新疆北部某煤礦持續采掘條件下礦井涌水量動態模擬預測

2020-03-11 10:45:20張建配

中國礦業 2020年2期

楊晟，賈超，袁涵，張建配，陳陽

(1.山東大學土建與水利學院，山東濟南 250061；2.山東大學海洋研究院，山東青島 266237)

礦井涌水量是衡量礦井開采方式合理性和安全性的重要指標，直接關系到礦井的安全生產。因此礦井涌水量的準確預測對于礦井開采和生產具有重要意義[1]。礦井開采是一個動態的過程，隨著開采面的變化，對應的開采區疏水面積和疏水層位也發生變化，因此礦井的涌水量也是動態變化的。而以往預測礦井涌水量時往往較少考慮礦井的開采進度和開采面的變化，因此導致預測礦井涌水量與實測值差距較大，且無法反映礦井涌水量的動態規律，因此考慮礦井采掘進度的動態涌水量預測會更加真實準確地反映礦井開采過程中涌水量實際情況。

目前礦井涌水量的預測方法主要有水文地質比擬法[2]、時間序列法[3-4]、解析法[5]、大井法[6]、神經網絡法[7-8]、數值法[11-15]等。其中數值法可以模擬礦區復雜的三維地質結構，并且可以概化仿真采掘進度，使涌水量的模擬預測更為精確。因此以新疆北部某礦區為例，在利用數值法的基礎上考慮礦區的采掘進度，運用GMS數值模擬軟件對礦區涌水量進行動態模擬預測[14]，預測結果與實際情況較為符合。

1 研究區概況

研究區位于新疆北部吐魯番盆地一帶，地形屬于西北邊緣低山丘陵地帶，礦區內絕大部分為斜平地，坡度50‰，北高南低。區內干旱少雨，降雨對地下水補給微弱，侏羅系基巖裂隙含水層主要接受來自北部山前雪山融水的深層補給，并向南部以地下徑流的方式排泄。地下水流動方向主要為東北向西南。區域廣泛覆蓋第四系松散堆積物，主要斷層導水性較弱，地層構造較為簡單。區內主要地層自下而上分別為石炭系中統、三疊系上統、侏羅系下統八道灣組、侏羅系下統三工河組、侏羅系中統西山窯組、侏羅系中統頭屯河組、第三系及第四系。礦區的含水層組主要為第四系松散孔隙含水層、下第三系陸相半膠結孔隙裂隙含水層、侏羅系基巖裂隙含水層和石炭系含水層。主采煤層賦存于侏羅系西山窯組含水層，含水層巖性為灰白色粗砂巖-細砂巖與灰色粉砂巖、泥巖互層，偶夾砂礫巖，含5號煤組，平均總厚度12.1 m，含煤系數5.38%。礦區主要分北一采區、北二采區和北三采區三個采區，采區內開采順序為后退式，即由井田邊界向上山方向回采，區段及水平開采順序為下行式，即先采上水平區段，后采下水平區段。各采區分布如圖1所示。

圖1 采區分布圖Fig.1 Mining area distribution map

2 水文地質模型的建立

2.1 模擬范圍及邊界條件的概化

礦區北部邊界為山前地下水徑流補給邊界，作為定流量邊界；南部邊界為地下水排泄邊界作為定流量邊界；東西邊界為與流線垂直的邊界，作為隔水邊界處理；模型頂部覆蓋大面積第四系松散堆積物，接受大氣降雨入滲，概化為補給邊界；煤層所在西山窯組含水層以下緊鄰著三工河組黑色粉砂巖致密隔水層，巖層致密，隔水性能極好，將其作為模型的底部邊界，概化為隔水邊界。

2.2 模擬區源匯項的概化

1) 降雨蒸發。礦區降雨稀少，根據礦區附近氣象站的監測數據，礦區年平均降水量為41.4 mm，地表第四系巖性主要為中粗砂，根據地下水流數值模擬技術要求，降雨入滲系數取經驗值0.3，通過Recharge模塊進行概化(表1)。

礦區蒸發強度較大，年均蒸發量為1 500 mm，地下水水位埋深普遍大于5 m，根據地下水流數值模擬技術要求，蒸發系數取經驗值0.01，通過Evaporation模塊進行概化(表2)。

表1 區域多年平均降雨量表Table 1 Regional average annual rainfall

表2 區域多年平均蒸發量表Table 2 Regional average annual evaporation

2) 邊界補給和排泄。研究區地下水補給主要來自于北部山前雪山融水的地下側滲補給，并由南部地下水流出邊界排泄。根據斷面法結合達西定律初步估計北部補給邊界流量約為q補給=1 489.64 m3/d；南部排泄邊界的流量約為q排泄=-1 242.15 m3/d，同時流量值在后期流場校核檢驗過程中再不斷調整優化以使其符合實際情況。

2.3 地層結構概化

依據礦區水文地質資料及鉆孔勘探數據，將礦區水文地質模型地層結構劃分為6層含(隔)水層(圖2)，自上而下主要為第四系松散孔隙含水層(H-I-1)、下第三系陸相半膠結孔隙裂隙含水層(H-I-2)、侏羅系頭屯河組承壓裂隙含水層(H-Ⅱ-1)、西山窯組上段5-3煤層上部至5-1煤層底板間承壓裂隙含水層(H-Ⅱ-2)、西山窯組下段5-1煤層底板以下粗粒相承壓裂隙含水層(H-Ⅱ-3)、三工河組粉砂巖致密隔水層(G-Ⅱ-1)。各地層在空間上由于巖性的差異，水文地質參數表現出差異性，因此將各地層概化為非均質各向異性地層，模型概化為6層非均質各向異性三維非穩定流模型。

圖2 區域地層綜合柱狀圖Fig.2 Regional stratigraphic comprehensive borehole histogram

3 數學模型

根據礦區水文地質概念模型，礦區地下水滲流符合達西定律，結合連續性方程可建立礦區地下水非穩定流數學模型見式(1)[16]。

式中：H為水頭，m；Kxx、Kyy、Kzz為x、y、z方向上的滲透系數，m/d；n為法向向量；Ss為彈性釋水率，1/d；W為降雨入滲補給強度和蒸散發強度，m3/d；H0為模擬區初始流場，m；q為第二類定流量邊界流量，m3/d，流入為正，流出為負；Ω為模擬區。

4 數值模型建立

4.1 模擬區域網格剖分及時間步長的確定

在滿足模型精度要求前提下，將模型在橫向剖分300個網格，縱向剖分280個網格，垂向有6層含(隔)水層，因此按6層剖分，最終得到300×280×6個單元格(圖3)。

模擬過程中選取2007年1月～2007年12月作為模型的識別期，識別調整模型水文地質參數；以2008年1月～2008年12月作為模型的檢驗期，檢驗計算流場和水位的準確性；礦區三個采區采掘期為2009年1月～2019年1月，將2009年1月～2020年1月作為涌水量動態模擬期，時間劃分以月為步長。

4.2 水文地質參數分區

根據礦區水文地質資料，將各地層參數分區概化如圖4所示，同時各分區的水文地質參數初始值由鉆孔抽水試驗等資料初步給定，后期根據各井點地下水位實測值進行校核調參確定最終校正值。

圖3 模型網格剖分圖Fig.3 Mesh of the numerical simulation model

圖4 各含(隔)水層水文地質參數分區圖Fig.4 Aquifers hydrogeological parameter zoning map

4.3 采掘空間的概化

為了較為準確地刻畫出礦井采掘過程中的涌水，運用drain模塊刻畫礦井的排水[17-18]，三個采區分為10個工作面，每個工作面按計劃在一年內完成開采。開采前先對工作面單元格進行短期疏水，將水位迅速下降至工作面的安全開采平面，然后進行開采。對于已開采和正在開采的工作面均設置排水(drain)邊界，保持地下水位低于該工作面的安全開采平面，未開采的工作面則不進行排水，通過這樣的方式可以較為合理準確地刻畫礦區開采過程中地下水流場的變化。

模型排水(drain)邊界的計算見式(2)。

(2)

式中：QD為排水量，m3/d，即由含水層流入drain的水量；CD為采取滲透性系數，m2/d；HD為排水標高，m。

4.4 模型的識別與驗證

運用礦區水位觀測孔2007年的水位監測數據對模型計算的流場進行識別，最終調整得到礦區水文地質模型各分區水文地質參數見表3。

將識別后的水文地質參數和概化的水文地質條件代入模型，最終計算得到天然狀態下地下水流場計算結果如圖5所示，計算流場和實測流場在水位、流向、流態上基本一致，計算流場能基本反映實際流場的宏觀形態。

表3 模型水文地質參數一覽表Table 3 Hydrogeological parameters of the hydrogeology model

圖5 計算流場與實測流場對比圖Fig.5 Comparison diagram of calculated and observed flow field

選取礦區6號觀測孔為例，用2008年檢驗期地下水位動態監測數據對模型計算水位進行動態檢驗，水位擬合曲線如圖6所示，結果顯示模型計算水位與觀測孔實測動態水位基本擬合，計算水位可以基本反映實際水位的動態變化規律，模型整體可靠度較高，可作下一步預測分析。

圖6 地下水水位計算值與實測值擬合圖Fig.6 Fitting curves of observed and calculated groundwater level

5 礦井涌水量的動態預測

5.1 考慮采掘進度的礦井涌水量動態模擬預測

運用識別檢驗后的數值模型對礦區三個采區的涌水量進行下一步的模擬預測。三個采區按照北一采區、北二采區、北三采區順序依次開采，北一采區安全開采面底板高度+450 m，北二采區安全開采面底板高度+430 m，北三采區安全開采面底板高度+400 m，按照由高到低、自上而下的原則開采。

北一采區分三個工作面，按計劃三年開采完畢；北二采區分為四個工作面，按計劃四年開采完畢；北三采區分為三個工作面，按計劃三年開采完畢。對于已開采及正在開采的工作面，地下水位疏干至安全開采平面以下，還未開采的工作面則不設置排水。按照采掘先后的順序模擬預測，煤層所在西山窯組含水層的水位變化如圖7～9所示。

圖7 北一采區疏干后水位等值線圖Fig.7 Contour map of groundwater after dredging in north 1 mining area

圖8 北一采區、北二采區疏干后水位等值線圖Fig.8 Contour map of groundwater after dredging in north 1 and north 2 mining area

圖9 三采區全疏干后水位等值線圖Fig.9 Contour map of groundwater after dredging in three mining areas

通過Flow budget模塊計算出了三個采區的礦井涌水量隨時間的動態變化曲線如圖10所示。從計算結果來看，在一個采區的開采過程中，當一個工作面開采完成，開始開采下一個工作面時，由于開采新的工作面需要迅速將水位疏降至安全開采面以下，因此短時間大量排水，涌水量突增，隨后將水位維持在安全開采面以下，涌水量會慢慢降至平穩。最終隨著開采面的不斷擴大，總體上涌水量在不斷增大。此外由于北二采區、北三采區鄰近北一采區，因此其疏水過程中將分擔北一采區部分涌水量，從而使得北一采區涌水量進一步減小。而由于北三采區與北二采區間隔一定距離，因此北三采區疏水對北二采區的涌水量影響較小，北二采區涌水量下降幅度也較小。由此說明相鄰采區在疏水過程中由于流場的相互干擾和影響，因此涌水量也會互相影響，鄰近采區的疏水會分擔一部分先前開采區的靜儲水量，使得先采區的涌水量減小。而隨著流場的穩定，各采區的涌水量也逐漸趨于穩定。最終計算得到模擬期末北一采區涌水量為211 m3/d、北二采區涌水量為613 m3/d、北三采區涌水量為563 m3/d。

圖10 采掘期內三采區計算涌水量動態變化曲線Fig.10 Curves of calculated dynamic mine inflow in three mining areas during the mining period

表4 采掘期逐年平均涌水量統計表
Table 4 Statistical table of average annual mine inflow during the mining period

年份20092010201120122013平均涌水量/(m3/d)309457556763899年份20142015201620172018平均涌水量/(m3/d)9761 0531 2791 4011 456

同時為了探究礦區開采過程中總體涌水量的變化規律，列出開采過程中逐年的平均涌水量見表4，并作變化曲線如圖11所示，結果表明礦區涌水量隨著開采的深入，總體呈現上升趨勢，但中間各個采區過渡時涌水量有較大的增幅，呈現階梯狀上升，原因是由于北一采區至北三采區的安全開采平面高度呈梯度下降，因此由已采區向未采區過渡時，疏水降深也隨之增大，涌水量會有短期較大幅度的增長，但隨著新采區的逐步開采，涌水量的上升幅度逐漸變緩，涌水量慢慢趨于穩定。

5.2 未考慮采掘進度的礦井涌水量預測

不考慮采掘進度的情況下，則不考慮開采的實際順序，將三個采區的地下水位同時疏降至各采區的安全開采平面以下，三個采區涌水量動態變化曲線如圖12所示。三個采區初期均大量排水，后期隨著疏水的穩定，涌水量慢慢減小并趨于穩定。最終計算得到模擬期末北一采區涌水量為236 m3/d、北二采區涌水量為671 m3/d、北三采區涌水量為611 m3/d。

圖11 采掘期內逐年平均涌水量變化曲線Fig.11 Curve of annual average mine inflow during the mining period

圖12 采掘期內三采區計算涌水量動態變化曲線Fig.12 Curves of calculated dynamic mine inflow in three mining areas during the mining period

5.3 大井法計算礦井涌水量

根據礦井的水文地質資料，采用大井法計算三個采區涌水量。將各采區巷道系統的排水視為理想大井，周界為統一的降落漏斗，由于侏羅系西山窯組含水層本為承壓含水層，隨著開采疏水作用，采區水位慢慢下降，含水層水位下降至頂板以下，開采區域由承壓轉無壓，因此采用承壓轉無壓完整井公式(式(3))。最終得到大井法計算的礦井涌水量,計算成果見表5。

(3)

式中：K為滲透系數，m/d；H為自然水位至含水層底板距離，m；M為含水層厚度，m；h0為疏干水位至含水層底板距離，m；R0為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m；S為水位降深，即自然水位至疏干水位的距離，m；P為預測區面積，km2。

5.4 分析結果

最終將考慮采掘進度預測礦井涌水量、未考慮采掘進度預測礦井涌水量、大井法計算礦井涌水量和實測涌水量進行對比，將各種方法計算涌水量及其與實測涌水量的相對誤差列于表6。由對比結果分析，考慮采掘進度模擬礦井涌水量最為接近礦井的實測涌水量，相對誤差最小，因此考慮采掘進度模擬礦井涌水量相對其他方法精度更高，并且可以反映礦區涌水量的動態變化規律，相比其他方法具有一定的優越性。