基于MODFLOW-USG的礦井水文地質(zhì)仿真分析

朱志遠(yuǎn)

(中煤資源發(fā)展集團(tuán)有限公司安全監(jiān)察局，北京 100011)

0 引言

在煤礦開采過程中，礦井的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響著煤礦的開采和安全性。深刻理解造成礦井水文地質(zhì)差異的原因，對(duì)于防止發(fā)生礦井水害是十分重要的工作[1-3]。特別是在一些大型煤礦的開采前，普遍會(huì)采用計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)煤礦中的有關(guān)地質(zhì)情況進(jìn)行模擬，這既是防治水文地質(zhì)災(zāi)害的重要組成，也是構(gòu)建數(shù)字化煤礦的重要一步[4-5]。為此，在分析影響礦井水文地質(zhì)的影響因素的基礎(chǔ)上，提出了一種新的MODFLOW-USG(非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)模擬方法，對(duì)傳統(tǒng)模擬工作進(jìn)行全新的更新。

1 水文地質(zhì)影響因素分析

1.1 探究水文地質(zhì)影響的必要性

礦區(qū)的水文地質(zhì)條件之所以非常復(fù)雜，主要是由于水流通過復(fù)雜的縫隙貫穿在巖石裂縫等地質(zhì)構(gòu)造中。這使得在開采過程中，很可能會(huì)更改水文地質(zhì)條件的平衡體系，導(dǎo)致地表災(zāi)害。鑒于此，很多學(xué)者將分析影響水文地質(zhì)的因素作為研究?jī)?nèi)容[6-7]。

1.2 案例地質(zhì)概況

以陜西地區(qū)某案例開展水文地質(zhì)影響因素分析，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)水文地質(zhì)條件的影響因素是十分復(fù)雜的，包括降雨、池畦等都會(huì)影響礦區(qū)的水文情況，而地質(zhì)情況一般是天然形成的。在該案例中，斷層將礦床分成中央地塊和東部隆起地塊兩部分。還有較小的內(nèi)部斷裂，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)達(dá)50 m，礦床為海相粘土沉積。早期地層位于海相粘土之上，由兩個(gè)砂質(zhì)含水層(1～15 m厚)組成，中間由粘土導(dǎo)流層隔開(厚28 m)。在煤層的正上方和正下方也有粘土導(dǎo)流層。煤層厚度較均勻，在3.5～5.6 m之間。煤層上由3個(gè)砂質(zhì)含水層組成，厚度6～20 m，由0～20 m的粘土導(dǎo)流槽分隔，部分地區(qū)未形成導(dǎo)流槽，含水層相互連通，該案例煤層的三維地質(zhì)視圖如圖1所示。在北部，子斷層沿著斷層相互連接；在南部，次斷塊沿內(nèi)部構(gòu)造斷裂上升。隨著上升量的變化，案例中煤礦巷道目前在中部區(qū)塊活躍，東部區(qū)塊的開采計(jì)劃正在向北部推進(jìn)。

圖1 案例煤層的三維地質(zhì)視圖

1.3 影響因素分析

地下水：該案例地下水的成因類型為第四紀(jì)沖積層孔隙潛水及基巖裂隙水。這種水文地質(zhì)的特征為頂板礫巖裂隙含水層層厚100 m以上，僅局部裂隙含水。井巷一旦觸及便有水涌出，但持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)施工巷道及生產(chǎn)沒有太大的威脅。兩層煤露頭被沖積層復(fù)蓋砂層中有豐富的潛層水沿煤層頂?shù)装辶严断聺B，使井下巷道尤其淺部巷道涌水量極大，現(xiàn)在由礦井延深而圍巖裂隙減少，井上下水力聯(lián)系不十分明顯。各含水層分布于煤層頂?shù)装?，但隨深度的增加含水程度有減弱的趨勢(shì)。

充水因素及含水量：目前開拓的最低標(biāo)高為44 m，生產(chǎn)水平為44 m，距地表垂深為180 m。一般生產(chǎn)水平涌水量在240 m3/a左右，近年來雨季涌水量為 230～310 m3/a，并且隨礦井延深大氣降水，對(duì)礦井涌水量也越來越不明顯，即礦井涌水量也趨于穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件也越來越簡(jiǎn)單。歷年觀測(cè)資料表明井田含水系數(shù)多在0.9～1.5，個(gè)別月份含水系數(shù)突然增大是由于產(chǎn)量大幅度下降或施測(cè)手段方法不當(dāng)所至。通過收集以往水文地質(zhì)資料和水文地質(zhì)普查工作了解，井田內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，地面無河流、無井泉。地勢(shì)為東北高、西南低的構(gòu)造剝蝕丘陵，大氣降水一部分沿地表流向西南流失，一小部分滲入地下。

2 計(jì)算機(jī)仿真

2.1 軟件介紹

MODFLOW：提前構(gòu)建的仿真模型為后續(xù)提出具體的防治方案積累了寶貴的數(shù)據(jù)，是水文地質(zhì)防治中不可或缺的部分[8]。MODFLOW是一款非常流行的軟件程序，在礦山水文地質(zhì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，MODFLOW卻面臨著復(fù)雜地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)。例如異質(zhì)性以及礦井空洞等人工構(gòu)造，導(dǎo)致流場(chǎng)相對(duì)于周圍地質(zhì)環(huán)境的變化。在實(shí)際的建模過程中，與層狀構(gòu)造、礦空洞、斷層構(gòu)造和裂縫相關(guān)的地質(zhì)非均質(zhì)性會(huì)使計(jì)算機(jī)建模變得困難，特別是對(duì)礦井脫水而言，這種異質(zhì)性很難用傳統(tǒng)的MODFLOW結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來表示。

MODFLOW-USG：MODFLOW的更新版本，被稱為MODFLOW-USG(非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)，支持多種結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格類型[9]，可以用于模擬地下水流動(dòng)和使用控制體積有限差分公式的緊密耦合過程，為復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造建模提供了靈活性。MODFLOW-USG是基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法(控制體積有限差分，或集成有限差分)開發(fā)的，這種方法允許用戶創(chuàng)建幾乎任何形狀的靈活網(wǎng)格，可以在感興趣的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化。MODFLOW-USG還支持新的CLN包，CLN單元可以代表水井、管道、地下隧道、河流，可以是垂直、水平或傾斜的，具有足夠的普遍性。

2.2 軟件應(yīng)用

模型網(wǎng)格：通過對(duì)上覆和下墊砂土含水層的水流進(jìn)行勘探，可以確定東部區(qū)塊的最佳脫水方案。在案例北部地區(qū)，子塊之間是物理連接的，如圖2所示。唯一未知的是斷層帶的水力性質(zhì)，將它作為水力屏障。在礦井的南部，塊體沿著構(gòu)造斷層向上移動(dòng)，每個(gè)塊體的垂直移動(dòng)幅度不同。

圖2 水文地層結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格

結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)比：因?yàn)槟Ｐ椭苯蛹僭O(shè)水是通過具有相同數(shù)量的層進(jìn)行傳輸?shù)模趥鹘y(tǒng)的方法中，可以在兩邊添加“虛擬”層，各層重新編號(hào)，以保證預(yù)期的水流[10]。但是這種傳統(tǒng)方法比較繁瑣，可能會(huì)導(dǎo)致模型設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤。而使用MODFLOW-USG及其非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以直接指定各個(gè)方向的單元之間的連接，該模型還考慮了連接單元之間的接觸面積，計(jì)算出的水流符合要求，這是利用經(jīng)典方法是不可能達(dá)到的結(jié)果，如圖3所示。在經(jīng)典方法中，模型正確地傳輸了水流，但因?yàn)閱卧g的水位差異太大，可能面臨數(shù)值上的不穩(wěn)定性；在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，數(shù)據(jù)通常是由軟件準(zhǔn)備的，自動(dòng)計(jì)算且可以正確地假設(shè)相鄰單元連接。

圖3 結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格下水流流動(dòng)的情況

仿真過程及效果：在本案例礦井中，地層最大斜率位于補(bǔ)給區(qū)，為7.30，即平均含水層厚度為10 m時(shí)，最大單元寬度不應(yīng)超過39 m，這種復(fù)雜的地理?xiàng)l件使得準(zhǔn)備數(shù)據(jù)十分困難。在本案例中，已經(jīng)事故70多個(gè)鉆孔，在大多數(shù)地層都有過濾器，部分鉆孔已經(jīng)被安裝在特定的地質(zhì)構(gòu)造中，以研究它們的水力特性，如圖4所示(圖4中彩色圓圈代表功能井，空?qǐng)A圈代表廢棄井)。為了生成煤層床的等高線地圖，網(wǎng)格使用GIS插值工具“從頂部到柵格”包括煤層床的標(biāo)高。所有層的厚度，包括煤層、粘土導(dǎo)流槽和砂質(zhì)含水層，由鉆孔測(cè)井確定，在整個(gè)地區(qū)保持一致，可以在同一時(shí)間內(nèi)在整個(gè)地區(qū)相互極化。在層間化后，利用光柵計(jì)算器對(duì)煤層床層(如果層在煤層上面)進(jìn)行增厚或減薄(如果層在煤層下面)。MODFLOW-USG的利用更加細(xì)化了復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的模型精度，可以在煤礦開采前利用MODFLOW-USG對(duì)礦區(qū)的水文地質(zhì)情況進(jìn)行建模，以便為后續(xù)的防治工作提供清晰可行的數(shù)據(jù)來源。

圖4 井和煤層床等高線圖

3 結(jié)語

綜上，礦區(qū)的水文地質(zhì)條件是十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不同的礦區(qū)其水文地質(zhì)條件也是不盡相同的。利用新開發(fā)的MODFLOW-USG建模方案可以處理許多復(fù)雜的水文地質(zhì)特征，如不連續(xù)性(地質(zhì)斷層、礦井開口等)、陡峭和不平坦的斜坡，或夾出地層。以陜西某褐煤礦井地質(zhì)為例，證明了MODFLOW-USG的可行性和有效性，相關(guān)行業(yè)人員可以在煤礦開采前利用MODFLOW-USG對(duì)礦區(qū)的水文地質(zhì)情況進(jìn)行建模，可以為后續(xù)的防治工作提供清晰可用的數(shù)據(jù)來源。