納林河二號煤礦首采區煤礦涌水量預測及其參數靈敏度分析

李秀娟, 田國林, 高小文, 呂 敬, 郭 逸

(1.長安大學 環境科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室陜西 西安 710054; 3.陜西地礦九〇八水文地質工程地質大隊, 陜西 西安 710600)

納林河二號煤礦首采區煤礦涌水量預測及其參數靈敏度分析

李秀娟1,2, 田國林3, 高小文1,2, 呂 敬1,2, 郭 逸1,2

(1.長安大學 環境科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室陜西 西安 710054; 3.陜西地礦九〇八水文地質工程地質大隊, 陜西 西安 710600)

礦坑涌水量; 水文地質條件; 地下水流數值模擬; 參數靈敏度分析

1 研究區概況

1.1 地下水類型及其特征

依據含水介質類型與賦存條件，研究區內地下水類型可分為第四系松散巖類空隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水。再根據其水力聯系特征，區內有第四系松散巖類孔隙潛水和第四系松散巖類孔隙承壓水，碎屑巖類孔隙裂隙潛水和碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。松散巖類孔隙水[4]主要賦存于第四系地層中，其滲透性較好，埋藏較淺，厚度一般，全區范圍內均有分布；碎屑巖類孔隙裂隙水主要賦存于侏羅系—白堊系砂礫巖中，其滲透性小且各層差異性大，埋藏深，厚度大，全區范圍內均有分布。

1.2 含水巖組水文地質特征

1.3 礦區補、徑、排條件

研究區范圍內潛水含水巖組共有4層，展布范圍大，接受降水補給量較大，其他補給來源諸如側向徑流和下伏含水層的越流補給均較小。研究區內的3條河流，且河流切割較深，常年有水，地下水較高，因此，均排泄地下水，潛水其他排泄方式諸如人工開采，泉排泄量均較小。潛水流向受地形地貌影響和控制，自西北向東南方向流動，在無定河與納林河交匯處排泄。

研究區承壓含水巖組共4層，含水巖組埋藏均較深，地表尚無地質露頭，與大氣降水及地表水的水力聯系均較小，接受補給也較少。其主要接受側向徑流補給，由于承壓水水頭較高，其與潛水的補給排泄關系在不同地段可以相互轉換。承壓水排泄以側向徑流為主，與潛水排泄方向相似，承壓水一般由研究區東南方向通過側向徑流方式向外部排泄。

1.4 礦區充水情況分析

大氣降水是礦床的間接充水水源；礦區內主要發育3條河流，地表水可通過入滲方式進入地下含水層，間接地成為礦床的充水水源；研究區主要發育3組含煤地層，分別為延長組、延安組以及直羅組。含煤地層含水巖組滲透系數較小，涌水量亦較小，為弱富水含水層，但因其水頭較高，煤層開采時所承受的水壓力也相對較大，因此對煤層開采有一定的威脅。

2 礦區涌水量數值模擬

2.1 水文地質概念模型

2.2 概念模型數學描述

模擬區地下水流服從達西定律(Darcy’s law)，呈三維流態，根據承壓水非穩定運動基本微分方程和潛水非穩定運動基本微分方程(布辛尼斯克 Boussinesq)方程，賦以相應的定解條件(初始條件、邊界條件)，根據水文地質概念模型，建立如下數學模型：

式中：H——水頭(m)；K——滲透系數(m/d)；Ss——彈性釋水率(1/d)；x,y,z——空間坐標變量(m)；t——時間變量(d)；Ω——模擬區；H0——模擬區初始流場(m)；CD,GH,IJ,KL——定水頭邊界；BC,DE,FG,HI,JA——零流量邊界；AB,EF——定流量邊界；n——各邊界面的外法線方向；q——定流量邊界流量(m3/d)；Γ1——潛水面邊界；Γ2——隔水底板邊界；W——降水入滲補給強度(m2/d)；μ——給水度；QD——采空區涌水量(m3/d)；QR——河流滲漏量(m3/d)；CD——采空區滲透性能參數(m2/d)；CR——河床滲透性能參數(m2/d)；HD——采空區排水標高(m)；HR——河流水頭(m)；HRB——河床底面水頭(m)。

2.3 三維幾何模型

2.4 三維水文地質模型

模擬區邊界條件如上所述，根據模擬區地貌特點以及地質勘探資料，將模擬區劃分為灘地區、沙漠區和河谷區3個分區，在模型中加入大氣降水入滲補給量、凝結水補給量、蒸發排泄量。根據歷次地質勘探所獲得的水文地質資料，將抽水試驗鉆孔資料分層Q3+4整理，結合地形地貌以及巖相古地理特征，并充分考慮工作面采掘開始后冒落帶(導水裂隙帶)的形成范圍，經過參數分區，將模型中11個模型層共劃分成21個參數區，其中，彈性釋水率Ss全部為1.00×10-6(L/m)外，其余各參數區的參數取值見表1[10]。

表1 各參數分區參數取值一覽表

對于上述三維水文地質模型，采用MODFLOW軟件進行計算，計算過程中運用迭代(Iteration)計算程序MODFLOW 2005進行求解，水位收斂標準(Head Change)為0.1 mm，計算精度滿足模擬標準[12-13]。

3 計算結果

3.1 對地下水位的影響

模擬計算，由于工作面開采接續，礦坑不斷排水疏干，模擬區出現了以工作面為中心的降落漏斗，且隨著時間的推移向四周逐漸擴大，降深也越來越大。經過統計，首采區工作面采掘至第5，11 a末潛水最大降深分別可達32.30，47.72 m。潛水不同水位下降范圍的影響面積隨時間變化情況如表2所示，潛水水位最大降深的發展趨勢如圖1示。

表2 采動作用下潛水不同水位下降范圍的影響

表3 采動作用下煤層頂板承壓水不同水位下降范圍的影響

圖1 采動作用下最大降深發展趨勢

3.2煤礦涌水量預測

首采區工作面采掘過程中，礦坑涌水的直接來源為導水裂隙帶(冒落帶)，對模型第7，8，9層的導水裂隙帶進行涌水量分析與預測。經過模型模擬計算及數據統計分析，導水裂隙帶在整個采掘期內的涌水量隨著工作面的采掘推進逐漸增大，首采區工作面采掘至第5，11 a末時煤礦涌水量分別可達57 994 m3/d(2 416.42 m3/h)，86 240 m3/d(3 593.33 m3/h)。整個采掘期采動作用下礦坑涌水量隨時間變化情況如表4。

表4 采動作用下礦坑涌水量隨時間變化

4 靈敏度分析

為使模型更加準確模擬研究區，需要研究主要影響模型模擬結果的參數，使模擬過程減少不必要的誤差，故需進行模型的參數靈敏度分析[14-15]。

圖2 滲透系數變化對礦坑涌水量的影響

5 結 論

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MiningWaterYieldForecastofInitialMineryandParameterSensitivityAnalysisinNalinheNO.2Coalmine

LI Xiujuan1,2, TIAN Guolin3, GAO Xiaowen1,2, Lü Jing1,2, GUO Yi1,2

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’an,University,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologicalEffectsinAridRegion,MinistryofEducation,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 3.The908BrigadeofHydrogeologyandEngineeringGeology,ShaanxiGeologyMinningGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi710600,China)

minewaterinflow;hydrogeologicalcondition;numericalsimulationofgroundwaterflow;parameterssensitivityanalysis

A

1000-288X(2017)05-0309-06

P641

文獻參數： 李秀娟, 田國林, 高小文, 等.納林河二號煤礦首采區煤礦涌水量預測及其參數靈敏度分析[J].水土保持通報，2017,37(5)：309-314.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.052； Li Xiujuan, Tian Guolin, Gao Xiaowen, et al. Mining water yield forecast of initial minery and parameter sensitivity analysis in Nalinhe NO.2 coalmine[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：309-314.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.052

2017-02-17

2017-04-01

中煤科工集團西安研究院有限公司項目“納林河二號煤礦首采區煤礦涌水量預測研究”(K1497)

李秀娟(1992—),女(漢族),云南省洱源縣人,碩士研究生,主要研究方向為地下水流數值模擬。E-mail:1598463032@qq.com。