雙柳煤礦礦井涌水量數(shù)值模擬研究

劉德旺

(山西焦煤集團(tuán)公司，山西 太原 0300053)

雙柳煤礦礦井涌水量數(shù)值模擬研究

劉德旺

(山西焦煤集團(tuán)公司，山西 太原 0300053)

如何比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)礦井涌水量一直是國(guó)內(nèi)外煤礦相關(guān)研究人員努力探求的重要問(wèn)題之一。在充分認(rèn)識(shí)和掌握研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了與實(shí)際情況相符合的礦井涌水量數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)研究了模型的邊界條件、模型的時(shí)間和空間離散、含水介質(zhì)水文地質(zhì)參數(shù)的確定，并運(yùn)用目前較為流行的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Visual Modflow對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了礦井涌水量數(shù)值模擬，得出了比較合理的礦井各水平井下涌水量，為礦井水害防治提供決策依據(jù)。

雙柳煤礦;礦井涌水量;數(shù)值模擬

礦井涌水量是礦山建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)流入礦井的水量。礦井涌水量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)于煤礦制定防治水措施、防止礦井突水、淹井等礦山水害事故的發(fā)生、降低礦山生產(chǎn)成本、保證礦井安全高效生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。礦井涌水量預(yù)測(cè)方法很多，常見(jiàn)的有大井法、水文地質(zhì)比擬法、涌水量曲線方程法、水均衡法、數(shù)值模擬法等。本文以雙柳煤礦為研究對(duì)象，運(yùn)用精度較高的數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)了該礦礦井涌水量，取得了較好的效果。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

雙柳煤礦位于山西省河?xùn)|煤田中部，為典型的黃土高原地貌，為一傾角5°～10°、自東向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向南北。井田主要含水層以承壓水為主，主要包括煤系地層砂巖裂隙承壓含水層、石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層和奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層;隔水層主要為含水層間分布的泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。煤系地層地下水自東向西徑流，水力坡度大于奧灰水，以山西組最大，地下水由淺部順含水層向深部運(yùn)動(dòng)，徑流強(qiáng)度越來(lái)越小，最后可能停滯，沿地層薄弱帶排泄;采礦活動(dòng)直接或間接揭露含水層后，礦井涌水成了本區(qū)煤系砂巖含水層地下水新的排泄點(diǎn)。在井田外圍東部、北部深谷中太原組灰?guī)r出露，接受大氣降水直接補(bǔ)給，受地形、地質(zhì)條件的控制，太原組灰?guī)r水主要排泄方式為在溝谷中以泉的方式涌出，其次為煤礦生產(chǎn)中揭穿太灰含水層，形成了井田范圍內(nèi)相對(duì)集中的人工排泄點(diǎn)。奧陶系灰?guī)r水徑流方向主要向南～南東，從柳林泉排泄，排泄處水力坡度較小。

2 數(shù)值模擬模型的建立

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)范圍北至三交三號(hào)井田精查區(qū)13剖面線，南至聚財(cái)塔北斷層，東至精查區(qū)東界面積31.03 km2。研究區(qū)太灰?guī)r含水層厚度在30 m左右，由于巖性、富水性存在差異性，含水層巖溶發(fā)育極不均勻，呈現(xiàn)出各向異性的特征。因此，將其概化為非均質(zhì)各向異性、單層結(jié)構(gòu)含水層;研究區(qū)太灰?guī)r水主徑流方向?yàn)槲髂舷蚝蜄|西向，南北邊界基本平行于主徑流方向，定義為零通量邊界;西南邊界參考黃河水位定義為一類(lèi)水頭邊界;模型的頂部及下部由于均存在穩(wěn)定的隔水層(弱透水)，故處理為零通量邊界。綜上所述，區(qū)內(nèi)地下水三維流特征顯著，介質(zhì)為非均質(zhì)各向異性介質(zhì)，符合達(dá)西定律。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述的水文地質(zhì)概念模型，研究區(qū)內(nèi)含水系統(tǒng)地下水流動(dòng)的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型可描述如下:

式中:x，y，z為笛卡爾坐標(biāo)軸;t為時(shí)間;H0為初始統(tǒng)測(cè)水頭，H為已知水頭;Kxx、Kyy、Kzz為坐標(biāo)軸方向的主滲透系數(shù);μs為比彈性給水度;μd為重力給水度;W 為單位體積井流量，抽水時(shí)取負(fù)號(hào);Γ1為第一類(lèi)邊界;Γ2－1為潛水面邊界;Γ2－2為零流量邊界;ε＇為降雨入滲補(bǔ)給量。

本次采用三維有限差分軟件Visual modflow來(lái)模擬計(jì)算地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而預(yù)測(cè)地下水流場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)與涌水量計(jì)算。

2.3 模型剖分

研究區(qū)采用矩形六面體(上、下兩平面不一定平行)剖分，垂向上共剖分了2個(gè)單元層，3個(gè)結(jié)點(diǎn)層。平面上結(jié)點(diǎn)161×147個(gè)。整個(gè)模型共計(jì)剖分單元47 334個(gè)，其中有效單元42 000個(gè)。見(jiàn)圖1。

2.4 初始水頭

初始水頭的分布是地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模擬不可缺少的條件。利用研究區(qū)統(tǒng)測(cè)觀測(cè)孔水位通過(guò)插值獲得各結(jié)點(diǎn)的初始水頭值，導(dǎo)入模型，見(jiàn)圖2。

圖 1 模型剖分圖(x∶y∶z=1∶1∶10)

圖 2 太灰含水層初始流場(chǎng)圖(x∶y∶z=1∶1∶10)

2.5 水文地質(zhì)參數(shù)及分區(qū)

根據(jù)鉆孔資料揭露的巖性變化及剖分時(shí)的巖性組合，在垂向上劃分了4個(gè)對(duì)應(yīng)的參數(shù)分區(qū)。針對(duì)斷層進(jìn)行線性排布分區(qū)，在垂向上切割多層，陷落柱進(jìn)行層間的面狀分區(qū)。在平面上對(duì)參數(shù)進(jìn)一步分區(qū)，分區(qū)的主要依據(jù)為地層對(duì)接關(guān)系和地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件，水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)如圖3所示。

2.6 模型識(shí)別與校正

利用長(zhǎng)觀資料對(duì)模型進(jìn)行了識(shí)別與校正，地下水位動(dòng)態(tài)曲線擬合情況見(jiàn)圖4、圖5。Ms3、Ms7兩個(gè)觀測(cè)孔的模擬水頭與實(shí)測(cè)水頭的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)及相位基本一致。擬合檢驗(yàn)分析見(jiàn)圖6，其計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù) 310個(gè)，最大殘差 6.616 m位于MS3孔，平均參差 －0.109 m，最小參差為 －0.02 6m，位于MS3孔，對(duì)于該水動(dòng)力場(chǎng)狀態(tài)變化迅速的高承壓含水層，擬合效果總體是較好的。反演得出了水文地質(zhì)參數(shù)，如表1所示:灰?guī)r水平滲透系數(shù)范圍為0.051－0.16 m/d，垂向滲透系數(shù) 0.002 5 －0.005 m/d;，彈性重力給水度 0.000 02 －0.000 035，孔隙度為0.1－0.135，模擬的結(jié)果合理地反映出了地下水的流動(dòng)特征與規(guī)律。

圖3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

圖4 Ms3孔水位擬和曲線

圖5 Ms7孔水位擬和曲線

圖6 擬合檢驗(yàn)分析圖

表1 水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果

3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)模型的識(shí)別與校正，對(duì)區(qū)內(nèi)的各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了反演輸出，數(shù)值模型建立合理。利用所建立的數(shù)值模型，以礦井開(kāi)采計(jì)劃中各階段的開(kāi)采水平為基本約束條件，進(jìn)行礦井涌水量模擬計(jì)算，在模型中反復(fù)調(diào)試礦井涌水量使井下地下水位保持在該開(kāi)采水平之下，研究區(qū)內(nèi)太灰?guī)r層頂板標(biāo)高為+200～450 m，由東向西標(biāo)高逐漸降低，故虛擬疏水孔大多置于礦井西部，來(lái)預(yù)測(cè)計(jì)算模擬區(qū)不同水平水位及涌水量特征。圖7、圖8、圖9為其中三個(gè)水平的水位等值線，各水平預(yù)測(cè)計(jì)算的涌水量如表2所示。 本次所預(yù)測(cè)的井下涌水量為假定條件下的下組煤奧灰災(zāi)害穩(wěn)定涌水量，隨著開(kāi)采深度的增加，涌水量不斷增大，所以設(shè)計(jì)礦井排水能力時(shí)還應(yīng)考慮井筒20 m3/h涌水和上組煤采空區(qū)積水因素，建議排水能力按700m3/h涌水量設(shè)計(jì)。

圖7 模擬+500水平水位等值線

圖8 模擬+450水平水位等值線

圖9 模擬+400水平水位等值線

表2 各開(kāi)采水平涌水量模擬結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬方法來(lái)預(yù)測(cè)井下涌水量，該方法不但能夠考慮較多的影響因素，用來(lái)解決實(shí)際工程中比較復(fù)雜的問(wèn)題，還能夠比較充分地反映出煤田井下含水介質(zhì)的水動(dòng)力學(xué)特性和特定的邊界條件，能夠更加深入和全面地反映煤田井下涌水的全過(guò)程。模擬結(jié)果表明:所建立的研究區(qū)數(shù)學(xué)模型及邊界條件的處理是合理的;最后的模擬結(jié)果比較客觀地反應(yīng)了研究區(qū)開(kāi)采規(guī)模的變化所呈現(xiàn)出來(lái)的礦區(qū)地下水位的相應(yīng)變化，與模型檢驗(yàn)過(guò)程中所設(shè)定的地下水位值基本吻合。其模擬結(jié)果能夠?yàn)榈V井水害防治技術(shù)與措施的制定提供決策依據(jù)。

［1］中煤科工集團(tuán)西安研究院.汾西礦業(yè)集團(tuán)雙柳煤礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告［D］.2010.

［2］孫納正.地下水流的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法［M］.地質(zhì)出版社，1981.

［3］薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)［M］.地質(zhì)出版社，1997.

［4］張家忠.張集水源地裂隙巖溶水三維數(shù)值模擬及相關(guān)問(wèn)題研究［D］，南京人學(xué)，博十學(xué)位論文，2001.

［5］劉國(guó).合山煤田礦井涌水量的數(shù)值模擬探討［J］.地質(zhì)與勘探，2007，43(4):98 －103.

［6］李俊亭.地下水流數(shù)值模擬地質(zhì)出版社，1989.

［7］周志芳.裂隙雙重介質(zhì)地下水運(yùn)動(dòng)參數(shù)反演分析水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展.2003A輯，18(6):742－747.

P641

B

1004－1184(2012)01－0051－02

2011－10－17

劉德旺(1972－)，男，山西平遙人，高級(jí)工程師，主要從事礦井水害防治方面的研究工作。