基于水文地質的涌水量數值模擬計算

郭建紅

摘 要：本文結合晉邦德礦的水文地質情況，對上覆巖層及含水巖層的特性進行討論，針對工作面易發生突水的原因及特點，借助Visual MODFLOW軟件對礦井涌水進行模擬分析，利用水流評價模塊、不同層面（主要為平面和剖面）水流跟蹤分析模塊和溶質運移評價模塊聯合共同運行，進行網格的劃分、水文地質參數及幾何參數的輸入，建立基礎模型，得到工作面各階段放水試驗鉆孔分布，再實測參數得到滲透系數分布示意圖，最后通過觀測水位與計算水位的擬合程度確定了模型計算的準確性，得到工作面新切眼選在1700m 時，該工作面涌水量相對較小。

關鍵詞：礦井涌水;水文地質;滲透系數分布示意圖

1 前言

礦井突水是煤礦重大災害之一，目前，對于礦井突水的研究已有不少，通過從水量及水溫等方面判斷工作面的突水異常，利用突水理論對此進行分析，得到突水水源的位置及裂隙發育情況，對于突水量的測量方法已有不少，通過數學模型和不確定性方法是礦井涌水量預測計算的主要發展方向，提出了一些發展迅速的新技術相結合進行礦井涌水量預測的可能性[1]。本文結合晉邦德礦的水文地質情況，利用Visual MODFLOW軟件對礦井涌水進行模擬分析，得到工作面新切眼選在1700m時，該工作面涌水量相對較小的結論。

2 礦區概況及水文地質條件

晉邦德礦于2012年11月2日獲山西省國土資源廳換發的C1400002009111220043383號采礦許可證，批準開采3-10號煤層。礦井生產規模1.20Mt/a，為大型礦井，礦井的開采深度從740m至1120m，礦井東西長約為3.5km，南北長約4km，根據井田邊界的不同坐標圈得到礦井的總面積為9.011km2。井下主水平的標高為+800m，輔助水平的標高為+885m，主水平和輔助水平通過集中軌道暗斜井相互溝通。

礦井工作面煤層為4#煤層，煤層最厚達到1.8m，最薄為0.5m，平均厚度為1.5m，該工作面總體為一單斜構造，傾向325°，煤層傾角為0～4°，平均2°，煤層結構雖有一定程度的變化，但是總體結構簡單，煤層性質穩定;煤層直接頂為均厚4.75m的細粒砂巖，砂巖層理均勻，質地較硬，以石英為主，直接頂為均厚5.95m的砂質泥巖，泥巖硬度較低，層理不明顯，部分含植物頸部碎屑化石，老頂為均厚0.45m的菱鐵質泥巖。根據地質構造，在工作面推進的過程中，會遇到高度差為6m的正斷層，會對生產造成一定程度的影響，煤層頂板穩定且工作面內陷落柱不發育，未發現巖漿侵入現象。

礦區地處山區，工作面上覆地表為山體，山體厚度山271-326m，平均為298m，山體未發現明顯裂縫以及嚴重坍塌現象，地表并無大面積水體，但是自北到南有兩條季節性水流溝谷，對工作面不構成地表水威脅。根據已經測得的地質資料，所采工作面北部為軌道巷，南部與擔炭溝礦相鄰，東面與原燕溝礦采空區相鄰，西面為煤。工作面涌水主要是上覆巖層中富含水的砂巖層，砂巖層平均厚度達到4.75m，涌水量對工作面掘進以及生產有很大的影響。

工作面突水主要是在工作面的推進過程中，由于頂板垮落，底板突出等原因造成富含水涌入工作面的現象。晉邦德礦因為上覆巖層富含水分，在進行頂板垮落的過程中，頂板發生斷裂，如果斷裂區域延續擴展，導通含水層后，水量就會涌入工作面。影響頂板突水的原因有很多，頂板巖層的硬度、頂板巖層裂隙發育程度、含水層空間的導通性、地質構造等都會影響突水現象的發生。突水有以下特征：一旦發生突水，水量會不斷持續的增大，這是因為頂板垮落后裂縫不斷發育，給水量的流動提供了便利條件;涌水時間長，涌水發生后，并不會在短期內停止，一般都會持續數月，隨著時間的累加，涌水量會非常大，對生產有嚴重的影響;頂板垮落發生突水主要是因為頂板垮落造成，所以突水發生的位置一般距離工作面較近，且涌水位置和涌水通道相對明確，水會順著導水通道流入工作面。

3 晉邦德礦涌水量計算及數值模擬

本文借助Visual MODFLOW軟件對礦井涌水進行模擬分析，Visual MODFLOW軟件主要由水流的評價、不同層面（主要為平面和剖面）水流跟蹤分析和溶質運移評價組成，每個模塊功能不同，可以單獨計算也可聯合共同運行，其因為簡單的操作、良好的界面和準確的水流水質分析計算而廣受歡迎。軟件的具體操作過程為通過平面或者剖面兩個不同的角度利用彩色立體顯示進行網格的劃分，隨后根據礦井的具體情況輸入水文地質參數及幾何參數，這部分參數可以根據實際情況進行調整，隨后進行模型的運行以及反演校正參數最后得到所需的結果，整個模擬過程清晰且較簡單，具有明顯的系統化和規范化。

模擬中的三維數學模型理論如公式（1）所示：

公式中，x、y、z分別為笛卡爾坐標軸;H為已知水頭;Kxx為x坐標軸方向的主滲透系數，Kyy為y坐標軸方向的主滲透系數，Kzz為z坐標軸方向的主滲透系數;?s為彈性給水度。

基于此理論，模擬得到工作面各階段放水試驗鉆孔分布，再根據實測的水文地質參數信息，得到滲透性系數等直線圖，隨后導入模型中，以巖層特性、地下水的補給等信息為參數，得到滲透系數分布示意圖，如圖1所示。

結合圖1中的滲透系數的分布和等值線圖，通過統計工作面頂板含水層的水位信息，利用插值得到初始的水頭值，這為后續模擬提供了必要條件，將計算的初始水頭導入模型中，得到如圖2所示的含水層初始水位等值線圖。

在模型的計算過程，需要反復調整水文地質參數保證計算的準確性，通過觀測水位與計算水位的擬合程度反映模型計算的準確性，圖3為計算水位與觀測水位擬合曲線，經過反復的試驗得到含水層的水平滲透性系數范圍為0.0000089-7.56m/d，垂直滲透系數范圍為0.91-5.68*10-7。本次擬合選擇在工作面內部，因為工作面內部最易發生頂板突水，擬合中的各水位狀態良好，水位和觀測水位擬合圖中，I，II，III，IV分別對應為四個放水階段，第一階段內的初始水位在時間為48h時將到了1210m;當時間為96h時，即第二階段末，水位降至1207m;在三四階段內，因為觀測水位距離較遠，因此觀測結果不理想，水位下降至1206m，放水結束后，水位會逐漸恢復原來水平。從曲線上看，實測與擬合水位接近，在可接受誤差范圍內，結果較為滿意。最后得到新切眼選在1700m時，該工作面涌水量相對較小。

4 結論

晉邦德礦因為上覆頂板富含水，在工作面推進以及采空區頂板垮落的時候，易發生頂板突水事故。且持續時間長、流量大等特點，如若突水發生在工作面或距離工作面較近的區域，將嚴重阻礙礦井的安全生產。借助Visual MODFLOW軟件對礦井涌水進行模擬分析，根據實測的水文地質參數信息，得到滲透性系數等直線圖和分布示意圖，利用插值得到初始的水頭值，通過計算水位與觀測水位擬合曲線，保證了模擬結果的準確性。

參考文獻：

[1]王厚柱，丁厚穩.新集一礦111311工作面突水機理探討[J].礦業安全與環保，2002，29（l）：24-27.