Visual Modflow模型在魚卡礦井第四系涌水量預(yù)測中的應(yīng)用

■李博

（中國煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊 河北邯鄲056004）

Visual Modflow模型在魚卡礦井第四系涌水量預(yù)測中的應(yīng)用

■李博

（中國煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊 河北邯鄲056004）

分析青海省魚卡礦地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，進而分析確定礦井邊界條件和初始水文地質(zhì)參數(shù)，構(gòu)建水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型。根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件，礦坑水的主要來源為M5-2、M6-6、M7-9煤層頂板砂巖含水層裂隙承壓水。當(dāng)采煤對煤層頂板的擾動產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙高度發(fā)育到第四系時，礦坑水的來源就發(fā)生了改變，變?yōu)榈谒南邓缮r類孔隙水和煤層頂板砂巖裂隙水。采用Visual Modflow模型計算第四系孔隙水通過導(dǎo)水裂縫帶進入到礦井的涌水量。

魚卡礦Visual Modflow模型涌水量預(yù)測

1　礦井概況

1.1位置交通

魚卡礦井位于柴達木盆地北緣魚卡煤田東部北山地區(qū)，青海省海西州大柴旦鎮(zhèn)以西45km處，介于南側(cè)的綠梁山與北側(cè)的達肯大坂山之間。井田面積23.8083km2，主采煤層為侏羅系石門溝組M5煤層和大煤溝組M6、M7煤層。

礦井及其周邊交通以公路為主，是青海連接西藏、新疆、甘肅的重要交通樞紐。青藏鐵路在礦井之南約102km處。由礦井經(jīng)國道G215可直達錫鐵山火車站。礦井向南至格爾木機場約235km，經(jīng)國道G215線或青藏鐵路均可到達格爾木機場，再經(jīng)格爾木機場或青藏鐵路又可到達西寧曹家堡國際機場。

1.2自然地理

礦井位居青藏高原的北部，柴達木盆地的北部邊緣，以戈壁荒灘和低山丘陵地貌單元為主。礦井北部為達肯達坂山，西南為綠梁山，中間為魚卡沖洪積扇。

礦井屬柴達木內(nèi)陸水系、魚卡河與德宗馬海湖流域。礦井位于魚卡河流域中段，距河流約3.5km。魚卡河在該段以下切剝蝕作用為主。魚卡濕地緊鄰礦井西南角，濕地面積5.5km2左右，是地表泉水匯集處，夏季雨量充沛時形成沼澤。

礦井深居內(nèi)陸、地處高原，具冬季寒冷、夏季酷熱、晝夜溫差大、干燥少雨、風(fēng)速強勁、沙暴多等高原氣候特征，屬于典型的內(nèi)陸沙漠盆地型大陸性氣候。

2　地質(zhì)特征

2.1地層

礦井內(nèi)多被新生界地層所覆蓋。根據(jù)地表出露及煤田鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有：奧陶系灘間山群（O3tj）、侏羅系（J）、古近系（E）及第四系（Q）。

礦井內(nèi)含煤地層為侏羅系石門溝組含煤段和大煤溝組含煤段，含煤層7層（編號為M1～M7），煤層平均總厚度為58.12m，總含煤系數(shù)為9.63%；含可采煤層3層（編號為M5、M6、M7），平均可采厚度為27.00m，可采含煤系數(shù)7.87%。

2.2構(gòu)造

礦井總體構(gòu)造形態(tài)為一走向近東西向、向西傾伏的背斜構(gòu)造即北山背斜，靠近軸部地層傾角大，向南北兩側(cè)地層傾角逐漸變??；并伴生有一組走向近東西向的逆推斷層和一組近南北向的逆斷層，并且斷裂構(gòu)造破壞了褶曲構(gòu)造的完整性。

礦井內(nèi)主要由魚卡背斜構(gòu)成。該背斜位于井田中南部，是出露形態(tài)完整，規(guī)模最大的背斜。軸跡走向呈近東西向貫穿整個井田，它東端起于北山奧陶系綠泥石片巖古隆起部位，向西傾伏，東西長約15km，寬約5～6km。

主要斷層由物探推斷并經(jīng)鉆探證實發(fā)育有多條呈近東西向展布的逆斷層，形成向北傾的單斜斷塊構(gòu)造。共確定斷層6條。其中F1、F2、F4和F7斷層查明程度為詳細查明，F(xiàn)3、F6斷層查明程度為查明。走向逆斷層4條（F1、F4、F6和F7）；傾向逆斷層2條（F2和F3）。

3　水文地質(zhì)

3.1含水層

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件和對煤層開采影響的水文地質(zhì)因素，礦井自上而下可劃分為第四系松散層孔隙含水層和碎屑巖類侏羅系砂巖裂隙含水層兩大含水層組。

第四系含水層厚度4.00～559.44m。該含水層組厚度變化受構(gòu)造影響較大。南區(qū)以砂卵礫石、含漂石卵礫石及砂礫石為主，一般50m以下，泥質(zhì)含量高，上部泥質(zhì)含量低；東區(qū)為中粗砂、砂礫石，含少量含卵礫石層，粒徑較??；西區(qū)以中粗砂為主，粒徑變細?？傊鄙奖承币阅仙奥训[石、含卵礫石、砂礫石所占比例較大；北山背斜以北中粗砂、砂礫石所占比例較大。

第四系孔隙水的水化學(xué)特征與其補給條件、富水性、水交替積極程度和地下水逕流強度息息相關(guān)。一般補給條件好、富水性強、地下水交替積極的地段，水中陰陽離子含量、礦化度、總硬度低，反之越高。

3.2隔水層

根據(jù)巖層的透水性能強弱，礦井內(nèi)可劃分四個主要隔水層，分別是侏羅系上統(tǒng)紅水溝組、采石嶺組隔水層、侏羅系中統(tǒng)石門溝組隔水層、侏羅系中統(tǒng)大煤溝組隔水層和侏羅系中統(tǒng)大煤溝組底板隔水層。

其中，侏羅系上統(tǒng)紅水溝組、采石嶺組隔水層巖性為紫紅色—灰綠色夾雜色巨厚層狀泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，厚度約96.5～189.10m，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，致密，泥質(zhì)含量高，隔水性能好，阻隔了表層第四系孔隙水的下滲，主要發(fā)育在井田中西部。

4　第四系涌水量預(yù)測

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件，礦坑水的主要來源為M5-2、M6-6、M7-9煤層頂板砂巖含水層裂隙承壓水。當(dāng)采煤對煤層頂板的擾動產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙高度發(fā)育到第四系時，礦坑水的來源就發(fā)生了改變，變?yōu)榈谒南邓缮r類孔隙水和煤層頂板砂巖裂隙水。

4.1水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)礦井地下水系統(tǒng)的特征，采用Visual Modflow模型，計算第四系孔隙水通過導(dǎo)水裂隙帶進入到礦井的涌水量。結(jié)合模型技術(shù)的要求，直接在計算機上創(chuàng)建水文地質(zhì)概念模型，進行模型的校正、識別與驗證，實現(xiàn)礦井整個地下水系統(tǒng)的可視化模擬與預(yù)測。

4.1.1計算范圍

模擬以魚卡河沖洪積扇和山前支溝沖洪積扇作為計算域范圍，北部以達肯大阪山及礦井內(nèi)基巖露頭為界，東部、南部以魚卡河為界，西部以魚卡濕地為界，面積約為50km2，詳見圖1。

4.1.2水文地質(zhì)條件概化

礦井地處青海省海西州大柴旦鎮(zhèn)以西45km處，介于南側(cè)的綠梁山與北側(cè)的達肯大坂山之間。計算范圍為整個魚卡河沖洪積扇和山前支溝沖洪積扇，以200*200的均勻網(wǎng)格對模型進行剖分，針對礦井的水文地質(zhì)條件，東部邊界主要以魚卡河沖洪積扇補給為主、北部以山前支溝沖洪積扇補給為主，西部邊界以泉水溢出形式排泄至魚卡濕地，南部邊界為魚卡河，模型頂部接受大氣降水補給和大氣蒸發(fā)，為補給排泄邊界，將計算區(qū)概化為單層潛水含水層，以基巖作為含水層的相對隔水底板。

圖1　模型計算范圍

將從以下幾個方面進行本區(qū)地下水流系統(tǒng)概化：

（1）將含水介質(zhì)概化為非均質(zhì)各向異性。（2）地下水系統(tǒng)輸入、輸出隨時間變化，故為非穩(wěn)定流。（3）計算區(qū)水力坡度小，含水層分布廣、厚度大，地下水運動符合達西定律。

綜上所述，將計算區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

4.2數(shù)學(xué)模型

依據(jù)滲流的連續(xù)性方程和達西定律，計算區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型相對應(yīng)的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型如下：

式中：H—地下水水頭；H0—含水層初始水頭；H1—各層邊界水頭；Kxx，Kyy，Kzz—x，y，z方向的滲透系數(shù)；μ—給水度；q—含水層第二類邊界單位面積過水?dāng)嗝嫜a給流量；ω—源匯項強度；Ω—滲流區(qū)域；B1—水頭邊界；B2—流量邊界。

圖2　模型的網(wǎng)格剖分圖

4.3應(yīng)用Visual Modflow建立模型

4.3.1計算區(qū)域剖分

根據(jù)Visual Modflow的要求，采用等間距有限差分的離散方法對含水介質(zhì)進行自動剖分，網(wǎng)格單元row×column×layer為200× 200×1，其中將計算區(qū)邊界外的網(wǎng)格設(shè)為不計算單元格（即不參與模型計算），建立剖分圖，詳見圖2～圖4）。

圖3　計算區(qū)橫向剖面（79行）剖分圖

圖4　計算區(qū)縱向剖面（106列）剖分圖

4.3.2模擬期的確定

確定模擬期為單孔抽水試驗時間，以一個小時作為一個時間段，每個時間段內(nèi)包括若干時間步長，時間步長為模型自動控制。

4.3.3定解條件的處理

在設(shè)置邊界條件與初始條件時主要根據(jù)充水含水層的水文地質(zhì)條件以及抽水試驗進行設(shè)置。

初始條件：采用2014年9月實測的地下水水位作為模型含水層的初始水位，采用內(nèi)插和外推法獲得含水層的初始水位。

邊界條件：模型邊界按通用水頭邊界處理。

4.3.4源匯項的處理

計算區(qū)的源匯項主要包括補給項和排泄項。

該區(qū)地下水的補給來源主要為魚卡河側(cè)向滲漏補給，其次是大氣降水入滲補給。

魚卡河水位遠高于地下水位，具有西北地區(qū)河流滲漏的一般特征，在洪積扇中上部，滲漏量大小與河水和地下水位差無關(guān)，以“懸河”的形式滲漏補給地下水。不同的河水流量，形成不同的河流寬度與深度，從而影響滲漏量的大小。河流總滲漏量的大小，受河水流量與滲漏能力的制約（當(dāng)流量較小時，直至沿途全部滲漏為止），而滲漏能力則隨河水流量的大小而變化。河水滲漏能力的變化規(guī)律，用滲漏量經(jīng)驗公式控制，數(shù)據(jù)采用2014年6月份所實測的河流斷面流量，用遞推方法分配給河流沿途各結(jié)點。根據(jù)收集的1970年～2007年大柴旦地區(qū)的氣象資料，本地區(qū)多年平均降水量88.3mm，作為未來模型的大氣降水入滲補給，并綜合考慮降水入滲補給和蒸發(fā)兩個方面的因素取入滲系數(shù)經(jīng)驗值為0.2。

地下水主要排泄方式為泉水溢出形式排泄至魚卡濕地、地下水蒸發(fā)和人工開采。

在模型的西部邊界，潛水水位高于地表高程，地下水溢出成泉或泉集河向魚卡濕地排泄，根據(jù)已有的資料顯示，泉水年平均流量為1.3m3/s。

蒸發(fā)強度選擇阿維里揚諾夫經(jīng)驗公式來近似描述蒸發(fā)規(guī)律：

式中：ε(t)—地下水的蒸發(fā)強度，主要取決于水面蒸發(fā)能力E0 (t)與地下水埋深Δ；E0(t)—水面蒸發(fā)能力，直接取氣象統(tǒng)計資料數(shù)值多年平均蒸發(fā)量1400mm；Δ0—地下水極限蒸發(fā)深度，取3m；Δ—地下水埋藏深度，地下水泄出帶水位埋深小于3m，取平均值1.5m；n—無量綱經(jīng)驗系數(shù)，該地區(qū)近似取2。

蒸發(fā)量將會隨著地下水的埋深而變化。

魚卡水源地目前并未進行人工開采。

4.3.5模型識別與驗證

根據(jù)建立的數(shù)值模型，模擬的地下水流場要與實際地下水流場基本一致。主要是通過調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，同時也對邊界條件及邊界上的交換水量進行必要的調(diào)整，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整與試算，使計算的水位值與實測的水位值之差最小，從而達到數(shù)值仿真的目的。如果校正效果好，則可利用模型對礦井水文地質(zhì)條件進行預(yù)測分析，否則，需要重新調(diào)整模型。

此次采用以往施工的水文地質(zhì)孔水位動態(tài)資料，并結(jié)合以往魚卡水源地勘探報告來進行模型識別與驗證，通過地質(zhì)條件分析和計算相結(jié)合，反復(fù)調(diào)參，以取得最佳擬合效果。經(jīng)過多次計算，擬合結(jié)果較為滿意，詳見圖5～圖7）。

圖5　第四系初始流場擬合圖

圖6　K2號孔地下水水位歷時擬合曲線圖

4.3.6模型識別和驗證后的參數(shù)

水文地質(zhì)參數(shù)選取的合理與否直接關(guān)系到模型的計算精度和結(jié)果的可靠程度。此次參數(shù)的選取，主要參考以往施工的水文地質(zhì)孔的水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合魚卡礦區(qū)三井田和魚卡河沖洪積扇的地層、構(gòu)造，以及含水層的巖性、富水性、埋深條件、厚度和水位動態(tài)變化規(guī)律對各含水層進行分區(qū)，設(shè)置不同的滲透系數(shù)和給水度初值。

圖7　Q1號孔地下水水位歷時擬合曲線圖

4.4涌水量預(yù)測

4.4.1預(yù)測方案

利用校正、識別后的數(shù)值模型，預(yù)測當(dāng)開采M5-2、M6-6、M7-9煤層時，將導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育到第四系地段的地下水水位疏干至含水層的底板的第四系涌水量。開采M5-2、M6-6煤層時，先期開采地段東部局部范圍內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育到第四系，此范圍內(nèi)含水層所蘊含的水量作為第四系含水層通過導(dǎo)水裂隙帶進入礦井的涌水量，但考慮煤礦開采常常引起上部巖層發(fā)生位移，甚至使巖層產(chǎn)生大面積移動，故本次計算包括了巖層移動角75°范圍內(nèi)含水層所蘊含的水量。

4.4.2涌水量預(yù)測

此次預(yù)測采用加井抽水疏干進行預(yù)測，即在所需預(yù)測區(qū)均勻布井，加井抽水疏干至含水層底板，即第四系底板。

運用Visual Modflow軟件中水均衡域計算模塊Zone Budget，預(yù)測開采M5-2煤層時第四系孔隙水通過導(dǎo)水裂隙帶進入到礦井的涌水量為：先期開采地段的中部（即K2、ZK39-2、ZK37-1孔附近）正常涌水量為1519.58m3/h，最大涌水量1671.54m3/h。因疏排第四系孔隙水而形成的降落漏斗影響半徑約為770m。預(yù)測開采M6-6煤層時，第四系孔隙水通過導(dǎo)水裂隙帶進入到礦井的涌水量分別為：先期開采地段北部（ZK34-7、ZK35-5、ZK36-10、ZK36-11孔附近）礦井正常涌水量為505.0m3/h，最大涌水量555.5 m3/h，先期開采地段東部（即ZK40-8、ZK41-3和ZK40-14孔附近）礦井正常涌水量為1854.17m3/h，最大涌水量2039.58m3/h。因疏排第四系孔隙水（即ZK40-8、ZK41-3和ZK40-14孔附近）而形成的降落漏斗影響半徑約為790m。

5　結(jié)論

采用Visual Modflow模型對礦井先期開采地段冒落裂隙發(fā)育到第四系底板部位的第四系含水層的正常涌水量預(yù)測時，盡管模擬區(qū)面積較大，觀測孔長觀數(shù)據(jù)較少，對計算區(qū)邊界水位條件控制程度不高，但采用的調(diào)參資料為群孔抽水試驗的水位觀測資料以及根據(jù)現(xiàn)場實測的水位進行修正，能夠比較好的用來調(diào)試和驗證模型。因此，應(yīng)用Visual Modflow進行礦井地下水三維數(shù)值模擬計算，水文地質(zhì)概念模型正確，較好地反映了礦區(qū)水文地質(zhì)條件，模型識別精度高，收斂性和穩(wěn)定性較好。

[1]宋穎霞，張耀文，曾一凡.基于Visual Modflow的礦坑涌水量模擬預(yù)測評價 [J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39（2）：25～28.

[2]鄭世書，陳江中，劉漢湖.專門水文地質(zhì)學(xué) [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

TD175[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-113-3

李博（1982～），男，畢業(yè)于河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院地理信息系統(tǒng)專業(yè)，河北工程大學(xué)資源學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)在職研究生，工程碩士，工程師。