李明澤

(山西省地質(zhì)勘查局，山西省太原市，030012)

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

基于導(dǎo)水裂縫帶的地下水動態(tài)模擬及預(yù)測

李明澤

(山西省地質(zhì)勘查局，山西省太原市，030012)

為研究煤炭地下氣化過程中形成的導(dǎo)水裂縫帶對地下水流場的影響，以FLAC 3D模型模擬導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育結(jié)果為基礎(chǔ)，利用Visual Modflow構(gòu)建分時段氣化區(qū)地下水流數(shù)值模型來模擬氣化過程中地下水滲流場的變化特征，并預(yù)測礦井涌水量。結(jié)果表明：上含水系統(tǒng)地下水滲流場特征在點火之后至燃燒結(jié)束變化不甚明顯，氣化過程未對上含水系統(tǒng)產(chǎn)生影響；頂板隔水層被導(dǎo)通的初始階段，導(dǎo)通區(qū)域會形成明顯的“反降落漏斗”，導(dǎo)通溝通了氣化層與頂板含水層之間的水力聯(lián)系，隨著時間的推移形成與頂板含水層相似的地下水滲流場特征。三維數(shù)值模擬法預(yù)測礦井涌水量為164 m3/d，可以作為礦井排水方案的設(shè)計依據(jù)。

煤地下氣化 地下水滲流場 Visual Modflow 涌水量 導(dǎo)水裂縫帶

煤炭地下氣化技術(shù)是一種將處在地下的煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，進(jìn)而得到清潔煤氣并達(dá)到環(huán)保開采目的的新型開采技術(shù)，對于我國大氣污染問題的解決具有重要作用。地下氣化的研究在國外起步較早，Mendeleyev等學(xué)者對地下氣化工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，奠定了煤炭地下氣化從理論走向?qū)嵺`的基礎(chǔ)。國內(nèi)學(xué)者對于氣化開采的實施進(jìn)行了廣泛深入的研究，通過均向模型等一系列動力模型論證了氣化開采的可行性，推動了煤炭氣化技術(shù)在中國的發(fā)展。煤炭地下氣化技術(shù)從根本上改變了煤炭現(xiàn)有的開采方式，擯棄了傳統(tǒng)開采方式帶來的安全環(huán)境問題。由于煤炭地下氣化是在大于1000℃的高溫下進(jìn)行的，煤層采動中上覆巖體的力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，應(yīng)力再分配使得氣化爐附近的巖層遭到破壞。隨著開采程度的增大，煤層上覆巖體產(chǎn)生破裂，從而生成溝通煤層與上覆含水層的導(dǎo)水裂縫帶，含水層中的水通過裂縫帶進(jìn)入氣化爐，導(dǎo)致氣化爐熱效率的降低以及滅爐事故的發(fā)生。鑒于此，煤炭地下氣化過程中對導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育以及地下水滲流場變化特征的研究就具有重要意義。

本文以烏蘭察布玫瑰營礦為研究對象，以FLAC 3D模擬分析氣化過程中煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育結(jié)果為依據(jù)，運用Visual Modflow分時段構(gòu)建精準(zhǔn)的三維地下水流數(shù)值模型模擬氣化過程中不同階段地下水滲流場的動態(tài)變化特征，以模型為基礎(chǔ)研究確定氣化區(qū)礦井最大涌水量，為保證氣化開采的順利進(jìn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 水文地質(zhì)概念模型

1.1 水文地質(zhì)條件概化

烏蘭察布玫瑰營礦位于山區(qū)與山間平原過度地帶，面積為92.47 km2，本次研究試驗區(qū)域面積較小，約為1.4×105m2。研究區(qū)內(nèi)上含水系統(tǒng)含水層和煤層頂板含水層為該區(qū)域主要賦水含水層。根據(jù)含水層形成年代、埋深以及水力聯(lián)系特征，將研究區(qū)在垂向上自上而下劃分為新近系上含水系統(tǒng)含水層、中部相對穩(wěn)定隔水層、煤層頂板含水層和受氣化燃空區(qū)溫度影響嚴(yán)重的煤層頂板隔水層，層厚分別為100 m、27 m、40～70 m和35 m。因此，將研究區(qū)地層自上而下概化為上含水系統(tǒng)含水層、上含水系統(tǒng)隔水層、煤層頂板含水層和煤層頂板隔水層。通過分析區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，研究區(qū)內(nèi)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)隨巖性變化而異，方向上存在差異性，區(qū)內(nèi)地勢起伏小，含水層分布廣，水力坡度較均一，厚度較大，地下水運動符合達(dá)西定律，因此將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為四層結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)各向異性的非穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)。

1.2 邊界條件和源匯項的確定

研究區(qū)域水文觀測資料顯示，上含水系統(tǒng)含水層水流與區(qū)域地下水流向基本一致，北部水位和南部水位分別為1339.1 m和1337.9 m，地下水由北流向南。因此，把上含水系統(tǒng)北部邊界設(shè)定為補(bǔ)給邊界，南部邊界設(shè)定為排泄邊界，東西部設(shè)定為弱透水邊界，即與外界基本沒有水量交換。與上含水系統(tǒng)相反，地下水在煤層頂板含水層由南流向北，南北部邊界水位分別為1326.4 m和1319.6 m。因此把煤層頂板含水層的南北邊界分別設(shè)為補(bǔ)給和排泄邊界，東西邊界設(shè)為弱透水邊界。

首先根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)資料對含水層主要參數(shù)賦值，然后根據(jù)模型的擬合進(jìn)行參數(shù)識別，最終明確各分區(qū)參數(shù)值。研究區(qū)地下水主要接受地下含水層的側(cè)向補(bǔ)給和大氣降水的面狀補(bǔ)給，由于上含水系統(tǒng)隔水層具有較好的隔水性能，隔斷了大氣降水的入滲補(bǔ)給。因此本模型的建立不考慮大氣降水的補(bǔ)給，只考慮地下含水層之間的側(cè)向補(bǔ)給，將補(bǔ)給概化為線狀補(bǔ)給源。

2 地下水流數(shù)值模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)地下水滲流的續(xù)性方程和達(dá)西定律，并與研究區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型相結(jié)合，建立相對應(yīng)的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型：

式中：Kxx，Kyy，Kzz——滲透系數(shù)在x，y，z方向上的分量；

N——源匯項強(qiáng)度；

Ss——含水層儲水率；

Ω——滲流區(qū)域；

H——地下水水頭；

H0——含水層初始水頭；

H1——各層邊界水頭；

B1——水頭邊界；

B2——流量邊界；

q——含水層中第二類邊界的單位面積過水?dāng)嗝娴难a(bǔ)給流量。

2.2 分時段氣化區(qū)地下水流數(shù)值模型

FLAC 3D數(shù)值模擬結(jié)果顯示，氣化進(jìn)程中受高溫影響的導(dǎo)水裂縫帶高度隨著采空區(qū)面積的增大而逐漸發(fā)育，當(dāng)氣化過程完成時，裂縫帶高度發(fā)育較大區(qū)域集中在氣化的初始階段，且在氣化開采150～200 d時裂縫帶高度發(fā)育至35 m左右，煤層頂板隔水層被導(dǎo)通，裂縫帶的最終發(fā)育高度為65 m，如圖1所示。因此分兩個時段創(chuàng)建地下水流的值模型：

(1)以2007年未開采時自然狀態(tài)至導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通頂板隔水層為第一時段，此時地下水滲流場不受裂縫帶的影響，建立模型M1。

(2)以M1模型末期地下水流場為初始流場，以導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育分布為依據(jù)設(shè)置研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，建立模型M2模擬研究導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育影響下的地下水滲流場特征。

2.2.1 M1數(shù)值模型的建立

模型東西長400 m，南北寬500 m，采取等間距有限差分的離散方法，對含水介質(zhì)進(jìn)行自動剖分，網(wǎng)格單元row×column×layer為100×100×4。模型面積較小，故不對特定區(qū)域網(wǎng)格二次剖分。根據(jù)FLAC 3D模擬結(jié)果，模擬期設(shè)為200 d，模型應(yīng)力期設(shè)置為30 d，應(yīng)力期內(nèi)包含若干時間步長并由模型自動控制。

水文地質(zhì)參數(shù)值對模型的計算具有重要的作用，其分區(qū)以及選取的合理與否將直接影響模型計算結(jié)果的精確度和模擬成果的可靠性。根據(jù)研究區(qū)含水層的巖層厚度、巖性及富水性等水文地質(zhì)特征對含水層進(jìn)行分區(qū)，設(shè)置各區(qū)的滲透系數(shù)和儲水率。根據(jù)水文地質(zhì)勘查鉆孔的抽水試驗結(jié)果，模型含水層分區(qū)如圖2所示。對2007年初自然條件下地下水水位進(jìn)行差值計算獲得含水層初始水位與等水位線圖。根據(jù)模擬最初的地下水流場獲取模型邊界的水位。

2.2.2 M2數(shù)值模型的建立

M2模型建立的依據(jù)為裂縫帶的持續(xù)發(fā)育將導(dǎo)通煤層頂板含水層，所以裂縫帶發(fā)育區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確賦值，對于模擬的精度和可信度具有重要意義。根據(jù)FLAC 3D模擬結(jié)果確定裂縫帶發(fā)育高度在35 m以上區(qū)域為導(dǎo)通區(qū)，其余為未導(dǎo)通區(qū)。根據(jù)模擬需要，將模型M1頂板隔水層分為兩層，上層為裂隙導(dǎo)通區(qū)域，下層根據(jù)裂隙影響范圍進(jìn)行區(qū)域劃分，M2模型的含水層邊界按照M1模型賦值，其他參數(shù)也與M1模型一致。

圖2 M1模型各層滲透系數(shù)分區(qū)

M2模型中含水介質(zhì)的剖分方法與M1相同，網(wǎng)格單元row×column×layer為100×100×5。模型的模擬期為M1模型模擬的結(jié)束時間至氣化結(jié)束，模擬期設(shè)為700 d，模型應(yīng)力期設(shè)置為30 d，應(yīng)力期內(nèi)包含若干時間步長并由模型自動控制。

M2模型的關(guān)鍵是滲透系數(shù)的確定。裂縫帶的發(fā)育改變了煤層頂板隔水層的原有滲透性，本研究依據(jù)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的空間分布輔助設(shè)置頂板隔水層導(dǎo)通區(qū)和未導(dǎo)通區(qū)滲透系數(shù)分區(qū)，同時增大裂隙區(qū)域垂向滲透系數(shù)對該區(qū)域賦值。根據(jù)文獻(xiàn)資料初步確定參數(shù)范圍，后經(jīng)模型識別與驗證確定準(zhǔn)確值。氣化區(qū)上含水系統(tǒng)和煤層頂板含水層的滲透系數(shù)分區(qū)與M1模型一致。滲透系數(shù)分區(qū)如圖3所示。以M1模型200 d時的流場圖作為M2的初始水位等值線空間分布，給M2進(jìn)行參數(shù)賦值。

圖3 M2模型各層滲透系數(shù)分區(qū)

2.2.3 M1、M2模型的識別與驗證

依據(jù)水文地質(zhì)概念模型所創(chuàng)立的地下水?dāng)?shù)值模型必須表征真實地下水流場的特征。所以在預(yù)測之前，須對所建立的數(shù)值模型擬合校正，使其方程、相應(yīng)參數(shù)和邊界條件等能正確反映出研究區(qū)域的真實水文地質(zhì)條件。參考2007年10月12日開始至150天后結(jié)束時的水文觀測數(shù)據(jù)對M1模型進(jìn)行擬合校正，對模型的輸入項進(jìn)行調(diào)整，直至模型計算出的水位與實際觀測水位曲線擬合結(jié)果滿意為止。擬合過程選擇時間序列全面的G1、G2、G4和G5四個觀測孔，擬合結(jié)果如圖4所示。模型識別后各分區(qū)滲透系數(shù)的值如表1所示，表中的Kx，Ky，Kz表示某一區(qū)域3個方向上的滲透系數(shù)。根據(jù)G4和G5觀測孔數(shù)據(jù)對模型M2實施擬合，結(jié)果如圖5所示，模型識別后各分區(qū)滲透系數(shù)的值如表2所示。

圖4 M1模型觀測孔識別期水位擬合圖

分區(qū)KxKyKz分區(qū)KxKyKzⅠ060130601300601Ⅳ033010330100330Ⅱ090120901200901Ⅴ025220252200252Ⅲ122011220101220Ⅵ012100121000121

圖5 M2模型觀測孔識別期水位擬合圖

分區(qū)KxKyKz分區(qū)KxKyKz1060130601300601900618006180090420901209012009011000009000090000093122011220101221104213042130601040330103301003301205989059890801250252202522002521303981039810502360121001210001211402017020170487070080100801018101500009000090000098009330093302030

3 氣化開采過程中地下水滲流場變化特征

3.1 M1模型預(yù)測結(jié)果

根據(jù)擬合校準(zhǔn)后的M1模型分別預(yù)測氣化開采100 d和200 d研究區(qū)地下水的水位變化情況。M1模型氣化100 d、200 d時上含水系統(tǒng)和煤層頂板含水層地下水滲流場的變化特征如圖6和圖7所示。圖中數(shù)值表示地下水的水位高度值，單位m，此高度值是以絕對基面為參照。

圖6 M1模型氣化開采上含水系統(tǒng)的地下水滲流場

從圖6可以看出，上含水系統(tǒng)地下水滲流場在氣化開采過程中沒有受到明顯的擾動，開采200 d后南部邊界和北部邊界的水位與開采100 d時基本相似，地下水滲流場在研究區(qū)東南區(qū)域出現(xiàn)微小變化，地下水位小范圍上升。地下水流場和初始水位保持一致，這和實際相符。

從圖7可以看出，頂板含水層地下水滲流場經(jīng)歷了較大變化，根據(jù)礦井實際生產(chǎn)情況，在氣化區(qū)附近設(shè)置了兩口抽水井(C2，C3)，根據(jù)實際生產(chǎn)資料設(shè)置抽水量，抽水時間為150 d。由于不斷抽水，C2和C3附近形成了明顯的降落漏斗且中心水位分別為1260 m和1220 m。氣化進(jìn)行到150 d時，漏斗中心水位沒有變化，外圍水位的影響范圍也持續(xù)縮小，這可能是由于抽水量的減小導(dǎo)致地下水接受補(bǔ)給，水位有所回升。氣化生產(chǎn)150 d后抽水井停止抽水，地下水接受補(bǔ)給，抽水井周圍的降落漏斗消失，水位逐漸恢復(fù)，流場逐漸平穩(wěn)，恢復(fù)后的滲流場與初始流場基本相似。

圖7 M1模型氣化開采煤層頂板含水層地下水滲流場

3.2 M2模型預(yù)測結(jié)果

根據(jù)擬合后的M2模型，預(yù)測煤層頂板隔水層導(dǎo)通之后上含水系統(tǒng)和煤層頂板含水層的地下水滲流場的變化特征，如圖8和圖9所示。

圖8 M2模型預(yù)測上含水系統(tǒng)地下水滲流場特征

圖9 M2模型預(yù)測煤層頂板含水層地下水滲流場特征

由圖8可以看出，導(dǎo)通370 d和700 d后，上含水系統(tǒng)滲流場仍未發(fā)生任何變化，水位與初始水位保持一致，這說明隨著氣化的進(jìn)行，裂縫帶的發(fā)育高度沒有影響到上含水系統(tǒng)。由圖9(a)可以看出，由于研究區(qū)域面積較小，含水層厚度相對較厚，地下水接受補(bǔ)給較快，頂板含水層在裂隙帶導(dǎo)通隔水層之后水位并未發(fā)生較大變化，整體流場比較平穩(wěn)，未受擾動。由圖9(b)可以看出，導(dǎo)通700 d后，頂板含水層水位相較于導(dǎo)通90 d左右時不再發(fā)生任何變化，滲流場處于穩(wěn)定狀態(tài)，地下水的補(bǔ)給與排泄已達(dá)到了新的平衡狀態(tài)。

煤層頂板隔水層被導(dǎo)通之后，M2模型第四和第五層模型預(yù)測水位如圖10和11所示。

由圖10預(yù)測結(jié)果可知，在導(dǎo)通之后，M2模型第四層水位由導(dǎo)通區(qū)域向外圍擴(kuò)散，中心水位(1322 m)基本與煤層頂板含水層保持一致，隨著導(dǎo)通時間的增加，該層水位會趨于平衡。地下水流場在導(dǎo)通370 d后達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，并且水位不再變化。由圖11預(yù)測結(jié)果可知，M2模型第五層水位呈現(xiàn)出由裂縫帶發(fā)育區(qū)域向外圍擴(kuò)散的“反漏斗”狀，由于該層緊鄰氣化燃空區(qū)，裂縫帶導(dǎo)通范圍比第四層大，所以流場與第四層有微小差別，但相似的是，該層地下水流場也在導(dǎo)通370 d達(dá)到平衡狀態(tài)。

根據(jù)M1和M2模型的預(yù)測結(jié)果可知，M1模型的頂板隔水層在M2模型中導(dǎo)通后，地下水位在導(dǎo)通區(qū)域相對較高，并向外圍逐漸擴(kuò)散。隨著時間的推移，M2模型第四層和第五層地下水流場趨向于與頂板含水層流場一致，這說明裂縫帶致使頂板含水層中的水滲流進(jìn)隔水層，導(dǎo)致突水及滅爐事故的發(fā)生，影響氣化開采安全高效進(jìn)行。因此，準(zhǔn)確預(yù)測礦井涌水量具有特別重要的理論和實際意義。

圖10 M2模型第四層(M1模型隔水層上部)導(dǎo)通水位預(yù)測

圖11 M2模型第五層(M1模型隔水層下部)導(dǎo)通水位預(yù)測

4 礦井涌水量的預(yù)測

4.1 數(shù)值法計算礦井涌水量

以擬合校正后的M1數(shù)值模型為基礎(chǔ)，來預(yù)測研究區(qū)域的礦井涌水量。在模型中布置合理的抽水井，反復(fù)調(diào)試抽水量將氣化區(qū)煤層頂板含水層水位疏降至安全開采水位，即含水層底板標(biāo)高，使得氣化過程中不受頂板突水的威脅。降落漏斗穩(wěn)定后，計算出各抽水井的總抽水量既是礦井涌水量。通過模型計算得出煤層點火后穩(wěn)定的最大涌水量值為164 m3/d。

4.2 解析法對比預(yù)測

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，運用地下水動力學(xué)解析法來預(yù)測礦井涌水量，選用承壓轉(zhuǎn)無壓水的計算公式進(jìn)行礦坑涌水量的計算，公式為：

式中：Q——礦坑涌水量，m3/d；

K——相應(yīng)的滲透系數(shù)，取0.19 m/d；

H——自然水位到含水層底板的距離，即水柱的高度，取800 m；

M——承壓含水層厚度，取53.89 m；

L——承壓水隔水底板到井壁外動水位的距離，取68 m；

R0——引用影響半徑，m；

R——影響半徑，取619.2 m；

r0——礦坑引用半徑，m；

a、b——礦坑的長和寬，分別取5.5 m和1.5 m；

η——概化系數(shù)，根據(jù)長和寬的比值查表獲得，取1.12。

將已知數(shù)值帶入公式求得涌水量預(yù)測值為124.3 m3/d。結(jié)果顯示，數(shù)值法預(yù)測得到的礦井涌水量值(164 m3/d)比解析法計算出來的礦井涌水量值(124.3 m3/d)大。由于數(shù)值法能夠很好的反映研究區(qū)的真實地質(zhì)條件，并且所選取的水文參數(shù)值經(jīng)過多次擬合校正，所以具有較高的可信度。

5 結(jié)論

(1)分時段建立基于Visual Modflow的水文數(shù)值模型，能夠很好的反映氣化開采過程中地下水流場由于上覆巖層的破壞所帶來的動態(tài)變化。并且以導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度為依據(jù)輔助設(shè)置水文參數(shù)分區(qū)，突出裂隙發(fā)育區(qū)域滲透系數(shù)從層狀優(yōu)勢分布到垂向優(yōu)勢分布的趨勢，并以此規(guī)律對導(dǎo)通區(qū)水文參數(shù)進(jìn)行賦值，能夠更加精確的模擬實際生產(chǎn)情況，所得結(jié)果具有較高的可信度和科學(xué)性。

(2)導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通煤層頂板隔水層后的初始階段，頂板隔水層的導(dǎo)通區(qū)域會形成明顯的“反降落漏斗”，隨著時間的推移最終形成與頂板含水層相同的地下水滲流場特征。同時頂板含水層中的水延裂縫帶的滲流也將導(dǎo)致滅爐事故的發(fā)生。

(3)應(yīng)用Visual Modflow進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測，不僅能夠反映真實的水文地質(zhì)條件，還能克服“大井法”解析計算的缺點，所得結(jié)果精度和科學(xué)性較高，具有廣泛的應(yīng)用價值。

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Simulationandpredictionongroundwatersystemdynamicsinwaterflowingfracturedzone

Li Mingze

(Shanxi Provincial Geological Prospecting Bureau, Taiyuan, Shanxi 030012, China)

In order to study the influence of water flowing fractured zone formed by underground coal gasification on groundwater flow field, basing upon development results of water flowing fractured zone simulated by FLAC3D, the author used Visual Modflow establishing a multi-scenario 3D numerical model of groundwater flow to simulate variation characteristics of groundwater flow field in gasification process and predicte mine inflow. The results showed that the characteristics of the groundwater seepage field in the upper aquifer system had no obvious change from ignition to combustion ending, process of gasification had no effluence to upper aquifer system, conducting regime formed obviously inverse falling funnel in the initial phase of conducting the roof aquifuge which leading to hydraulic connection between gasification layer and roof aquifer, as time went on, the roof aquicluge formed the characteristics of groundwater flow field that similar to the roof aquifer. The three dimensions numerical model predicted mine water inflow was 164 m3/d, which could be used for design consideration of mine drainage scheme.

underground coal gasification, groundwater flow field, Visual Modflow, water inflow, water flowing fractured zone

李明澤. 基于導(dǎo)水裂縫帶的地下水動態(tài)模擬及預(yù)測[J]. 中國煤炭，2017，43(12)：55-62.

Li Mingze. Simulation and prediction on groundwater system dynamics in water flowing fractured zone[J]. China Coal, 2017, 43(12):55-62.

TD742

A

李明澤(1967-)，男，山西太原人，高級工程師，畢業(yè)于吉林大學(xué)(原長春地質(zhì)學(xué)院)，本科學(xué)歷，現(xiàn)在山西省地質(zhì)勘查局從事礦產(chǎn)地質(zhì)工作。

(責(zé)任編輯 郭東芝)