利用數值法和解析法對祁南煤礦礦坑涌水量進行預測分析

胡雅琴，任紅蕾

(1.五礦礦業(安徽)工程設計有限公司，安徽 合肥 230601；2. 合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

1 井田概況

1.1 位置及構造

祁南井田地處宿州市埇橋區蘄縣鎮，勘查深度-800 m。全井田可采儲量為241 708 kt。設計生產能力：采、選煤260萬 t/a，礦井服務期66 a，面積大約54.58 km2。井田走向北部寬大約3 km，東部寬大約4.53 km，中部寬大約8.5 km，長大概10.5 km。按照地貌單元劃分，研究區屬華北大平原，隸屬于淮北煤田構造。

1.2 含煤性

研究區含煤地層為石炭、二疊系。二疊系含煤地層的厚度千余米，含1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11等11個煤層(組)，含煤30余層。可采煤層有23、32、61、62、63、71、72、8、9、10等10層。23、61、62、63、8、9等6層為不穩定煤層，32、71、72、10等4層為較穩定煤層。較穩定煤層平均厚8.65 m，含煤系數約為2.3%。

2 井田水文地質條件分析

根據區域的水文地質條件，研究區主要水文地質特征見表1。

表1 研究區含水層(組、段)主要水文地質特征表

礦井充水條件如下：

(1)新生界含水層在研究區廣泛發育，大部分地段的富水性較差，僅礦井西北部礫巖分布區，對于煤田的淺部煤組而言，四含是開采過程中最主要的礦井涌水來源。

(2)各主采煤層頂底板砂巖裂隙含水層是礦井充水的直接充水含水層。根據煤田實際開采情況，這些水源在與其它富水性強的含水層之間不存在明顯的水力聯系的情況下，涌水量應該不會太大，容易造成疏干現象。

3 礦坑涌水量預測

3.1 數值法

數值法在解決地下水流問題中，是最常用到模擬方法[1]，在地下水數值模擬軟件中，Moldflow是最為常用的軟件之一[2]，該軟件模擬度可靠、運用方便，常常用于預測煤礦礦坑涌水量的研究中[3-4]。下文將通過Moldflow軟件模擬研究區域的地下水流情況，并演算出礦坑涌水量隨時間的變動過程。

3.1.1 水文地質模型

考慮到研究區鉆孔資料相對較為豐富，根據區域水文地質條件，模型主要關注部分主要為第8-14層，含煤地層。模型邊界位于以構造裂隙為主的裂隙網絡之中，地下水補給微弱，層間經徑流緩慢，基本上處于停滯狀態，可概化為零流量邊界。本次計算和預測的范圍為祁南煤礦礦區。

因模擬區域的含水層廣泛發育，天然水力坡度非常小，因而模擬區域的地下水滲流場較為平緩，滲流基本符合達西定律，礦床開采條件下，水流各要素隨時間變化，為非穩定流，將模擬區概化為非均質各向同性的三維非穩定流系統。根據模擬區內流場特征以及對水文地質結構的分析，將模擬區側向邊界類型確定為零流量邊界，垂向上接受大氣降水的入滲補給及水面蒸發等。

3.1.2 數學模型

基于上述水文地質模型，建立對應的數學模型[5-6]：

(1)

式中：K為含水層滲透系數(m/d)；H為地下水水位(m)；S為自由水面以下含水層的單位儲水系數(1/m)；h為潛水流厚度(m)；M為承壓含水層厚度(m)；W為單位體積內的水流流量(m3)；μs為彈性釋水系數；H0為地下水初始水位(m)；H1為計算期內位于邊界處的地下水水位(m)；t為時間(d)；D為模擬區范圍；Γ1為第一類邊界，Γ2為第二類邊界。

3.1.3 數值模型

研究區垂向上概化為17層，在模擬計算中重點關注二疊系煤系地層以及直接覆蓋在二疊系煤系地層之上四含地層。

(1)時間離散

模擬期的計算時段為2015年1月至2025年1月。利用變步長的原理，前三年取步長為30天；其余年份計算步長為365 d。

(2)空間離散

在水平方向上，模型計算區面積約為86 km2，剖分網格如圖1所示；根據水文地質概念模型，垂向離散時，共分為17層，見圖2。

圖1 水平方向網格剖分圖

圖2 垂直方向網格剖分圖

3.1.4 模型識別與參數賦值

基于以上數值模型，根據區域內抽水層位的抽水試驗監測數據，對所建立的數學模型進行識別，使數值模型符合實際的水文地質條件。運行模型成功后，不斷對比分析地下水位的監測數據和觀測井位置處的模擬值，不斷改變模型的水文地質參數，使得地下水位的模擬值與觀測值能夠很好的擬合，滿足相對的精度要求。并最獲得了比較理想的模型識別結果，見圖3。由圖可知，地下水位的模擬結果差異很小，這表明上述建立的數值模擬模型基本可信，可以用來模擬祁南煤礦的地下水流變化特征，模型識別結果如表2所示。

圖3 觀測孔2002-觀1水位擬合過程線

表2 模型識別結果

3.1.5 涌水量預測

通過已識別的數值模擬模型，計算得到的祁南煤礦礦坑涌水量隨時間的變化過程如圖4所示。即前期祁南煤礦的礦坑涌水量約為700 m3/h，隨著礦床開采進程的進一步推進，涌水量和其遞減速度逐漸變小，并達到平衡，平衡后的涌水量約為320 m3/h。

圖4 祁南煤礦礦坑涌水量時變曲線

3.2 解析法

根據上述水文地質條件可知，祁南煤礦各主采煤層頂底板的砂巖裂隙水會直接形成礦坑涌水，據此計算涌水量。計算公式如下[5]：

(2)

R0=R+r0

式中：Q為井筒涌水量，m3/h；K為滲透系數，m/d；S為水位降深，m；M為水層厚度，m；R為影響半徑，m；r0為引用半徑，m；R0為引用影響半徑，m。

3.2.1 主采煤層頂底板砂巖裂隙水進入礦坑的涌水量計算

各主采煤層頂底板富水性不強，且具不均一性，計算時將底板砂巖和各主采煤層頂概化為一復合含水層，含水層的厚度M=66m，主采煤層面積約3.7×107 m2，可采面積約F=2.5×107 m2。根據祁南礦15-169等孔水位監測數據，估算主采煤層最大水位降深為S=496 m，根據祁南礦15-169等孔對K3砂巖抽水試驗，可得滲透系數約為K=0.003 m/d。利用上述參數得到的涌水量計算結果如表3所示。

表3 主采煤層的涌水量

3.2.2 新生界涌水量預測

本礦四含孔隙水是新生界松散層孔隙水涌入礦井的主要來源，當其水位降到第四含水層的頂板時，含水層已由承壓水轉為承壓～無壓水流狀態，因此，本次計算利用承壓轉無壓進水溝渠公式：

(3)

主采煤層帶頭帶長度：結合實際情況，煤層的露頭帶長度設為B=2 000 m。滲透系數采用四含抽水K值的平均值，約為K=0.02 m/d，四含厚度約M=17 m。四含降深多觀測孔平均水位標高約為-17 m，地面標高約為23 m，底板平均埋深324 m，平均厚度約為17 m，則水位降深值約為S=267 m。選用上述參數，根據式(3)進行計算，計算成果見表4。

表4 四含水涌水量計算結果

本礦由主采煤層頂底板砂巖裂隙水進入礦坑的涌水量和新生界四含孔隙水涌水量綜合后，礦井正常總涌水量約為300 m3/h。

3.3 預測結果對比分析

礦井正常涌水量的實際觀測值為333 m3/h，通過數值法計算的祁南煤礦的礦坑涌水量為320 m3/h，解析法計算的祁南煤礦的涌水量為300 m3/h。上述兩種預測方式得到的結果具有一定的偏差，但是差距很小。

4 結語

本研究區，區域邊界的形狀很不規則，在運用解析法公式時，很難對更加全面地反映該區域實際情況，解析法在運用時降低了其計算精度。太原組灰巖巖溶含水層及煤層厚度的變化都比較明顯，數值法可較好地解決該問題，但解析法公式將含水層的厚度進行均勻化處理等，這大大降低了解析法預測涌水量的精度。另一方面，運用解析法時，無形當中將模擬區域內的含水層條件設置為均質各向同性，這同樣使得解析解法預測結果的精度有所降低。因此，總體認為數值法的預測結果同實測值比較接近，是比較可信的；另外，解析法可以成為數值法計算礦坑涌水量的一種補充校驗方法，兩種方法的相互補充使得有效預測礦坑涌水量的準確性得到了提高。