劉德旺

(山西焦煤集團公司，山西 太原 0300053)

雙柳煤礦礦井涌水量數(shù)值模擬研究

劉德旺

(山西焦煤集團公司，山西 太原 0300053)

如何比較準確的預(yù)測礦井涌水量一直是國內(nèi)外煤礦相關(guān)研究人員努力探求的重要問題之一。在充分認識和掌握研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了與實際情況相符合的礦井涌水量數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型，重點研究了模型的邊界條件、模型的時間和空間離散、含水介質(zhì)水文地質(zhì)參數(shù)的確定，并運用目前較為流行的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Visual Modflow對研究區(qū)進行了礦井涌水量數(shù)值模擬，得出了比較合理的礦井各水平井下涌水量，為礦井水害防治提供決策依據(jù)。

雙柳煤礦;礦井涌水量;數(shù)值模擬

礦井涌水量是礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中單位時間內(nèi)流入礦井的水量。礦井涌水量的準確預(yù)測對于煤礦制定防治水措施、防止礦井突水、淹井等礦山水害事故的發(fā)生、降低礦山生產(chǎn)成本、保證礦井安全高效生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。礦井涌水量預(yù)測方法很多，常見的有大井法、水文地質(zhì)比擬法、涌水量曲線方程法、水均衡法、數(shù)值模擬法等。本文以雙柳煤礦為研究對象，運用精度較高的數(shù)值模擬法預(yù)測了該礦礦井涌水量，取得了較好的效果。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

雙柳煤礦位于山西省河?xùn)|煤田中部，為典型的黃土高原地貌，為一傾角5°～10°、自東向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向南北。井田主要含水層以承壓水為主，主要包括煤系地層砂巖裂隙承壓含水層、石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層和奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層;隔水層主要為含水層間分布的泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。煤系地層地下水自東向西徑流，水力坡度大于奧灰水，以山西組最大，地下水由淺部順含水層向深部運動，徑流強度越來越小，最后可能停滯，沿地層薄弱帶排泄;采礦活動直接或間接揭露含水層后，礦井涌水成了本區(qū)煤系砂巖含水層地下水新的排泄點。在井田外圍東部、北部深谷中太原組灰?guī)r出露，接受大氣降水直接補給，受地形、地質(zhì)條件的控制，太原組灰?guī)r水主要排泄方式為在溝谷中以泉的方式涌出，其次為煤礦生產(chǎn)中揭穿太灰含水層，形成了井田范圍內(nèi)相對集中的人工排泄點。奧陶系灰?guī)r水徑流方向主要向南～南東，從柳林泉排泄，排泄處水力坡度較小。

2 數(shù)值模擬模型的建立

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)范圍北至三交三號井田精查區(qū)13剖面線，南至聚財塔北斷層，東至精查區(qū)東界面積31.03 km2。研究區(qū)太灰?guī)r含水層厚度在30 m左右，由于巖性、富水性存在差異性，含水層巖溶發(fā)育極不均勻，呈現(xiàn)出各向異性的特征。因此，將其概化為非均質(zhì)各向異性、單層結(jié)構(gòu)含水層;研究區(qū)太灰?guī)r水主徑流方向為西南向和東西向，南北邊界基本平行于主徑流方向，定義為零通量邊界;西南邊界參考黃河水位定義為一類水頭邊界;模型的頂部及下部由于均存在穩(wěn)定的隔水層(弱透水)，故處理為零通量邊界。綜上所述，區(qū)內(nèi)地下水三維流特征顯著，介質(zhì)為非均質(zhì)各向異性介質(zhì)，符合達西定律。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述的水文地質(zhì)概念模型，研究區(qū)內(nèi)含水系統(tǒng)地下水流動的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型可描述如下:

式中:x，y，z為笛卡爾坐標軸;t為時間;H0為初始統(tǒng)測水頭，H為已知水頭;Kxx、Kyy、Kzz為坐標軸方向的主滲透系數(shù);μs為比彈性給水度;μd為重力給水度;W 為單位體積井流量，抽水時取負號;Γ1為第一類邊界;Γ2－1為潛水面邊界;Γ2－2為零流量邊界;ε＇為降雨入滲補給量。

本次采用三維有限差分軟件Visual modflow來模擬計算地下水系統(tǒng)的動態(tài)變化，進而預(yù)測地下水流場發(fā)展趨勢與涌水量計算。

2.3 模型剖分

研究區(qū)采用矩形六面體(上、下兩平面不一定平行)剖分，垂向上共剖分了2個單元層，3個結(jié)點層。平面上結(jié)點161×147個。整個模型共計剖分單元47 334個，其中有效單元42 000個。見圖1。

2.4 初始水頭

初始水頭的分布是地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模擬不可缺少的條件。利用研究區(qū)統(tǒng)測觀測孔水位通過插值獲得各結(jié)點的初始水頭值，導(dǎo)入模型，見圖2。

圖 1 模型剖分圖(x∶y∶z=1∶1∶10)

圖 2 太灰含水層初始流場圖(x∶y∶z=1∶1∶10)

2.5 水文地質(zhì)參數(shù)及分區(qū)

根據(jù)鉆孔資料揭露的巖性變化及剖分時的巖性組合，在垂向上劃分了4個對應(yīng)的參數(shù)分區(qū)。針對斷層進行線性排布分區(qū)，在垂向上切割多層，陷落柱進行層間的面狀分區(qū)。在平面上對參數(shù)進一步分區(qū)，分區(qū)的主要依據(jù)為地層對接關(guān)系和地下水補給、徑流、排泄條件，水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)如圖3所示。

2.6 模型識別與校正

利用長觀資料對模型進行了識別與校正，地下水位動態(tài)曲線擬合情況見圖4、圖5。Ms3、Ms7兩個觀測孔的模擬水頭與實測水頭的動態(tài)趨勢及相位基本一致。擬合檢驗分析見圖6，其計算數(shù)據(jù)點個數(shù) 310個，最大殘差 6.616 m位于MS3孔，平均參差 －0.109 m，最小參差為 －0.02 6m，位于MS3孔，對于該水動力場狀態(tài)變化迅速的高承壓含水層，擬合效果總體是較好的。反演得出了水文地質(zhì)參數(shù)，如表1所示:灰?guī)r水平滲透系數(shù)范圍為0.051－0.16 m/d，垂向滲透系數(shù) 0.002 5 －0.005 m/d;，彈性重力給水度 0.000 02 －0.000 035，孔隙度為0.1－0.135，模擬的結(jié)果合理地反映出了地下水的流動特征與規(guī)律。

圖3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

圖4 Ms3孔水位擬和曲線

圖5 Ms7孔水位擬和曲線

圖6 擬合檢驗分析圖

表1 水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果

3 模擬結(jié)果分析

通過模型的識別與校正，對區(qū)內(nèi)的各項水文地質(zhì)參數(shù)進行了反演輸出，數(shù)值模型建立合理。利用所建立的數(shù)值模型，以礦井開采計劃中各階段的開采水平為基本約束條件，進行礦井涌水量模擬計算，在模型中反復(fù)調(diào)試礦井涌水量使井下地下水位保持在該開采水平之下，研究區(qū)內(nèi)太灰?guī)r層頂板標高為+200～450 m，由東向西標高逐漸降低，故虛擬疏水孔大多置于礦井西部，來預(yù)測計算模擬區(qū)不同水平水位及涌水量特征。圖7、圖8、圖9為其中三個水平的水位等值線，各水平預(yù)測計算的涌水量如表2所示。 本次所預(yù)測的井下涌水量為假定條件下的下組煤奧灰災(zāi)害穩(wěn)定涌水量，隨著開采深度的增加，涌水量不斷增大，所以設(shè)計礦井排水能力時還應(yīng)考慮井筒20 m3/h涌水和上組煤采空區(qū)積水因素，建議排水能力按700m3/h涌水量設(shè)計。

圖7 模擬+500水平水位等值線

圖8 模擬+450水平水位等值線

圖9 模擬+400水平水位等值線

表2 各開采水平涌水量模擬結(jié)果

4 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬方法來預(yù)測井下涌水量，該方法不但能夠考慮較多的影響因素，用來解決實際工程中比較復(fù)雜的問題，還能夠比較充分地反映出煤田井下含水介質(zhì)的水動力學(xué)特性和特定的邊界條件，能夠更加深入和全面地反映煤田井下涌水的全過程。模擬結(jié)果表明:所建立的研究區(qū)數(shù)學(xué)模型及邊界條件的處理是合理的;最后的模擬結(jié)果比較客觀地反應(yīng)了研究區(qū)開采規(guī)模的變化所呈現(xiàn)出來的礦區(qū)地下水位的相應(yīng)變化，與模型檢驗過程中所設(shè)定的地下水位值基本吻合。其模擬結(jié)果能夠為礦井水害防治技術(shù)與措施的制定提供決策依據(jù)。

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P641

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1004－1184(2012)01－0051－02

2011－10－17

劉德旺(1972－)，男，山西平遙人，高級工程師，主要從事礦井水害防治方面的研究工作。