鄒莊煤礦礦坑涌水量預(yù)測研究

張乃豐 任紅蕾

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 合肥 230031 2.安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230031 3.合肥工業(yè)大學(xué) 合肥 230009）

1 研究區(qū)概況

鄒莊煤礦行政區(qū)劃屬于安徽省淮北市濉溪縣南坪鎮(zhèn)、雙堆集鎮(zhèn)，開采深度由-200m 至-1200m，礦區(qū)面積28.18km2，地層被揭露的總厚度974.20m。研究區(qū)地處淮北煤田東南部，可供開采及局部可供開采煤層共7 層，即10、82、72、62、51、52、32煤層，其中，10 煤層為局部可供開采煤層，82、62、51、52煤層為大部分可供開采煤層，72煤層中除被巖漿巖侵蝕的范圍以外全區(qū)可供開采煤層，而32煤層全區(qū)可供開采煤層。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析

基于研究區(qū)地層巖性的含水條件，含水層自下而上可劃分為二疊系主采煤層砂巖裂隙含水層（段）及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、新生界下第三系“紅層”含水層（段）、新生界松散層含水層（組）。礦坑涌水的主要補(bǔ)給來源為主采煤層頂板砂巖裂隙水和四含孔隙水，以靜儲(chǔ)量為主，補(bǔ)給量較少。礦井充水條件如下：該含水層之間的徑流補(bǔ)給微弱，補(bǔ)給量較少。研究區(qū)在礦坑排水的長期作用下，各主采煤層的砂巖裂隙含水層地下水水位在持續(xù)下降。

3 礦坑涌水量預(yù)測

3.1 數(shù)值法

數(shù)值法計(jì)算礦坑涌水量的過程，第一步是水文地質(zhì)概念模型的建立與概化，然后進(jìn)行模型識(shí)別與驗(yàn)證，并得到相應(yīng)的模型參數(shù)，利用所得參數(shù)預(yù)測礦坑涌水量。本文將通過Moldflow 模擬鄒莊煤礦附近地下水流場的變化情況，并預(yù)測礦坑涌水量的時(shí)變過程。

3.1.2 水文地質(zhì)模型的建立與概化

利用水文地質(zhì)勘察報(bào)告中的108 個(gè)鉆孔所揭露的水文地質(zhì)條件，自上而下將地層概化為12 層。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，研究區(qū)含水層為非均質(zhì)各向異性，邊界條件概化為定水頭邊界。計(jì)算過程中，地下水流視為三維非穩(wěn)定流。

3.1.3 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)以上水文地質(zhì)概念模型，建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型：

式中：K—含水層的滲透系數(shù)，m/d；Γ1—第一類邊界；Γ2—第二類邊界；H—含水層地下水位，m；t—時(shí)間，d；μ—彈性釋水系數(shù)；W—單位體積內(nèi)水流流量，m3；M—承壓含水層的平均厚度，m；D—模擬區(qū)范圍；h—第一含水層厚度，m；H0—初始時(shí)刻含水層的水位，m；H1—模型邊界的地下水水位，m。

3.1.4 數(shù)值模型

（1）時(shí)間離散，計(jì)算期為2015 年1 月至2019年1 月。選取變步長時(shí)間離散方法，前三年計(jì)算步長為10 天，其他模擬時(shí)段計(jì)算步長為30 天。

（2）空間離散，研究區(qū)域約900km2，水平方向上分為140 列，140 行，垂直方向上共分為12 層，空間離散網(wǎng)格圖略。

3.1.5 模型識(shí)別與參數(shù)賦值

建立模型后，利用抽水試驗(yàn)成果，對(duì)所建模型進(jìn)行識(shí)別。模型運(yùn)行成功后，通過調(diào)整模型參數(shù)，使得含水層水位的計(jì)算值與觀測值的吻合程度達(dá)到計(jì)算精度的要求，結(jié)果顯示，地下水水位擬合過程較好，如圖1 所示。這表明所建立的模型基本正確，可用于模擬該區(qū)域地下水流的時(shí)變過程，最終得到的模型參數(shù)見表1 和表2。

圖1 觀測孔6-4 水位擬合過程線圖

表1 滲透系數(shù)賦值表（單位：m/d）

表2 儲(chǔ)水系數(shù)賦值表（單位：1/m）

3.1.6 涌水量預(yù)測

基于煤礦的礦床開發(fā)利用方案，通過以上數(shù)值模擬模型，礦坑涌水量時(shí)變曲線見圖2。隨著鄒莊礦井采煤接替開采時(shí)間順序，礦井水涌水量呈逐漸增加的趨勢，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，到2023 年，礦坑涌水量趨于穩(wěn)定，約為6690m3/d。

圖2 鄒莊煤礦涌水量變化過程圖

3.2 利用解析法預(yù)算礦井涌水量

基于礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析，研究區(qū)礦坑涌水的直接補(bǔ)給來源為主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水，計(jì)算公式見公式（2）；其次，四含水是研究區(qū)涌水量的間接補(bǔ)給來源，補(bǔ)給礦坑涌水主要采用承壓轉(zhuǎn)無壓雙側(cè)進(jìn)水溝渠公式，即公式（3），如下：

式中：K—滲透系數(shù)，m/d；Q—井筒涌水量，m3/h；R—影響半徑，m；r0—引用半徑，m；R0—引用影響半徑，m；S—水位降深，m；M—含水層厚度，m；B—采煤長度，m。

解析法計(jì)算礦坑涌水量的結(jié)果見表3、表4。

表3 砂巖裂隙水補(bǔ)給涌水量計(jì)算結(jié)果表

表4 含水補(bǔ)給涌水量計(jì)算結(jié)果表

本礦礦坑涌水量為上述兩項(xiàng)涌水量的總和，計(jì)算結(jié)果為673m3/h。

3.3 預(yù)測結(jié)果對(duì)比分析

利用數(shù)值法模擬得到鄒莊煤礦的涌水量為6690m3/d，即279m3/h；解析法計(jì)算得到的涌水量為673m3/h，數(shù)值法與解析法計(jì)算得到的涌水量有一定的差距。

4 結(jié)論

研究區(qū)邊界形狀復(fù)雜多變，解析法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般很難進(jìn)行精確刻畫，并且解析法計(jì)算過程取用的含水層厚度為研究范圍內(nèi)的平均值，降低了解析法的計(jì)算精度。然而太原組灰?guī)r巖溶含水層及煤層厚度變化均較大，數(shù)值法可以比較合理地概化這一實(shí)際。另一方面，根據(jù)本研究區(qū)的實(shí)際情況，礦井直接充水含水層富水性較弱，未來開拓期間不受礫巖區(qū)影響以及太灰及奧灰水的影響，在煤層開采深度不斷擴(kuò)大的趨勢下，涌水量也將會(huì)隨之變大，不可能按照解析法參照固定值進(jìn)行計(jì)算。而數(shù)值法計(jì)算涌水量的預(yù)測結(jié)果為動(dòng)態(tài)值，更能夠反映礦坑涌水量的實(shí)際變化過程，預(yù)測結(jié)果更為可靠