淺析煤礦床涌水量計算方法的應用條件

王 帥

遼寧省能源地質(zhì)勘查開發(fā)研究院有限責任公司 遼寧 沈陽 110041

1 前言

煤炭資源是世界上儲量最多、分布最廣的常規(guī)能源。巴基斯坦塔爾煤田是巴基斯坦迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大規(guī)模煤礦區(qū),面積15000 km2,煤炭總儲量約1750億噸,目前煤田已經(jīng)進入全面開發(fā)階段。據(jù)以往資料顯示,該區(qū)地下水對于的采礦影響很大,因此準確預測礦井涌水量是礦區(qū)水文地質(zhì)工作的核心問題。本文以塔爾煤田中部Ⅳ區(qū)塊為例,討論不同方法在礦床涌水量預測中的具體應用及其特點。

2 煤田水文地質(zhì)概況

塔爾煤田為一走向NNE的向斜盆地,其南北走向長約150km,東西平均寬約100km,面積約15000km2,煤田所處構造位置為向斜盆地的南端西翼,為一東傾的單斜構造,煤田東部為巴印邊界附近的斷裂帶,西部沉積邊緣,南部為卡其沼澤斷裂帶,構成了相對完整的水文地質(zhì)單元(圖1)。Ⅳ區(qū)塊面積為81.63km2,主采煤層C1煤層埋藏深度平均155m,平均煤厚20.45m,底板標高-90m。C2煤層埋藏深度平均231m,平均煤厚4.96m,底板標高平均-130m。影響露天開采的含水層主要有兩個:(1)新近系上新統(tǒng)底部砂巖承壓(煤層頂板)含水層,巖性為灰白色細砂巖及中、粗砂巖,含少量礫巖,以中粗砂巖為主。該含水層全區(qū)發(fā)育,厚度平均11.46m,底板標高-54m,水溫33.4℃。(2)古近系古新—始新統(tǒng)底部砂巖承壓(煤層底板)含水層:巖性主要為灰—灰白色中、粗砂巖,含少量細礫巖。膠結性差,易松散,成巖性較差。全區(qū)分布,發(fā)育穩(wěn)定,平均厚度30.54m,頂板標高-140m,水溫37.8～38.7℃。地下水徑流方向由北東向南西。

3 礦區(qū)用水量預測

3.1 穩(wěn)定流“大井”法 煤層頂板含水層選用“大井”法承壓轉(zhuǎn)無壓公式:QⅡ=1.366K×[(2H-M)M-h2]/(lgR0-lgr0)=42395 m3/d;煤層底板含水層選用承壓公式QⅢ=2.73KMS/(lgR0-lgr0)174091 m3/d。

3.2 非穩(wěn)定流解析法 以首采區(qū)中心為起算點,將煤層頂、底板含水層所在的水文地質(zhì)單元概化成東、西兩面為隔水邊界(q=0),南北兩側(cè)視為水平無邊界含水層。垂向上將兩個含水層概化為無越流補給的兩個獨立的含水層(圖1)。涌水量計算采用非穩(wěn)定流井群干擾理論公式。隔水邊界附近的不穩(wěn)定流通過反映法將它變?yōu)闊o界,利用勢疊加原理求解(圖2)。計算結果,擬設疏干排水期限3年,首采區(qū)周邊煤層頂、底板含水層的水位分別降深72m和161m時的疏干排水量分別為:

圖1 Ⅳ區(qū)塊所處區(qū)域位于水文地質(zhì)單元地下水徑流區(qū)

圖2 邊界條件概化及開采井反映示意圖

煤層頂板含水層設計疏干井20口,單井平均出水量約1182.5m3/d(49.3 m3/h),總排水量QⅡ=23650 m3/d;

煤層底板含水層設計疏干井39口,單井平均出水量約2848.2m3/d(116 m3/h),總排水量QⅢ=111080 m3/d。

圖3 三維有限差分模型(垂向放大100倍)

3.3 數(shù)值法 數(shù)值法將兩含水層東西兩側(cè)視為自然隔水邊界(q=0);北部與南部則視作變流量補給和排泄邊界。地下水流向由東北向東南,補給來源位于北部區(qū)外,垂向上無越流補給。建立地下水數(shù)值模型采用Visual MODFLOW軟件。

數(shù)值法同樣以3年為疏干排水期限,預測首采區(qū)及周邊煤層頂板含水層和煤層底板含水層的水位分別降至-54m和-130m時的疏干排水量,預算結果如下:

煤層頂板含水層共設疏干井22口,總排水量26800m3/d,含水層類型設置為承壓轉(zhuǎn)無壓,模型運行3年,各疏干井水位降深基本達到極限。

表1 涌水量計算參數(shù)表

煤層底板含水層:煤層底板含水層共設疏干井42口,總排水量118980m3/d,含水層類型設置為承壓,模型運行3年,首采區(qū)水位最深降至標高-130m。

4 涌水量計算成果分析

穩(wěn)定流“大井”法計算結果較非穩(wěn)定流方法及數(shù)值法偏大近40%,原因在于“大井”法的假設條件為含水層為均質(zhì)、各項同性、隔水底板水平的圓柱形含水層,“影響半徑R”以外是“定水頭”邊界,中心一口完整抽水井,且滲流服從線性定律。這與礦區(qū)的實際水文地質(zhì)條件是不符的。非穩(wěn)定流解析法計算涌水量,則受邊界條件和參數(shù)選擇的影響極大,而且根據(jù)非穩(wěn)定流理論公式所計算的涌水量全部來自無限范圍承壓含水層的彈性釋放量。數(shù)值法計算的涌水量,雖然Visual MODFLOW軟件所模擬的含水層范圍有限,但軟件同時考慮了抽取含水層中彈性存儲量和激發(fā)的側(cè)向補給增量,隨著時間的推移模型范圍內(nèi)彈性存儲量將逐漸耗盡,最終疏干排水量會以側(cè)向補給量為主,模型中地下水將趨向于穩(wěn)定流運動。

表2 涌水量預算成果表

5 結束語

礦區(qū)涌水量的預測一定要認真分析該區(qū)域的水文地質(zhì)條件,之后才能采用相應的方法及相應的公式進行計算。穩(wěn)定井流與非穩(wěn)定井流是由客觀存在的水文地質(zhì)條件所決定的,非此即彼,二者必屬其一,他們并不是可供任意選擇的兩種計算方法,更不能同時使用“加以對比”、“相互印證”。反之,任何公式也都有其相對應的水文地質(zhì)條件,離開規(guī)定的條件去應用公式,也是本末倒置。因此以本區(qū)為例,應用穩(wěn)定流“大井”法顯然是不合理的,應該采用非穩(wěn)定流方法或數(shù)值法。非穩(wěn)定流解析法較穩(wěn)定流理論更加完善,因為其中包含有時間變量和含水層自身的彈性儲存量,能夠更加真實合理描述疏干排水的過程。非穩(wěn)定流理論依據(jù)其假設條件抽取的水量來自于整個無限含水層的彈性儲存量,數(shù)值法模擬的疏干排水量則是同時考慮了有限范圍內(nèi)含水層的彈性儲存量以及抽水整個過程變化的側(cè)向補給增量,在有限的范圍和時間內(nèi)能夠很好的模擬疏干排水過程,但是該方法要求對模擬區(qū)邊界條件有較高的控制程度,并且掌握地下水開采過程中邊界條件的變化,不斷的驗證和完善模型,才能達到更為理想的效果。