■李博

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊(duì) 河北邯鄲056004）

Visual Modflow模型在魚(yú)卡礦井第四系涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

■李博

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊(duì) 河北邯鄲056004）

分析青海省魚(yú)卡礦地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，進(jìn)而分析確定礦井邊界條件和初始水文地質(zhì)參數(shù)，構(gòu)建水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型。根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件，礦坑水的主要來(lái)源為M5-2、M6-6、M7-9煤層頂板砂巖含水層裂隙承壓水。當(dāng)采煤對(duì)煤層頂板的擾動(dòng)產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙高度發(fā)育到第四系時(shí)，礦坑水的來(lái)源就發(fā)生了改變，變?yōu)榈谒南邓缮r類(lèi)孔隙水和煤層頂板砂巖裂隙水。采用Visual Modflow模型計(jì)算第四系孔隙水通過(guò)導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入到礦井的涌水量。

魚(yú)卡礦Visual Modflow模型涌水量預(yù)測(cè)

1　礦井概況

1.1位置交通

魚(yú)卡礦井位于柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡煤田東部北山地區(qū)，青海省海西州大柴旦鎮(zhèn)以西45km處，介于南側(cè)的綠梁山與北側(cè)的達(dá)肯大坂山之間。井田面積23.8083km2，主采煤層為侏羅系石門(mén)溝組M5煤層和大煤溝組M6、M7煤層。

礦井及其周邊交通以公路為主，是青海連接西藏、新疆、甘肅的重要交通樞紐。青藏鐵路在礦井之南約102km處。由礦井經(jīng)國(guó)道G215可直達(dá)錫鐵山火車(chē)站。礦井向南至格爾木機(jī)場(chǎng)約235km，經(jīng)國(guó)道G215線或青藏鐵路均可到達(dá)格爾木機(jī)場(chǎng)，再經(jīng)格爾木機(jī)場(chǎng)或青藏鐵路又可到達(dá)西寧曹家堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)。

1.2自然地理

礦井位居青藏高原的北部，柴達(dá)木盆地的北部邊緣，以戈壁荒灘和低山丘陵地貌單元為主。礦井北部為達(dá)肯達(dá)坂山，西南為綠梁山，中間為魚(yú)卡沖洪積扇。

礦井屬柴達(dá)木內(nèi)陸水系、魚(yú)卡河與德宗馬海湖流域。礦井位于魚(yú)卡河流域中段，距河流約3.5km。魚(yú)卡河在該段以下切剝蝕作用為主。魚(yú)卡濕地緊鄰礦井西南角，濕地面積5.5km2左右，是地表泉水匯集處，夏季雨量充沛時(shí)形成沼澤。

礦井深居內(nèi)陸、地處高原，具冬季寒冷、夏季酷熱、晝夜溫差大、干燥少雨、風(fēng)速?gòu)?qiáng)勁、沙暴多等高原氣候特征，屬于典型的內(nèi)陸沙漠盆地型大陸性氣候。

2　地質(zhì)特征

2.1地層

礦井內(nèi)多被新生界地層所覆蓋。根據(jù)地表出露及煤田鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有：奧陶系灘間山群（O3tj）、侏羅系（J）、古近系（E）及第四系（Q）。

礦井內(nèi)含煤地層為侏羅系石門(mén)溝組含煤段和大煤溝組含煤段，含煤層7層（編號(hào)為M1～M7），煤層平均總厚度為58.12m，總含煤系數(shù)為9.63%；含可采煤層3層（編號(hào)為M5、M6、M7），平均可采厚度為27.00m，可采含煤系數(shù)7.87%。

2.2構(gòu)造

礦井總體構(gòu)造形態(tài)為一走向近東西向、向西傾伏的背斜構(gòu)造即北山背斜，靠近軸部地層傾角大，向南北兩側(cè)地層傾角逐漸變??；并伴生有一組走向近東西向的逆推斷層和一組近南北向的逆斷層，并且斷裂構(gòu)造破壞了褶曲構(gòu)造的完整性。

礦井內(nèi)主要由魚(yú)卡背斜構(gòu)成。該背斜位于井田中南部，是出露形態(tài)完整，規(guī)模最大的背斜。軸跡走向呈近東西向貫穿整個(gè)井田，它東端起于北山奧陶系綠泥石片巖古隆起部位，向西傾伏，東西長(zhǎng)約15km，寬約5～6km。

主要斷層由物探推斷并經(jīng)鉆探證實(shí)發(fā)育有多條呈近東西向展布的逆斷層，形成向北傾的單斜斷塊構(gòu)造。共確定斷層6條。其中F1、F2、F4和F7斷層查明程度為詳細(xì)查明，F(xiàn)3、F6斷層查明程度為查明。走向逆斷層4條（F1、F4、F6和F7）；傾向逆斷層2條（F2和F3）。

3　水文地質(zhì)

3.1含水層

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件和對(duì)煤層開(kāi)采影響的水文地質(zhì)因素，礦井自上而下可劃分為第四系松散層孔隙含水層和碎屑巖類(lèi)侏羅系砂巖裂隙含水層兩大含水層組。

第四系含水層厚度4.00～559.44m。該含水層組厚度變化受構(gòu)造影響較大。南區(qū)以砂卵礫石、含漂石卵礫石及砂礫石為主，一般50m以下，泥質(zhì)含量高，上部泥質(zhì)含量低；東區(qū)為中粗砂、砂礫石，含少量含卵礫石層，粒徑較??；西區(qū)以中粗砂為主，粒徑變細(xì)?？傊?，北山背斜以南砂卵礫石、含卵礫石、砂礫石所占比例較大；北山背斜以北中粗砂、砂礫石所占比例較大。

第四系孔隙水的水化學(xué)特征與其補(bǔ)給條件、富水性、水交替積極程度和地下水逕流強(qiáng)度息息相關(guān)。一般補(bǔ)給條件好、富水性強(qiáng)、地下水交替積極的地段，水中陰陽(yáng)離子含量、礦化度、總硬度低，反之越高。

3.2隔水層

根據(jù)巖層的透水性能強(qiáng)弱，礦井內(nèi)可劃分四個(gè)主要隔水層，分別是侏羅系上統(tǒng)紅水溝組、采石嶺組隔水層、侏羅系中統(tǒng)石門(mén)溝組隔水層、侏羅系中統(tǒng)大煤溝組隔水層和侏羅系中統(tǒng)大煤溝組底板隔水層。

其中，侏羅系上統(tǒng)紅水溝組、采石嶺組隔水層巖性為紫紅色—灰綠色夾雜色巨厚層狀泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，厚度約96.5～189.10m，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，致密，泥質(zhì)含量高，隔水性能好，阻隔了表層第四系孔隙水的下滲，主要發(fā)育在井田中西部。

4　第四系涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件，礦坑水的主要來(lái)源為M5-2、M6-6、M7-9煤層頂板砂巖含水層裂隙承壓水。當(dāng)采煤對(duì)煤層頂板的擾動(dòng)產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙高度發(fā)育到第四系時(shí)，礦坑水的來(lái)源就發(fā)生了改變，變?yōu)榈谒南邓缮r類(lèi)孔隙水和煤層頂板砂巖裂隙水。

4.1水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)礦井地下水系統(tǒng)的特征，采用Visual Modflow模型，計(jì)算第四系孔隙水通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入到礦井的涌水量。結(jié)合模型技術(shù)的要求，直接在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建水文地質(zhì)概念模型，進(jìn)行模型的校正、識(shí)別與驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)礦井整個(gè)地下水系統(tǒng)的可視化模擬與預(yù)測(cè)。

4.1.1計(jì)算范圍

模擬以魚(yú)卡河沖洪積扇和山前支溝沖洪積扇作為計(jì)算域范圍，北部以達(dá)肯大阪山及礦井內(nèi)基巖露頭為界，東部、南部以魚(yú)卡河為界，西部以魚(yú)卡濕地為界，面積約為50km2，詳見(jiàn)圖1。

4.1.2水文地質(zhì)條件概化

礦井地處青海省海西州大柴旦鎮(zhèn)以西45km處，介于南側(cè)的綠梁山與北側(cè)的達(dá)肯大坂山之間。計(jì)算范圍為整個(gè)魚(yú)卡河沖洪積扇和山前支溝沖洪積扇，以200*200的均勻網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行剖分，針對(duì)礦井的水文地質(zhì)條件，東部邊界主要以魚(yú)卡河沖洪積扇補(bǔ)給為主、北部以山前支溝沖洪積扇補(bǔ)給為主，西部邊界以泉水溢出形式排泄至魚(yú)卡濕地，南部邊界為魚(yú)卡河，模型頂部接受大氣降水補(bǔ)給和大氣蒸發(fā)，為補(bǔ)給排泄邊界，將計(jì)算區(qū)概化為單層潛水含水層，以基巖作為含水層的相對(duì)隔水底板。

圖1　模型計(jì)算范圍

將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行本區(qū)地下水流系統(tǒng)概化：

（1）將含水介質(zhì)概化為非均質(zhì)各向異性。（2）地下水系統(tǒng)輸入、輸出隨時(shí)間變化，故為非穩(wěn)定流。（3）計(jì)算區(qū)水力坡度小，含水層分布廣、厚度大，地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律。

綜上所述，將計(jì)算區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

4.2數(shù)學(xué)模型

依據(jù)滲流的連續(xù)性方程和達(dá)西定律，計(jì)算區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型相對(duì)應(yīng)的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型如下：

式中：H—地下水水頭；H0—含水層初始水頭；H1—各層邊界水頭；Kxx，Kyy，Kzz—x，y，z方向的滲透系數(shù)；μ—給水度；q—含水層第二類(lèi)邊界單位面積過(guò)水?dāng)嗝嫜a(bǔ)給流量；ω—源匯項(xiàng)強(qiáng)度；Ω—滲流區(qū)域；B1—水頭邊界；B2—流量邊界。

圖2　模型的網(wǎng)格剖分圖

4.3應(yīng)用Visual Modflow建立模型

4.3.1計(jì)算區(qū)域剖分

根據(jù)Visual Modflow的要求，采用等間距有限差分的離散方法對(duì)含水介質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)剖分，網(wǎng)格單元row×column×layer為200× 200×1，其中將計(jì)算區(qū)邊界外的網(wǎng)格設(shè)為不計(jì)算單元格（即不參與模型計(jì)算），建立剖分圖，詳見(jiàn)圖2～圖4）。

圖3　計(jì)算區(qū)橫向剖面（79行）剖分圖

圖4　計(jì)算區(qū)縱向剖面（106列）剖分圖

4.3.2模擬期的確定

確定模擬期為單孔抽水試驗(yàn)時(shí)間，以一個(gè)小時(shí)作為一個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)包括若干時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)為模型自動(dòng)控制。

4.3.3定解條件的處理

在設(shè)置邊界條件與初始條件時(shí)主要根據(jù)充水含水層的水文地質(zhì)條件以及抽水試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置。

初始條件：采用2014年9月實(shí)測(cè)的地下水水位作為模型含水層的初始水位，采用內(nèi)插和外推法獲得含水層的初始水位。

邊界條件：模型邊界按通用水頭邊界處理。

4.3.4源匯項(xiàng)的處理

計(jì)算區(qū)的源匯項(xiàng)主要包括補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)。

該區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為魚(yú)卡河側(cè)向滲漏補(bǔ)給，其次是大氣降水入滲補(bǔ)給。

魚(yú)卡河水位遠(yuǎn)高于地下水位，具有西北地區(qū)河流滲漏的一般特征，在洪積扇中上部，滲漏量大小與河水和地下水位差無(wú)關(guān)，以“懸河”的形式滲漏補(bǔ)給地下水。不同的河水流量，形成不同的河流寬度與深度，從而影響滲漏量的大小。河流總滲漏量的大小，受河水流量與滲漏能力的制約（當(dāng)流量較小時(shí)，直至沿途全部滲漏為止），而滲漏能力則隨河水流量的大小而變化。河水滲漏能力的變化規(guī)律，用滲漏量經(jīng)驗(yàn)公式控制，數(shù)據(jù)采用2014年6月份所實(shí)測(cè)的河流斷面流量，用遞推方法分配給河流沿途各結(jié)點(diǎn)。根據(jù)收集的1970年～2007年大柴旦地區(qū)的氣象資料，本地區(qū)多年平均降水量88.3mm，作為未來(lái)模型的大氣降水入滲補(bǔ)給，并綜合考慮降水入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)兩個(gè)方面的因素取入滲系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為0.2。

地下水主要排泄方式為泉水溢出形式排泄至魚(yú)卡濕地、地下水蒸發(fā)和人工開(kāi)采。

在模型的西部邊界，潛水水位高于地表高程，地下水溢出成泉或泉集河向魚(yú)卡濕地排泄，根據(jù)已有的資料顯示，泉水年平均流量為1.3m3/s。

蒸發(fā)強(qiáng)度選擇阿維里揚(yáng)諾夫經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)近似描述蒸發(fā)規(guī)律：

式中：ε(t)—地下水的蒸發(fā)強(qiáng)度，主要取決于水面蒸發(fā)能力E0 (t)與地下水埋深Δ；E0(t)—水面蒸發(fā)能力，直接取氣象統(tǒng)計(jì)資料數(shù)值多年平均蒸發(fā)量1400mm；Δ0—地下水極限蒸發(fā)深度，取3m；Δ—地下水埋藏深度，地下水泄出帶水位埋深小于3m，取平均值1.5m；n—無(wú)量綱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，該地區(qū)近似取2。

蒸發(fā)量將會(huì)隨著地下水的埋深而變化。

魚(yú)卡水源地目前并未進(jìn)行人工開(kāi)采。

4.3.5模型識(shí)別與驗(yàn)證

根據(jù)建立的數(shù)值模型，模擬的地下水流場(chǎng)要與實(shí)際地下水流場(chǎng)基本一致。主要是通過(guò)調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，同時(shí)也對(duì)邊界條件及邊界上的交換水量進(jìn)行必要的調(diào)整，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整與試算，使計(jì)算的水位值與實(shí)測(cè)的水位值之差最小，從而達(dá)到數(shù)值仿真的目的。如果校正效果好，則可利用模型對(duì)礦井水文地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，否則，需要重新調(diào)整模型。

此次采用以往施工的水文地質(zhì)孔水位動(dòng)態(tài)資料，并結(jié)合以往魚(yú)卡水源地勘探報(bào)告來(lái)進(jìn)行模型識(shí)別與驗(yàn)證，通過(guò)地質(zhì)條件分析和計(jì)算相結(jié)合，反復(fù)調(diào)參，以取得最佳擬合效果。經(jīng)過(guò)多次計(jì)算，擬合結(jié)果較為滿意，詳見(jiàn)圖5～圖7）。

圖5　第四系初始流場(chǎng)擬合圖

圖6　K2號(hào)孔地下水水位歷時(shí)擬合曲線圖

4.3.6模型識(shí)別和驗(yàn)證后的參數(shù)

水文地質(zhì)參數(shù)選取的合理與否直接關(guān)系到模型的計(jì)算精度和結(jié)果的可靠程度。此次參數(shù)的選取，主要參考以往施工的水文地質(zhì)孔的水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合魚(yú)卡礦區(qū)三井田和魚(yú)卡河沖洪積扇的地層、構(gòu)造，以及含水層的巖性、富水性、埋深條件、厚度和水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律對(duì)各含水層進(jìn)行分區(qū)，設(shè)置不同的滲透系數(shù)和給水度初值。

圖7　Q1號(hào)孔地下水水位歷時(shí)擬合曲線圖

4.4涌水量預(yù)測(cè)

4.4.1預(yù)測(cè)方案

利用校正、識(shí)別后的數(shù)值模型，預(yù)測(cè)當(dāng)開(kāi)采M5-2、M6-6、M7-9煤層時(shí)，將導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育到第四系地段的地下水水位疏干至含水層的底板的第四系涌水量。開(kāi)采M5-2、M6-6煤層時(shí)，先期開(kāi)采地段東部局部范圍內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育到第四系，此范圍內(nèi)含水層所蘊(yùn)含的水量作為第四系含水層通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入礦井的涌水量，但考慮煤礦開(kāi)采常常引起上部巖層發(fā)生位移，甚至使巖層產(chǎn)生大面積移動(dòng)，故本次計(jì)算包括了巖層移動(dòng)角75°范圍內(nèi)含水層所蘊(yùn)含的水量。

4.4.2涌水量預(yù)測(cè)

此次預(yù)測(cè)采用加井抽水疏干進(jìn)行預(yù)測(cè)，即在所需預(yù)測(cè)區(qū)均勻布井，加井抽水疏干至含水層底板，即第四系底板。

運(yùn)用Visual Modflow軟件中水均衡域計(jì)算模塊Zone Budget，預(yù)測(cè)開(kāi)采M5-2煤層時(shí)第四系孔隙水通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入到礦井的涌水量為：先期開(kāi)采地段的中部（即K2、ZK39-2、ZK37-1孔附近）正常涌水量為1519.58m3/h，最大涌水量1671.54m3/h。因疏排第四系孔隙水而形成的降落漏斗影響半徑約為770m。預(yù)測(cè)開(kāi)采M6-6煤層時(shí)，第四系孔隙水通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入到礦井的涌水量分別為：先期開(kāi)采地段北部（ZK34-7、ZK35-5、ZK36-10、ZK36-11孔附近）礦井正常涌水量為505.0m3/h，最大涌水量555.5 m3/h，先期開(kāi)采地段東部（即ZK40-8、ZK41-3和ZK40-14孔附近）礦井正常涌水量為1854.17m3/h，最大涌水量2039.58m3/h。因疏排第四系孔隙水（即ZK40-8、ZK41-3和ZK40-14孔附近）而形成的降落漏斗影響半徑約為790m。

5　結(jié)論

采用Visual Modflow模型對(duì)礦井先期開(kāi)采地段冒落裂隙發(fā)育到第四系底板部位的第四系含水層的正常涌水量預(yù)測(cè)時(shí)，盡管模擬區(qū)面積較大，觀測(cè)孔長(zhǎng)觀數(shù)據(jù)較少，對(duì)計(jì)算區(qū)邊界水位條件控制程度不高，但采用的調(diào)參資料為群孔抽水試驗(yàn)的水位觀測(cè)資料以及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的水位進(jìn)行修正，能夠比較好的用來(lái)調(diào)試和驗(yàn)證模型。因此，應(yīng)用Visual Modflow進(jìn)行礦井地下水三維數(shù)值模擬計(jì)算，水文地質(zhì)概念模型正確，較好地反映了礦區(qū)水文地質(zhì)條件，模型識(shí)別精度高，收斂性和穩(wěn)定性較好。

[1]宋穎霞，張耀文，曾一凡.基于Visual Modflow的礦坑涌水量模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià) [J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39（2）：25～28.

[2]鄭世書(shū)，陳江中，劉漢湖.專(zhuān)門(mén)水文地質(zhì)學(xué) [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

TD175[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-113-3

李博（1982～），男，畢業(yè)于河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院地理信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，河北工程大學(xué)資源學(xué)院地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)在職研究生，工程碩士，工程師。