峰峰五礦東翼采區(qū)放水試驗數(shù)值模擬和涌水量預(yù)測

楊輝鴻　王世文　龐豫虎　史凍生

【摘 要】本文利用峰峰五礦東翼采區(qū)的放水試驗資料進行了礦區(qū)地下水數(shù)值模擬和礦井涌水量預(yù)測。首先，根據(jù)水文地質(zhì)條件，建立了礦區(qū)地下水滲流的數(shù)學模型。然后，運用放水試驗資料對模型進行檢驗，模型檢驗中各觀測孔的實測水位與模擬水位擬合較好。最后，利用所建模型進行礦坑涌水量預(yù)測，結(jié)果表明，對大青灰?guī)r含水層采取疏水降壓措施來安全開采-100m水平以下山青煤是可行的。

【關(guān)鍵詞】峰峰煤田；底板突水；數(shù)值模擬；礦坑涌水量；突水系數(shù)

峰峰煤田位于河北省南部，煤田以東為華北平原，以西為太行山地，煤田中部的鼓山將整個煤田分為東西兩部分。研究區(qū)峰峰煤田五礦位于鼓山東麓的中部，地貌形態(tài)屬于丘陵區(qū)。

井田內(nèi)沒有自然河流和較大的地表水體。據(jù)峰峰氣象站資料，多年平均降水量為566mm，降水主要集中在7～9月。

1.井田水文地質(zhì)特征

根據(jù)井田地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)特征，將井田劃分為三個水文地質(zhì)分區(qū)，分別為東翼區(qū)、西北區(qū)和中央?yún)^(qū)[1]。本文研究區(qū)為東翼區(qū)。

目前，對礦山開采有威脅的含水層主要是大青灰?guī)r含水層（石炭系薄層灰?guī)r）和奧陶系灰?guī)r含水層[2]。

2.放水試驗數(shù)值模擬

2.1 東翼區(qū)大青灰?guī)r放水試驗簡介

放水時間為1996.4.15-1996.4.23，放水層位為大青灰?guī)r含水層，放水量為1.2-1.6m3/min。放水孔兩個：FD34孔、FD22孔。大青灰?guī)r觀測孔6個：FD16、FD21、FD23、FD20、FD32、FD33孔。奧灰觀2.2東翼區(qū)水文地質(zhì)條件概化

2.2.1 邊界

東翼區(qū)位于五礦井田的東部，東至F12斷層，西至F11斷層，這兩條斷層在井田南北邊界相交，使該區(qū)在平面上為一棗核狀，面積1.2km2。

2.2.2 含水層

東翼區(qū)大青灰?guī)r單孔出水量一般為0.1-0.3m3/min，最大為2.8m3/min（FD34）。東翼區(qū)斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，受構(gòu)造影響，下伏隔水層的隔水性能變?nèi)?，而下部又有高壓奧灰承壓水的頂托，因此具有形成奧灰水向上越流補給大青水的條件。大青含水層的補給來源為奧灰水。放水試驗后，在FO8孔投放熒光黃3kg，F(xiàn)D34、FD16孔先后收到，也證明了這一點。因此，東翼區(qū)大青灰?guī)r含水層可概化為非均質(zhì)二維承壓水越流系統(tǒng)模型。

2.3 數(shù)學模型

大青灰?guī)r含水層水文地質(zhì)模型可用下列數(shù)學模型描述：

根據(jù)水量均衡原理和達西定律可建立三角網(wǎng)格剖分的差分方程[3～6]。方程如下：

系數(shù)矩陣A是一個具有對角線優(yōu)勢的高度稀疏的對稱正定矩陣[7～8]，對于大型稀疏矩陣利用迭代法求解是合適的[9]。本文采用逐次超松弛迭代方法（SOR）求解。

2.4 模型識別與調(diào)試

東翼區(qū)剖分結(jié)果：三角形單元數(shù)142個（編號2，3，……，143），結(jié)點數(shù)87個（編號2，3，……，88），其中邊界結(jié)點數(shù)30個（為二類邊界結(jié)點）（見圖1）。抽水井結(jié)點2個，選擇擬合的大青灰?guī)r含水層觀測孔4個。

用東翼區(qū)大青灰?guī)r放水試驗資料對模型進行識別，模擬時間為11500分鐘（1996.4.15—1996.4.23），共43個時段（n t=43）。時間步長Dt=10-500分鐘，為變步長，放水初期水位降深快，使用小步長Dt=10分鐘，以后逐漸增大步長，水位相對穩(wěn)定后使用大步長Dt=500分鐘。初始水位為放水前的實測水位（見表1）。參數(shù)初值的確定，根據(jù)放水試驗資料和水位恢復資料用地下水動力學求參公式計算給出，分別利用水位降深曲線和水位恢復曲線計算給出參數(shù)初值。

通過不斷地調(diào)整參數(shù)使模擬的水位動態(tài)曲線與實測的水位動態(tài)曲線達到了較好的擬合，模擬11500分鐘時的水位見圖2，這里選擇了4個觀測孔的擬合曲線見圖3。

經(jīng)過模型的識別，東翼區(qū)大青灰?guī)r含水層參數(shù)分為3個區(qū)（見圖4），各區(qū)參數(shù)的大小見表1。

本次數(shù)值模擬，水位經(jīng)歷了大幅度的下降與上升過程這對模型的識別是非常重要的，利用這種大的變化可以更好地檢驗所建模型。用來驗證模型的觀測孔的覆蓋面相對較大，既有南部的也有北部的，并且各觀測孔計算與實測的水位變化過程擬合較好。所以說所建模型是正確的，數(shù)值方法是可行的，達到了數(shù)值仿真的效果，可以利用所建模型進行有關(guān)水文地質(zhì)方面的預(yù)測。

3.開采-100m水平以下山青煤疏降水量預(yù)測

由于大青灰?guī)r含水層水位高，水頭壓力大，要保證-100m水平以下山青煤的安全開采，就必須對下伏大青灰?guī)r含水層實施疏水降壓。預(yù)測范圍：為-100～-170m山青煤層等高線所圈定的范圍（見圖4中粗線框圈定的范圍）。隔水層厚度的確定：由東翼區(qū)鉆孔資料，山青煤底板至大青灰?guī)r頂面間距34-50m，平均厚度為40m.。

安全水頭的計算，根據(jù)突水系數(shù)公式[10～12]：

預(yù)測時首先由突水系數(shù)公式，計算理論安全水頭壓力=2.4Mpa，然后換算出不同開采水平的安全水位。本文取c=0.06進行回采工作面安全水壓的計算。通過計算-120m水平安全水位為80m，即要保證-120m水平山青煤的安全回采，大青水位不能超過80m，否則將導致突水事故的發(fā)生，-150m水平安全水位為50m，-170m水平安全水位為30m。

下面分三個水平進行預(yù)測，①-120m水平、②-150m水平、③-170m水平。從東翼區(qū)大青灰?guī)r含水層單孔涌水量來看，一般為0.1-0.3m3/min，最大達2.8m3/min，所以預(yù)測時各結(jié)點水量一般設(shè)置為0.5-1.5m3/min，疏水降壓孔的位置布置在FD34孔附近。不同水平疏降水量預(yù)測為2-5m3/min（見表2）。

4.結(jié)論

從放水試驗到數(shù)值模擬的預(yù)測結(jié)果來看，東翼區(qū)大青灰?guī)r含水層具有水壓大、水量小、易于疏降的特點，只要措施得當，充分做好預(yù)防奧灰水突入的工作，通過對大青灰?guī)r含水層采取疏水降壓措施來安全開采-100m水平以下山青煤是可行的。

參考文獻：

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基金項目：

國家自然科學基金資助項目（40672163）；河北省自然科學基金資助項目（D2004000480）