基于礦井生產(chǎn)進(jìn)度疏干條件下三維地下水?dāng)?shù)值模擬＊

陳時(shí)磊 武 強(qiáng) 趙穎旺 李學(xué)淵 邊 凱 翟立娟

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北省邯鄲市，056004）

我國(guó)是世界上礦井水害事故頻發(fā)的國(guó)家之一，突水事故嚴(yán)重威脅到礦山的安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。礦井涌水量不但確定礦井充水程度，而且是設(shè)計(jì)礦井排水能力和礦井防治水工作的重要依據(jù)。礦井涌水量預(yù)測(cè)不但要考慮到水文地質(zhì)問(wèn)題，而且必須與實(shí)際礦井生產(chǎn)過(guò)程結(jié)合起來(lái)。這樣一方面可以減少對(duì)礦區(qū)地下水資源的破壞和浪費(fèi)，有效保證礦山的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，另一方面又可以有效保證礦井安全生產(chǎn)。

目前礦井涌水量預(yù)測(cè)常用方法有大井法、數(shù)值法、水文地質(zhì)比擬法和統(tǒng)計(jì)方法等。大井法主要采用裘布依井流公式，該公式主要適用于等厚、均質(zhì)和較簡(jiǎn)單水文地質(zhì)條件的地區(qū)，對(duì)于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)就不適合了；水文地質(zhì)比擬法僅適用于水文地質(zhì)條件相似，開(kāi)采條件基本相同的地區(qū)，因此，在實(shí)際中應(yīng)用范圍較小。雖然，GIS技術(shù)、突水水源判別技術(shù)的拓展、支持向量機(jī)等先進(jìn)方法手段也逐漸引入到礦井涌水量預(yù)測(cè)，但受自身?xiàng)l件限制有待進(jìn)一步發(fā)展。而數(shù)值模擬法的最大優(yōu)點(diǎn)在于不但能夠進(jìn)行非均質(zhì)、非等厚等復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下礦井涌水量的計(jì)算，而且可以做到將復(fù)雜水文地質(zhì)條件和礦井生產(chǎn)進(jìn)度結(jié)合起來(lái)進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測(cè)。

將礦井生產(chǎn)過(guò)程和礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)過(guò)程有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以首采區(qū)回采工作面月掘進(jìn)進(jìn)度為單位，在概化出研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上，采用目前較為先進(jìn)和成熟的三維地下水?dāng)?shù)值模擬軟件—Visual Modflow 對(duì)榆林大海則煤礦首采區(qū)工作面進(jìn)行了涌水量預(yù)測(cè)，取得了較好的效果。

1 研究區(qū)概況

大海則井田位于榆林市西北約30km，東經(jīng)109°00′54″～109°16′57″，北緯38°22′01″～38°30′01″。南 北 寬 約14.7 km，東 西 長(zhǎng) 約12.5 ～23.3km，面積為280.03km2。研究區(qū)地處毛烏素沙漠南緣，區(qū)內(nèi)以沙漠灘地及半固定沙丘地貌為主。區(qū)內(nèi)地勢(shì)整體為北高南低，地形起伏變化不大，海拔1210～1327 m。區(qū)內(nèi)自下而上分布的地層有侏羅系下統(tǒng)富縣組 （J1f）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、侏羅系中統(tǒng)直羅組 （J2z）、侏羅系中統(tǒng)安定組 （J2a）、白堊系下統(tǒng)洛河組 （K1l）、新近系上新統(tǒng) （N2）、第四系更新統(tǒng)薩拉烏蘇組 （Q3s）和全新統(tǒng) （Q4）。其中侏羅系中統(tǒng)延安組的2＃和3＃煤層是主要可采煤層。該礦是中煤集團(tuán)重點(diǎn)建設(shè)的陜蒙億噸級(jí)煤炭基地的主力礦井之一。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30.0 Mt／a，全礦井服務(wù)年限78a。

研究區(qū)內(nèi)分布的主要含水層有第四系松散巖類孔隙含水巖組、白堊系碎屑巖孔隙裂隙含水巖組和侏羅系碎屑巖裂隙含水巖組。其中侏羅系碎屑巖裂隙水是大海則礦井的直接充水水源，大氣降水入滲、地表徑流入滲、白堊系孔隙裂隙水和第四系孔隙水是其間接充水水源。

2 水文地質(zhì)概念模型

模型計(jì)算范圍包含整個(gè)大海則礦區(qū)，西以陜蒙省界為界、東以勘探區(qū)東部邊界為界。研究區(qū)范圍如圖1所示。本次模擬將研究區(qū)作為一個(gè)統(tǒng)一的地下含水系統(tǒng)，為建立研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型，首先要對(duì)研究區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，建立礦區(qū)多層地下水三維水流模型。根據(jù)地層和巖性等資料，將區(qū)內(nèi)地下含水系統(tǒng)在垂向上自上而下劃分為6層：第四系潛水含水層、白堊系潛水及承壓水含水層、侏羅系中統(tǒng)安定組承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組至2＃煤層頂部承壓含水層、2＃煤層相對(duì)隔水層、2?！?＃煤層間承壓含水層。侏羅系中統(tǒng)直羅組至2＃煤層頂板承壓含水層是本次模擬的主要目的層。將整個(gè)地下水流態(tài)視為三維非穩(wěn)定流，各層介質(zhì)均概化為非均質(zhì)各向異性，模型各層之間均有水力聯(lián)系。平面上，將模型四周均按通用水頭邊界處理；垂向上，模型頂部接受大氣降水補(bǔ)給，為補(bǔ)給邊界，底部以3＃煤層為底界，概化為隔水邊界。

圖1 研究區(qū)示意圖

3 地下水水流數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型

地下水水流數(shù)學(xué)模型是主要根據(jù)質(zhì)量守恒和達(dá)西定律建立起來(lái)的連續(xù)性的地下水流微分方程。該數(shù)學(xué)模型主要由地下水滲流方程、初始條件和相應(yīng)的邊界條件構(gòu)成。

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，建立下列與之相適應(yīng)的三維滲流數(shù)學(xué)模型：

式中：Kx、Ky、Kz——分別代表x、y、z方向的滲透系數(shù)，m／d；

h——水頭，m；

S——自由面下的含水體儲(chǔ)水系數(shù)，1／m；

μ——重力給水度；

p——大氣水入滲補(bǔ)給量，m／d；

ε——模擬區(qū)的源匯項(xiàng)，1／d。

3.2 時(shí)空離散及初始條件

采用加拿大Waterloo公司開(kāi)發(fā)的三維可視化地下水?dāng)?shù)值模擬包Visual Modflow 對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)模擬要求，采用矩形有限差分的離散方法對(duì)含水介質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)剖分，網(wǎng)格單元格為338×207×6 （行×列×層），共計(jì)419796個(gè)單元格。其中有效單元為293850個(gè)，無(wú)效單元125946個(gè)。將一個(gè)完整抽水試驗(yàn)段劃分為3個(gè)應(yīng)力期，共36個(gè)時(shí)段。每個(gè)時(shí)段劃分為若干個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)選取

（1）降雨入滲系數(shù)和蒸發(fā)系數(shù)分區(qū)及取值。根據(jù)礦區(qū)實(shí)際氣候資料、地形地貌特征、潛水地下水水位等資料在平面上對(duì)降雨入滲條件和地表蒸發(fā)條件進(jìn)行分區(qū)并賦初值。同一分區(qū)入滲及蒸發(fā)強(qiáng)度相同。

（2）含水層參數(shù)分區(qū)及取值。根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)確定的實(shí)際水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合前人資料，對(duì)邊界上水力傳導(dǎo)系數(shù)和含水層參數(shù)進(jìn)行分區(qū)并賦初值。

3.4 模型識(shí)別與驗(yàn)證

采用2013年9月實(shí)測(cè)的各層地下水水位，經(jīng)內(nèi)插和外推法獲得模型各含水層的初始水位。通用水頭邊界上的各層水頭值由實(shí)測(cè)值經(jīng)插值獲得。

根據(jù)2013年9月份鉆孔ZL-1～ZL-8的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在上述模型的基礎(chǔ)上反復(fù)調(diào)整相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)及源匯項(xiàng)，通過(guò)地下水位計(jì)算值與觀測(cè)值的擬合比較對(duì)模型反演計(jì)算求得模型各層參數(shù)分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)。直羅組至2＃煤層頂板含水層參數(shù)分區(qū)特征和水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖2和表1。從圖2和表1可以看出，直羅組至2＃煤層頂板含水層滲透系數(shù)和儲(chǔ)水率被劃分成16個(gè)分區(qū)，滲透系數(shù)和儲(chǔ)水率總體均較小，從北往南成條帶狀分布，表現(xiàn)出明顯的空間變異性，水平滲透系數(shù)變化范圍為0.0153～0.0815 m／d，儲(chǔ)水率最大為0.0000635m-1，最小0.000000761m-1。

圖2 直羅組至2＃煤層頂板含水層參數(shù)分區(qū)圖

表1 直羅組至2＃煤層頂板含水層參數(shù)識(shí)別結(jié)果

選取鉆孔ZL-6和ZL-7的水位觀測(cè)值和計(jì)算值的擬合曲線見(jiàn)圖3和圖4。所選孔的曲線擬合情況均比較理想，大部分水位觀測(cè)點(diǎn)計(jì)算動(dòng)態(tài)曲線與實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)曲線基本吻合。模型優(yōu)選的水文地質(zhì)參數(shù)和源匯項(xiàng)是比較合理的，能較好地反映實(shí)際地下水空間分布特征和地下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為下一步準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦井涌水量提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖3 ZL-6孔、ZL-7孔地下水水位歷時(shí)擬合曲線圖

4 礦井涌水量預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

4.1 預(yù)測(cè)方案

大海則煤礦首采區(qū)主要分成206 試驗(yàn)面、20601工 作 面、2 0 8 0 1工 作 面 和2 0 1 0 1 4工 作 面（見(jiàn)圖1）。根據(jù)礦井未來(lái)生產(chǎn)進(jìn)度和工作面的總長(zhǎng)度，將4個(gè)工作面回采按月為單位依次劃分為若干個(gè)工作進(jìn)度期。其中206試驗(yàn)面分12個(gè)工作進(jìn)度期，20601工作面分工作19個(gè)進(jìn)度期，20801工作面分19個(gè)工作進(jìn)度期，20101工作面分17工作進(jìn)度期，如表2所示。

表2 首采區(qū)各回采工作面生產(chǎn)進(jìn)度

利用上述校正、識(shí)別后的數(shù)值模型，針對(duì)首采區(qū)4個(gè)工作面，分別在豐水期和平水期兩種情況下，提前一個(gè)月開(kāi)始按預(yù)測(cè)涌水量進(jìn)行疏排，以便在工作面回采之前將水位降至煤層底板，將地下水位控制在2＃煤層底板以下，依次按工作面回采進(jìn)度，預(yù)測(cè)地下水位疏干至2＃煤層底板的涌水量。

4.2 涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)1985-2012年多年氣象資料，取7月份和8月份月平均降水量81.85mm 作為未來(lái)豐水期的月大氣降雨量。選取多年月平均降水量27.17mm 作為未來(lái)平水期的月大氣降雨量。分別經(jīng)模型運(yùn)算，得到在豐水期和平水期兩種情況下地下水位疏干至2＃煤層底板各進(jìn)度期工作面的礦井涌水量，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 豐水期、平水期回采工作面各進(jìn)度期涌水量

4.3 礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果可知，盡管豐水期和平水期降水量差別較大，但由于本區(qū)煤層埋深較大，2＃煤層以上弱含 （隔）水層較多，涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果差別并不明顯。隨著工作面的向前持續(xù)推進(jìn)，各進(jìn)度期涌水量雖然有減小的趨勢(shì)，但涌水量依然較大，礦區(qū)疏干降水工作仍面臨較大壓力。

5 結(jié)論

（1）采用地下水三維滲流數(shù)值模型可以很好的克服大井法和比擬法的缺點(diǎn)，最大程度地模擬復(fù)雜三維水流地質(zhì)體結(jié)構(gòu)及整個(gè)礦井疏降水工程的過(guò)程，提高了礦井涌水量預(yù)測(cè)精度，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

（2）從豐水期和平水期涌水量可以得出，降雨量對(duì)礦區(qū)涌水量大小影響并不明顯，礦井水防治工作的重點(diǎn)應(yīng)放在直羅組至2煤頂部直接充水含水層上面。

（3）基于大海則礦區(qū)礦井工況特征及生產(chǎn)作業(yè)方式，在分別考慮豐水期和枯水期兩種情況下，結(jié)合首采區(qū)工作面回采進(jìn)度預(yù)測(cè)的礦區(qū)地下水位疏降至2＃煤層底板時(shí)回采工作面涌水量，在生產(chǎn)中既保證了礦井的安全，又能對(duì)礦區(qū)地下水資源進(jìn)行充分保護(hù)，因而能取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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