巍山煤矿的开采过程中，根据相关研究和实际监测数据，15#煤层开采后，导水裂缝带高度可达[X]米，已经波及到了上覆的碎屑岩类裂隙含水层和部分碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。这使得这些含水层的水位出现了明显下降，据监测数据显示，在煤矿开采后的[时间段]内，碎屑岩类裂隙含水层水位下降了[X]米，碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层水位下降了[X]米。同时，由于导水裂缝带的沟通作用，原本水力联系较弱的两个含水层之间出现了明显的水力交换，导致地下水的化学成分和水位动态发生了变化。这种水文地质结构的破坏不仅对煤矿开采的安全生产构成威胁，也对区域地下水环境和生态系统产生了深远的影响。3.2对地下水水量的影响矿坑排水是煤矿开采过程中的一个重要环节，也是导致地下水水量减少的主要原因之一。在煤矿开采过程中，为了保证井下作业的安全，需要不断地将涌入矿井的地下水排出。这些被排出的地下水主要来源于煤层顶底板含水层以及开采过程中受导水裂缝带影响而与矿井发生水力联系的其他含水层。随着煤矿开采规模的扩大和开采深度的增加，矿井涌水量也会相应增加。大量的矿坑排水导致含水层中的水被不断疏干，地下水位逐渐下降。以巍山煤矿为例，在煤矿开采初期，矿井涌水量相对较小，平均涌水量约为[X]立方米/天。随着开采的进行，尤其是在开采15#煤层后，由于导水裂缝带的形成，沟通了多个含水层，使得矿井涌水量急剧增加。目前，矿井平均涌水量已达到[X]立方米/天，部分区域的涌水量甚至更高。长期的大量矿坑排水使得矿井周边地区的地下水位持续下降，形成了以矿井为中心的降落漏斗。根据对研究区地下水水位的长期监测数据，在煤矿开采后的[时间段]内，降落漏斗的范围不断扩大，漏斗中心处地下水位下降幅度达到了[X]米，影响范围已超过[X]平方千米。地下水位的下降引发了一系列连锁反应，泉流量减少是其中一个明显的表现。泉是地下水的一种排泄方式，当地下水位下降时，泉的补给来源减少，导致泉流量逐渐减小。在巍山煤矿周边地区，原本一些常年有水的泉眼，由于地下水位的下降，泉流量明显减少，部分泉眼甚至已经干涸。泉流量的减少不仅影响了当地的生态环境，也对居民的生活用水造成了一定的影响，一些依靠泉水作为生活用水的居民不得不寻找其他水源。此外，地下水位下降还导致了水资源量的减少。地下水是区域水资源的重要组成部分，其水量的减少直接影响到水资源的可利用量。在一些地区，由于煤矿开采导致地下水资源量减少，已经出现了水资源供需矛盾紧张的局面，制约了当地经济社会的可持续发展。3.3对地下水水质的影响在采煤过程中，会产生一系列有害物质，这些物质对地下水水质产生污染，严重影响地下水的质量和使用功能。煤炭中通常含有硫、铁、铝等元素，在开采过程中，这些元素会与空气、水等接触，发生氧化、水解等化学反应，产生酸性矿井水。酸性矿井水的pH值较低，一般在[X]以下，含有大量的硫酸根离子、铁离子、铝离子等。这些酸性物质和金属离子会对地下水的酸碱度、硬度等指标产生显著影响，使地下水水质恶化。当酸性矿井水进入含水层后，会与含水层中的岩石发生化学反应，溶解岩石中的矿物质，进一步增加地下水中的离子浓度，导致地下水的矿化度升高。矿井开采过程中还会产生煤矸石等废弃物。煤矸石中含有大量的重金属元素，如铅、汞、镉、铬等，以及一些有机污染物。这些有害物质在雨水淋滤、风化等作用下，会逐渐释放出来，并通过地表径流、土壤渗透等途径进入地下水，对地下水水质造成污染。煤矸石中的重金属元素会在地下水中积累，超过一定浓度后，会对人体健康和生态环境造成严重危害。重金属离子可以通过食物链进入人体，在人体内蓄积，引发各种疾病，如铅中毒会影响神经系统和造血系统，汞中毒会损害神经系统和肾脏等。有机污染物也会对地下水的生态系统产生破坏作用，影响水中微生物的生存和繁殖，降低水体的自净能力。有害物质对地下水水质的污染途径主要有直接渗漏和间接污染两种。直接渗漏是指矿井水、煤矸石淋滤液等直接通过导水裂缝带、断层等通道进入含水层，这种污染途径速度快、影响范围大。间接污染则是通过地表径流、土壤渗透等方式，先污染地表水和土壤，然后再通过水-土-地下水之间的相互作用，将污染物带入地下水。在一些煤矿区，由于煤矸石随意堆放，在雨季时，煤矸石淋滤液随地表径流进入河流，导致河流水质恶化，而河流与地下水之间存在水力联系，污染的河水又通过渗漏等方式污染了地下水。无论是直接渗漏还是间接污染，都会对地下水水质产生长期的、难以恢复的影响，严重威胁到当地居民的饮用水安全和生态环境的健康。四、数值模拟方法与模型建立4.1数值模拟方法概述地下水数值模拟是定量研究地下水系统动态变化和溶质运移规律的重要手段，在地下水科学领域中具有广泛的应用。目前，常用的地下水数值模拟方法主要包括有限差分法（FDM）和有限元法（FEM）。有限差分法是计算机数值模拟最早采用的方法之一，至今仍被广泛运用。该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。通过Taylor级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。有限差分法的数学概念直观，表达简单，算法效率较高，运算速度快，占用内存少，在孔隙介质、裂隙介质及岩溶介质的地下水流及溶质运移模型求解中取得了良好效果。然而，有限差分法在处理复杂边界条件和含水层系统时存在一定的局限性，且在溶质运移模拟中求解精度不够高。有限元法的基本思想是把计算区域剖分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选插值函数组成的线性表达式，借助变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。有限元法对地下水流、溶质运移及热量运移模型的计算过程基本相同，能实现不同模型间的耦合模拟，能处理复杂边界条件和含水层系统，可按不同的精度要求采用不同的单元剖分方式和插值函数。该方法不仅可以对孔隙、裂隙及岩溶地下水系统进行模拟，还可对变密度流（如海水入侵）等进行模拟。但有限元法也存在计算量大、占用内存多、计算时间较长等问题。在本次研究中，考虑到巍山煤矿研究区的地质条件较为复杂，含水层结构和边界条件多样，有限元法在处理复杂条件方面具有优势，能够更准确地模拟地下水的流动和溶质运移过程。同时，随着计算机技术的飞速发展，计算机的计算能力和内存容量不断提高，有限元法计算量大和占用内存多的问题在一定程度上得到缓解。因此，选择有限元法作为本次研究的数值模拟方法。4.2模型选择与原理本次研究采用GMS（GroundwaterModelingSystem）软件进行地下水数值模拟。GMS是一款功能强大的地下水模拟软件，它在综合VisualMODFLOW、MT3DMS、PEST、MODPATH、FMWater、Aqua3D等已有地下水模型的基础上建立了图形界面，具有操作简便、功能齐全、可视化程度高等优点。GMS软件的核心计算模块MODFLOW基于有限差分法对地下水运动进行模拟。其基本原理是将选定的研究区在时间和空间维度上进行离散处理，将整个研究区域划分为若干个矩形网格单元。对于每个网格单元，根据质量守恒定律和达西定律，建立地下水流动方程。假设在二维平面上，不考虑源汇项时，地下水流动的基本方程为：\frac{\partial}{\partialx}\left(K_{x}\frac{\partialh}{\partialx}\right)+\frac{\partial}{\partialy}\left(K_{y}\frac{\partialh}{\partialy}\right)=S_{s}\frac{\partialh}{\partialt}其中，h为地下水水头（m）；K_{x}、K_{y}分别为x、y方向的渗透系数（m/d）；S_{s}为贮水率（1/m）；t为时间（d）。在实际应用中，考虑到研究区存在降水入渗、蒸发、开采等源汇项，方程可改写为：\frac{\partial}{\partialx}\left(K_{x}\frac{\partialh}{\partialx}\right)+\frac{\partial}{\partialy}\left(K_{y}\frac{\partialh}{\partialy}\right)+W=S_{s}\frac{\partialh}{\partialt}其中，W为源汇项强度（包括开采强度、降水入渗强度、蒸发强度等，m/d）。对于每个网格单元，通过对上述方程进行离散化处理，将偏微分方程转化为差分方程。采用中心差分格式对导数进行近似，例如对于\frac{\partialh}{\partialx}，在i节点处的近似值为\frac{h_{i+1,j}-h_{i-1,j}}{2\Deltax}，其中\Deltax为x方向的网格间距，h_{i+1,j}、h_{i-1,j}分别为(i+1,j)和(i-1,j)节点处的水头值。以此类推，对其他导数项进行离散处理，得到每个网格单元的差分方程。将所有网格单元的差分方程联立，形成一个大型的线性代数方程组。通过迭代求解的方法，如共轭梯度法、逐次超松弛法等，求解该方程组，从而得到每个网格单元在不同时刻的水位数值。4.3水文地质概念模型建立为了建立准确的数值模型，需要对研究区的水文地质条件进行简化和概化，构建水文地质概念模型。模型边界的确定：根据研究区的地质和水文地质条件，确定模型的边界范围。研究区北部以地形分水岭为界，作为隔水边界，该边界处地下水流速为零，没有地下水的流入和流出；南部以河流为界，河流与地下水存在水力联系，可视为定水头边界，根据长期的水文监测数据，确定河流边界的水位值；东部和西部边界根据区域地下水流场特征，视为流量边界，通过对区域地下水径流的分析，确定边界处的地下水流流量。含水层结构的概化：研究区主要含水层自上而下包括松散岩类孔隙含水层、碎屑岩类裂隙含水层和碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。在概念模型中，将松散岩类孔隙含水层概化为一层，其厚度根据钻孔资料和地质勘查结果确定；碎屑岩类裂隙含水层由于其裂隙发育程度和分布的不均匀性，进一步细分为两层，分别考虑其渗透系数和贮水特性；碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层作为一个独立的含水层进行处理。各含水层之间通过弱透水层进行水力联系，弱透水层的渗透系数远小于含水层的渗透系数。源汇项的处理：降水入渗是地下水的重要补给来源之一。根据研究区的气象资料，统计多年平均降水量和降水入渗系数，将降水入渗作为面状源汇项处理，在模型中设置相应的降水入渗强度。蒸发作用会导致地下水的损耗，根据研究区的蒸发量数据和潜水蒸发经验公式，确定蒸发强度，作为负的源汇项输入模型。煤矿开采过程中的矿坑排水是一个重要的源汇项，根据巍山煤矿的开采规划和实际排水数据，确定矿坑排水的位置和排水强度，在模型中以点源的形式进行处理。此外，还考虑了农业灌溉用水的抽取和回灌等源汇项，根据当地的农业用水情况和灌溉方式，合理确定其强度和分布。4.4数学模型与求解基于上述水文地质概念模型，建立描述地下水流动和溶质运移的数学模型。地下水流动数学模型：在三维空间中，考虑源汇项的情况下，地下水流动的数学模型可表示为：\begin{cases}\frac{\partial}{\partialx}\left(K_{x}\frac{\partialh}{\partialx}\right)+\frac{\partial}{\partialy}\left(K_{y}\frac{\partialh}{\partialy}\right)+\frac{\partial}{\partialz}\left(K_{z}\frac{\partialh}{\partialz}\right)+W=S_{s}\frac{\partialh}{\partialt},&(x,y,z)\in\Omega,t>0\\h(x,y,z,0)=h_{0}(x,y,z),&(x,y,z)\in\Omega\\h(x,y,z,t)=h_{1}(x,y,z,t),&(x,y,z)\in\Gamma_{1},t>0\\K_{n}\frac{\partialh}{\partialn}=q(x,y,z,t),&(x,y,z)\in\Gamma_{2},t>0\end{cases}其中，\Omega为研究区域；K_{x}、K_{y}、K_{z}分别为x、y、z方向的渗透系数（m/d）；h为地下水水头（m）；S_{s}为贮水率（1/m）；t为时间（d）；W为源汇项强度（m/d）；h_{0}(x,y,z)为初始水头分布；h_{1}(x,y,z,t)为第一类边界（定水头边界\Gamma_{1}）上的水头值；K_{n}为边界法向渗透系数；\frac{\partialh}{\partialn}为水头在边界法向上的导数；q(x,y,z,t)为第二类边界（流量边界\Gamma_{2}）上的单宽流量。溶质运移数学模型：在考虑对流、弥散和吸附作用的情况下，溶质运移的数学模型可表示为：\begin{cases}\frac{\partial(\thetaC)}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialx_{i}}\left(\thetaD_{ij}\frac{\partialC}{\partialx_{j}}\right)-\frac{\partial}{\partialx_{i}}\left(\thetav_{i}C\right)-\lambda\thetaC-\rho_{b}\frac{\partialS}{\partialt},&(x,y,z)\in\Omega,t>0\\C(x,y,z,0)=C_{0}(x,y,z),&(x,y,z)\in\Omega\\C(x,y,z,t)=C_{1}(x,y,z,t),&(x,y,z)\in\Gamma_{3},t>0\\-D_{n}\frac{\partialC}{\partialn}=q_{c}(x,y,z,t),&(x,y,z)\in\Gamma_{4},t>0\end{cases}其中，\theta为孔隙度；C为溶质浓度（mg/L）；D_{ij}为弥散系数张量（m^{2}/d）；v_{i}为地下水渗流速度（m/d）；\lambda为溶质的衰减系数（1/d）；\rho_{b}为土壤容重（kg/m^{3}）；S为吸附在土壤颗粒表面的溶质浓度（mg/kg）；C_{0}(x,y,z)为初始溶质浓度分布；C_{1}(x,y,z,t)为第一类边界（定浓度边界\Gamma_{3}）上的溶质浓度值；D_{n}为边界法向弥散系数；\frac{\partialC}{\partialn}为溶质浓度在边界法向上的导数；q_{c}(x,y,z,t)为第二类边界（溶质通量边界\Gamma_{4}）上的单宽溶质通量。求解方法和计算过程：利用GMS软件中的MODFLOW模块求解地下水流动数学模型，采用有限差分法对偏微分方程进行离散化处理，将其转化为线性代数方程组。通过迭代求解的方法，如PCG（预条件共轭梯度法），逐步逼近方程组的解，得到研究区域内各节点在不同时刻的地下水水头值。对于溶质运移数学模型，利用GMS软件中的MT3DMS模块进行求解，该模块基于有限差分法，采用隐式差分格式对溶质运移方程进行离散化处理。在求解过程中，首先根据地下水流动模型计算得到的水头分布，确定地下水的渗流速度，然后将渗流速度代入溶质运移方程中，通过迭代求解得到各节点在不同时刻的溶质浓度值。在整个计算过程中，需要设置合理的时间步长和迭代收敛条件，以确保计算结果的准确性和稳定性。一般来说，时间步长根据研究问题的精度要求和地下水系统的动态变化特征进行确定，迭代收敛条件通常设置为水头或浓度的变化量小于某个阈值，如10^{-5}。4.5模型参数确定与率定模型参数的准确确定是保证数值模拟结果可靠性的关键。通过现场试验、经验数据等多种方法确定模型参数，并利用历史数据进行模型率定和验证。参数确定方法：渗透系数是描述含水层透水性的重要参数，通过现场抽水试验和压水试验确定其值。在研究区内选择代表性的钻孔，进行单孔抽水试验和群孔抽水试验，根据抽水试验数据，利用裘布依公式或泰斯公式计算含水层的渗透系数。对于无法进行现场试验的区域，参考邻近地区的试验数据和经验值进行估算。贮水率和给水度反映了含水层储存和释放地下水的能力，根据研究区的岩性和地质条件，结合相关的经验公式和参考资料确定其值。例如，对于松散岩类孔隙含水层，根据其颗粒大小和孔隙度，采用经验公式计算给水度；对于碎屑岩类裂隙含水层和碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层，通过分析其裂隙和岩溶发育程度，参考类似地区的研究成果确定贮水率和给水度。弥散系数是溶质运移模型中的重要参数，其值受到多种因素的影响，如含水层的非均质性、地下水的流速等。通过室内弥散试验和现场示踪试验确定弥散系数，在室内利用土柱进行弥散试验，测量溶质在土柱中的运移情况，计算弥散系数；在现场选择合适的地段，投放示踪剂，监测示踪剂的运移过程，反演得到弥散系数。对于无法通过试验确定的参数，参考相关文献和经验数据进行取值。模型率定和验证：利用研究区的历史地下水水位和水质监测数据进行模型率定和验证。在模型率定过程中，调整模型参数，使得模拟结果与监测数据尽可能吻合。采用试错法和自动优化算法相结合的方式进行参数调整，首先通过试错法对参数进行初步调整，观察模拟结果的变化趋势，然后利用自动优化算法，如SCE-UA算法（ShuffledComplexEvolution），在一定的参数取值范围内进行搜索，寻找使模拟结果与监测数据误差最小的参数组合。在模型验证阶段，将率定后的模型应用于未参与率定的监测数据，对比模拟结果与监测数据的一致性。通过计算相关的统计指标，如均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和决定系数（R^{2}）等，评估模型的准确性和可靠性。一般来说，均方根误差和平均绝对误差越小，决定系数越接近1，说明模型的模拟效果越好。如果模拟结果与监测数据之间存在较大偏差，分析原因并对模型进行进一步的调整和优化，直至模型能够较好地反映研究区地下水的实际情况。五、巍山煤矿开采对地下水影响的数值模拟结果与分析5.1地下水流场变化模拟结果通过GMS软件对巍山煤矿不同开采阶段进行数值模拟，得到了地下水流场的变化情况。在初始状态下，研究区地下水流场较为稳定，地下水主要沿着地形坡度由北向南流动，水位分布较为均匀。随着煤矿开采的进行，15#煤层采空区逐渐形成，上覆岩层发生变形和破坏，导水裂缝带不断发育，导致地下水流场发生显著变化。在开采初期，由于采空区范围较小，导水裂缝带尚未完全发育，对地下水流场的影响相对较小。此时，地下水位降深主要集中在采空区附近，形成局部的降落漏斗，漏斗中心处的水位降深约为[X]米。随着开采时间的推移和开采范围的扩大，导水裂缝带逐渐向上发展并连通了多个含水层，地下水流场的变化加剧。降落漏斗的范围不断扩大，水位降深也逐渐增大。在开采[时间段]后，降落漏斗的影响范围已扩展到[X]平方千米，漏斗中心处的水位降深达到了[X]米。从流线变化来看，在开采前，地下水的流线较为规则，主要沿着含水层的走向和地形坡度流动。开采后，由于采空区的存在和导水裂缝带的影响，流线发生了明显的弯曲和汇聚。在采空区附近，流线密集，表明此处地下水的流速加快；而在远离采空区的区域，流线相对稀疏，流速相对较慢。此外，由于导水裂缝带沟通了不同含水层，使得原本相对独立的含水层之间出现了水力联系，流线在含水层之间发生了交叉和转移，改变了地下水的补径排条件。图1展示了开采[时间段]后的地下水位降深等值线图，可以清晰地看到降落漏斗的形态和范围。图2为相应的流线图，直观地反映了地下水流向的变化。通过对不同开采阶段地下水流场变化的模拟结果分析，可以看出煤矿开采对地下水流场的影响是一个逐渐发展和扩大的过程，随着开采活动的持续进行，这种影响还将进一步加剧。5.2地下水水量变化模拟结果利用建立的数值模型，对不同开采方案下的矿坑涌水量和地下水储存量变化进行了预测和分析。在当前开采方案下，随着开采规模的不断扩大，矿坑涌水量呈现出逐渐增加的趋势。在开采初期，矿坑涌水量相对较小，平均涌水量约为[X]立方米/天。随着开采深度的增加和采空区范围的扩大，导水裂缝带沟通了更多的含水层，使得矿坑涌水量急剧增加。预计在未来[时间段]内，矿坑涌水量将达到[X]立方米/天，且仍有继续上升的趋势。对地下水储存量的模拟结果表明，随着煤矿开采的进行，地下水储存量逐渐减少。在开采前，研究区地下水储存量约为[X]立方米。在开采[时间段]后，地下水储存量减少了[X]立方米，减少幅度达到了[X]%。这主要是由于矿坑排水导致含水层中的水被大量疏干，地下水位下降，从而使地下水储存量减少。而且，由于地下水位下降，含水层的有效孔隙度减小，也进一步导致了地下水储存量的降低。为了评估不同开采方案对水资源量的影响，对两种不同开采强度的方案进行了对比模拟。方案一为当前开采强度，方案二为在当前基础上增加20%的开采强度。模拟结果显示，方案二下的矿坑涌水量在相同开采时间段内比方案一增加了约[X]%，地下水储存量减少幅度也比方案一增大了[X]%。这表明开采强度的增加会显著加剧对地下水水量的影响，导致矿坑涌水量大幅增加和地下水储存量快速减少，进一步加剧区域水资源的紧张状况。5.3地下水水质变化模拟结果通过数值模拟，研究了采煤过程中有害物质在地下水中的迁移扩散情况，分析了其对地下水水质的影响范围和程度。在模拟过程中，以硫酸根离子（SO_4^{2-}）和铁离子（Fe^{3+}）作为主要的污染指标，这两种物质是酸性矿井水中的典型污染物，对地下水水质的影响较为显著。模拟结果表明，在采煤初期，由于矿井水排放和有害物质的释放量相对较小，地下水水质的变化主要集中在矿井周边区域。随着开采时间的延长，有害物质在地下水中逐渐迁移扩散，影响范围不断扩大。在开采[时间段]后，硫酸根离子浓度超过饮用水标准的区域已扩展到以矿井为中心半径约[X]米的范围内，铁离子浓度超标的范围也达到了半径[X]米左右。在污染中心区域，硫酸根离子浓度最高可达[X]mg/L，远远超过了国家饮用水标准（[标准值]mg/L）；铁离子浓度最高达到[X]mg/L，同样严重超标（[标准值]mg/L）。从不同方向上的污染扩散情况来看，由于地下水流向主要是由北向南，因此在矿井下游方向（南方）的污染扩散距离更远，污染程度也更为严重。在垂直方向上，随着含水层深度的增加，污染程度逐渐减弱，但在导水裂缝带发育的区域，深层含水层也受到了一定程度的污染。这是因为导水裂缝带为有害物质的垂向迁移提供了通道，使得污染物能够进入深层含水层。总体而言，煤矿开采对地下水水质的影响是一个逐渐累积和扩散的过程。随着开采活动的持续进行，若不采取有效的防治措施，地下水水质将进一步恶化，影响范围也将不断扩大，对当地居民的饮用水安全和生态环境构成严重威胁。六、基于模拟结果的地下水保护与防治措施6.1优化煤矿开采方案根据数值模拟结果，为有效减少煤矿开采对地下水的影响，需对开采方案进行全面优化，从开采布局、顺序及强度等多方面入手，制定科学合理的开采策略。在开采布局方面，应充分考虑地质构造和含水层分布情况。对于断层附近的区域，由于断层的存在会破坏地层的完整性，增加地下水渗漏的风险，因此应合理设置安全煤柱。根据模拟分析，在断层两侧至少预留[X]米宽的煤柱，以阻止采动影响波及断层，减少因断层活化导致的地下水渗漏。在含水层附近开采时，可采用定向钻进技术，精准控制采煤范围，避免对含水层造成直接破坏。通过定向钻进，可以在不影响煤炭开采的前提下，最大限度地减少对含水层的扰动，保持含水层的完整性，降低地下水水位下降和水质污染的风险。开采顺序的优化对保护地下水至关重要。对于多煤层开采的情况，应优先开采对地下水影响较小的煤层。在巍山煤矿，可先开采上部相对较薄且与主要含水层距离较远的煤层，这样可以减少对下部含水层的破坏和影响。在开采过程中，采用下行开采顺序，即从上往下依次开采煤层，避免先开采下部煤层导致上部含水层水通过采动裂隙大量渗漏。下行开采顺序可以使上覆岩层的移动和变形相对稳定，减少导水裂缝带的发育高度，从而降低对上部含水层的影响。在开采过程中，还应合理控制开采速度，避免过快开采导致岩层变形和破坏加剧，引发地下水水位的急剧变化和水质污染。合理控制开采强度是减少地下水影响的关键措施之一。根据模拟结果，将矿井的开采强度控制在一定范围内，可有效降低矿坑涌水量和地下水水位降深。建议将巍山煤矿的开采强度控制在[X]万吨/年以内，这样可以使矿坑涌水量维持在[X]立方米/天左右，地下水水位降深控制在[X]米以内，从而减少对周边地下水环境的影响。在实际生产中，应根据地下水水位和水质的实时监测数据，动态调整开采强度。当发现地下水水位下降过快或水质出现异常时，及时降低开采强度，采取相应的保护措施，确保地下水环境的稳定。6.2地下水污染防治措施为有效防止和治理地下水污染，需从源头控制和污染治理两个关键环节入手，采取一系列针对性的措施，减少有害物质对地下水的污染，保护地下水资源的质量和安全。在源头控制方面，首先要加强对矿井水的处理。巍山煤矿应建设完善的矿井水处理设施，采用先进的处理工艺，确保矿井水达标排放。对于酸性矿井水，可采用中和沉淀法进行处理。通过向酸性矿井水中加入碱性物质，如石灰等，调节其pH值，使其中的重金属离子形成氢氧化物沉淀，从而去除酸性物质和重金属污染物。在处理过程中，可结合絮凝沉淀、过滤等工艺，进一步提高处理效果，确保处理后的矿井水达到国家排放标准，减少对地下水的污染。对煤矸石等废弃物的处置也至关重要。煤矸石中含有大量的有害物质，如重金属、硫化物等，若处置不当，会通过雨水淋滤等方式污染地下水。因此，应在煤矸石堆放场设置完善的防渗设施，如铺设高密度聚乙烯（HDPE）防渗膜，其渗透系数可达到10-12cm/s以下，有效阻止污染物渗入地下。在堆放场周边设置截排水沟，拦截雨水和地表径流，避免其冲刷煤矸石，减少淋滤液的产生。对煤矸石进行综合利用，如用于建筑材料生产、路基填筑等，可减少其堆放量，降低对环境的潜在污染风险。对于已经受到污染的地下水，应采取有效的治理措施，降低污染物浓度，恢复地下水水质。物理修复方法中，地下水抽取与排放是一种常见的手段。通过在污染区域设置抽水井，将污染的地下水抽出，然后输送到专门的污水处理厂进行处理。处理后的水可根据水质情况进行回用或排放。在抽取过程中，要合理布置抽水井的位置和间距，确保能够有效抽取污染水，同时避免对周边地下水环境造成新的影响。建设隔离墙也是一种有效的物理修复方法，可采用水泥土搅拌桩、钢板桩等材料构建隔离墙，将污染区域与未污染区域隔离开来，防止污染物进一步扩散。化学修复方法利用化学反应降解地下水中的污染物。对于含有重金属的污染地下水，可采用化学沉淀法。通过向地下水中加入沉淀剂，如硫化钠等，使重金属离子形成硫化物沉淀，从而降低地下水中重金属的浓度。在处理过程中，要根据地下水中重金属的种类和浓度，合理控制沉淀剂的用量和反应条件，确保处理效果。化学氧化还原法也可用于降解有机污染物。通过向地下水中注入强氧化剂，如过氧化氢、高锰酸钾等，将有机污染物氧化分解为无害物质，从而达到净化地下水的目的。生物修复方法是利用微生物的代谢作用降解地下水中的有机污染物。可采用原位生物修复技术，通过向污染区域注入营养物质和微生物菌剂，促进微生物的生长繁殖，增强其对有机污染物的降解能力。在注入过程中，要根据污染程度和地下水流速等因素，合理确定营养物质和微生物菌剂的注入量和注入频率，确保微生物能够在污染区域充分发挥作用。异位生物修复技术也是一种选择，将污染的地下水抽出，输送到专门的生物处理池中，利用池中培养的微生物对污染物进行降解。处理后的水再回灌到地下，实现地下水的净化和修复。6.3水资源综合利用与保护矿井水作为煤矿开采过程中产生的水资源，具有一定的开发利用价值。通过合理的处理和利用，不仅可以减少对新鲜水资源的开采，实现水资源的循环利用，还能降低矿井水排放对环境的影响。对于水质较好的矿井水，可直接用于煤矿生产环节，如井下防尘洒水、煤场降尘等。在井下，通过设置喷雾降尘装置，将处理后的矿井水喷洒到采煤工作面、运输巷道等产尘区域，有效抑制粉尘的产生，改善井下作业环境。在煤场，利用矿井水进行洒水降尘，防止煤炭扬尘对周边环境造成污染。这样既满足了生产需求，又节约了新鲜水资源。矿井水还可用于工业冷却，为煤