王 濤

中煤第三建設(shè)集團(tuán)安徽地質(zhì)測(cè)量工程有限責(zé)任公司，安徽宿州，234000

臥龍湖礦太灰含水層水文地質(zhì)求參

王 濤

中煤第三建設(shè)集團(tuán)安徽地質(zhì)測(cè)量工程有限責(zé)任公司，安徽宿州，234000

通過對(duì)臥龍湖煤礦101和102采區(qū)進(jìn)行放水試驗(yàn)，得到了放水第一、二階段主要太灰觀測(cè)孔降深與流量歷時(shí)曲線以及水位恢復(fù)階段觀測(cè)孔降深與流量的歷時(shí)曲線。根據(jù)放水試驗(yàn)結(jié)果與采區(qū)水文地質(zhì)條件，建立水文地質(zhì)概念模型并進(jìn)行水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐郑捎肍EFLOW模擬軟件進(jìn)行模型的建立、識(shí)別、對(duì)比和驗(yàn)證，求得了較為合理的各水文地質(zhì)單元地下水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而揭示出了礦區(qū)內(nèi)101與102采區(qū)兩個(gè)太灰含水層的高水位分布區(qū)。

放水試驗(yàn)；太灰含水層；數(shù)值模擬；臥龍湖礦

臥龍湖煤礦深部煤層開采受到下伏太原群巖溶含水層(簡(jiǎn)稱“太灰”)和奧陶系巖溶含水層(簡(jiǎn)稱“奧灰”)的嚴(yán)重威脅。為了查明臥龍湖礦101與102采區(qū)太灰含水層的富水性、補(bǔ)給來源、補(bǔ)給方式及可能的補(bǔ)給地段，進(jìn)而得出采區(qū)灰?guī)r水流場(chǎng)分布特征，開展井下放水試驗(yàn)是一種有效手段。FEFLOW是由德國(guó)WASY水資源規(guī)劃系統(tǒng)研究所研制開發(fā)的基于有限單元法的地下水模型軟件包，是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一。該軟件提供圖形人機(jī)對(duì)話功能、具備地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口、能夠自動(dòng)產(chǎn)生空間各種有限元網(wǎng)、具有空間參數(shù)區(qū)域化、快速精確的數(shù)值算法和先進(jìn)的圖形視覺化技術(shù)等特點(diǎn)[1]。將放水試驗(yàn)與FEFLOW模擬同時(shí)應(yīng)用于采區(qū)水文地質(zhì)條件分析,是煤礦防治水研究工作中的有益嘗試。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

101與102采區(qū)位于臥龍湖井田西南部，采區(qū)西部及南部以10煤層露頭為界，東部以F9斷層為界，北部以F8斷層為界。101與102采區(qū)上限為煤層露頭線，煤層底板標(biāo)高-310 m左右，下限煤層底板標(biāo)高為-550 m，采區(qū)整體形態(tài)呈梯形，北寬南窄，南北長(zhǎng)約5000 m，東西寬600～1400 m，面積約5 km2。兩采區(qū)內(nèi)地表無基巖出露，沖積層厚330～355 m，由西南至東北逐漸變厚，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦。

四含水因與基巖直接接觸，構(gòu)成四含水與煤系含水層水、灰?guī)r含水層水成為互補(bǔ)關(guān)系，煤系含水層與下伏灰?guī)r含水層之間有相對(duì)隔水層存在，本身聯(lián)系不密切，但采區(qū)由于F8、F9及BF34等落差大于50米斷層的存在，造成灰?guī)r與煤系地層直接接觸，煤系含水層與灰?guī)r含水層為互補(bǔ)關(guān)系[2]。

2 研究區(qū)放水試驗(yàn)

此次研究的主要對(duì)象為太原組上段灰?guī)r水。由于其為高承壓含水層，井下也不具備足夠的排水能力和完備的測(cè)流、測(cè)壓裝備，故本次試驗(yàn)按照非穩(wěn)定流方法，采用井下放水，井上、井下同步觀測(cè)的方法。為充分暴露礦井水文地質(zhì)條件，首先102-觀3開始放水，其他鉆孔作為觀測(cè)孔。持續(xù)放水一段時(shí)間后，增加102-放5為放水孔。放水試驗(yàn)歷時(shí)15天，第1d12:00之前開始原始水位觀測(cè)，12:00時(shí)后打開101-觀3開始放水，由于效果不明顯，于第4d11:00打開102-放5;第10d18:00關(guān)閉兩個(gè)放水孔，開始水位恢復(fù)。放水第一、二階段主要太灰觀測(cè)孔降深與流量歷時(shí)曲線如圖1所示，水位恢復(fù)階段太灰觀測(cè)孔降深歷時(shí)曲線如圖2所示。

圖1 放水第一、二階段太灰觀測(cè)孔降深與流量歷時(shí)曲線

圖2 水位恢復(fù)階段太灰觀測(cè)孔降深歷時(shí)曲線

3 水文地質(zhì)概念模型與數(shù)學(xué)模型

3.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)臥龍湖煤礦水文地質(zhì)條件，結(jié)合太灰101-觀2的觀測(cè)結(jié)果，可以初步推斷F9斷層以西的塊段為一相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。東側(cè)以落差0～70 m的F9斷層為區(qū)外相隔，北側(cè)以落差0～90 m的F8斷層為區(qū)外相隔，南側(cè)與西側(cè)以井田淺部10煤層露頭區(qū)為界。采區(qū)主要水害威脅水源太灰含水層包括4個(gè)薄層灰?guī)r，各含水層間無穩(wěn)定隔水層，水體聯(lián)系密切，將其視為一非均質(zhì)、各向異性統(tǒng)一含水體。該區(qū)域的北部邊界定義為流量邊界，邊界的具體流量根據(jù)北部太灰2001-觀1在放水過程中降深與流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分段估計(jì)。F9斷層以南，101采區(qū)東翼軌道巷的太灰101-觀1在整個(gè)放水試驗(yàn)過程中壓力不變，表明F9斷層阻隔太灰水流動(dòng)，F(xiàn)9斷層為隔水?dāng)鄬印Ｑ芯繀^(qū)域的F8斷層落差較大，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)延長(zhǎng)不大，定義為隔水邊界。在F8與F9斷層之間的邊界無構(gòu)造分布，直接與外界相同，定義為

圖3 101與102采區(qū)太灰水文地質(zhì)概念模型示意圖

流量邊界。區(qū)內(nèi)太灰水主要通過兩個(gè)放水孔及102采區(qū)局部泄水點(diǎn)等通道進(jìn)行排泄。

根據(jù)整個(gè)101與102采區(qū)放水試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合兩采區(qū)水文地質(zhì)條件與構(gòu)造條件，將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)：一共劃分出6個(gè)水文地質(zhì)參數(shù)區(qū)，并在局部復(fù)雜區(qū)域定義了緩沖區(qū)域(圖3)。

3.2 數(shù)學(xué)模型

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，它是根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理，由一個(gè)泛定方程加定解條件(邊界條件和初始條件)組成。根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，即得二維非均質(zhì)、各向異性、非穩(wěn)定承壓地下水流的數(shù)學(xué)模型，可用下列方程式來描述，即：

H(x,y,t)=H1(x,y)∈Γ1

=-q(x,y,t) (x,y)∈Γ2,t>0

4 數(shù)值模型的建立、識(shí)別與對(duì)比驗(yàn)證

4.1 數(shù)值模型的建立

圖4 研究區(qū)有限元計(jì)算剖分網(wǎng)格

通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)所有的水文資料進(jìn)行整理，將研究區(qū)進(jìn)行參數(shù)分區(qū)[5-6]。采用三角形單元將兩個(gè)研究區(qū)進(jìn)行三角剖分，將101與102研究區(qū)分為2238個(gè)單元，2360個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖4)。

4.2 數(shù)值模型識(shí)別與驗(yàn)證

根據(jù)已掌握的礦井水文地質(zhì)條件，將模型所需全部數(shù)據(jù)輸入模擬計(jì)算程序，通過不斷調(diào)整模型參數(shù)，修正模型的各部分，完成數(shù)值模型對(duì)客觀水文地質(zhì)原型較為逼真的擬合。擬合過程采用人工試算與機(jī)器調(diào)試相結(jié)合的方法，即先人為給定未知量(參數(shù)或水量)進(jìn)行正向計(jì)算，求得目標(biāo)函數(shù)，并不斷地修改未知量，重復(fù)進(jìn)行正演計(jì)算，直至求得的目標(biāo)函數(shù)滿足誤差為止，此時(shí)的未知量即是所要求的參數(shù)或水量。再給定未知量的約束條件，讓機(jī)器自動(dòng)尋優(yōu)，不斷地解正問題。求得目標(biāo)函數(shù)達(dá)極小值的未知量，即得到所求的參數(shù)。然后結(jié)合礦井的水文地質(zhì)條件，進(jìn)行綜合分析，確定較合理的一組。

根據(jù)放水試驗(yàn)，本次模擬時(shí)間段為第4d15：00～第10d18：00～第15d9:00兩個(gè)時(shí)間段。從圖5中第10d18：00的時(shí)刻水位分布模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比圖可以看出，模擬結(jié)果基本與觀測(cè)結(jié)果相符合，從圖中可以明顯地看出兩個(gè)高水位分布區(qū)與兩個(gè)降落漏斗的分布區(qū)。從圖6中第15d9:00的時(shí)刻水位分布模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比圖可以看出，水位恢復(fù)速度較慢，高水位分布區(qū)水位變化很小，少數(shù)觀測(cè)孔水位在此時(shí)間段內(nèi)恢復(fù)到初始水位。盡管部分觀測(cè)孔上水位恢復(fù)模擬不太理想，但大體上水位恢復(fù)階段的模擬還是符合放水試驗(yàn)反映的客觀實(shí)際。

圖5 第10d 18：00時(shí)刻水位分布模擬與實(shí)測(cè)等值線對(duì)比圖

太灰水文觀測(cè)孔水位變化曲線如圖7所示，從擬合曲線上可看出，放水試驗(yàn)中兩水位觀測(cè)孔模擬水位與觀測(cè)水位基本一致，變化趨勢(shì)大體相符。

4.3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)結(jié)果

101與102采區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別結(jié)果如表1所示，單元分區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)參數(shù)基本與采用s-lg(t/r2)直線圖解法一致。

表1 101與102采區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別結(jié)果

5 結(jié) 論

根據(jù)放水試驗(yàn)，結(jié)合FEFLOW數(shù)值模擬，建立了臥龍湖煤礦101與102采區(qū)太灰含水層水文地質(zhì)概念模型，合理確定了研究區(qū)水文地質(zhì)單元，求得各水文地質(zhì)單元地下水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，揭示了101與102采區(qū)兩個(gè)太灰含水層高水位分布區(qū)。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.12.030

2016-06-12

王濤(1987-)，安徽宿州人，主要研究方向：工程地質(zhì)與水文地質(zhì)。

P641

A

1673-2006(2016)12-0108-04