張禮威

(山東能源集團(tuán)有限公司,山東省濟(jì)南市,250014)

邱集煤礦四五灰含水層水位恢復(fù)數(shù)值模擬研究

張禮威

(山東能源集團(tuán)有限公司,山東省濟(jì)南市,250014)

針對(duì)邱集煤礦11＃煤層掘進(jìn)過程中四五灰頂板出水原因、四五灰含水層水文地質(zhì)變化、重要邊界條件和垂向補(bǔ)給通道的位置等問題,以礦區(qū)地下含水層為研究對(duì)象,利用四五灰含水層水位恢復(fù)資料,采用FEELOW軟件建立了三維地下水水流數(shù)值模型模擬并計(jì)算四五灰含水層疏干水量。模擬結(jié)果表明井田區(qū)域淺部四五灰富水性及滲透性較好,四五灰非均質(zhì)各相異性明顯,礦井東南部區(qū)域的滲透性強(qiáng)于東北部區(qū)域的滲透性;淺部、中部、深部四五灰含水層疏干正常水量為3620 m3/h、3930 m3/h、4130 m3/h。

四五灰含水層 地下水水流 數(shù)值模擬 水位恢復(fù) 疏干水量 邱集煤礦

邱集煤礦是我國(guó)黃河北煤田的第一對(duì)試驗(yàn)型生產(chǎn)礦井,11＃煤層直接頂為四五灰含水層,底板距徐灰含水層35.40 m,徐灰距奧灰含水層平均7～8 m。為解放受水威脅的11＃煤層,邱集煤礦開始在11＃煤層軌道石門布置四五灰疏干工程,軌道石門處已經(jīng)疏降至水壓0.3 MPa,周圍四五灰觀測(cè)孔已處于疏干狀態(tài)。當(dāng)軌道石門掘進(jìn)至506 m時(shí)在掘進(jìn)頭后約3 m處出水,出水前12 h地面徐灰、奧灰孔不同程度出現(xiàn)水位下降,四五灰水位出現(xiàn)上升,出水后井下四五灰觀測(cè)孔水壓明顯回升,四五灰疏干鉆孔出水量穩(wěn)定在1000 m3/h。水文地質(zhì)條件的突變使四五灰含水層無法疏干,邱集礦不得不在11＃煤層軌道石門施工擋水墻,停止了四五灰疏干工程。

為全面有效評(píng)價(jià)11＃煤層受水威脅的程度,擬采用數(shù)值模擬對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)進(jìn)行反演。在分析煤礦地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,建立研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型、數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模型,并利用三維有限元地下水?dāng)?shù)值模擬軟件FEFLOW對(duì)模型進(jìn)行求解;著重考慮煤礦特殊水文地質(zhì)條件,利用煤礦觀測(cè)孔的長(zhǎng)期觀測(cè)資料對(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證與標(biāo)識(shí);反演四五灰含水層水文地質(zhì)參數(shù),反演礦井重要水文地質(zhì)邊界條件,分析水文地質(zhì)條件變化的原因和新的垂向補(bǔ)給通道的位置及性質(zhì),并計(jì)算產(chǎn)生新的突水通道以后四五灰含水層的疏干水量,作為礦井防治水的依據(jù)。

1 水文地質(zhì)概念模型

1.1 含水層結(jié)構(gòu)

井田上部為上第三系和第四系地層。上第三系中部約200 m厚的地層基本為粘土巖,構(gòu)成上部隔水邊界,從而使第四系含水層與下伏各含水層不存在水力聯(lián)系。上第三系底礫巖發(fā)育不均一,基本可以排除四五灰在露頭區(qū)與下伏徐灰、奧灰含水層存在水力聯(lián)系。井田底部為奧陶系灰?guī)r含水層,厚度大,據(jù)勘探資料可知奧陶系灰?guī)r含水層補(bǔ)給范圍320 km2以上,因此具有一定的動(dòng)儲(chǔ)量和靜儲(chǔ)量。該含水層應(yīng)是井田內(nèi)各灰?guī)r含水層的補(bǔ)給源,是下部補(bǔ)給邊界。

1.2 邊界條件概化

井田東部邊界F8斷層為東升西降的正斷層,斷層落差25～50 m,造成井田外徐灰、奧灰與井田內(nèi)四五灰對(duì)口相接;井田北部邊界F11斷層落差110 m,位于井田深部,南升北降,使井田內(nèi)四五灰含水層與井田外煤系地層對(duì)接,可按阻水邊界考慮。井田西界斷層組階梯式向西斷下,可按阻水邊界對(duì)待。井田南部邊界以F2斷層和13＃煤層露頭為界,為補(bǔ)給邊界;F2斷層落差25～160 m,井田內(nèi)下降,井田外上升,可看作補(bǔ)給邊界。

2 模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)學(xué)模型是水文地質(zhì)概念模型的數(shù)學(xué)語言表達(dá)形式,依據(jù)邱集煤礦水文地質(zhì)概念模型,選擇三維非均質(zhì)、各向異性、非穩(wěn)定承壓地下水流的數(shù)學(xué)模型,如式(1)所示。

式中:Ω——研究區(qū)域;

h——含水層的初始高度,m;

z1——含水層底板標(biāo)高,m;

Kxx——為x方向滲透系數(shù),m/d;

Kyy——為y方向滲透系數(shù),m/d;

Kzz——為z方向的滲透系數(shù),m/d;

Kn——邊界面法向方向的滲透系數(shù),m/d;

t——時(shí)間,d;

μ——給水度;

p——越流強(qiáng)度,1/d;

h0——含水層的初始水位分布,m;

Γ0——地下水的自由表面;

Γ1——側(cè)向流量邊界;

Γ2——側(cè)向分水嶺零流量邊界;

Γ3——含水層底部的隔水邊界;

q(x,y,z,t)——定義為側(cè)向邊界的單寬流量,流入為正,流出為負(fù),隔水邊界為0, m2/d·m。

對(duì)于不均質(zhì)巖體中的地下水流運(yùn)動(dòng)計(jì)算,目前多采用數(shù)值解法。本次研究采用有限元法。應(yīng)用迦遼金有限元法及對(duì)時(shí)間的有限差分法,將式(1)離散化,得到線性方程:

式中:A——導(dǎo)水矩陣;

F——貯水矩陣;

H——含水層的水頭,m;

[G]——源、匯項(xiàng);

[Eh]——補(bǔ)給和排泄量矩陣;

Δt——單位時(shí)間變化量。

采用變帶寬LU矩陣分解法求解式(2)所示的線性方程組,即可求得計(jì)算區(qū)各節(jié)點(diǎn)的水位分布狀況。

2.2 數(shù)值模型的建立、識(shí)別與驗(yàn)證

數(shù)值模擬選用德國(guó)水資源規(guī)劃與系統(tǒng)研究所(WASY)公司開發(fā)的基于有限元法的FEFLOW5.3軟件進(jìn)行計(jì)算。

數(shù)值模擬計(jì)算以第一次放水試驗(yàn)所得的水文地質(zhì)參數(shù)為初始參數(shù),并作為水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)的依據(jù)之一,根據(jù)奧陶系石灰?guī)r的分布規(guī)律、巖溶水的天然流場(chǎng)、構(gòu)造條件、巖溶發(fā)育規(guī)律、各孔的水位變化規(guī)律,將計(jì)算區(qū)參數(shù)分為13個(gè)區(qū),如圖1所示,并采用三角形單元將計(jì)算區(qū)剖分為8799單元, 6156個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖

根據(jù)研究區(qū)域天然巖溶水系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件,對(duì)初始流場(chǎng)進(jìn)行擬合,單寬流量按穩(wěn)定水量分配南部邊界的單寬流量,再擬合確定模型南部側(cè)向補(bǔ)給邊界的單寬流量。井田北部、西部及東部邊界為隔水邊界,單邊邊界流量為0,底部隔水層有越流存在。

布置在井田東部斷層附近的WS3四五灰地面觀測(cè)鉆孔、南部煤層露頭附近的WS1四五灰地面觀測(cè)鉆孔、西南部WS4－6四五灰地面觀測(cè)鉆孔和井田開拓巷道內(nèi)布置的井下放水鉆孔s 39、s 41、 s 49、s 52、s 19、s 30、s 42、s 36共11個(gè)鉆孔在四五灰出水后22 d的水位恢復(fù)資料如表1所示。在模型的基礎(chǔ)上調(diào)整每個(gè)參數(shù)分區(qū)的滲透系數(shù)Kxx、Kyy、Kzz等相關(guān)地質(zhì)參數(shù),計(jì)算各觀測(cè)孔的水位值,繪制計(jì)算值曲線并與觀測(cè)值曲線進(jìn)行擬合比較,觀測(cè)孔擬合曲線如圖2～圖4所示。由圖可知,觀測(cè)孔實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位的擬合滿足收斂度,其中的9個(gè)觀測(cè)孔多個(gè)擬合點(diǎn)中,80%以上的擬合點(diǎn)相對(duì)誤差小于6.5%。求得模型各層參數(shù)分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)。其中四五灰含水層水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別結(jié)果如表2所示。

表1 四五灰各觀測(cè)孔水位最大降深變化m

圖2 WS3、WS1、WS4－6號(hào)孔水位擬合曲線圖

圖3 s19、s42和s49號(hào)孔水位擬合曲線圖

通過地下水位計(jì)算值與觀測(cè)值的擬合比較,說明含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件概化、水文地質(zhì)參數(shù)的選取和源匯項(xiàng)的選取都是合理的,所建立的數(shù)學(xué)模型較為真實(shí)地刻畫了研究區(qū)四五灰含水層特征,仿真性強(qiáng)。選出參數(shù)識(shí)別的最優(yōu)模型,可以運(yùn)用該模型進(jìn)行研究區(qū)礦井涌水量的預(yù)測(cè)。

表2 四五灰含水層水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別結(jié)果

圖4 s30、s36和s41號(hào)孔水位擬合曲線圖

3 突水以后四五灰含水層疏干水量的計(jì)算

將表2各分區(qū)參數(shù)帶入到有限元數(shù)值模型中,即構(gòu)成四五灰疏降水量的計(jì)算模型。四五灰含水層是11＃煤層的直接頂板,要安全回采11＃煤層,必須將四五灰疏干,四五灰的疏降模擬計(jì)算均將四五灰水位疏降至四五灰的頂板標(biāo)高。

根據(jù)邱集井田開拓水平延伸順序,按多種計(jì)算方案,假定四五灰含水層采用巷道疏干,分別計(jì)算了井田淺部、中部和深部的疏降水量。由于南部補(bǔ)給邊界的單寬流量隨著水位下降而逐漸增大,疏干計(jì)算中假設(shè)單寬流量與水力坡度成正比關(guān)系增加。

第一種計(jì)算方案。給定涌水量Q為3000 m3/h和4500 m3/h時(shí),隨疏降時(shí)間的延續(xù),所對(duì)應(yīng)的水位及疏降至給定水平所需的時(shí)間計(jì)算結(jié)果見表3～表5。

表3 邱集煤礦四五灰淺部疏降水位與時(shí)間關(guān)系

表4 邱集煤礦四五灰中部疏降水位與時(shí)間關(guān)系

表5 邱集煤礦四五灰深部疏降水位與時(shí)間關(guān)系

第二種計(jì)算方案。將四五灰疏降至頂板標(biāo)高附近,計(jì)算穩(wěn)定的正常涌水量及最大涌水量。將疏干巷道按定水頭I類邊界處理(即邊界上水頭不隨時(shí)間改變),然后求出穩(wěn)定流場(chǎng)并計(jì)算進(jìn)入巷道的穩(wěn)定流量,即正常涌水量。最大涌水量是指降雨量最大時(shí)的涌水量,降雨量的大小主要影響徐灰含水層水位,徐灰含水層通過垂向越流影響四五灰的疏干水量,汛期徐灰含水層水位提高約10 m,該方案計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 四五灰含水層疏干涌水量計(jì)算結(jié)果m3/h

4 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬共涉及11個(gè)四五灰觀測(cè)孔,進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)擬合有9個(gè)鉆孔,水位曲線擬合符合要求,預(yù)測(cè)四五灰疏降水量準(zhǔn)確,能有效地指導(dǎo)礦井生產(chǎn)。

(2)研究區(qū)域淺部四五灰富水性較好,滲透性也好,四五灰非均質(zhì)各相異性明顯,礦井東南部區(qū)域的滲透性強(qiáng)于東北部區(qū)域的滲透性。往深部(北部)富水性和滲透性逐漸變差。

(3)通過水文地質(zhì)數(shù)值模擬計(jì)算,研究區(qū)域淺部、中部、深部四五灰含水層的疏干正常水量分別為3620 m3/h、3930 m3/h、4130 m3/h。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Study on numerical simulation of water level recovery in the No.4 and No.5 limestone aquifer in Qiuji Coal Mine

Zhang Liwei
(Shandong Energy Group Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 250014,China)

Aimed at the water-bursting cause and hydrogeology variation of No.4 and No.5 limestone,important boundary conditions and the location of vertical recharge path in No.11 coal seam in Qiuji Coal Mine,according to the data of water level recovery in the No.4 and No.5 limestone aquifer,the author set up a numerical model of 3D groundwater flow using FEELOW software and calculated the unwatering quantity of the No.4 and No.5 limestone aquifer.The results showed that the water abundance and permeability of the No.4 and No.5 limestone in shallow coalfield area were preferable,and the anisotropy of heterogeneity was obvious.The permeability of southeast area was better than that of northeast area,and the normal unwatering quantities of the shallow part,middle part and deep part in the No.4 and No.5 limestone aquifer were 3620 m3/h,3930 m3/h,4130 m3/h.

the No.4 and No.5 limestone aquifer,groundwater flow,numerical simulation, water level recovery,unwatering quantity,Qiuji Coal Mine

P641

A

張禮威(1984－),男,山東菏澤人,工程師,2006年畢業(yè)于山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè),現(xiàn)在山東能源集團(tuán)從事技術(shù)管理工作。