基于礦井生產進度疏干條件下三維地下水數值模擬＊

陳時磊 武 強 趙穎旺 李學淵 邊 凱 翟立娟

（1.中國礦業大學 （北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京市海淀區，100083；2.中國煤炭地質總局第一水文地質隊，河北省邯鄲市，056004）

我國是世界上礦井水害事故頻發的國家之一，突水事故嚴重威脅到礦山的安全生產和可持續發展。礦井涌水量不但確定礦井充水程度，而且是設計礦井排水能力和礦井防治水工作的重要依據。礦井涌水量預測不但要考慮到水文地質問題，而且必須與實際礦井生產過程結合起來。這樣一方面可以減少對礦區地下水資源的破壞和浪費，有效保證礦山的社會效益和經濟效益，另一方面又可以有效保證礦井安全生產。

目前礦井涌水量預測常用方法有大井法、數值法、水文地質比擬法和統計方法等。大井法主要采用裘布依井流公式，該公式主要適用于等厚、均質和較簡單水文地質條件的地區，對于水文地質條件復雜的地區就不適合了；水文地質比擬法僅適用于水文地質條件相似，開采條件基本相同的地區，因此，在實際中應用范圍較小。雖然，GIS技術、突水水源判別技術的拓展、支持向量機等先進方法手段也逐漸引入到礦井涌水量預測，但受自身條件限制有待進一步發展。而數值模擬法的最大優點在于不但能夠進行非均質、非等厚等復雜的水文地質條件下礦井涌水量的計算，而且可以做到將復雜水文地質條件和礦井生產進度結合起來進行礦井涌水量預測。

將礦井生產過程和礦區地下水運動過程有機結合起來，以首采區回采工作面月掘進進度為單位，在概化出研究區水文地質概念模型的基礎上，采用目前較為先進和成熟的三維地下水數值模擬軟件—Visual Modflow 對榆林大海則煤礦首采區工作面進行了涌水量預測，取得了較好的效果。

1 研究區概況

大海則井田位于榆林市西北約30km，東經109°00′54″～109°16′57″，北緯38°22′01″～38°30′01″。南 北 寬 約14.7 km，東 西 長 約12.5 ～23.3km，面積為280.03km2。研究區地處毛烏素沙漠南緣，區內以沙漠灘地及半固定沙丘地貌為主。區內地勢整體為北高南低，地形起伏變化不大，海拔1210～1327 m。區內自下而上分布的地層有侏羅系下統富縣組 （J1f）、侏羅系中統延安組（J2y）、侏羅系中統直羅組 （J2z）、侏羅系中統安定組 （J2a）、白堊系下統洛河組 （K1l）、新近系上新統 （N2）、第四系更新統薩拉烏蘇組 （Q3s）和全新統 （Q4）。其中侏羅系中統延安組的2＃和3＃煤層是主要可采煤層。該礦是中煤集團重點建設的陜蒙億噸級煤炭基地的主力礦井之一。礦井設計生產能力30.0 Mt／a，全礦井服務年限78a。

研究區內分布的主要含水層有第四系松散巖類孔隙含水巖組、白堊系碎屑巖孔隙裂隙含水巖組和侏羅系碎屑巖裂隙含水巖組。其中侏羅系碎屑巖裂隙水是大海則礦井的直接充水水源，大氣降水入滲、地表徑流入滲、白堊系孔隙裂隙水和第四系孔隙水是其間接充水水源。

2 水文地質概念模型

模型計算范圍包含整個大海則礦區，西以陜蒙省界為界、東以勘探區東部邊界為界。研究區范圍如圖1所示。本次模擬將研究區作為一個統一的地下含水系統，為建立研究區水文地質概念模型，首先要對研究區實際水文地質條件進行概化，建立礦區多層地下水三維水流模型。根據地層和巖性等資料，將區內地下含水系統在垂向上自上而下劃分為6層：第四系潛水含水層、白堊系潛水及承壓水含水層、侏羅系中統安定組承壓含水層、侏羅系中統直羅組至2＃煤層頂部承壓含水層、2＃煤層相對隔水層、2＃～3＃煤層間承壓含水層。侏羅系中統直羅組至2＃煤層頂板承壓含水層是本次模擬的主要目的層。將整個地下水流態視為三維非穩定流，各層介質均概化為非均質各向異性，模型各層之間均有水力聯系。平面上，將模型四周均按通用水頭邊界處理；垂向上，模型頂部接受大氣降水補給，為補給邊界，底部以3＃煤層為底界，概化為隔水邊界。

圖1 研究區示意圖

3 地下水水流數值模擬

3.1 數學模型

地下水水流數學模型是主要根據質量守恒和達西定律建立起來的連續性的地下水流微分方程。該數學模型主要由地下水滲流方程、初始條件和相應的邊界條件構成。

根據水文地質概念模型，建立下列與之相適應的三維滲流數學模型：

式中：Kx、Ky、Kz——分別代表x、y、z方向的滲透系數，m／d；

h——水頭，m；

S——自由面下的含水體儲水系數，1／m；

μ——重力給水度；

p——大氣水入滲補給量，m／d；

ε——模擬區的源匯項，1／d。

3.2 時空離散及初始條件

采用加拿大Waterloo公司開發的三維可視化地下水數值模擬包Visual Modflow 對上述模型進行數值模擬。根據模擬要求，采用矩形有限差分的離散方法對含水介質進行自動剖分，網格單元格為338×207×6 （行×列×層），共計419796個單元格。其中有效單元為293850個，無效單元125946個。將一個完整抽水試驗段劃分為3個應力期，共36個時段。每個時段劃分為若干個時間步長。

3.3 水文地質參數選取

（1）降雨入滲系數和蒸發系數分區及取值。根據礦區實際氣候資料、地形地貌特征、潛水地下水水位等資料在平面上對降雨入滲條件和地表蒸發條件進行分區并賦初值。同一分區入滲及蒸發強度相同。

（2）含水層參數分區及取值。根據礦區現場試驗和室內試驗確定的實際水文地質參數，結合前人資料，對邊界上水力傳導系數和含水層參數進行分區并賦初值。

3.4 模型識別與驗證

采用2013年9月實測的各層地下水水位，經內插和外推法獲得模型各含水層的初始水位。通用水頭邊界上的各層水頭值由實測值經插值獲得。

根據2013年9月份鉆孔ZL-1～ZL-8的抽水試驗數據，在上述模型的基礎上反復調整相關水文地質參數及源匯項，通過地下水位計算值與觀測值的擬合比較對模型反演計算求得模型各層參數分區的水文地質參數。直羅組至2＃煤層頂板含水層參數分區特征和水文地質參數識別結果見圖2和表1。從圖2和表1可以看出，直羅組至2＃煤層頂板含水層滲透系數和儲水率被劃分成16個分區，滲透系數和儲水率總體均較小，從北往南成條帶狀分布，表現出明顯的空間變異性，水平滲透系數變化范圍為0.0153～0.0815 m／d，儲水率最大為0.0000635m-1，最小0.000000761m-1。

圖2 直羅組至2＃煤層頂板含水層參數分區圖

表1 直羅組至2＃煤層頂板含水層參數識別結果

選取鉆孔ZL-6和ZL-7的水位觀測值和計算值的擬合曲線見圖3和圖4。所選孔的曲線擬合情況均比較理想，大部分水位觀測點計算動態曲線與實測動態曲線基本吻合。模型優選的水文地質參數和源匯項是比較合理的，能較好地反映實際地下水空間分布特征和地下水流運動規律，為下一步準確預測礦井涌水量提供堅實基礎。

圖3 ZL-6孔、ZL-7孔地下水水位歷時擬合曲線圖

4 礦井涌水量預測與評價

4.1 預測方案

大海則煤礦首采區主要分成206 試驗面、20601工 作 面、2 0 8 0 1工 作 面 和2 0 1 0 1 4工 作 面（見圖1）。根據礦井未來生產進度和工作面的總長度，將4個工作面回采按月為單位依次劃分為若干個工作進度期。其中206試驗面分12個工作進度期，20601工作面分工作19個進度期，20801工作面分19個工作進度期，20101工作面分17工作進度期，如表2所示。

表2 首采區各回采工作面生產進度

利用上述校正、識別后的數值模型，針對首采區4個工作面，分別在豐水期和平水期兩種情況下，提前一個月開始按預測涌水量進行疏排，以便在工作面回采之前將水位降至煤層底板，將地下水位控制在2＃煤層底板以下，依次按工作面回采進度，預測地下水位疏干至2＃煤層底板的涌水量。

4.2 涌水量預測

根據1985-2012年多年氣象資料，取7月份和8月份月平均降水量81.85mm 作為未來豐水期的月大氣降雨量。選取多年月平均降水量27.17mm 作為未來平水期的月大氣降雨量。分別經模型運算，得到在豐水期和平水期兩種情況下地下水位疏干至2＃煤層底板各進度期工作面的礦井涌水量，結果見表3。

表3 豐水期、平水期回采工作面各進度期涌水量

4.3 礦井涌水量預測結果分析與評價

根據涌水量預測結果可知，盡管豐水期和平水期降水量差別較大，但由于本區煤層埋深較大，2＃煤層以上弱含 （隔）水層較多，涌水量預測結果差別并不明顯。隨著工作面的向前持續推進，各進度期涌水量雖然有減小的趨勢，但涌水量依然較大，礦區疏干降水工作仍面臨較大壓力。

5 結論

（1）采用地下水三維滲流數值模型可以很好的克服大井法和比擬法的缺點，最大程度地模擬復雜三維水流地質體結構及整個礦井疏降水工程的過程，提高了礦井涌水量預測精度，具有重要的應用價值。

（2）從豐水期和平水期涌水量可以得出，降雨量對礦區涌水量大小影響并不明顯，礦井水防治工作的重點應放在直羅組至2煤頂部直接充水含水層上面。

（3）基于大海則礦區礦井工況特征及生產作業方式，在分別考慮豐水期和枯水期兩種情況下，結合首采區工作面回采進度預測的礦區地下水位疏降至2＃煤層底板時回采工作面涌水量，在生產中既保證了礦井的安全，又能對礦區地下水資源進行充分保護，因而能取得較好的經濟和社會效益。

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