基于MODFLOW對(duì)陶二煤礦礦井涌水量預(yù)測(cè)研究

楊彥利，李娟

（1.河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北邯鄲056038；2.山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院，山西晉中030600）

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)是邯鄲西部的陶二煤礦,研究區(qū)位于邯鄲市邯鄲縣紫山與鼓山之間[1-2]，屬丘陵地帶，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，西部和北部為陡峻的山體，東部和南部較為平緩，相對(duì)高差最大達(dá)348.4m。沁河是研究區(qū)唯一的地表水系。研究區(qū)內(nèi)地表出露地層由老到新依次為二疊系上石盒子組、石千峰組及第四系地層，其揭露地層比較完整[3]。

2 水文地質(zhì)概化模型

2.1 模擬區(qū)域的確定及邊界條件

根據(jù)邯邢水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際邊界條件，綜合確定不能將井田邊界作為模擬邊界[3]。根據(jù)周邊地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，首先將模擬計(jì)算區(qū)范圍由井田邊界向外適當(dāng)擴(kuò)展，作為模擬邊界。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)邊界條件做如下界定：北部以焦窯煤礦為界，概化為給定水頭邊界；南部無明顯的隔水邊界，概化為給定水頭邊界；西部以陶一井田的煤層接觸帶為界，概化為隔水邊界；東部也無明顯的隔水邊界適當(dāng)擴(kuò)展后，概化為隔水邊界。模擬總面積為69km2。

2.2 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的確定

伏青灰?guī)r含水層是該礦2#煤層開采的最大威脅，厚度約5m,本次將對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)合已有資料分析，該含水層上、下部均由粉砂巖和閃長(zhǎng)巖組成，透水性差，不存在越流補(bǔ)排現(xiàn)象。

由于模擬計(jì)算區(qū)內(nèi)，伏青灰?guī)r含水層巖溶發(fā)育不均，具有統(tǒng)一的地下水流場(chǎng)。因此，將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性、三維流非穩(wěn)定流系統(tǒng)[4-5]。

3 地下水水流數(shù)值模型的建立

3.1 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)以上水文地質(zhì)概念模型，建立相適應(yīng)的地下水運(yùn)動(dòng)三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Ss——貯水率，L/m；

Kxx、Kyy、Kzz——含水層各向異性主方向滲透系數(shù)，m/d；

H——點(diǎn)（x，y，z）在t時(shí)刻的水頭值，m；

t——時(shí)間，d；

Ω——計(jì)算區(qū)；

H0——點(diǎn)（x，y，z）處的初始水位，m；

q（x，y，z，t）——第二類邊界上單位面積補(bǔ)給量，m/d；

H（x，y，z）——第一類邊界上的水頭值[6-7]。

3.2 模型建立

（1）模型區(qū)域離散化。本模型采用國(guó)際上通用的Vi?sual Modflow有限差分軟件進(jìn)行求解，結(jié)合研究區(qū)滲流結(jié)構(gòu)，采用巨型剖分法將建立模型劃分為1748個(gè)單元。

（2）模擬時(shí)段選擇。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐及現(xiàn)有資料分析，本次研究模型參數(shù)識(shí)別時(shí)段選用1996年以來的突水?dāng)?shù)據(jù)[3]。

（3）參數(shù)分區(qū)。選用參數(shù)的真?zhèn)危瑢⒅苯佑绊懩M計(jì)算精度和結(jié)果的可靠性。本次模擬針對(duì)伏青含水層，根據(jù)巖性特征、富水性、滲透系數(shù)等，以工作面作為依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分區(qū)，共分成6個(gè)區(qū)，見圖1，分別賦予初值，見表1，12418、12421、12422、12423、12424、12425工作面依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)。

4 模型的識(shí)別與驗(yàn)證

依據(jù)水文地質(zhì)概化模型所建立的地下水?dāng)?shù)值模型，必須和實(shí)際地下水流場(chǎng)一致，這樣才可以用其進(jìn)行涌水量的預(yù)測(cè)。因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)前，首先要校正建立的數(shù)值模型，包括校正方程、參數(shù)以及邊界條件等是否如實(shí)反映模擬區(qū)域的實(shí)際水文地質(zhì)條件[8-9]。本次通過突水點(diǎn)位置模擬計(jì)算水頭值與實(shí)際水頭值進(jìn)行擬合，選取不同標(biāo)高擬合結(jié)果見圖2～圖5。校正后的水文地質(zhì)參數(shù)見表2。

圖1 剖分及水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖

表1 水文地質(zhì)參數(shù)初值表

圖2 12421工作面突水點(diǎn)水位擬合結(jié)果圖

圖3 12422工作面突水點(diǎn)水位擬合結(jié)果圖

圖4 12424工作面突水點(diǎn)水位擬合結(jié)果圖

圖5 12425工作面突水點(diǎn)水位擬合結(jié)果圖

表2 優(yōu)化確定的水文地質(zhì)參數(shù)

5 礦井涌水量預(yù)測(cè)

建立的數(shù)值模型模擬結(jié)果與煤礦實(shí)際水位擬合較好，研究區(qū)的水文地質(zhì)條件能得到有效反映。在進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)模型與實(shí)際情況的適應(yīng)度尤為重要，本次的預(yù)測(cè)模型采用上述的識(shí)別模型來進(jìn)行涌水量的預(yù)測(cè)，達(dá)到了較好的溫和度。

在回采工作面虛擬2個(gè)突水點(diǎn)，如圖6所示，在上述識(shí)別模型的基礎(chǔ)上添加突水點(diǎn)，進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)，計(jì)算疏干到2#煤層底板標(biāo)高時(shí)的礦井涌水量即預(yù)測(cè)的礦井涌水量。

通過數(shù)值模擬對(duì)陶二煤礦2#煤層不同采高下涌水量預(yù)測(cè)分別為：-700m標(biāo)高最大涌水量為673m3/h，正常涌水量為585m3/h；-650m標(biāo)高最大涌水量為616m3/h，正常涌水量為585m3/h；-600m標(biāo)高最大涌水量為558m3/h，正常涌水量為485m3/h。

6 結(jié)論

圖6 工作面突水點(diǎn)位置圖

本文根據(jù)地下水滲流三維非穩(wěn)定流理論，通過概化陶二煤礦水文地質(zhì)條件概念模型，建立了其地下水?dāng)?shù)值模型，通過模型識(shí)別、校正，達(dá)到了實(shí)際水文地質(zhì)條件的再現(xiàn)。在校正模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了用水量預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際吻合較好，表明地下水?dāng)?shù)值模擬對(duì)該礦礦井涌水量進(jìn)行了有效預(yù)測(cè),為煤礦安全開采提供了依據(jù)。

[1]楊彥利,關(guān)英斌.陶二煤礦2#煤層底板破壞規(guī)律研究[D].河北工程大學(xué),2009.

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