礦坑涌水可利用量研究

邢艷允， 陶月贊， 劉佩貴

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

我國(guó)水資源貧乏，就煤炭行業(yè)而言，全國(guó)有70%的礦區(qū)面臨缺水，其中40%嚴(yán)重缺水［1］，水資源短缺已經(jīng)成為制約礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民生活水平提高的重要瓶頸。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，區(qū)域水資源供需緊張局勢(shì)日趨嚴(yán)峻；煤礦的大范圍、大規(guī)模的開(kāi)采，形成了大量礦坑涌水，礦坑涌水如不加以利用而直接外排，不僅對(duì)地下水超采嚴(yán)重的區(qū)域地下水流系統(tǒng)形成迭加影響，而且對(duì)礦山所在地段的水環(huán)境產(chǎn)生了一定的污染，必將進(jìn)一步加劇水資源短缺的局面。因此，開(kāi)發(fā)利用礦坑排水，對(duì)于緩解水資源緊缺狀況、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、改善水資源質(zhì)量、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的戰(zhàn)略意義和顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)效益。

水資源利用不應(yīng)僅單一地考慮天然狀態(tài)下地下水的質(zhì)與量［2］，還要?jiǎng)討B(tài)地認(rèn)識(shí)礦床開(kāi)采條件下水資源的變化，以適時(shí)地調(diào)整礦區(qū)水資源綜合利用方案［3－5］。本文以安徽省某煤礦的礦坑涌水量分析為例，通過(guò)考慮水文地質(zhì)參數(shù)的不確定性對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果可靠度的影響，確定礦區(qū)的穩(wěn)定可利用量，從而實(shí)現(xiàn)礦區(qū)水資源的綜合利用。

1 研究區(qū)概況

安徽省淮北平原蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，含煤面積約1.70×104km2（占平原總面積3.74×104km2的45%），－2 000m水平以上預(yù)測(cè)煤炭資源總量878×108t，有淮南、淮北、皖北、新集4個(gè)大型煤炭企業(yè)，現(xiàn)煤炭年產(chǎn)量達(dá)1×108t，到2020年年產(chǎn)量將達(dá)到1.6×108t。本文所研究的煤礦位于淮北煤田臨渙礦區(qū)西南部，井田東西長(zhǎng)10.9～13.3km、南北寬1.3～5.3km，面積約41.60km2；礦井煤炭資源儲(chǔ)量為15 008.12×104t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力定為90×104t／a。

研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸型季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量為834.0mm；雖然區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育、地下水資源也比較豐富，但受地表水調(diào)蓄工程不足和嚴(yán)重的水污染影響，區(qū)內(nèi)水資源供需狀況緊張，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水主要依賴于地下水；地下水持續(xù)大規(guī)模開(kāi)采，2010年孔隙承壓水水位埋深大于5m的范圍達(dá)9 287km2，形成以阜陽(yáng)為中心的大面積沉降區(qū)，沉降范圍約為450km2。

2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

2.1 水文地質(zhì)概念模型

本礦主采煤層為二疊系煤層，巖性由砂巖、泥巖、粉砂巖等組成，并以泥巖、粉砂巖為主；其中泥巖、粉砂巖可視為隔水層，裂隙發(fā)育的砂巖層組成含水層，各含水層之間均為有效隔水層阻隔。地下水主要儲(chǔ)存和運(yùn)移在以構(gòu)造裂隙為主的裂隙網(wǎng)絡(luò)之中，其主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水是礦坑涌水的直接充水水源，在合理留設(shè)防水煤柱的情況下，四含孔隙水是礦井充水的間接充水水源；而煤系下伏的裂隙巖溶水則是礦井突水的重要隱患。在水資源綜合利用研究中，關(guān)注的主要是相對(duì)穩(wěn)定的、可持續(xù)利用的礦坑涌水量。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，結(jié)合礦坑涌水的充水條件，將地層概化為9層含、隔水層（組）；自上而下，各層主要特征如下所述。

第1層為新生界松散層第1含水層（組）：底板埋深27.00～36.00m，平均31.00m，分布穩(wěn)定，上部為潛水，下部為弱承壓水，水力聯(lián)系密切。巖性以粉砂、粉土為主，夾1～4層黏土或粉質(zhì)黏土。

第2層為第1隔水層（組）：底板埋深49.00～64.20m，平均54.70m，該層（組）分布較穩(wěn)定，隔水性能較好。巖性以黏土、砂質(zhì)黏土為主。

第3層為第2含水層（組）：底板埋深78.60～106.20m，平均87.20m，富水性相對(duì)強(qiáng)弱不一。巖性以細(xì)砂、粉砂為主，砂層分布不穩(wěn)定、厚度變化大且薄。

第4層為第2隔水層（組）：底板埋深95.80～130.00m，平均108.20m。該層（組）分布穩(wěn)定，隔水性能一般較好。巖性以黏土、砂質(zhì)黏土為主。

第5層為第3含水層（組）：底板埋深153.40～197.95m，平均181.70m。含水層（組）分為上、下2部分，上段砂層單層厚度大，富水性較強(qiáng)。下段砂層不太發(fā)育，單層厚度較小，富水性較弱。巖性以細(xì)砂、中砂及少量粗砂為主。

第6層為第3隔水層（組）：底板埋深219.00～289.30m，平均248.50m。該組厚度大、分布穩(wěn)定，隔水性能良好。巖性上部以粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土為主，中部以鈣質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土為主。

第7層為第4含水層（組）：該含水層（組）直接覆蓋在煤系地層之上，底板埋深234.05～309.40m，平均262.10m，含 水 層 厚 0 ～19.90m，平均厚7.50m，一般富水性較弱。巖性以礫石、砂礫、黏土礫石為主。

第8層為3煤上隔水層（段）：底板埋深285.50～796.30m，隔水層總厚為 19.00～380.48m，平均146.90m，隔水性能好。巖性以泥巖、粉砂巖為主。

第9層為3～4煤間砂巖裂隙含水層（段）：底板埋深318.55～892.15m，平均512.60m。該含水層段除在局部地段富水性較強(qiáng)外，總體上富水性弱至中等。巖性主要由灰白色中粗砂巖組成，厚度變化較大，砂巖裂隙發(fā)育不均勻。

2.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)概化的水文地質(zhì)概念模型，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型（1）式。其中，K為含水層滲透系數(shù)；H為地下水水位；M為承壓含水層厚度；W 為單位體積流量，代表流進(jìn)源或流出匯的水量；μs為含水層的儲(chǔ)水率；H0為地下水初始水位；H1為模擬期邊界處的地下水水位；t為時(shí)間；D為模擬區(qū)范圍；τ為任意時(shí)刻；Γ1為第1類(lèi)邊界；Γ2為第2類(lèi)邊界。

2.3 數(shù)值模型

模擬區(qū)取井田邊界平均向外延伸2.5km的范圍，面積約為160km2。

在礦床擬開(kāi)采深度范圍內(nèi)，井田四周的基巖都是下第三系及其以老的泥、砂巖為主地層，也即井田四周的基巖可概化為隔水邊界；基巖之上所覆蓋的新生界第4含水層孔隙承壓水不僅是礦坑涌水的間接充水水源，而且還將是未來(lái)的主要補(bǔ)給水源，將其計(jì)算邊界概化為已知水頭邊界。

（1）時(shí)間離散。根據(jù)現(xiàn)有資料，以2008年10月為模擬期的初始時(shí)間，模擬時(shí)段為2008年10月至2011年9月。采用變步長(zhǎng)方法計(jì)算，由于模擬期正好是礦區(qū)開(kāi)采初期階段，水頭變化較為劇烈，取步長(zhǎng)為30d；模擬預(yù)測(cè)期為20a，預(yù)測(cè)期內(nèi)計(jì)算步長(zhǎng)為365d。

（2）空間離散?？臻g離散在平面上剖分為100行、100列，剖分結(jié)果如圖1所示。根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，在垂向上共分為9層。

圖1 模擬區(qū)平面剖分示意圖

2.4 模型識(shí)別

（1）水位模擬。建立水文地質(zhì)概念模型及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型后，利用模擬期內(nèi)的地下水位觀測(cè)資料，采用試錯(cuò)法進(jìn)行模型識(shí)別［6－7］，水位識(shí)別結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，計(jì)算水位和觀測(cè)水位擬合較好（平均誤差＜10%），滿足精度要求，可以用識(shí)別后的模型預(yù)測(cè)地下水水位變化過(guò)程。

圖2 觀測(cè)孔水位計(jì)算值與觀測(cè)值對(duì)比曲線

（2）參數(shù)識(shí)別。模擬區(qū)第4承壓含水層彈性釋水系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)對(duì)地下水流場(chǎng)的形態(tài)具有較大影響，將其作為重要的率定參數(shù)，通過(guò)模型識(shí)別得到的參數(shù)分區(qū)剖面圖如圖3所示，參數(shù)賦值見(jiàn)表1所列。

圖3 參數(shù)分區(qū)剖面圖

表1 參數(shù)賦值

2.5 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

利用識(shí)別后的模型對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到礦坑涌水量隨開(kāi)采時(shí)間的變化過(guò)程線如圖4所示。由圖4可知，礦坑涌水量隨煤礦開(kāi)采時(shí)間逐漸衰減，且衰減幅度變??；涌水量在初始階段最大達(dá)7 100m3／d左右，1a后衰減至5 106m3／d左右，并漸趨穩(wěn)定。

圖4 礦坑涌水量過(guò)程預(yù)測(cè)

3 礦坑涌水量不確定性分析

3.1 基本原理

礦坑涌水量預(yù)測(cè)過(guò)程中，滲透系數(shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)［8－12］，其取值將直接影響到模擬的礦坑涌水量大小及其準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)滲透系數(shù)的空間隨機(jī)分布作了大量的研究工作。正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布是常用的2種滲透系數(shù)空間隨機(jī)分布類(lèi)型［13－15］。參考研究區(qū)水文地質(zhì)條件，本研究以正態(tài)分布類(lèi)型的理論依據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行闡述。

設(shè)隨機(jī)數(shù)u1、u2是2個(gè)服從（0，1）均勻分布的隨機(jī)數(shù)，則可用下列變換得到標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布［16－18］N（0，1）的2個(gè)隨機(jī)數(shù)x1、x2：

產(chǎn)生均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為μ、σ的正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)Y的計(jì)算公式為：

3.2 不確定性分析與可利用量確定

首先產(chǎn)生10 000個(gè)（0，1）上的隨機(jī)數(shù)，通過(guò)（2）式變換得到服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N（0，1）的2個(gè)隨機(jī)數(shù)，然后再轉(zhuǎn)化為均值μ＝0.004，標(biāo)準(zhǔn)差σ＝0.002的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)。將這10 000個(gè)隨機(jī)數(shù)由大到小排列，可得到不同保證率下滲透系數(shù)，見(jiàn)表2所列。

根據(jù)數(shù)值模型得到的不同保證率下的滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)的礦坑涌水量見(jiàn)表2所列。分析其變化過(guò)程可知，隨著滲透系數(shù)的變化，礦坑涌水量也發(fā)生相應(yīng)的變化。保證率為90%時(shí)，礦坑涌水所能提供的水量?jī)H為3 924.0m3／d，20a后逐漸遞減到2 672.2m3／d；當(dāng)保證率為10%時(shí)，礦坑涌水量為13 008.0m3／d。

表2 不同滲透系數(shù)及其所對(duì)應(yīng)的礦坑涌水量 m3／d

4 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)水資源的供排結(jié)合，緩解礦區(qū)水資源短缺及排水等問(wèn)題，本文通過(guò)建立研究區(qū)的數(shù)值模擬模型，研究了礦坑涌水量的可利用水量，并對(duì)礦坑涌水量的不確定性進(jìn)行了初步探討，得到不同保證率下的礦坑涌水量及其變化趨勢(shì)。當(dāng)保證率為90%時(shí)，預(yù)測(cè)初期可利用的水量為3 924m3／d，20a后逐漸遞減為2 672m3／d。

受礦床賦存條件的復(fù)雜性、勘探程度及認(rèn)識(shí)水平等的影響，礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果帶有不確定性，為提高礦坑涌水量預(yù)測(cè)的精度，確定合理的可利用水量，迫切需要開(kāi)展礦區(qū)涌水量的不確定性分析方面的研究，而本文僅在假設(shè)滲透系數(shù)服從正態(tài)分布條件下開(kāi)展了初步的探討，未考慮其他參數(shù)的影響，這也將是下一步繼續(xù)研究的內(nèi)容。

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