王 帥

遼寧省能源地質(zhì)勘查開發(fā)研究院有限責(zé)任公司 遼寧 沈陽 110041

1 前言

煤炭資源是世界上儲(chǔ)量最多、分布最廣的常規(guī)能源。巴基斯坦塔爾煤田是巴基斯坦迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大規(guī)模煤礦區(qū),面積15000 km2,煤炭總儲(chǔ)量約1750億噸,目前煤田已經(jīng)進(jìn)入全面開發(fā)階段。據(jù)以往資料顯示,該區(qū)地下水對于的采礦影響很大,因此準(zhǔn)確預(yù)測礦井涌水量是礦區(qū)水文地質(zhì)工作的核心問題。本文以塔爾煤田中部Ⅳ區(qū)塊為例,討論不同方法在礦床涌水量預(yù)測中的具體應(yīng)用及其特點(diǎn)。

2 煤田水文地質(zhì)概況

塔爾煤田為一走向NNE的向斜盆地,其南北走向長約150km,東西平均寬約100km,面積約15000km2,煤田所處構(gòu)造位置為向斜盆地的南端西翼,為一東傾的單斜構(gòu)造,煤田東部為巴印邊界附近的斷裂帶,西部沉積邊緣,南部為卡其沼澤斷裂帶,構(gòu)成了相對完整的水文地質(zhì)單元(圖1)。Ⅳ區(qū)塊面積為81.63km2,主采煤層C1煤層埋藏深度平均155m,平均煤厚20.45m,底板標(biāo)高-90m。C2煤層埋藏深度平均231m,平均煤厚4.96m,底板標(biāo)高平均-130m。影響露天開采的含水層主要有兩個(gè):(1)新近系上新統(tǒng)底部砂巖承壓(煤層頂板)含水層,巖性為灰白色細(xì)砂巖及中、粗砂巖,含少量礫巖,以中粗砂巖為主。該含水層全區(qū)發(fā)育,厚度平均11.46m,底板標(biāo)高-54m,水溫33.4℃。(2)古近系古新—始新統(tǒng)底部砂巖承壓(煤層底板)含水層:巖性主要為灰—灰白色中、粗砂巖,含少量細(xì)礫巖。膠結(jié)性差,易松散,成巖性較差。全區(qū)分布,發(fā)育穩(wěn)定,平均厚度30.54m,頂板標(biāo)高-140m,水溫37.8～38.7℃。地下水徑流方向由北東向南西。

3 礦區(qū)用水量預(yù)測

3.1 穩(wěn)定流“大井”法 煤層頂板含水層選用“大井”法承壓轉(zhuǎn)無壓公式:QⅡ=1.366K×[(2H-M)M-h2]/(lgR0-lgr0)=42395 m3/d;煤層底板含水層選用承壓公式QⅢ=2.73KMS/(lgR0-lgr0)174091 m3/d。

3.2 非穩(wěn)定流解析法 以首采區(qū)中心為起算點(diǎn),將煤層頂、底板含水層所在的水文地質(zhì)單元概化成東、西兩面為隔水邊界(q=0),南北兩側(cè)視為水平無邊界含水層。垂向上將兩個(gè)含水層概化為無越流補(bǔ)給的兩個(gè)獨(dú)立的含水層(圖1)。涌水量計(jì)算采用非穩(wěn)定流井群干擾理論公式。隔水邊界附近的不穩(wěn)定流通過反映法將它變?yōu)闊o界,利用勢疊加原理求解(圖2)。計(jì)算結(jié)果,擬設(shè)疏干排水期限3年,首采區(qū)周邊煤層頂、底板含水層的水位分別降深72m和161m時(shí)的疏干排水量分別為:

圖1 Ⅳ區(qū)塊所處區(qū)域位于水文地質(zhì)單元地下水徑流區(qū)

圖2 邊界條件概化及開采井反映示意圖

煤層頂板含水層設(shè)計(jì)疏干井20口,單井平均出水量約1182.5m3/d(49.3 m3/h),總排水量QⅡ=23650 m3/d;

煤層底板含水層設(shè)計(jì)疏干井39口,單井平均出水量約2848.2m3/d(116 m3/h),總排水量QⅢ=111080 m3/d。

圖3 三維有限差分模型(垂向放大100倍)

3.3 數(shù)值法 數(shù)值法將兩含水層?xùn)|西兩側(cè)視為自然隔水邊界(q=0);北部與南部則視作變流量補(bǔ)給和排泄邊界。地下水流向由東北向東南,補(bǔ)給來源位于北部區(qū)外,垂向上無越流補(bǔ)給。建立地下水?dāng)?shù)值模型采用Visual MODFLOW軟件。

數(shù)值法同樣以3年為疏干排水期限,預(yù)測首采區(qū)及周邊煤層頂板含水層和煤層底板含水層的水位分別降至-54m和-130m時(shí)的疏干排水量,預(yù)算結(jié)果如下:

煤層頂板含水層共設(shè)疏干井22口,總排水量26800m3/d,含水層類型設(shè)置為承壓轉(zhuǎn)無壓,模型運(yùn)行3年,各疏干井水位降深基本達(dá)到極限。

表1 涌水量計(jì)算參數(shù)表

煤層底板含水層:煤層底板含水層共設(shè)疏干井42口,總排水量118980m3/d,含水層類型設(shè)置為承壓,模型運(yùn)行3年,首采區(qū)水位最深降至標(biāo)高-130m。

4 涌水量計(jì)算成果分析

穩(wěn)定流“大井”法計(jì)算結(jié)果較非穩(wěn)定流方法及數(shù)值法偏大近40%,原因在于“大井”法的假設(shè)條件為含水層為均質(zhì)、各項(xiàng)同性、隔水底板水平的圓柱形含水層,“影響半徑R”以外是“定水頭”邊界,中心一口完整抽水井,且滲流服從線性定律。這與礦區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)條件是不符的。非穩(wěn)定流解析法計(jì)算涌水量,則受邊界條件和參數(shù)選擇的影響極大,而且根據(jù)非穩(wěn)定流理論公式所計(jì)算的涌水量全部來自無限范圍承壓含水層的彈性釋放量。數(shù)值法計(jì)算的涌水量,雖然Visual MODFLOW軟件所模擬的含水層范圍有限,但軟件同時(shí)考慮了抽取含水層中彈性存儲(chǔ)量和激發(fā)的側(cè)向補(bǔ)給增量,隨著時(shí)間的推移模型范圍內(nèi)彈性存儲(chǔ)量將逐漸耗盡,最終疏干排水量會(huì)以側(cè)向補(bǔ)給量為主,模型中地下水將趨向于穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)。

表2 涌水量預(yù)算成果表

5 結(jié)束語

礦區(qū)涌水量的預(yù)測一定要認(rèn)真分析該區(qū)域的水文地質(zhì)條件,之后才能采用相應(yīng)的方法及相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算。穩(wěn)定井流與非穩(wěn)定井流是由客觀存在的水文地質(zhì)條件所決定的,非此即彼,二者必屬其一,他們并不是可供任意選擇的兩種計(jì)算方法,更不能同時(shí)使用“加以對比”、“相互印證”。反之,任何公式也都有其相對應(yīng)的水文地質(zhì)條件,離開規(guī)定的條件去應(yīng)用公式,也是本末倒置。因此以本區(qū)為例,應(yīng)用穩(wěn)定流“大井”法顯然是不合理的,應(yīng)該采用非穩(wěn)定流方法或數(shù)值法。非穩(wěn)定流解析法較穩(wěn)定流理論更加完善,因?yàn)槠渲邪袝r(shí)間變量和含水層自身的彈性儲(chǔ)存量,能夠更加真實(shí)合理描述疏干排水的過程。非穩(wěn)定流理論依據(jù)其假設(shè)條件抽取的水量來自于整個(gè)無限含水層的彈性儲(chǔ)存量,數(shù)值法模擬的疏干排水量則是同時(shí)考慮了有限范圍內(nèi)含水層的彈性儲(chǔ)存量以及抽水整個(gè)過程變化的側(cè)向補(bǔ)給增量,在有限的范圍和時(shí)間內(nèi)能夠很好的模擬疏干排水過程,但是該方法要求對模擬區(qū)邊界條件有較高的控制程度,并且掌握地下水開采過程中邊界條件的變化,不斷的驗(yàn)證和完善模型,才能達(dá)到更為理想的效果。