煤礦突水危險(xiǎn)區(qū)疏干涌水及其對(duì)地下水流場(chǎng)的影響分析

康　寧，羅奇斌，陳　碩，李貴娟，呂廣羅

(1.北京求思智云計(jì)算科技有限公司，北京 100085；2.西北大學(xué)，陜西 西安 710069；3.陜西省煤田地質(zhì)局186隊(duì)，陜西 西安 710075)

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煤礦突水危險(xiǎn)區(qū)疏干涌水及其對(duì)地下水流場(chǎng)的影響分析

康寧1，羅奇斌2，陳碩1，李貴娟3，呂廣羅3

(1.北京求思智云計(jì)算科技有限公司，北京 100085；2.西北大學(xué)，陜西 西安 710069；3.陜西省煤田地質(zhì)局186隊(duì)，陜西 西安 710075)

以鄂爾多斯盆地西南部某井田為研究對(duì)象，在煤礦突水危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建煤層開(kāi)采冒裂帶波及上覆強(qiáng)含水層的礦井涌突水預(yù)測(cè)的地下水三維流數(shù)值模擬模型。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，煤層開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂隙帶是否導(dǎo)通強(qiáng)含水層以及導(dǎo)水裂隙帶的滲透性能強(qiáng)弱，對(duì)礦井涌突水量以及地下水滲流場(chǎng)影響的差異較大；當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶滲透系數(shù)小于0.001 m/d，基本為原地層的正常滲透水量；當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶的滲透系數(shù)大于0.01 m/d，反映原地層遭受較大破壞，礦坑初期涌水為突水量，后期涌水接近穩(wěn)定涌水量，涌突水對(duì)強(qiáng)含水層地下水降深以及流場(chǎng)都影響很大。

煤礦；突水危險(xiǎn)區(qū)；疏干涌水；數(shù)值模擬；地下水流場(chǎng)

我國(guó)是世界上煤炭資源及原煤產(chǎn)量最大的國(guó)家之一，也是煤礦災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家。在我國(guó)煤礦重特大事故中，礦井突水事故在死亡人數(shù)上和發(fā)生次數(shù)上，僅次于瓦斯事故，但造成的經(jīng)濟(jì)損失一直居各類(lèi)煤礦災(zāi)害之首。煤礦突水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000～2013 年，全國(guó)煤礦共發(fā)生突水災(zāi)害 1 131 起，死亡 4 533 人[1-3]；同時(shí)，礦井突水對(duì)礦區(qū)水資源與水環(huán)境也造成巨大的破壞，如陜北煤礦開(kāi)采導(dǎo)致地下水位下降、泉水?dāng)嗔?、地表徑流減少等，產(chǎn)生了一系列環(huán)境問(wèn)題[4-5]。雖然煤礦突水災(zāi)害發(fā)生頻率和致死人數(shù)總體呈下降和減弱趨勢(shì)，但涌突水預(yù)防與環(huán)境保護(hù)形勢(shì)仍不容樂(lè)觀，有必要加強(qiáng)礦井涌突水的預(yù)測(cè)及其環(huán)境影響研究。

1　礦床水文地質(zhì)特征

1.1井田煤層與含隔水層特征

鄂爾多斯盆地西南部某井田的含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)，主要可采煤層為延安組第一段(J2y1)的4煤層。4煤層形成于長(zhǎng)期發(fā)育的泥炭沼澤環(huán)境，煤層巨厚、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，見(jiàn)煤鉆孔的煤層統(tǒng)計(jì)平均厚度為9.74 m，最大厚度17.8 m，煤層底板標(biāo)高37.7～165.19 m，煤層埋深934.59～1 007.00 m。

井田4煤層之上的含隔水巖組有第四系全新統(tǒng)砂卵石層(Qh)、更新統(tǒng)黃土層(Qp)、上第三系泥巖層(N)、白堊系下統(tǒng)華池組砂泥巖層(K1h)、洛河組砂巖層(K1L)、侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖夾砂巖層(J2a)、直羅組砂泥巖層(J2z)、延安組煤系砂泥巖層(J2y)，其中的華池組砂泥巖層、洛河組砂巖層是井田4煤層之上的主要含水層。華池組(K1h)主要由淺紫紅色、灰綠色砂質(zhì)泥巖、泥巖及少量粉砂巖等組成，巖層厚度158～431 m，層底高程535～770 m，承壓水頭高程920～954 m，單位涌水量0.082 5～0.222 L/s·m，屬中等富水含水層；洛河組(K1L)主要由紫紅色～暗紫色中-粗粒砂巖及少量礫巖、砂礫、泥巖等組成，巖層厚度318～514 m，層底高程155～362 m，承壓水頭高程938～946 m，單位涌水量0.218～1.130 L/s·m，屬較強(qiáng)富水含水層。

1.2煤層開(kāi)采的突水危險(xiǎn)性分析

井田4煤層未來(lái)井巷開(kāi)拓過(guò)程中，坑道系統(tǒng)充水含水層及充水方式，主要取決于煤層采動(dòng)所形成的導(dǎo)水裂隙帶能否波及上覆含水層。導(dǎo)水裂隙帶高度，與煤層頂板巖體工程地質(zhì)性質(zhì)、煤層采厚、采煤方法、頂板管理方法密切相關(guān)[6-8]。根據(jù)井田地質(zhì)勘探計(jì)算的4煤層開(kāi)采所形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度，冒落帶高度波及直羅組的鉆孔有64個(gè)，直羅組砂巖與延安組煤系砂巖含水層為礦井直接充水含水層；導(dǎo)水裂隙帶波及洛河組的鉆孔有60個(gè)，洛河組砂巖含水層為礦井間接充水含水層。直羅組與延安組含水層埋藏深、裂隙不發(fā)育、補(bǔ)給來(lái)源有限，對(duì)煤礦開(kāi)采威脅較??；華池組與洛河組承壓含水層厚度大、分布廣、富水性好，對(duì)煤礦開(kāi)采構(gòu)成威脅，同時(shí)礦井涌突水對(duì)白堊系洛河組地下水流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生重大影響。

井田4煤層開(kāi)采保護(hù)層厚度等值線(xiàn)與突水危險(xiǎn)性分區(qū)詳見(jiàn)圖1，保護(hù)層厚度小于0的區(qū)域(即突水危險(xiǎn)區(qū))呈連片狀分布，面積約13 km2。保護(hù)層厚度越小，導(dǎo)水裂隙帶穿越到洛河組含水層的可能性就越大，顯然保護(hù)層厚度值小的地段，將是4煤層頂板突水最危險(xiǎn)的地段；在突水危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，計(jì)算的保護(hù)層厚度最小值為-64.96 m(ZH1-1)，即計(jì)算的導(dǎo)水裂隙帶將穿入洛河組含水層達(dá)64.96 m，可見(jiàn)ZH1-1孔將是最有可能成為頂板突水點(diǎn)的位置之一。

圖1　保護(hù)層厚度等值線(xiàn)與突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖

2　地下水流數(shù)值模型構(gòu)建

2.1水文地質(zhì)概念模型及數(shù)學(xué)描述

依據(jù)井田水文地質(zhì)條件和4煤層開(kāi)采方式以及突水危險(xiǎn)區(qū)疏干涌水的影響范圍等，確定模型區(qū)水平面積為90 km2(東西9 km×南北10 km)；垂直方向上，為地面以下、4煤層底部巖層以上之間的部分，總厚度760～1 030 m(圖2)。

圖2　研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型圖

圖3　模型區(qū)剖分網(wǎng)格及南北向剖面結(jié)構(gòu)圖

第四系潛水，在黃土塬區(qū)由南北兩側(cè)向河谷方向徑流，在河谷區(qū)由北西往南東方向徑流；第四系潛水含水層的北東部和南西部邊界為天然的零流量邊界(地下水分水嶺)，北西方向的邊界為補(bǔ)給邊界，南東方向的邊界為排泄邊界。第三系泥巖層為極弱透水層，模型區(qū)四周設(shè)為隔水邊界。白堊系承壓水的總徑流方向?yàn)橛杀蔽魍蠔|徑流；現(xiàn)狀條件下，白堊系承壓水含水層的北東部和南西部邊界為零流量邊界(地下水流線(xiàn))，北西方向的邊界為補(bǔ)給邊界，南東方向的邊界為排泄邊界；在4煤層開(kāi)采條件下，模型區(qū)含水層的四周邊界均為變流量邊界。侏羅系砂泥巖層為弱含水層，模型區(qū)四周與底板均設(shè)為隔水邊界；在4煤層開(kāi)采條件下，頂板突水最危險(xiǎn)的地段(即ZH1-1孔位置)設(shè)置導(dǎo)水通道(冒裂帶)。

第四系潛水主要接受大氣降水和農(nóng)灌水的入滲補(bǔ)給，主要消耗于潛水溢出、蒸發(fā)、開(kāi)采和白堊系承壓自流井的溢出，模型區(qū)內(nèi)各含水層之間通過(guò)越流發(fā)生水量交換等。

描述地下水流的數(shù)學(xué)模型為：

式中：H為地下水位標(biāo)高(m)；K為滲透系數(shù)(m/d)；μ為給水度；Ss為彈性釋水率(1/m)；Wi為潛水含水層第i井開(kāi)采強(qiáng)度(m3/d·m3)；Qi為承壓水含水層第i井自流強(qiáng)度(m3/d·m3)；δi為δ函數(shù)；m1、m2為井?dāng)?shù)；x,y,z為坐標(biāo)變量(m)；t為時(shí)間變量(d)；h0為初始水位標(biāo)高(m)；ε為潛水面垂向交換量(入為正、出為負(fù)，m3/d·m2)；q0為定(零)流量邊界的流量(m3/d·m2)；q(t)為變流量邊界的流量(m3/d·m2)；n為邊界外法線(xiàn)方向；Γ2為Ⅱ類(lèi)邊界；Ω為模型區(qū)范圍。

2.2地下水流數(shù)值模型

模型區(qū)平面上采用100×100 m的網(wǎng)格剖分為南北100行、東西90列，垂向上剖分為6層，共剖分為54 000個(gè)單元。其中，第1～4層每層有8 300個(gè)活動(dòng)單元，第5、6層每層有1個(gè)活動(dòng)單元(突水點(diǎn)部位)，模型區(qū)共有33 202個(gè)活動(dòng)單元(圖3)。

模型區(qū)六個(gè)結(jié)構(gòu)層自上而下：第1層為第四系黃土層、砂卵石，為潛水含水層；第2層為第三系泥巖層(河谷區(qū)為人為劃定的厚度5～10 m的華池組砂泥巖層)，為極弱-弱的透水層；第3層為白堊系華池組砂泥巖層，為透水性較好的承壓水含水層；第4層為白堊系洛河組砂巖層，為透水性好的承壓水含水層(充水層)；第5層為侏羅系巖層(4煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶)，是連接第4、6層地下水的“越流”通道，涌突水點(diǎn)的該層厚度D=38 m，其越流系數(shù)α= K / D；第6層為侏羅系煤系巖層(4煤層開(kāi)采的冒落帶與采空區(qū))，涌突水點(diǎn)的該層厚度為50 m，為接納并排出第4層涌突水量(通過(guò)第5層垂直滲漏)的空間區(qū)域(匯水單元)。

利用白堊系洛河組含水層歷時(shí)19天的大型抽水試驗(yàn)資料(抽水孔及觀測(cè)孔詳見(jiàn)圖1)，結(jié)合各結(jié)構(gòu)層單孔抽水試驗(yàn)的參數(shù)，進(jìn)行了數(shù)值模擬模型的參數(shù)識(shí)別。洛河組承壓水，各觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)水頭與計(jì)算水頭曲線(xiàn)總體升降趨勢(shì)一致，擬合誤差絕對(duì)值大多小于0.3 m，各觀測(cè)孔的水頭擬合效果良好；華池組承壓水，在ZH1抽水孔與G1觀測(cè)孔測(cè)管中的水頭下降值為0.43～0.58 m，模擬計(jì)算的水頭下降值為0.4～0.6 m，擬合效果較好。經(jīng)反復(fù)模擬調(diào)試，模型識(shí)別獲得的水文地質(zhì)參數(shù)列入表1。

表1　模型區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)與參數(shù)值成果表

3　突水危險(xiǎn)區(qū)疏干涌水?dāng)?shù)值模擬

3.1模型預(yù)測(cè)環(huán)境設(shè)置

涌突水點(diǎn)位置x,y：設(shè)置在ZH1-1的位置(圖1、圖3)，涌突水點(diǎn)頂板水平面積為1個(gè)剖分網(wǎng)格，即100×100 m2。

涌突水預(yù)測(cè)時(shí)間t：主要預(yù)測(cè)時(shí)間為1 min、3 min、5 min、10 min、20 min、30 min、1 h、3 h、5 h、10 h、1 d、10 d、100 d、1 a、3 a、5 a、10 a，總體設(shè)置為先密后疏的預(yù)測(cè)時(shí)序，最長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)間為10 a。

第5層導(dǎo)水裂隙帶的滲透能力：垂向平均滲透系數(shù)K設(shè)置為0.000 1、0.001、0.01、0.1、1、5、10 m/d等七種參數(shù)分別預(yù)測(cè)，滲透系數(shù)的最小值為原巖層參數(shù)值，其它六種參數(shù)值分別模擬導(dǎo)水裂隙帶原巖層的不同破裂程度；對(duì)應(yīng)七種滲透系數(shù)的越流系數(shù)α分別為2.63×10-06、2.63×10-05、2.63×10-04、2.63×10-03、2.63×10-02、1.32×10-01、2.63×10-01。

第6層(坑道與冒落帶)的出水能力：為使模型能從第6層快速“排出”涌突水量，第6層設(shè)置為具有很強(qiáng)的排水能力(排水系數(shù)β>50 000 m3/d·m)和較低的排水口(排水口高度h=138 m)。

3.2模型預(yù)測(cè)成果分析

依據(jù)建立的數(shù)值模型與確定的模型參數(shù)和設(shè)置的預(yù)測(cè)方案，采用MODFLOW軟件對(duì)4煤層開(kāi)采的頂板涌突水量及其對(duì)白堊系地下水流場(chǎng)的影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)圖4～圖6。

圖4　涌突水量與時(shí)間、滲透系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)圖

圖5　洛河組水頭降深與時(shí)間、滲透系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)圖(ZH1-1)

(K=0.000 1 m/d)　　(K=10 m/d)

礦坑涌突水量與導(dǎo)水裂隙帶滲透系數(shù)的關(guān)系：(1)導(dǎo)水裂隙帶的滲透系數(shù)小于0.001 m/d，預(yù)測(cè)的涌突水量基本不隨時(shí)間變化，表明坑道獲得洛河組地下水穩(wěn)定的滲漏補(bǔ)給，它基本代表了導(dǎo)水裂隙帶原地層結(jié)構(gòu)參數(shù)的正常滲透水量，1個(gè)網(wǎng)格單元的正常涌水量小于200 m3/d。(2)導(dǎo)水裂隙帶的滲透系數(shù)大于0.01 m/d，預(yù)測(cè)的涌突水量隨時(shí)間的增加在不斷地衰減，表明坑道涌突水量主要源于洛河組地下水的彈性釋放水量，初期的洛河組高水頭釋放水量應(yīng)為坑道的突水量，后期的洛河組低水頭釋放水量接近坑道的穩(wěn)定涌水量，1個(gè)網(wǎng)格單元的突水量大于2 000 m3/d(滲透系數(shù)10 m/d的突水量可達(dá)25 000 m3/d)。(3)導(dǎo)水裂隙帶的滲透系數(shù)介于0.001～0.01 m/d，預(yù)測(cè)的涌突水量隨時(shí)間變化，但變化幅度不大，1個(gè)網(wǎng)格單元的涌水量小于2 000 m3/d。

洛河組ZH1-1網(wǎng)格單元水頭降深：(1)隨著時(shí)間的延續(xù)，洛河組承壓水頭在不斷地降低，且導(dǎo)水裂隙帶滲透系數(shù)越大，水頭下降幅度和下降速率也越大。(2)導(dǎo)水裂隙帶的滲透系數(shù)小于0.001 m/d，預(yù)測(cè)10年末的洛河組的水頭下降幅度小于17.40 m，這既有坑道涌水的影響，也有自流井的作用(自流井影響的洛河組水頭降低為10.60 m)；導(dǎo)水裂隙帶的滲透系數(shù)大于0.1 m/d，預(yù)測(cè)10年末的洛河組的水頭下降幅度大于232.5 m，全部為坑道涌水的影響；導(dǎo)水裂隙帶的滲透系數(shù)介于0.001～0.1 m/d，預(yù)測(cè)10年末的洛河組的水頭下降主要為坑道涌水的影響，滲透系數(shù)為0.01 m/d的洛河組水頭降低為47.22 m。

洛河組地下水流場(chǎng)：(1)坑道涌突水，未能改變洛河組地下水的徑流總方向，仍然為由西北向東南方向徑流。(2)涌突水初期，洛河組地下水流場(chǎng)基本保持初始狀態(tài)，其流場(chǎng)形態(tài)主要受天然流場(chǎng)控制與自流井的影響。(3)涌突水后期，洛河組地下水流場(chǎng)均受坑道涌水影響明顯，但流場(chǎng)形態(tài)差異較大。

4　結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建了地下水三維流數(shù)值模擬模型，利用MODFLOW軟件預(yù)測(cè)煤礦突水危險(xiǎn)區(qū)的疏干涌水。煤層開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂隙帶是否導(dǎo)通強(qiáng)含水層以及導(dǎo)水裂隙帶的滲透性能強(qiáng)弱，對(duì)礦井涌突水量以及地下水滲流場(chǎng)影響的差異較大。預(yù)測(cè)礦井的導(dǎo)水裂隙帶滲透系數(shù)小于0.001 m/d，基本代表了第5層的原地層的正常滲透水量；導(dǎo)水裂隙帶的滲透系數(shù)大于0.01 m/d，反映第5層的原地層遭受不同程度的破裂，礦坑初期涌水為突水量，后期涌水接近穩(wěn)定涌水量，涌突水對(duì)洛河組地下水降深以及流場(chǎng)都影響很大。

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Analysis of Mine Inflow Drainage and Its Impact on the Groundwater Flow Field in the Water-inrush-dangerous Areas in Coal Mine

KANGNing1，LUO Qi-bin2，CHENShuo1，LI Gui-juan3，LV Guang-luo3

(1.Beijing Qiusizhiyun Computing Technologies Co.,Ltd, Beijing 100085；2.Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi；3.Team 186 of Shaanxi Coal Geology Bureau, Xi’an 710075, Shaanxi)

We constructed 3-D numerical simulation of groundwater flow to predict the water gushing during coal mining due to the impact on the aquifer caused by the crack zones. The simulation was built on analyzing the possible dangers of water-inrush in coal mine, by taking a specific mine at the southwest of Ordos Basin as a typical example. The results of the simulation indicate that the permeability and its connection to the aquifer of the crack zones determine the significance of the impact on the ground water flow field. The aquifer is consistent if the permeability coefficient of the crack zone is under 0.001m/d, and is affected significantly if the coefficient is above 0.01m/d. In the latter case, the mine inflow starts with a water-inrush and decades gradually to a stable flow, both of which have great impact on the drawdown and the flow field of groundwater at the aquifer.

Coal Mine；Water-inrush-dangerous Area；Mine Inflow Drainage；Numerical Simulation；Groundwater Flow Field

2016-03-14

康寧(1983-)，女，陜西府谷人，主要從事數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)研究。

P641.4+1

B

1004-1184(2016)04-0026-04