露天礦疏干降水數(shù)值模擬及優(yōu)化分析

劉先彪，臧彥超，李 靜

(1.神華國能寶清煤電化有限公司 朝陽露天煤礦，黑龍江 雙鴨山 155625；2.大地工程開發(fā)(集團)有限公司，北京 100102)

煤炭資源開發(fā)工程中疏干降水是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。礦區(qū)疏干排水方案優(yōu)化一直是礦山開發(fā)研究設計面臨主要問題之一[1-5]。近幾十年來，地下水數(shù)值模擬技術(shù)在疏干排水方案分析研究中得到廣泛應用。例如，陳時磊等開展了基于礦井生產(chǎn)進度疏干條件下的三維地下水數(shù)值模擬研究，分析滿足生產(chǎn)進度疏干條件礦井涌水量[6]；白樂等研究了煤礦開采區(qū)地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系，開展了地表水-地下水耦合模擬研究[7]；馮翔開展了利用GMS地下水模擬軟件，開發(fā)礦井三維地下水系統(tǒng)模型，進行礦井涌水量預測[8]。對于復雜多含水層系統(tǒng)，以及不同疏干排水方式的模擬與方案優(yōu)化尚不多見。

朝陽露天礦區(qū)含水層呈多層結(jié)構(gòu)，滲透性差，不易疏干，地下水位(壓)較高，采掘場出現(xiàn)多次滑坡，為保證露天礦安全生產(chǎn)，迫切需要準確預測露天礦疏干水量，采取有效疏干方式降低地下水位。本文對礦區(qū)水文地質(zhì)資料和疏干排水數(shù)據(jù)詳細分析，運用Visual Modflow軟件，開發(fā)了礦區(qū)地下水三維數(shù)值模型，提出了地面降水孔降水、采場內(nèi)水平放水孔排水、泄壓坑排水等多種方式聯(lián)合的綜合疏干降水優(yōu)化方案，為礦區(qū)確定治水方案和措施提供科學依據(jù)[9-16]。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地處三江平原的南部，沉積有第三系和第四系地層。露天礦開采的對象為10煤層，依據(jù)含水層和煤層空間分布關(guān)系，本區(qū)含水層分為上部含水層、中部含水層和下部含水層，煤層位于中部和下部弱含水層之間，平均厚度15m。上部含水層組：全區(qū)發(fā)育，巖性以中砂和細砂為主，厚度變化大，平均厚度11.75m；中部含水層組：全區(qū)發(fā)育，巖性主要為第三系微膠結(jié)砂巖及第四系底部中粗砂，平均厚度21m；下部含水層組：發(fā)育在10煤底板以下，巖性為第三系微膠結(jié)中、細砂巖和粉砂巖，平均厚度5～6m。礦區(qū)發(fā)育三個相對弱含水層，即頂部、中部及底部弱含水層，平均厚度分別6.76m、8m和2～3m。頂部弱含水層裸露地表，中部弱含水層埋深在30m左右，底部弱含水層埋藏在下部含水層與煤層底板之間。弱含水層主要為粘土、砂質(zhì)粘土和弱膠結(jié)泥巖、砂質(zhì)泥巖。上部含水層和中部含水層之間的弱含水層連續(xù)分布，而中、下部含水層之間弱含水層由于發(fā)育有斷層或天窗，含水層存在一定的水力聯(lián)系。

礦區(qū)地下水主要接受大氣降水入滲、地表水和灌溉渠系滲漏、灌溉田間回歸，以及山前側(cè)向徑流補給。天然條件下，地下水由西南向東北方向徑流，消耗于潛水蒸發(fā)和側(cè)向徑流。

2 礦區(qū)地下水數(shù)值模型

2.1 含水層和邊界條件概化

礦區(qū)研究范圍界定在以礦區(qū)為中心，東和南到山區(qū)山前，西到地表分水嶺、北到平原區(qū)山丘隆起帶，模型區(qū)面積為114.72km2。

依據(jù)巖性與富水性，含水層自上而下概化為7層：第1層為第四系亞粘土、粘土層相對弱含水層；第2層即第四系中砂細砂含水層(上含水層)，滲透系數(shù)3.1～4.1m/d；第3層為第四系粘土、砂質(zhì)粘土相對弱含水層；第4層為第四系底部中粗砂和第三系微膠結(jié)砂巖強含水層(中含水層)，滲透系數(shù)2.31～2.98m/d，含水層與煤層頂板直接接觸；第5層為相對弱含水層，即煤系地層；第6層為相對弱含水層；第7層為第三系微膠結(jié)中、細砂巖強含水層(下含水層)，滲透系數(shù)3.6～5.2m/d，是礦床直接充含水層。各個分層的頂?shù)装逡罁?jù)鉆孔資料，進行空間插值得到。

頂部邊界接收大氣降水和地表水體的入滲補給，采用入滲系數(shù)法計算。四周邊界的概化為流量邊界。為反映邊界變化的特點概化為混合邊界(MODFLOW中的GHB邊界類型)，邊界流量與邊界內(nèi)外水位及含水層導水性有關(guān)。

礦區(qū)范圍內(nèi)，深埋的基底第三系泥巖為相對隔水層，底部邊界概化為隔水邊界。

2.2 數(shù)學模型及求解

含水層概化為非均質(zhì)各項異性，地下水水流概化為三維非穩(wěn)定流，主微分方程：

式中，kxx，kyy，kzz分別為沿主軸方向滲透系數(shù)，m/d；h為測壓水頭，m；Q為單位體積流量(降水或地表水入滲、人工抽水等)，(m3/d)/m3；Ss為單位儲水系數(shù)，m-1；t為時間，d。

初始及邊界條件：

h(x，y，z，t)∣t=0=h0(x，y，z)

式中，h0為含水層的初始水位分布，m；Γ12為滲流區(qū)域的側(cè)向混合邊界；q(x，y，t)為邊界流量，采用GHB計算方法得到。

設計降水孔，按分布和開采深度(濾水管)布置于各單元，隨水位下降，降水孔抽水量也將衰減。降水孔抽水量與水位以下的濾水管長度和揭露含水層導水性有關(guān)。計算公式如下：

式中，Qi為在某時段內(nèi)從第i層進入某井的水量；Qt為在該時段內(nèi)的井的抽水量；Li為第i層中濾水管段長度；Kx為第i層X方向的滲透系數(shù)。

采場排水概化為Drain邊界類型。采坑排泄地下水量計算方法如下：

Qk=(h-hc)C

式中，Qk為采坑排泄地下水量，m3/d；h為地下水位標高，m；hc為坑內(nèi)水位高程，坑內(nèi)無水時，為坑底高程，m；C為綜合導水系數(shù)，m2/d。

當?shù)叵滤坏陀诳拥赘叱虝r，不再排泄地下水。

計算區(qū)域采用40m×40m的矩形網(wǎng)格，在開采區(qū)和水文地質(zhì)條件變化較大的地方加密部分網(wǎng)格(20m×20m)，以提高計算的精度。為了保證收斂的同時提高計算速度，對網(wǎng)格作平滑處理。

2.3 模型識別與驗證

采用2008年11月26日—12月10日的群孔抽水試驗數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)和邊界條件識別，抽水試驗用162C2和162C3共2個井抽水，5個觀測井同步觀測水位。2個抽水井水位模擬和實測水位過程曲線如圖1所示。

圖1 2個抽水井水位模擬和實測水位過程曲線

運用2019年1月1日—4月30日的孔排、坑排水量和觀測井水位數(shù)據(jù)，進行模型驗證。收集的6個觀測孔實測數(shù)據(jù)模擬結(jié)果進行置信檢驗，結(jié)果如圖2所示，均差-0.76m，相關(guān)系數(shù)為0.976，RMS為8.52%，滿足模型精度要求。模型驗證期內(nèi)，地下水總補給量和總排泄量分別為0.91萬m3/d和1.98萬m3/d，靜儲量變化量為-1.07萬m3/d?？着藕涂优欧謩e為1.49萬m3/d和0.36萬m3/d。總排水量為1.85萬m3/d，期間消耗靜儲量為-1.07萬m3/d，占總排水量的57.84%。

圖2 計算和實測水位擬合曲線

3 降水方案模擬預測

3.1 降水方案

降水方案主要目的是在充分利用已有降水孔和坑內(nèi)疏干排水設施的基礎上，通過新增降水設施，有效降低采掘場內(nèi)地下水位，保證采剝工作順利開展，提高剝離、采煤工作效率。同時，最大程度降低非工作幫和東、西端幫的地下水位，減少邊幫地下水滲出量，提高邊幫穩(wěn)定性。擬定方案如下：

1)利用89個已有降水孔，2020年新投入60～90個設計地面降水孔。

2)2020—2021年在工作幫臺階分階段設置100～120個水平放水孔(傾角5°)，疏放采場工作幫的中含水層地下水。

3)隨著開采工作面推進，在采場坑底煤層底板標高較低地帶，開挖泄壓坑(井)，降低下含水層地下水位(水頭)。

3.2 模擬預測與方案優(yōu)化

降水方案模擬預測時，大氣降水取多年平均降水量，保持不變。用2018年底流場為初始流場，時間步長為30d，預測到2023年12月30日。

初始設計地面降水孔和水平孔的數(shù)量分別為45個和80個，通過逐步增加設計的地面降水孔和水平孔的數(shù)量，預測各含水層水位動態(tài)，直到水位降滿足疏干和降壓水位要求，即得到優(yōu)化排水方案。通過模擬確定的排水方案為68個地面孔和120個水平孔。

2019年總排水量1.79萬m3/d，2020年啟用北部、東北和西北部67個降水孔后排水量急劇增加，達到3.4萬m3/d，之后幾年呈減少趨勢，2023年排水量為2.41萬m3/d，2019—2023年礦區(qū)總排水量過程預測曲線如圖3所示；相應消耗靜儲量由2020年2.53萬m3/d，減少到0.98萬m3/d。排水量組成中，靜儲量占42%，其他來自側(cè)向補給、降水和地表水入滲補給。按分層地下水組成看，排水主要來自中含水層和下含水層，分層含水層排水量變化過程見表1，上含水層、中含水層和下含水層排水量分別占6%、61%和33%。下含水層的排水需要孔排和坑排同時進行，坑排水量主要來自下含水層的泄壓排水。

圖3 2019—2023年礦區(qū)總排水量過程預測曲線

表1 分層含水層排水量變化過程 萬m3/d

2023年中含水層和下含水層預測地下水流場如圖4所示。隨著開采向北推進，采坑范圍中含水層逐步疏干，外圍水位在40～45m變化。由于外圍的孔排和坑內(nèi)泄壓坑排水，坑內(nèi)下含水層不同年份水位(水頭)能夠控制在煤層底板之下，滿足了煤礦安全水位(水頭)要求，預測礦區(qū)下含水層水位(頭)標高見表2?？油鈬?水頭)標高控制在15m。

圖4 預測期末中含水層和下含水層水位標高等值線(m)

表2 預測礦區(qū)下含水層水位(頭)標高 m

4 結(jié) 論

1)在礦區(qū)水文地質(zhì)模型基礎上，建立了三維地下水流數(shù)學模型。運用已有疏干降水資料和地下水水位觀測數(shù)據(jù)，進行模型參數(shù)與邊界條件識別與驗證以及地下水均衡分析。結(jié)果表明，開發(fā)的模型是可靠的。目前排水條件下，疏干排水主要是來自中含水層和下含水層，分別占61%和33%。地下水均衡為確定疏干降水方案增加了堅實的依據(jù)。

2)運用開發(fā)的地下水數(shù)值模擬模型，預測分析了考慮“地面孔排—臺階水平孔—坑底泄壓坑”等綜合排水方案下的礦坑涌水量及疏干時間。預測最大排水量為3.9萬m3/d，排水量隨工作面推進呈緩慢減小趨勢，排水水源來自周邊地下水側(cè)向補給、消耗靜儲量以及降水地表水入滲補給，其中消耗靜儲量占42%。

3)根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件研究和數(shù)值模擬成果，優(yōu)化了降水方案。模擬模型預測結(jié)果表明，綜合疏干降水方案是可行的。采用優(yōu)化后的降水方案，地下水位(頭)下降顯著，從而有效保證露天礦正常開采。