基于MODFLOW-USG的礦井水文地質仿真分析

朱志遠

(中煤資源發展集團有限公司安全監察局，北京 100011)

0 引言

在煤礦開采過程中，礦井的水文地質結構嚴重影響著煤礦的開采和安全性。深刻理解造成礦井水文地質差異的原因，對于防止發生礦井水害是十分重要的工作[1-3]。特別是在一些大型煤礦的開采前，普遍會采用計算機仿真的方法對煤礦中的有關地質情況進行模擬，這既是防治水文地質災害的重要組成，也是構建數字化煤礦的重要一步[4-5]。為此，在分析影響礦井水文地質的影響因素的基礎上，提出了一種新的MODFLOW-USG(非結構網格)模擬方法，對傳統模擬工作進行全新的更新。

1 水文地質影響因素分析

1.1 探究水文地質影響的必要性

礦區的水文地質條件之所以非常復雜，主要是由于水流通過復雜的縫隙貫穿在巖石裂縫等地質構造中。這使得在開采過程中，很可能會更改水文地質條件的平衡體系，導致地表災害。鑒于此，很多學者將分析影響水文地質的因素作為研究內容[6-7]。

1.2 案例地質概況

以陜西地區某案例開展水文地質影響因素分析，通過調研發現，礦區水文地質條件的影響因素是十分復雜的，包括降雨、池畦等都會影響礦區的水文情況，而地質情況一般是天然形成的。在該案例中，斷層將礦床分成中央地塊和東部隆起地塊兩部分。還有較小的內部斷裂，構造運動達50 m，礦床為海相粘土沉積。早期地層位于海相粘土之上，由兩個砂質含水層(1～15 m厚)組成，中間由粘土導流層隔開(厚28 m)。在煤層的正上方和正下方也有粘土導流層。煤層厚度較均勻，在3.5～5.6 m之間。煤層上由3個砂質含水層組成，厚度6～20 m，由0～20 m的粘土導流槽分隔，部分地區未形成導流槽，含水層相互連通，該案例煤層的三維地質視圖如圖1所示。在北部，子斷層沿著斷層相互連接；在南部，次斷塊沿內部構造斷裂上升。隨著上升量的變化，案例中煤礦巷道目前在中部區塊活躍，東部區塊的開采計劃正在向北部推進。

圖1 案例煤層的三維地質視圖

1.3 影響因素分析

地下水：該案例地下水的成因類型為第四紀沖積層孔隙潛水及基巖裂隙水。這種水文地質的特征為頂板礫巖裂隙含水層層厚100 m以上，僅局部裂隙含水。井巷一旦觸及便有水涌出，但持續時間較短，對施工巷道及生產沒有太大的威脅。兩層煤露頭被沖積層復蓋砂層中有豐富的潛層水沿煤層頂底板裂隙下滲，使井下巷道尤其淺部巷道涌水量極大，現在由礦井延深而圍巖裂隙減少，井上下水力聯系不十分明顯。各含水層分布于煤層頂底板，但隨深度的增加含水程度有減弱的趨勢。

充水因素及含水量：目前開拓的最低標高為44 m，生產水平為44 m，距地表垂深為180 m。一般生產水平涌水量在240 m3/a左右，近年來雨季涌水量為 230～310 m3/a，并且隨礦井延深大氣降水，對礦井涌水量也越來越不明顯，即礦井涌水量也趨于穩定、水文地質條件也越來越簡單。歷年觀測資料表明井田含水系數多在0.9～1.5，個別月份含水系數突然增大是由于產量大幅度下降或施測手段方法不當所至。通過收集以往水文地質資料和水文地質普查工作了解，井田內水文地質條件較簡單，地面無河流、無井泉。地勢為東北高、西南低的構造剝蝕丘陵，大氣降水一部分沿地表流向西南流失，一小部分滲入地下。

2 計算機仿真

2.1 軟件介紹

MODFLOW：提前構建的仿真模型為后續提出具體的防治方案積累了寶貴的數據，是水文地質防治中不可或缺的部分[8]。MODFLOW是一款非常流行的軟件程序，在礦山水文地質領域得到了廣泛的應用。然而，MODFLOW卻面臨著復雜地質條件的挑戰。例如異質性以及礦井空洞等人工構造，導致流場相對于周圍地質環境的變化。在實際的建模過程中，與層狀構造、礦空洞、斷層構造和裂縫相關的地質非均質性會使計算機建模變得困難，特別是對礦井脫水而言，這種異質性很難用傳統的MODFLOW結構網格來表示。

MODFLOW-USG：MODFLOW的更新版本，被稱為MODFLOW-USG(非結構網格)，支持多種結構和非結構網格類型[9]，可以用于模擬地下水流動和使用控制體積有限差分公式的緊密耦合過程，為復雜地質構造建模提供了靈活性。MODFLOW-USG是基于非結構化網格方法(控制體積有限差分，或集成有限差分)開發的，這種方法允許用戶創建幾乎任何形狀的靈活網格，可以在感興趣的區域進行細化。MODFLOW-USG還支持新的CLN包，CLN單元可以代表水井、管道、地下隧道、河流，可以是垂直、水平或傾斜的，具有足夠的普遍性。

2.2 軟件應用

模型網格：通過對上覆和下墊砂土含水層的水流進行勘探，可以確定東部區塊的最佳脫水方案。在案例北部地區，子塊之間是物理連接的，如圖2所示。唯一未知的是斷層帶的水力性質，將它作為水力屏障。在礦井的南部，塊體沿著構造斷層向上移動，每個塊體的垂直移動幅度不同。

圖2 水文地層結構模型網格

結構和非結構化網格對比：因為模型直接假設水是通過具有相同數量的層進行傳輸的，在傳統的方法中，可以在兩邊添加“虛擬”層，各層重新編號，以保證預期的水流[10]。但是這種傳統方法比較繁瑣，可能會導致模型設計的錯誤。而使用MODFLOW-USG及其非結構化網格，可以直接指定各個方向的單元之間的連接，該模型還考慮了連接單元之間的接觸面積，計算出的水流符合要求，這是利用經典方法是不可能達到的結果，如圖3所示。在經典方法中，模型正確地傳輸了水流，但因為單元之間的水位差異太大，可能面臨數值上的不穩定性；在非結構化網格中，數據通常是由軟件準備的，自動計算且可以正確地假設相鄰單元連接。

圖3 結構和非結構化網格下水流流動的情況

仿真過程及效果：在本案例礦井中，地層最大斜率位于補給區，為7.30，即平均含水層厚度為10 m時，最大單元寬度不應超過39 m，這種復雜的地理條件使得準備數據十分困難。在本案例中，已經事故70多個鉆孔，在大多數地層都有過濾器，部分鉆孔已經被安裝在特定的地質構造中，以研究它們的水力特性，如圖4所示(圖4中彩色圓圈代表功能井，空圓圈代表廢棄井)。為了生成煤層床的等高線地圖，網格使用GIS插值工具“從頂部到柵格”包括煤層床的標高。所有層的厚度，包括煤層、粘土導流槽和砂質含水層，由鉆孔測井確定，在整個地區保持一致，可以在同一時間內在整個地區相互極化。在層間化后，利用光柵計算器對煤層床層(如果層在煤層上面)進行增厚或減薄(如果層在煤層下面)。MODFLOW-USG的利用更加細化了復雜水文地質條件下的模型精度，可以在煤礦開采前利用MODFLOW-USG對礦區的水文地質情況進行建模，以便為后續的防治工作提供清晰可行的數據來源。

圖4 井和煤層床等高線圖

3 結語

綜上，礦區的水文地質條件是十分復雜的系統工程，不同的礦區其水文地質條件也是不盡相同的。利用新開發的MODFLOW-USG建模方案可以處理許多復雜的水文地質特征，如不連續性(地質斷層、礦井開口等)、陡峭和不平坦的斜坡，或夾出地層。以陜西某褐煤礦井地質為例，證明了MODFLOW-USG的可行性和有效性，相關行業人員可以在煤礦開采前利用MODFLOW-USG對礦區的水文地質情況進行建模，可以為后續的防治工作提供清晰可用的數據來源。