納林河二號(hào)煤礦首采區(qū)煤礦涌水量預(yù)測及其參數(shù)靈敏度分析

李秀娟, 田國林, 高小文, 呂 敬, 郭 逸

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西 西安 710054; 3.陜西地礦九〇八水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì), 陜西 西安 710600)

納林河二號(hào)煤礦首采區(qū)煤礦涌水量預(yù)測及其參數(shù)靈敏度分析

李秀娟1,2, 田國林3, 高小文1,2, 呂 敬1,2, 郭 逸1,2

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西 西安 710054; 3.陜西地礦九〇八水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì), 陜西 西安 710600)

礦坑涌水量; 水文地質(zhì)條件; 地下水流數(shù)值模擬; 參數(shù)靈敏度分析

1 研究區(qū)概況

1.1 地下水類型及其特征

依據(jù)含水介質(zhì)類型與賦存條件，研究區(qū)內(nèi)地下水類型可分為第四系松散巖類空隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水。再根據(jù)其水力聯(lián)系特征，區(qū)內(nèi)有第四系松散巖類孔隙潛水和第四系松散巖類孔隙承壓水，碎屑巖類孔隙裂隙潛水和碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。松散巖類孔隙水[4]主要賦存于第四系地層中，其滲透性較好，埋藏較淺，厚度一般，全區(qū)范圍內(nèi)均有分布；碎屑巖類孔隙裂隙水主要賦存于侏羅系—白堊系砂礫巖中，其滲透性小且各層差異性大，埋藏深，厚度大，全區(qū)范圍內(nèi)均有分布。

1.2 含水巖組水文地質(zhì)特征

1.3 礦區(qū)補(bǔ)、徑、排條件

研究區(qū)范圍內(nèi)潛水含水巖組共有4層，展布范圍大，接受降水補(bǔ)給量較大，其他補(bǔ)給來源諸如側(cè)向徑流和下伏含水層的越流補(bǔ)給均較小。研究區(qū)內(nèi)的3條河流，且河流切割較深，常年有水，地下水較高，因此，均排泄地下水，潛水其他排泄方式諸如人工開采，泉排泄量均較小。潛水流向受地形地貌影響和控制，自西北向東南方向流動(dòng)，在無定河與納林河交匯處排泄。

研究區(qū)承壓含水巖組共4層，含水巖組埋藏均較深，地表尚無地質(zhì)露頭，與大氣降水及地表水的水力聯(lián)系均較小，接受補(bǔ)給也較少。其主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，由于承壓水水頭較高，其與潛水的補(bǔ)給排泄關(guān)系在不同地段可以相互轉(zhuǎn)換。承壓水排泄以側(cè)向徑流為主，與潛水排泄方向相似，承壓水一般由研究區(qū)東南方向通過側(cè)向徑流方式向外部排泄。

1.4 礦區(qū)充水情況分析

大氣降水是礦床的間接充水水源；礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育3條河流，地表水可通過入滲方式進(jìn)入地下含水層，間接地成為礦床的充水水源；研究區(qū)主要發(fā)育3組含煤地層，分別為延長組、延安組以及直羅組。含煤地層含水巖組滲透系數(shù)較小，涌水量亦較小，為弱富水含水層，但因其水頭較高，煤層開采時(shí)所承受的水壓力也相對較大，因此對煤層開采有一定的威脅。

2 礦區(qū)涌水量數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

2.2 概念模型數(shù)學(xué)描述

模擬區(qū)地下水流服從達(dá)西定律(Darcy’s law)，呈三維流態(tài)，根據(jù)承壓水非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)基本微分方程和潛水非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)基本微分方程(布辛尼斯克 Boussinesq)方程，賦以相應(yīng)的定解條件(初始條件、邊界條件)，根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，建立如下數(shù)學(xué)模型：

式中：H——水頭(m)；K——滲透系數(shù)(m/d)；Ss——彈性釋水率(1/d)；x,y,z——空間坐標(biāo)變量(m)；t——時(shí)間變量(d)；Ω——模擬區(qū)；H0——模擬區(qū)初始流場(m)；CD,GH,IJ,KL——定水頭邊界；BC,DE,FG,HI,JA——零流量邊界；AB,EF——定流量邊界；n——各邊界面的外法線方向；q——定流量邊界流量(m3/d)；Γ1——潛水面邊界；Γ2——隔水底板邊界；W——降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度(m2/d)；μ——給水度；QD——采空區(qū)涌水量(m3/d)；QR——河流滲漏量(m3/d)；CD——采空區(qū)滲透性能參數(shù)(m2/d)；CR——河床滲透性能參數(shù)(m2/d)；HD——采空區(qū)排水標(biāo)高(m)；HR——河流水頭(m)；HRB——河床底面水頭(m)。

2.3 三維幾何模型

2.4 三維水文地質(zhì)模型

模擬區(qū)邊界條件如上所述，根據(jù)模擬區(qū)地貌特點(diǎn)以及地質(zhì)勘探資料，將模擬區(qū)劃分為灘地區(qū)、沙漠區(qū)和河谷區(qū)3個(gè)分區(qū)，在模型中加入大氣降水入滲補(bǔ)給量、凝結(jié)水補(bǔ)給量、蒸發(fā)排泄量。根據(jù)歷次地質(zhì)勘探所獲得的水文地質(zhì)資料，將抽水試驗(yàn)鉆孔資料分層Q3+4整理，結(jié)合地形地貌以及巖相古地理特征，并充分考慮工作面采掘開始后冒落帶(導(dǎo)水裂隙帶)的形成范圍，經(jīng)過參數(shù)分區(qū)，將模型中11個(gè)模型層共劃分成21個(gè)參數(shù)區(qū)，其中，彈性釋水率Ss全部為1.00×10-6(L/m)外，其余各參數(shù)區(qū)的參數(shù)取值見表1[10]。

表1 各參數(shù)分區(qū)參數(shù)取值一覽表

對于上述三維水文地質(zhì)模型，采用MODFLOW軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程中運(yùn)用迭代(Iteration)計(jì)算程序MODFLOW 2005進(jìn)行求解，水位收斂標(biāo)準(zhǔn)(Head Change)為0.1 mm，計(jì)算精度滿足模擬標(biāo)準(zhǔn)[12-13]。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 對地下水位的影響

模擬計(jì)算，由于工作面開采接續(xù)，礦坑不斷排水疏干，模擬區(qū)出現(xiàn)了以工作面為中心的降落漏斗，且隨著時(shí)間的推移向四周逐漸擴(kuò)大，降深也越來越大。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，首采區(qū)工作面采掘至第5，11 a末潛水最大降深分別可達(dá)32.30，47.72 m。潛水不同水位下降范圍的影響面積隨時(shí)間變化情況如表2所示，潛水水位最大降深的發(fā)展趨勢如圖1示。

表2 采動(dòng)作用下潛水不同水位下降范圍的影響

表3 采動(dòng)作用下煤層頂板承壓水不同水位下降范圍的影響

圖1 采動(dòng)作用下最大降深發(fā)展趨勢

3.2煤礦涌水量預(yù)測

首采區(qū)工作面采掘過程中，礦坑涌水的直接來源為導(dǎo)水裂隙帶(冒落帶)，對模型第7，8，9層的導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行涌水量分析與預(yù)測。經(jīng)過模型模擬計(jì)算及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，導(dǎo)水裂隙帶在整個(gè)采掘期內(nèi)的涌水量隨著工作面的采掘推進(jìn)逐漸增大，首采區(qū)工作面采掘至第5，11 a末時(shí)煤礦涌水量分別可達(dá)57 994 m3/d(2 416.42 m3/h)，86 240 m3/d(3 593.33 m3/h)。整個(gè)采掘期采動(dòng)作用下礦坑涌水量隨時(shí)間變化情況如表4。

表4 采動(dòng)作用下礦坑涌水量隨時(shí)間變化

4 靈敏度分析

為使模型更加準(zhǔn)確模擬研究區(qū)，需要研究主要影響模型模擬結(jié)果的參數(shù)，使模擬過程減少不必要的誤差，故需進(jìn)行模型的參數(shù)靈敏度分析[14-15]。

圖2 滲透系數(shù)變化對礦坑涌水量的影響

5 結(jié) 論

[1] 黃文輝,敖衛(wèi)華,翁成敏,等.鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤的煤巖特征及成因分析[J].現(xiàn)代地質(zhì),2010,24(6):1186-1197.

[2] 張泓,白清昭.鄂爾多斯聚煤盆地的形成及構(gòu)造環(huán)境[J].煤田地質(zhì)與勘探,1995,23(3):1-9.

[3] 樊振麗.納林河復(fù)合水體下厚煤層安全可采性研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2013.

[4] 趙春虎.蒙陜礦區(qū)采煤對松散含水層地下水資源影響的定量評(píng)價(jià)[J].中國煤炭,2014,40(3):30-34.

[5] 薛禹群.地下水?dāng)?shù)值模擬[M].北京:地學(xué)出版社,2007.

[6] 李俊亭.地下水流數(shù)值模擬[M].北京:地質(zhì)出版社,1989.

[7] 徐高強(qiáng).山西省煤礦區(qū)煤礦水涌水量預(yù)測模型研究[D].太原:太原理工大學(xué),2008.

[8] 潘志.煤礦涌水量的數(shù)學(xué)模型與預(yù)測[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1998,19(3):229-232.

[9] 喻永祥.應(yīng)用地球物理方法刻畫含水層非均質(zhì)特性及推求水文地質(zhì)參數(shù)[D].南京:南京大學(xué),2006.

[10] 葉淑君,吳吉春,薛禹群.多尺度有限單元法求解非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的三維地下水流問題[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2004,19(3):437-442.

[11] 金菊良,朱春龍.水文地質(zhì)模型參數(shù)估計(jì)的一種數(shù)值方法[J].長春科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998,28(2):176-179.

[12] Harbaugh A W. MODFLOW-2005, the US Geological Survey Modular Ground-Water Model: The Ground-Water Flow Process[M]. Reston: US Department of the Interior, US Geological Survey, 2005.

[13] Trefry M G, Muffels C. FEFLOW: A finite-element ground water flow and transport modeling tool[J]. Ground Water, 2007,45(5):525-528.

[14] 吳雯倩,靳孟貴. 淮北市地下水流數(shù)值模擬及水文地質(zhì)參數(shù)不確定性分析[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2014,41(3):21-28.

[15] 王綱勝,夏軍,陳軍鋒. 模型多參數(shù)靈敏度與不確定性分析[J]. 地理研究,2010,29(2):263-270.

MiningWaterYieldForecastofInitialMineryandParameterSensitivityAnalysisinNalinheNO.2Coalmine

LI Xiujuan1,2, TIAN Guolin3, GAO Xiaowen1,2, Lü Jing1,2, GUO Yi1,2

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’an,University,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologicalEffectsinAridRegion,MinistryofEducation,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 3.The908BrigadeofHydrogeologyandEngineeringGeology,ShaanxiGeologyMinningGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi710600,China)

minewaterinflow;hydrogeologicalcondition;numericalsimulationofgroundwaterflow;parameterssensitivityanalysis

A

1000-288X(2017)05-0309-06

P641

文獻(xiàn)參數(shù)： 李秀娟, 田國林, 高小文, 等.納林河二號(hào)煤礦首采區(qū)煤礦涌水量預(yù)測及其參數(shù)靈敏度分析[J].水土保持通報(bào)，2017,37(5)：309-314.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.052； Li Xiujuan, Tian Guolin, Gao Xiaowen, et al. Mining water yield forecast of initial minery and parameter sensitivity analysis in Nalinhe NO.2 coalmine[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：309-314.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.052

2017-02-17

2017-04-01

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司項(xiàng)目“納林河二號(hào)煤礦首采區(qū)煤礦涌水量預(yù)測研究”(K1497)

李秀娟(1992—),女(漢族),云南省洱源縣人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榈叵滤鲾?shù)值模擬。E-mail:1598463032@qq.com。