朱志遠(yuǎn)

(中煤資源發(fā)展集團有限公司安全監(jiān)察局，北京 100011)

0 引言

在煤礦開采過程中，礦井的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響著煤礦的開采和安全性。深刻理解造成礦井水文地質(zhì)差異的原因，對于防止發(fā)生礦井水害是十分重要的工作[1-3]。特別是在一些大型煤礦的開采前，普遍會采用計算機仿真的方法對煤礦中的有關(guān)地質(zhì)情況進(jìn)行模擬，這既是防治水文地質(zhì)災(zāi)害的重要組成，也是構(gòu)建數(shù)字化煤礦的重要一步[4-5]。為此，在分析影響礦井水文地質(zhì)的影響因素的基礎(chǔ)上，提出了一種新的MODFLOW-USG(非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)模擬方法，對傳統(tǒng)模擬工作進(jìn)行全新的更新。

1 水文地質(zhì)影響因素分析

1.1 探究水文地質(zhì)影響的必要性

礦區(qū)的水文地質(zhì)條件之所以非常復(fù)雜，主要是由于水流通過復(fù)雜的縫隙貫穿在巖石裂縫等地質(zhì)構(gòu)造中。這使得在開采過程中，很可能會更改水文地質(zhì)條件的平衡體系，導(dǎo)致地表災(zāi)害。鑒于此，很多學(xué)者將分析影響水文地質(zhì)的因素作為研究內(nèi)容[6-7]。

1.2 案例地質(zhì)概況

以陜西地區(qū)某案例開展水文地質(zhì)影響因素分析，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)水文地質(zhì)條件的影響因素是十分復(fù)雜的，包括降雨、池畦等都會影響礦區(qū)的水文情況，而地質(zhì)情況一般是天然形成的。在該案例中，斷層將礦床分成中央地塊和東部隆起地塊兩部分。還有較小的內(nèi)部斷裂，構(gòu)造運動達(dá)50 m，礦床為海相粘土沉積。早期地層位于海相粘土之上，由兩個砂質(zhì)含水層(1～15 m厚)組成，中間由粘土導(dǎo)流層隔開(厚28 m)。在煤層的正上方和正下方也有粘土導(dǎo)流層。煤層厚度較均勻，在3.5～5.6 m之間。煤層上由3個砂質(zhì)含水層組成，厚度6～20 m，由0～20 m的粘土導(dǎo)流槽分隔，部分地區(qū)未形成導(dǎo)流槽，含水層相互連通，該案例煤層的三維地質(zhì)視圖如圖1所示。在北部，子斷層沿著斷層相互連接；在南部，次斷塊沿內(nèi)部構(gòu)造斷裂上升。隨著上升量的變化，案例中煤礦巷道目前在中部區(qū)塊活躍，東部區(qū)塊的開采計劃正在向北部推進(jìn)。

圖1 案例煤層的三維地質(zhì)視圖

1.3 影響因素分析

地下水：該案例地下水的成因類型為第四紀(jì)沖積層孔隙潛水及基巖裂隙水。這種水文地質(zhì)的特征為頂板礫巖裂隙含水層層厚100 m以上，僅局部裂隙含水。井巷一旦觸及便有水涌出，但持續(xù)時間較短，對施工巷道及生產(chǎn)沒有太大的威脅。兩層煤露頭被沖積層復(fù)蓋砂層中有豐富的潛層水沿煤層頂?shù)装辶严断聺B，使井下巷道尤其淺部巷道涌水量極大，現(xiàn)在由礦井延深而圍巖裂隙減少，井上下水力聯(lián)系不十分明顯。各含水層分布于煤層頂?shù)装?，但隨深度的增加含水程度有減弱的趨勢。

充水因素及含水量：目前開拓的最低標(biāo)高為44 m，生產(chǎn)水平為44 m，距地表垂深為180 m。一般生產(chǎn)水平涌水量在240 m3/a左右，近年來雨季涌水量為 230～310 m3/a，并且隨礦井延深大氣降水，對礦井涌水量也越來越不明顯，即礦井涌水量也趨于穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件也越來越簡單。歷年觀測資料表明井田含水系數(shù)多在0.9～1.5，個別月份含水系數(shù)突然增大是由于產(chǎn)量大幅度下降或施測手段方法不當(dāng)所至。通過收集以往水文地質(zhì)資料和水文地質(zhì)普查工作了解，井田內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡單，地面無河流、無井泉。地勢為東北高、西南低的構(gòu)造剝蝕丘陵，大氣降水一部分沿地表流向西南流失，一小部分滲入地下。

2 計算機仿真

2.1 軟件介紹

MODFLOW：提前構(gòu)建的仿真模型為后續(xù)提出具體的防治方案積累了寶貴的數(shù)據(jù)，是水文地質(zhì)防治中不可或缺的部分[8]。MODFLOW是一款非常流行的軟件程序，在礦山水文地質(zhì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，MODFLOW卻面臨著復(fù)雜地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)。例如異質(zhì)性以及礦井空洞等人工構(gòu)造，導(dǎo)致流場相對于周圍地質(zhì)環(huán)境的變化。在實際的建模過程中，與層狀構(gòu)造、礦空洞、斷層構(gòu)造和裂縫相關(guān)的地質(zhì)非均質(zhì)性會使計算機建模變得困難，特別是對礦井脫水而言，這種異質(zhì)性很難用傳統(tǒng)的MODFLOW結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來表示。

MODFLOW-USG：MODFLOW的更新版本，被稱為MODFLOW-USG(非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)，支持多種結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格類型[9]，可以用于模擬地下水流動和使用控制體積有限差分公式的緊密耦合過程，為復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造建模提供了靈活性。MODFLOW-USG是基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法(控制體積有限差分，或集成有限差分)開發(fā)的，這種方法允許用戶創(chuàng)建幾乎任何形狀的靈活網(wǎng)格，可以在感興趣的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化。MODFLOW-USG還支持新的CLN包，CLN單元可以代表水井、管道、地下隧道、河流，可以是垂直、水平或傾斜的，具有足夠的普遍性。

2.2 軟件應(yīng)用

模型網(wǎng)格：通過對上覆和下墊砂土含水層的水流進(jìn)行勘探，可以確定東部區(qū)塊的最佳脫水方案。在案例北部地區(qū)，子塊之間是物理連接的，如圖2所示。唯一未知的是斷層帶的水力性質(zhì)，將它作為水力屏障。在礦井的南部，塊體沿著構(gòu)造斷層向上移動，每個塊體的垂直移動幅度不同。

圖2 水文地層結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格

結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對比：因為模型直接假設(shè)水是通過具有相同數(shù)量的層進(jìn)行傳輸?shù)模趥鹘y(tǒng)的方法中，可以在兩邊添加“虛擬”層，各層重新編號，以保證預(yù)期的水流[10]。但是這種傳統(tǒng)方法比較繁瑣，可能會導(dǎo)致模型設(shè)計的錯誤。而使用MODFLOW-USG及其非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以直接指定各個方向的單元之間的連接，該模型還考慮了連接單元之間的接觸面積，計算出的水流符合要求，這是利用經(jīng)典方法是不可能達(dá)到的結(jié)果，如圖3所示。在經(jīng)典方法中，模型正確地傳輸了水流，但因為單元之間的水位差異太大，可能面臨數(shù)值上的不穩(wěn)定性；在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，數(shù)據(jù)通常是由軟件準(zhǔn)備的，自動計算且可以正確地假設(shè)相鄰單元連接。

圖3 結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格下水流流動的情況

仿真過程及效果：在本案例礦井中，地層最大斜率位于補給區(qū)，為7.30，即平均含水層厚度為10 m時，最大單元寬度不應(yīng)超過39 m，這種復(fù)雜的地理條件使得準(zhǔn)備數(shù)據(jù)十分困難。在本案例中，已經(jīng)事故70多個鉆孔，在大多數(shù)地層都有過濾器，部分鉆孔已經(jīng)被安裝在特定的地質(zhì)構(gòu)造中，以研究它們的水力特性，如圖4所示(圖4中彩色圓圈代表功能井，空圓圈代表廢棄井)。為了生成煤層床的等高線地圖，網(wǎng)格使用GIS插值工具“從頂部到柵格”包括煤層床的標(biāo)高。所有層的厚度，包括煤層、粘土導(dǎo)流槽和砂質(zhì)含水層，由鉆孔測井確定，在整個地區(qū)保持一致，可以在同一時間內(nèi)在整個地區(qū)相互極化。在層間化后，利用光柵計算器對煤層床層(如果層在煤層上面)進(jìn)行增厚或減薄(如果層在煤層下面)。MODFLOW-USG的利用更加細(xì)化了復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的模型精度，可以在煤礦開采前利用MODFLOW-USG對礦區(qū)的水文地質(zhì)情況進(jìn)行建模，以便為后續(xù)的防治工作提供清晰可行的數(shù)據(jù)來源。

圖4 井和煤層床等高線圖

3 結(jié)語

綜上，礦區(qū)的水文地質(zhì)條件是十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不同的礦區(qū)其水文地質(zhì)條件也是不盡相同的。利用新開發(fā)的MODFLOW-USG建模方案可以處理許多復(fù)雜的水文地質(zhì)特征，如不連續(xù)性(地質(zhì)斷層、礦井開口等)、陡峭和不平坦的斜坡，或夾出地層。以陜西某褐煤礦井地質(zhì)為例，證明了MODFLOW-USG的可行性和有效性，相關(guān)行業(yè)人員可以在煤礦開采前利用MODFLOW-USG對礦區(qū)的水文地質(zhì)情況進(jìn)行建模，可以為后續(xù)的防治工作提供清晰可用的數(shù)據(jù)來源。