礦坑涌水可利用量研究

邢艷允， 陶月贊， 劉佩貴

（合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

我國水資源貧乏，就煤炭行業而言，全國有70%的礦區面臨缺水，其中40%嚴重缺水［1］，水資源短缺已經成為制約礦區生態環境保護、經濟發展、居民生活水平提高的重要瓶頸。

隨著經濟社會的發展，區域水資源供需緊張局勢日趨嚴峻；煤礦的大范圍、大規模的開采，形成了大量礦坑涌水，礦坑涌水如不加以利用而直接外排，不僅對地下水超采嚴重的區域地下水流系統形成迭加影響，而且對礦山所在地段的水環境產生了一定的污染，必將進一步加劇水資源短缺的局面。因此，開發利用礦坑排水，對于緩解水資源緊缺狀況、保護生態環境、改善水資源質量、促進經濟可持續發展具有極其重要的戰略意義和顯著的經濟、社會及生態效益。

水資源利用不應僅單一地考慮天然狀態下地下水的質與量［2］，還要動態地認識礦床開采條件下水資源的變化，以適時地調整礦區水資源綜合利用方案［3－5］。本文以安徽省某煤礦的礦坑涌水量分析為例，通過考慮水文地質參數的不確定性對預測結果可靠度的影響，確定礦區的穩定可利用量，從而實現礦區水資源的綜合利用。

1 研究區概況

安徽省淮北平原蘊藏著豐富的煤炭資源，含煤面積約1.70×104km2（占平原總面積3.74×104km2的45%），－2 000m水平以上預測煤炭資源總量878×108t，有淮南、淮北、皖北、新集4個大型煤炭企業，現煤炭年產量達1×108t，到2020年年產量將達到1.6×108t。本文所研究的煤礦位于淮北煤田臨渙礦區西南部，井田東西長10.9～13.3km、南北寬1.3～5.3km，面積約41.60km2；礦井煤炭資源儲量為15 008.12×104t，設計生產能力定為90×104t／a。

研究區屬暖溫帶半濕潤大陸型季風氣候區，年均降水量為834.0mm；雖然區內地表水系發育、地下水資源也比較豐富，但受地表水調蓄工程不足和嚴重的水污染影響，區內水資源供需狀況緊張，工農業生產和生活用水主要依賴于地下水；地下水持續大規模開采，2010年孔隙承壓水水位埋深大于5m的范圍達9 287km2，形成以阜陽為中心的大面積沉降區，沉降范圍約為450km2。

2 礦坑涌水量預測

2.1 水文地質概念模型

本礦主采煤層為二疊系煤層，巖性由砂巖、泥巖、粉砂巖等組成，并以泥巖、粉砂巖為主；其中泥巖、粉砂巖可視為隔水層，裂隙發育的砂巖層組成含水層，各含水層之間均為有效隔水層阻隔。地下水主要儲存和運移在以構造裂隙為主的裂隙網絡之中，其主采煤層頂底板砂巖裂隙水是礦坑涌水的直接充水水源，在合理留設防水煤柱的情況下，四含孔隙水是礦井充水的間接充水水源；而煤系下伏的裂隙巖溶水則是礦井突水的重要隱患。在水資源綜合利用研究中，關注的主要是相對穩定的、可持續利用的礦坑涌水量。

根據區域水文地質條件，結合礦坑涌水的充水條件，將地層概化為9層含、隔水層（組）；自上而下，各層主要特征如下所述。

第1層為新生界松散層第1含水層（組）：底板埋深27.00～36.00m，平均31.00m，分布穩定，上部為潛水，下部為弱承壓水，水力聯系密切。巖性以粉砂、粉土為主，夾1～4層黏土或粉質黏土。

第2層為第1隔水層（組）：底板埋深49.00～64.20m，平均54.70m，該層（組）分布較穩定，隔水性能較好。巖性以黏土、砂質黏土為主。

第3層為第2含水層（組）：底板埋深78.60～106.20m，平均87.20m，富水性相對強弱不一。巖性以細砂、粉砂為主，砂層分布不穩定、厚度變化大且薄。

第4層為第2隔水層（組）：底板埋深95.80～130.00m，平均108.20m。該層（組）分布穩定，隔水性能一般較好。巖性以黏土、砂質黏土為主。

第5層為第3含水層（組）：底板埋深153.40～197.95m，平均181.70m。含水層（組）分為上、下2部分，上段砂層單層厚度大，富水性較強。下段砂層不太發育，單層厚度較小，富水性較弱。巖性以細砂、中砂及少量粗砂為主。

第6層為第3隔水層（組）：底板埋深219.00～289.30m，平均248.50m。該組厚度大、分布穩定，隔水性能良好。巖性上部以粉質黏土、砂質黏土為主，中部以鈣質黏土、砂質黏土為主。

第7層為第4含水層（組）：該含水層（組）直接覆蓋在煤系地層之上，底板埋深234.05～309.40m，平均262.10m，含 水 層 厚 0 ～19.90m，平均厚7.50m，一般富水性較弱。巖性以礫石、砂礫、黏土礫石為主。

第8層為3煤上隔水層（段）：底板埋深285.50～796.30m，隔水層總厚為 19.00～380.48m，平均146.90m，隔水性能好。巖性以泥巖、粉砂巖為主。

第9層為3～4煤間砂巖裂隙含水層（段）：底板埋深318.55～892.15m，平均512.60m。該含水層段除在局部地段富水性較強外，總體上富水性弱至中等。巖性主要由灰白色中粗砂巖組成，厚度變化較大，砂巖裂隙發育不均勻。

2.2 數學模型

依據概化的水文地質概念模型，建立相應的數學模型（1）式。其中，K為含水層滲透系數；H為地下水水位；M為承壓含水層厚度；W 為單位體積流量，代表流進源或流出匯的水量；μs為含水層的儲水率；H0為地下水初始水位；H1為模擬期邊界處的地下水水位；t為時間；D為模擬區范圍；τ為任意時刻；Γ1為第1類邊界；Γ2為第2類邊界。

2.3 數值模型

模擬區取井田邊界平均向外延伸2.5km的范圍，面積約為160km2。

在礦床擬開采深度范圍內，井田四周的基巖都是下第三系及其以老的泥、砂巖為主地層，也即井田四周的基巖可概化為隔水邊界；基巖之上所覆蓋的新生界第4含水層孔隙承壓水不僅是礦坑涌水的間接充水水源，而且還將是未來的主要補給水源，將其計算邊界概化為已知水頭邊界。

（1）時間離散。根據現有資料，以2008年10月為模擬期的初始時間，模擬時段為2008年10月至2011年9月。采用變步長方法計算，由于模擬期正好是礦區開采初期階段，水頭變化較為劇烈，取步長為30d；模擬預測期為20a，預測期內計算步長為365d。

（2）空間離散。空間離散在平面上剖分為100行、100列，剖分結果如圖1所示。根據水文地質概念模型，在垂向上共分為9層。

圖1 模擬區平面剖分示意圖

2.4 模型識別

（1）水位模擬。建立水文地質概念模型及相應的數學模型后，利用模擬期內的地下水位觀測資料，采用試錯法進行模型識別［6－7］，水位識別結果如圖2所示。

由圖2可知，計算水位和觀測水位擬合較好（平均誤差＜10%），滿足精度要求，可以用識別后的模型預測地下水水位變化過程。

圖2 觀測孔水位計算值與觀測值對比曲線

（2）參數識別。模擬區第4承壓含水層彈性釋水系數、導水系數對地下水流場的形態具有較大影響，將其作為重要的率定參數，通過模型識別得到的參數分區剖面圖如圖3所示，參數賦值見表1所列。

圖3 參數分區剖面圖

表1 參數賦值

2.5 礦坑涌水量預測

利用識別后的模型對礦坑涌水量進行預測，得到礦坑涌水量隨開采時間的變化過程線如圖4所示。由圖4可知，礦坑涌水量隨煤礦開采時間逐漸衰減，且衰減幅度變小；涌水量在初始階段最大達7 100m3／d左右，1a后衰減至5 106m3／d左右，并漸趨穩定。

圖4 礦坑涌水量過程預測

3 礦坑涌水量不確定性分析

3.1 基本原理

礦坑涌水量預測過程中，滲透系數是一個非常重要的參數［8－12］，其取值將直接影響到模擬的礦坑涌水量大小及其準確性，國內外的研究學者對滲透系數的空間隨機分布作了大量的研究工作。正態分布、對數正態分布是常用的2種滲透系數空間隨機分布類型［13－15］。參考研究區水文地質條件，本研究以正態分布類型的理論依據為基礎進行闡述。

設隨機數u1、u2是2個服從（0，1）均勻分布的隨機數，則可用下列變換得到標準正態分布［16－18］N（0，1）的2個隨機數x1、x2：

產生均值、標準差分別為μ、σ的正態分布隨機數Y的計算公式為：

3.2 不確定性分析與可利用量確定

首先產生10 000個（0，1）上的隨機數，通過（2）式變換得到服從標準正態分布N（0，1）的2個隨機數，然后再轉化為均值μ＝0.004，標準差σ＝0.002的正態分布的隨機數。將這10 000個隨機數由大到小排列，可得到不同保證率下滲透系數，見表2所列。

根據數值模型得到的不同保證率下的滲透系數對應的礦坑涌水量見表2所列。分析其變化過程可知，隨著滲透系數的變化，礦坑涌水量也發生相應的變化。保證率為90%時，礦坑涌水所能提供的水量僅為3 924.0m3／d，20a后逐漸遞減到2 672.2m3／d；當保證率為10%時，礦坑涌水量為13 008.0m3／d。

表2 不同滲透系數及其所對應的礦坑涌水量 m3／d

4 結 論

為實現礦區水資源的供排結合，緩解礦區水資源短缺及排水等問題，本文通過建立研究區的數值模擬模型，研究了礦坑涌水量的可利用水量，并對礦坑涌水量的不確定性進行了初步探討，得到不同保證率下的礦坑涌水量及其變化趨勢。當保證率為90%時，預測初期可利用的水量為3 924m3／d，20a后逐漸遞減為2 672m3／d。

受礦床賦存條件的復雜性、勘探程度及認識水平等的影響，礦坑涌水量預測結果帶有不確定性，為提高礦坑涌水量預測的精度，確定合理的可利用水量，迫切需要開展礦區涌水量的不確定性分析方面的研究，而本文僅在假設滲透系數服從正態分布條件下開展了初步的探討，未考慮其他參數的影響，這也將是下一步繼續研究的內容。

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