Visual Modflow模型在魚卡礦井第四系涌水量預測中的應用

■李博

（中國煤炭地質總局第一水文地質隊 河北邯鄲056004）

Visual Modflow模型在魚卡礦井第四系涌水量預測中的應用

■李博

（中國煤炭地質總局第一水文地質隊 河北邯鄲056004）

分析青海省魚卡礦地質和水文地質條件，進而分析確定礦井邊界條件和初始水文地質參數，構建水文地質模型和數學模型。根據礦井水文地質條件，礦坑水的主要來源為M5-2、M6-6、M7-9煤層頂板砂巖含水層裂隙承壓水。當采煤對煤層頂板的擾動產生的導水裂隙高度發育到第四系時，礦坑水的來源就發生了改變，變為第四系松散巖類孔隙水和煤層頂板砂巖裂隙水。采用Visual Modflow模型計算第四系孔隙水通過導水裂縫帶進入到礦井的涌水量。

魚卡礦Visual Modflow模型涌水量預測

1　礦井概況

1.1位置交通

魚卡礦井位于柴達木盆地北緣魚卡煤田東部北山地區，青海省海西州大柴旦鎮以西45km處，介于南側的綠梁山與北側的達肯大坂山之間。井田面積23.8083km2，主采煤層為侏羅系石門溝組M5煤層和大煤溝組M6、M7煤層。

礦井及其周邊交通以公路為主，是青海連接西藏、新疆、甘肅的重要交通樞紐。青藏鐵路在礦井之南約102km處。由礦井經國道G215可直達錫鐵山火車站。礦井向南至格爾木機場約235km，經國道G215線或青藏鐵路均可到達格爾木機場，再經格爾木機場或青藏鐵路又可到達西寧曹家堡國際機場。

1.2自然地理

礦井位居青藏高原的北部，柴達木盆地的北部邊緣，以戈壁荒灘和低山丘陵地貌單元為主。礦井北部為達肯達坂山，西南為綠梁山，中間為魚卡沖洪積扇。

礦井屬柴達木內陸水系、魚卡河與德宗馬海湖流域。礦井位于魚卡河流域中段，距河流約3.5km。魚卡河在該段以下切剝蝕作用為主。魚卡濕地緊鄰礦井西南角，濕地面積5.5km2左右，是地表泉水匯集處，夏季雨量充沛時形成沼澤。

礦井深居內陸、地處高原，具冬季寒冷、夏季酷熱、晝夜溫差大、干燥少雨、風速強勁、沙暴多等高原氣候特征，屬于典型的內陸沙漠盆地型大陸性氣候。

2　地質特征

2.1地層

礦井內多被新生界地層所覆蓋。根據地表出露及煤田鉆孔揭露，區內地層由老至新發育有：奧陶系灘間山群（O3tj）、侏羅系（J）、古近系（E）及第四系（Q）。

礦井內含煤地層為侏羅系石門溝組含煤段和大煤溝組含煤段，含煤層7層（編號為M1～M7），煤層平均總厚度為58.12m，總含煤系數為9.63%；含可采煤層3層（編號為M5、M6、M7），平均可采厚度為27.00m，可采含煤系數7.87%。

2.2構造

礦井總體構造形態為一走向近東西向、向西傾伏的背斜構造即北山背斜，靠近軸部地層傾角大，向南北兩側地層傾角逐漸變小；并伴生有一組走向近東西向的逆推斷層和一組近南北向的逆斷層，并且斷裂構造破壞了褶曲構造的完整性。

礦井內主要由魚卡背斜構成。該背斜位于井田中南部，是出露形態完整，規模最大的背斜。軸跡走向呈近東西向貫穿整個井田，它東端起于北山奧陶系綠泥石片巖古隆起部位，向西傾伏，東西長約15km，寬約5～6km。

主要斷層由物探推斷并經鉆探證實發育有多條呈近東西向展布的逆斷層，形成向北傾的單斜斷塊構造。共確定斷層6條。其中F1、F2、F4和F7斷層查明程度為詳細查明，F3、F6斷層查明程度為查明。走向逆斷層4條（F1、F4、F6和F7）；傾向逆斷層2條（F2和F3）。

3　水文地質

3.1含水層

根據礦井水文地質條件和對煤層開采影響的水文地質因素，礦井自上而下可劃分為第四系松散層孔隙含水層和碎屑巖類侏羅系砂巖裂隙含水層兩大含水層組。

第四系含水層厚度4.00～559.44m。該含水層組厚度變化受構造影響較大。南區以砂卵礫石、含漂石卵礫石及砂礫石為主，一般50m以下，泥質含量高，上部泥質含量低；東區為中粗砂、砂礫石，含少量含卵礫石層，粒徑較??；西區以中粗砂為主，粒徑變細。總之，北山背斜以南砂卵礫石、含卵礫石、砂礫石所占比例較大；北山背斜以北中粗砂、砂礫石所占比例較大。

第四系孔隙水的水化學特征與其補給條件、富水性、水交替積極程度和地下水逕流強度息息相關。一般補給條件好、富水性強、地下水交替積極的地段，水中陰陽離子含量、礦化度、總硬度低，反之越高。

3.2隔水層

根據巖層的透水性能強弱，礦井內可劃分四個主要隔水層，分別是侏羅系上統紅水溝組、采石嶺組隔水層、侏羅系中統石門溝組隔水層、侏羅系中統大煤溝組隔水層和侏羅系中統大煤溝組底板隔水層。

其中，侏羅系上統紅水溝組、采石嶺組隔水層巖性為紫紅色—灰綠色夾雜色巨厚層狀泥巖、粉砂質泥巖及泥質粉砂巖，厚度約96.5～189.10m，泥質結構，致密，泥質含量高，隔水性能好，阻隔了表層第四系孔隙水的下滲，主要發育在井田中西部。

4　第四系涌水量預測

根據礦井水文地質條件，礦坑水的主要來源為M5-2、M6-6、M7-9煤層頂板砂巖含水層裂隙承壓水。當采煤對煤層頂板的擾動產生的導水裂隙高度發育到第四系時，礦坑水的來源就發生了改變，變為第四系松散巖類孔隙水和煤層頂板砂巖裂隙水。

4.1水文地質概念模型

根據礦井地下水系統的特征，采用Visual Modflow模型，計算第四系孔隙水通過導水裂隙帶進入到礦井的涌水量。結合模型技術的要求，直接在計算機上創建水文地質概念模型，進行模型的校正、識別與驗證，實現礦井整個地下水系統的可視化模擬與預測。

4.1.1計算范圍

模擬以魚卡河沖洪積扇和山前支溝沖洪積扇作為計算域范圍，北部以達肯大阪山及礦井內基巖露頭為界，東部、南部以魚卡河為界，西部以魚卡濕地為界，面積約為50km2，詳見圖1。

4.1.2水文地質條件概化

礦井地處青海省海西州大柴旦鎮以西45km處，介于南側的綠梁山與北側的達肯大坂山之間。計算范圍為整個魚卡河沖洪積扇和山前支溝沖洪積扇，以200*200的均勻網格對模型進行剖分，針對礦井的水文地質條件，東部邊界主要以魚卡河沖洪積扇補給為主、北部以山前支溝沖洪積扇補給為主，西部邊界以泉水溢出形式排泄至魚卡濕地，南部邊界為魚卡河，模型頂部接受大氣降水補給和大氣蒸發，為補給排泄邊界，將計算區概化為單層潛水含水層，以基巖作為含水層的相對隔水底板。

圖1　模型計算范圍

將從以下幾個方面進行本區地下水流系統概化：

（1）將含水介質概化為非均質各向異性。（2）地下水系統輸入、輸出隨時間變化，故為非穩定流。（3）計算區水力坡度小，含水層分布廣、厚度大，地下水運動符合達西定律。

綜上所述，將計算區地下水系統概化為非均質各向異性三維非穩定地下水流系統。

4.2數學模型

依據滲流的連續性方程和達西定律，計算區地下水系統水文地質概念模型相對應的三維非穩定流數學模型如下：

式中：H—地下水水頭；H0—含水層初始水頭；H1—各層邊界水頭；Kxx，Kyy，Kzz—x，y，z方向的滲透系數；μ—給水度；q—含水層第二類邊界單位面積過水斷面補給流量；ω—源匯項強度；Ω—滲流區域；B1—水頭邊界；B2—流量邊界。

圖2　模型的網格剖分圖

4.3應用Visual Modflow建立模型

4.3.1計算區域剖分

根據Visual Modflow的要求，采用等間距有限差分的離散方法對含水介質進行自動剖分，網格單元row×column×layer為200× 200×1，其中將計算區邊界外的網格設為不計算單元格（即不參與模型計算），建立剖分圖，詳見圖2～圖4）。

圖3　計算區橫向剖面（79行）剖分圖

圖4　計算區縱向剖面（106列）剖分圖

4.3.2模擬期的確定

確定模擬期為單孔抽水試驗時間，以一個小時作為一個時間段，每個時間段內包括若干時間步長，時間步長為模型自動控制。

4.3.3定解條件的處理

在設置邊界條件與初始條件時主要根據充水含水層的水文地質條件以及抽水試驗進行設置。

初始條件：采用2014年9月實測的地下水水位作為模型含水層的初始水位，采用內插和外推法獲得含水層的初始水位。

邊界條件：模型邊界按通用水頭邊界處理。

4.3.4源匯項的處理

計算區的源匯項主要包括補給項和排泄項。

該區地下水的補給來源主要為魚卡河側向滲漏補給，其次是大氣降水入滲補給。

魚卡河水位遠高于地下水位，具有西北地區河流滲漏的一般特征，在洪積扇中上部，滲漏量大小與河水和地下水位差無關，以“懸河”的形式滲漏補給地下水。不同的河水流量，形成不同的河流寬度與深度，從而影響滲漏量的大小。河流總滲漏量的大小，受河水流量與滲漏能力的制約（當流量較小時，直至沿途全部滲漏為止），而滲漏能力則隨河水流量的大小而變化。河水滲漏能力的變化規律，用滲漏量經驗公式控制，數據采用2014年6月份所實測的河流斷面流量，用遞推方法分配給河流沿途各結點。根據收集的1970年～2007年大柴旦地區的氣象資料，本地區多年平均降水量88.3mm，作為未來模型的大氣降水入滲補給，并綜合考慮降水入滲補給和蒸發兩個方面的因素取入滲系數經驗值為0.2。

地下水主要排泄方式為泉水溢出形式排泄至魚卡濕地、地下水蒸發和人工開采。

在模型的西部邊界，潛水水位高于地表高程，地下水溢出成泉或泉集河向魚卡濕地排泄，根據已有的資料顯示，泉水年平均流量為1.3m3/s。

蒸發強度選擇阿維里揚諾夫經驗公式來近似描述蒸發規律：

式中：ε(t)—地下水的蒸發強度，主要取決于水面蒸發能力E0 (t)與地下水埋深Δ；E0(t)—水面蒸發能力，直接取氣象統計資料數值多年平均蒸發量1400mm；Δ0—地下水極限蒸發深度，取3m；Δ—地下水埋藏深度，地下水泄出帶水位埋深小于3m，取平均值1.5m；n—無量綱經驗系數，該地區近似取2。

蒸發量將會隨著地下水的埋深而變化。

魚卡水源地目前并未進行人工開采。

4.3.5模型識別與驗證

根據建立的數值模型，模擬的地下水流場要與實際地下水流場基本一致。主要是通過調整水文地質參數，同時也對邊界條件及邊界上的交換水量進行必要的調整，經過反復調整與試算，使計算的水位值與實測的水位值之差最小，從而達到數值仿真的目的。如果校正效果好，則可利用模型對礦井水文地質條件進行預測分析，否則，需要重新調整模型。

此次采用以往施工的水文地質孔水位動態資料，并結合以往魚卡水源地勘探報告來進行模型識別與驗證，通過地質條件分析和計算相結合，反復調參，以取得最佳擬合效果。經過多次計算，擬合結果較為滿意，詳見圖5～圖7）。

圖5　第四系初始流場擬合圖

圖6　K2號孔地下水水位歷時擬合曲線圖

4.3.6模型識別和驗證后的參數

水文地質參數選取的合理與否直接關系到模型的計算精度和結果的可靠程度。此次參數的選取，主要參考以往施工的水文地質孔的水文地質參數，結合魚卡礦區三井田和魚卡河沖洪積扇的地層、構造，以及含水層的巖性、富水性、埋深條件、厚度和水位動態變化規律對各含水層進行分區，設置不同的滲透系數和給水度初值。

圖7　Q1號孔地下水水位歷時擬合曲線圖

4.4涌水量預測

4.4.1預測方案

利用校正、識別后的數值模型，預測當開采M5-2、M6-6、M7-9煤層時，將導水裂隙帶高度發育到第四系地段的地下水水位疏干至含水層的底板的第四系涌水量。開采M5-2、M6-6煤層時，先期開采地段東部局部范圍內導水裂隙帶高度發育到第四系，此范圍內含水層所蘊含的水量作為第四系含水層通過導水裂隙帶進入礦井的涌水量，但考慮煤礦開采常常引起上部巖層發生位移，甚至使巖層產生大面積移動，故本次計算包括了巖層移動角75°范圍內含水層所蘊含的水量。

4.4.2涌水量預測

此次預測采用加井抽水疏干進行預測，即在所需預測區均勻布井，加井抽水疏干至含水層底板，即第四系底板。

運用Visual Modflow軟件中水均衡域計算模塊Zone Budget，預測開采M5-2煤層時第四系孔隙水通過導水裂隙帶進入到礦井的涌水量為：先期開采地段的中部（即K2、ZK39-2、ZK37-1孔附近）正常涌水量為1519.58m3/h，最大涌水量1671.54m3/h。因疏排第四系孔隙水而形成的降落漏斗影響半徑約為770m。預測開采M6-6煤層時，第四系孔隙水通過導水裂隙帶進入到礦井的涌水量分別為：先期開采地段北部（ZK34-7、ZK35-5、ZK36-10、ZK36-11孔附近）礦井正常涌水量為505.0m3/h，最大涌水量555.5 m3/h，先期開采地段東部（即ZK40-8、ZK41-3和ZK40-14孔附近）礦井正常涌水量為1854.17m3/h，最大涌水量2039.58m3/h。因疏排第四系孔隙水（即ZK40-8、ZK41-3和ZK40-14孔附近）而形成的降落漏斗影響半徑約為790m。

5　結論

采用Visual Modflow模型對礦井先期開采地段冒落裂隙發育到第四系底板部位的第四系含水層的正常涌水量預測時，盡管模擬區面積較大，觀測孔長觀數據較少，對計算區邊界水位條件控制程度不高，但采用的調參資料為群孔抽水試驗的水位觀測資料以及根據現場實測的水位進行修正，能夠比較好的用來調試和驗證模型。因此，應用Visual Modflow進行礦井地下水三維數值模擬計算，水文地質概念模型正確，較好地反映了礦區水文地質條件，模型識別精度高，收斂性和穩定性較好。

[1]宋穎霞，張耀文，曾一凡.基于Visual Modflow的礦坑涌水量模擬預測評價 [J].礦業安全與環保，2012，39（2）：25～28.

[2]鄭世書，陳江中，劉漢湖.專門水文地質學 [M].徐州：中國礦業大學出版社，1999.

TD175[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-113-3

李博（1982～），男，畢業于河北師范大學資源與環境科學學院地理信息系統專業，河北工程大學資源學院地質工程專業在職研究生，工程碩士，工程師。