分布式計(jì)算在閉坑礦井匯水過(guò)程的應(yīng)用

楊 崗

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院, 北京 100039)

0 引言

目前，隨著國(guó)家煤炭資源的戰(zhàn)略整合和產(chǎn)能替換，大量小型煤礦逐漸退出歷史舞臺(tái)，開(kāi)展閉坑礦井對(duì)礦區(qū)地下水系統(tǒng)產(chǎn)生的安全威脅和地下水環(huán)境影響研究是做好“綠水青山”的重要保障。采礦活動(dòng)不僅改變了礦區(qū)原生地下水系統(tǒng)、區(qū)域地下水的補(bǔ)徑排條件，還在礦井廢棄后持續(xù)影響著含水介質(zhì)、地下水動(dòng)力場(chǎng)及水循環(huán)系統(tǒng)的演化等。地下水在逐漸充滿地下采掘空間的過(guò)程中，使得礦區(qū)地下水位回升，并伴隨多種環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，甚至形成地質(zhì)災(zāi)害。因此，研究廢棄礦井地下水流場(chǎng)及其演化規(guī)律，對(duì)保護(hù)地下水環(huán)境具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)廢棄礦井的研究主要集中于對(duì)地下水質(zhì)演變、污染規(guī)律分析和資源再利用等方面，眾多學(xué)者提出了多種基礎(chǔ)理論、治理方法和關(guān)鍵技術(shù)，但針對(duì)水位回彈的公開(kāi)研究成果相對(duì)較少。P.L.Younger教授從1993年起關(guān)注礦井從閉坑、廢棄引起的地質(zhì)環(huán)境影響和地下水位回彈數(shù)值模擬預(yù)測(cè)等問(wèn)題，通過(guò)若干研究礦區(qū)的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)揭示了大型礦井區(qū)域地下水位回升的時(shí)間可持續(xù)幾個(gè)月至幾十年，并基于實(shí)際的研究案例，將井巷系統(tǒng)中的高滲透性含水空間作為紊流管道區(qū)，采空區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū)含水介質(zhì)作為高滲透性層流區(qū)，將其它圍巖含水空間作為中低滲透性層流區(qū)，構(gòu)建了地下空間體積和水位之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型[1-4]。國(guó)外，閉坑礦井地下水回彈的模型主要有VSS-NET模型(簡(jiǎn)稱變飽和地下網(wǎng)絡(luò)模型)、GRAM模型(簡(jiǎn)稱閉坑礦井巷道地下水回升模型)和CDGWFM模型(簡(jiǎn)稱為傳統(tǒng)達(dá)西地下水流模型)以及David Banks的MIFIM模型(礦井水充填模型)[5]。GRAM數(shù)值模型被廣泛應(yīng)用于廢棄礦井地下水位回彈的研究[6-7]，并利用相似模型預(yù)測(cè)了廢棄礦井水位回彈速度。其他學(xué)者針對(duì)廢棄礦井地下水位回彈和水質(zhì)演變進(jìn)行了研究[8-11]。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展閉坑礦井地下水回彈過(guò)程模擬研究起步晚。2004年，張壯路提出利用水均衡原理模擬了閉坑后井下積水的過(guò)程，獲得了積水高度隨時(shí)間變化曲線和地下水水最終動(dòng)態(tài)平衡歷時(shí)時(shí)間[12]。2008年，周建軍等根據(jù)閉坑礦井地下水含水介質(zhì)空間特性，利用FEFLOW建立地下水流離散裂隙網(wǎng)絡(luò)與等效連續(xù)介質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，模擬了礦井水回升過(guò)程，確定了不同充水介質(zhì)在充水淹沒(méi)過(guò)程中水流和水位回彈特征[13]。馮美生等利用三重介質(zhì)(儲(chǔ)水介質(zhì)、導(dǎo)水介質(zhì)和控水介質(zhì))特征及各種介質(zhì)之間聯(lián)系，刻畫了閉坑后含水介質(zhì)的地下水運(yùn)動(dòng)，反映了巷道及采動(dòng)區(qū)域的水體運(yùn)動(dòng)形態(tài)[14]。2010年，虎維岳等在分析研究閉坑后導(dǎo)水與含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和地下水運(yùn)動(dòng)循環(huán)、水文地球化學(xué)與水動(dòng)力學(xué)基本特征的基礎(chǔ)上，分析了閉坑后地下水位淹沒(méi)回彈機(jī)理[15]。2018年，畢堯山等在回采空間法與積水空間法類比的基礎(chǔ)上[16]，選擇回采空間法分煤層、分水平分析了淮北濉蕭礦區(qū)岱河煤礦閉坑后礦區(qū)積水過(guò)程，揭示了煤礦閉坑后積水高度初始階段隨時(shí)間增加初始階段上升較快，中、后期趨于平緩，與翟曉榮等利用Visual MODFLOW軟件模擬的閉坑后水位動(dòng)態(tài)回升過(guò)程[17]類似，并揭示了區(qū)域地下水徑流場(chǎng)對(duì)礦井水位回升具有明顯的影響。

1 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

龐莊礦為一不對(duì)稱的復(fù)式向斜構(gòu)造，包括2個(gè)背斜、3個(gè)向斜，并發(fā)育大、中型斷裂，已揭露大中型斷層13條，是較為理想的儲(chǔ)水向斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)各承壓含水層組主要在井田東南露頭區(qū)接受大氣降水和第四系底礫孔隙水的補(bǔ)給，其徑流方向從東南向西北并通過(guò)導(dǎo)水?dāng)嗔褞?、陷落柱、封閉不良鉆孔及人工采掘活動(dòng)產(chǎn)生的冒落、導(dǎo)裂帶引起各含水層組相互越流補(bǔ)給。礦井充突水主要水源是二疊系煤系砂巖裂隙水，也是礦井涌水量的主要來(lái)源。

龐莊礦主采下石盒子組1、2煤時(shí)，主要充水含水層為下石盒子組砂巖裂隙含水層，為灰白色中-細(xì)粒石英砂巖；主采山西組7、9煤時(shí)，直接充水含水層是上覆山西組砂巖含水層，該含水層在井田內(nèi)穩(wěn)定沉積，含水層組有砂巖1～6層，砂巖總厚度平均為35.64m，單層砂巖最小僅0.79m，多為灰色細(xì)-中粒砂巖。9煤開(kāi)采時(shí)對(duì)底板破壞深度為14.7～16.2m，主要水源為山西組砂巖裂隙含水層。

2 研究區(qū)開(kāi)采情況及存在問(wèn)題

龐莊礦于1965年5月生產(chǎn)，截至2013年8月閉坑，年產(chǎn)能力為45萬(wàn)t，1983年以前主采下石盒子組1、2煤，1983年后主采山西組7、9煤，煤層傾角5°～10°，淺部或露頭出露區(qū)傾角可達(dá)60°以上，煤層均厚分別為0.95、1.80、3.08和2.24m，采煤方法以走向長(zhǎng)壁和綜合機(jī)械化為主，累計(jì)總產(chǎn)量為13217萬(wàn)t。主采煤層頂板覆巖強(qiáng)度為中硬，采用自然冒落法管理，所形成的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為19.03～46.69m，裂采比為14.6～45.7。由于煤層開(kāi)采充分，采空區(qū)分布范圍廣且具有多層重復(fù)采動(dòng)的典型特征，局部地段為1、2、7、9煤?jiǎn)螌踊螂p層采空區(qū)外，其它多以三層或四層采空區(qū)為主。因此，1、2號(hào)煤采空區(qū)多形成于礦井早期，7、9煤采空區(qū)形成于礦井中后期(1986年后)，導(dǎo)致煤礦地下水各采空區(qū)水平不同、補(bǔ)給徑流條件具有差異性，故而本文擬采用分布式計(jì)算方法開(kāi)展采空儲(chǔ)水空間水位回彈的系統(tǒng)性分析與研究。

3 研究思路

本文以江蘇徐州市龐莊煤礦為研究區(qū)，龐莊礦于2013年8月關(guān)閉，閉坑后，礦井停止抽排地下水，但井下仍有持續(xù)不斷的滲水，導(dǎo)致井下空間內(nèi)的水位持續(xù)上升。為了探究閉坑礦井水位回彈過(guò)程中與含水層系統(tǒng)的相互影響關(guān)系，需要對(duì)閉坑礦井老空水水位回彈情況進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

礦井閉坑前正常涌水量為93m2/h，閉坑后，井下不斷積蓄地下水，可作為地下空間的補(bǔ)給水量。因此，對(duì)礦井積水后地下水流場(chǎng)演化的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析:礦井閉坑后，井下形成一個(gè)巨大的積水空間。由于井下各采空區(qū)水平不一，且滲水位置不一，積水的時(shí)間空間需要逐步分析。因此，根據(jù)礦井閉坑之前井下出水點(diǎn)的位置，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行分區(qū)。對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行分析，再融合為一個(gè)整體進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而獲得閉坑礦井地下水的時(shí)空分布流向及總體流向。

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)資料分析，礦井涌水量主要來(lái)源為淺部礦井的采空區(qū)積水和煤層頂板砂巖含水層，主要導(dǎo)水通道為裂隙。隨著礦井關(guān)井后老空水水位的回彈，受到威脅最大的是相鄰的生產(chǎn)礦井。相鄰生產(chǎn)礦井在淺部，但由于越層越界開(kāi)采，礦井之間的防隔水煤柱已經(jīng)遭到嚴(yán)重破壞，形成復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。結(jié)合相鄰生產(chǎn)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)最低標(biāo)高在-380m。因此，從安全的角度出發(fā)，應(yīng)將老空水水位控制在-380m，以減少對(duì)相鄰生產(chǎn)礦井的安全威脅。

4 匯水水源和水量分析

礦井閉坑后，抽排水系統(tǒng)功能失效，但井下仍以93m2/h的涌水量向老空區(qū)匯集。當(dāng)老空水匯集到一定程度的時(shí)候，礦井與相鄰礦井的邊界煤(巖)柱可能會(huì)遭到破壞，引起老空水涌入相鄰礦井。在區(qū)域地下水達(dá)到新的平衡之前，由于礦井采空區(qū)地勢(shì)標(biāo)高的不同，地下水補(bǔ)徑排關(guān)系、流場(chǎng)發(fā)生變化，與相鄰礦井發(fā)生復(fù)雜的地下水交替作用，使得閉坑礦井水位的定量模擬預(yù)測(cè)更為復(fù)雜。因此，本文重點(diǎn)分析龐莊礦井采空區(qū)的積水分布、不同標(biāo)高采空區(qū)之間的匯水聯(lián)系、水位回彈及淹沒(méi)范圍計(jì)算。

4.1 礦井閉坑后老空水水源

礦井關(guān)閉后，井下涌水出水按水平有：-370、-520、-620m。其中-370m出水18 m3/h，-520m出水26 m3/h，-620m出水49 m3/h。水源的出水形式主要為煤層頂板出水。山西組砂巖裂隙承壓含水層為7、9煤充水含水層。故將采空區(qū)積水量和采空區(qū)面積概化為線性關(guān)系，即將水平涌水量按采空區(qū)面積分配到各采空區(qū)。因?yàn)?370m在淺部，積水流向深部，且-520m和-620m面積相當(dāng)，故將-370m涌水量平均分向-520m和-620m。各采區(qū)日積水量見(jiàn)表1。

表1 老空區(qū)各采區(qū)日積水量

4.2 采空區(qū)可容納水量分析

積水線按照等高線每隔20m劃定(兩個(gè)匯水區(qū)域連通時(shí)的標(biāo)高單獨(dú)劃定)，根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，可按下式初步估算采空區(qū)可容納水量：

Q=KFMcos-1α

(1)

式中：Q—采空區(qū)可容納水量，m2;

K—積水系數(shù)，與采煤方法、回采率、煤層傾角、煤層頂?shù)装鍘r性及其碎脹程度、采后間隔時(shí)間、巷道成巷時(shí)間及其維修狀況有關(guān)，采空區(qū)通常取0.25～0.5，本研究從偏安全考慮，取0.25；

M—采煤厚，m;

F—采空區(qū)水平投影面積，m2;

α—煤層傾角，(°)。

5 匯水過(guò)程分析

根據(jù)井下礦區(qū)標(biāo)高不同，將井下匯水區(qū)域分為4個(gè)匯水區(qū)域：-370m采區(qū)，-520m采區(qū)，-620m采區(qū)，-850m采區(qū)。各個(gè)匯水區(qū)域相對(duì)位置如圖1所示：

圖1 礦井井下匯水區(qū)域示意Figure 1 Schematic diagram of mine undergroundwater confluence areas

將這四個(gè)匯水區(qū)域概化為相互連通的系統(tǒng)，按照各匯水區(qū)域的匯水過(guò)程分析采空區(qū)流場(chǎng)演化過(guò)程，各匯水區(qū)域匯水過(guò)程如下：

5.1 -370m采區(qū)匯水區(qū)域

由于-370m采區(qū)匯水區(qū)域在淺部，所以-370m匯水區(qū)域的積水直接補(bǔ)給給-520m和-620m匯水區(qū)域。

5.2 -520m采區(qū)匯水區(qū)域

本匯水區(qū)域包括：-520m西翼采區(qū)、-520m東翼采區(qū)(-520m東翼采區(qū)和-520m小湖系采區(qū))。充水水源多為頂板來(lái)水，現(xiàn)已形成積水-550 ～-490 m，出于安全考慮，將已形成的積水水位定為-490m。

5.2.1 第一階段

積水達(dá)到-490 m之前，根據(jù)區(qū)內(nèi)構(gòu)造、采空區(qū)布置等情況，-520m西翼采區(qū)和東翼采區(qū)分別各自積水。

1)-520m西翼采區(qū)：采區(qū)內(nèi)僅有7煤采空區(qū)，積水沿7414溜子道進(jìn)入-520m西翼采空區(qū)核部，以旋渦狀向外逐漸積水。

2)-520m東翼采區(qū)：采空區(qū)內(nèi)有7煤和9煤采空區(qū)，7煤和9煤僅相差20 m，根據(jù)導(dǎo)裂高度的計(jì)算，9煤的導(dǎo)裂高度至少為26 m，因此，9煤的開(kāi)采裂隙會(huì)連通7煤。積水沿9403溜子道和726放水道進(jìn)入-520m東翼采空區(qū)核部，以旋渦狀向外逐漸積水。

區(qū)域內(nèi)各水平可容納水量見(jiàn)表2。

表2 -490 ～-520m 水平采區(qū)可容納水量

5.2.2 第二階段

積水積到-490 m以上，-450 m以下時(shí)，-520m西翼采區(qū)和-520m東翼采區(qū)相通，水流按底板標(biāo)高由高向低匯流。

區(qū)域內(nèi)各水平可容納水量見(jiàn)表3。

表3 -490 ～-450 m水平采區(qū)可容納水量

5.2.3 第三階段

當(dāng)積水達(dá)到-450 m時(shí)，-520m采區(qū)與-620m采區(qū)相通。-520m采區(qū)積水暫時(shí)維持在-450 m處，當(dāng)-620m采區(qū)積水達(dá)到-450 m時(shí)，-520m采區(qū)和-620m采區(qū)同時(shí)積水。當(dāng)積水在-520m采區(qū)位于-450 ～-380 m時(shí)，水按底板標(biāo)高由高向低匯流。

區(qū)域內(nèi)各水平可容納水量見(jiàn)表4。

表4 -450 ～-380 m水平采區(qū)可容納的水量

5.3 -620m采區(qū)匯水區(qū)域

本匯水區(qū)域包括：-620m西翼采區(qū)匯水區(qū)域，-620m中央采區(qū)匯水區(qū)域。匯水區(qū)內(nèi)包括了7、9號(hào)煤采空區(qū)，7煤和9煤相隔20 m，開(kāi)采9煤的采動(dòng)裂隙導(dǎo)致兩層煤連通。匯水過(guò)程共分三個(gè)階段：

5.3.1 第一階段

積水-600 m之前，-620m西翼采區(qū)和中央采區(qū)各自單獨(dú)積水。

1)-620m西翼采空區(qū)：根據(jù)區(qū)內(nèi)向斜影響，結(jié)合采空區(qū)分布情況及其地形情況，區(qū)域內(nèi)匯水過(guò)程從采空區(qū)低處按等高線由低到高進(jìn)行。目前積水標(biāo)高-640 ～-670 m，出于安全考慮將已形成積水水位定為-640 m。位于-620 m西二采區(qū)深部水平，處于9541工作面切附近，充水水源為7煤頂板砂巖裂隙水。

2)-620m中央采區(qū)：根據(jù)區(qū)內(nèi)向斜影響，結(jié)合采空區(qū)分布情況，區(qū)內(nèi)積水首先向7507工作面聚積。目前積水標(biāo)高-620～-650 m，出于安全考慮將已形成的積水水位定為-620m。積水區(qū)位于-620m中央采區(qū)匯水區(qū)域位于北翼向斜軸附近，處于7507工作面附近，充水水源為7煤頂板砂巖裂隙水。

-660～-600m水平區(qū)域內(nèi)各水平可容納水量見(jiàn)表5。

表5 -620m西翼采區(qū)和中央采區(qū)可容納的水量

5.3.2 第二階段

積水達(dá)到-600 m時(shí)，-620m西翼和中央采區(qū)相通，積水按底板標(biāo)高由高向低匯流。當(dāng)積水達(dá)到-580 m時(shí)，積水-620m西翼采區(qū)和-850m采區(qū)的連通巷道進(jìn)入-850m采區(qū)，-620m采區(qū)水位維持在-580 m，直到-850m采區(qū)被積水充滿，-620m采區(qū)繼續(xù)積水。當(dāng)-520m采區(qū)水位提升至-450 m時(shí)，-620m采區(qū)接受-520m采區(qū)補(bǔ)給，直到兩采區(qū)達(dá)到平衡。

水位在-600～-450m時(shí)區(qū)域內(nèi)各水平可容納水量見(jiàn)表6。

表6 -620m總采區(qū)可容納水量

5.3.3 第三階段

-620m采區(qū)水位抬升到-450 m后，-620m采區(qū)和-520m采區(qū)連通，-620m采區(qū)積水按底板標(biāo)高由高向低匯流。

水位抬升到-450～-380m時(shí),區(qū)域內(nèi)各水平可容納水量見(jiàn)表7。

表7 -620m總采區(qū)可容納的水量

5.4 -850m采區(qū)匯水區(qū)域

主要為-850m采區(qū)，開(kāi)采7煤，目前積水區(qū)位于-850 m采區(qū)深部水平，處于7601工作面切附近，積水標(biāo)高-790～-840 m，充水水源為7煤頂板砂巖裂隙水，-850m采區(qū)與-620m西翼采區(qū)以斷層相隔，通過(guò)下山巷道連通。當(dāng)積水抬升到-580m時(shí)，兩個(gè)采區(qū)積水貫通。-850m采區(qū)面積大約為15 805 m2，可容納水量為117 417 m3。

6 水位回升及淹沒(méi)范圍分析

由于-520m東翼采區(qū)和西翼采區(qū)先期積水已達(dá)到-490 m，兩采區(qū)合并成一個(gè)匯水區(qū)域，即初始水位為-490 m，以840 m3/d流量涌入-520m采區(qū)。-620m中央采區(qū)初始水位為-620m，以670 m3/d流量涌入-620m中央采區(qū)。-620m西翼采區(qū)初始水位為-640 m，以722 m3/d流量涌入-620m西翼采區(qū)。直到各采區(qū)水位抬升至同一水平時(shí)，整個(gè)老空區(qū)成為一個(gè)匯水區(qū)域。出于對(duì)相鄰生產(chǎn)礦井安全的考慮，將水位回升上限定為-380 m。

如圖2所示，-520m采區(qū)初始積水水位達(dá)到-490 m，此時(shí)-520m東西翼采區(qū)已連通。積水在-520m采區(qū)按底板標(biāo)高由高到低匯流，812d時(shí)達(dá)到-450 m，之后-520m采區(qū)積水補(bǔ)給-620m采區(qū)。

-620m中央采空區(qū)初始積水水位為-640 m，128d水位達(dá)到-600 m后補(bǔ)給-620m西翼采區(qū)，此時(shí)-620m西翼采區(qū)水位達(dá)到-629 m，386d時(shí)-620m中央采區(qū)水位達(dá)到-600 m，此時(shí)-620m西翼采區(qū)和中央采區(qū)連通。

612d時(shí)-620m采區(qū)水位為-580 m，-620m采區(qū)和-850采區(qū)在-580 m處以巷道連通，-850m采區(qū)在深部，此時(shí)，-620m采區(qū)積水補(bǔ)給-850m采區(qū)，-850m采區(qū)初始積水水位為-790 m，66d后-850m采區(qū)蓄滿，即678d時(shí)-620m采區(qū)和-850m采區(qū)連通，積水按底板標(biāo)高由高到低匯流。812d時(shí)-520m采區(qū)水位達(dá)到-450 m，-620m采區(qū)水位達(dá)到-566 m，此時(shí)，-520m采區(qū)積水開(kāi)始補(bǔ)給-620m采區(qū)。1 086d時(shí)，-620m采區(qū)水位達(dá)到-450 m。

1 086d前，-620m采區(qū)和-520m采區(qū)分別匯水，1 086d后，兩采區(qū)形成一個(gè)匯水區(qū)域，此時(shí)整個(gè)采區(qū)成為一個(gè)匯水區(qū)域，水流按底板標(biāo)高由高到低匯流。

1 726d即5a左右，老空區(qū)水位達(dá)到-380 m。如下圖2所示。

圖2 閉坑后老空區(qū)匯水過(guò)程Figure 2 Worked-out area water confluence process after mine closed

7 結(jié)論

1)在沒(méi)有觀測(cè)資料的前提下，結(jié)合礦區(qū)地形及積水位置的不同，利用采空區(qū)積水量與礦井涌水量結(jié)合的解析法，對(duì)即將閉坑的礦井水位回彈情況進(jìn)行定性與半定量預(yù)測(cè)。

2)經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，從各個(gè)分區(qū)進(jìn)行積水，到整個(gè)采空區(qū)形成一個(gè)大的匯水區(qū)域，并抬升至-380m需歷時(shí)要五年的時(shí)間。結(jié)果表明，該礦井閉坑停止抽水的五年后，對(duì)相鄰生產(chǎn)礦井產(chǎn)生安全威脅。此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)老空水水位水壓的觀測(cè)，同時(shí)啟動(dòng)預(yù)留潛水泵。經(jīng)過(guò)近年來(lái)對(duì)閉坑后深部礦井匯水過(guò)程的有效監(jiān)測(cè)和評(píng)估，龐莊礦地下水儲(chǔ)水空間巨大，已成為城市地下水庫(kù)應(yīng)急水源地備選之一。

3)礦柱浸水后穩(wěn)定性明顯降低會(huì)促使各水平地下水循環(huán)-交換-流動(dòng)更為復(fù)雜，不確定性增加。

4)7、9煤層的間接充水含水層為底板太原組四灰含水層，含水層水位-360.98m；直接充水含水層為煤層頂板砂巖水，以凈儲(chǔ)量為主，補(bǔ)給量十分微弱；所以經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間閉坑匯水，礦井最高匯水水位應(yīng)與四灰含水層水位持平，最終恢復(fù)到未開(kāi)采前天然狀態(tài)，與區(qū)域地下水補(bǔ)徑排趨勢(shì)吻合。