基于富水性分布的礦井奧灰含水層涌水量動態(tài)預(yù)測

萬燎榕， 王 洋， 張衛(wèi)民， 吳 平， 葛 勤， 劉海燕

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 南昌 330029； 2.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院， 南昌 330013)

煤層底板奧灰含水層水害一直是中國華北地區(qū)煤礦水害的主要類型。近年來，隨著開采水平的延伸和開采深度的增加，高承壓、強(qiáng)富水的奧灰含水層水害問題愈加復(fù)雜，同時(shí)奧灰含水層巖溶發(fā)育程度不一，富水性分布不均等問題，造成礦井涌水量難以準(zhǔn)確預(yù)測，給礦井的防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和礦井安全生產(chǎn)帶來較大不利影響[1-3]。因此，在對奧灰?guī)r溶含水層巖溶發(fā)育規(guī)律與富水性分布規(guī)律深入分析的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理地對礦井奧灰含水層涌水量進(jìn)行預(yù)測，對礦井的疏降工程與安全生產(chǎn)具有實(shí)際意義。

目前，在礦井涌水量預(yù)測問題方面，中外學(xué)者開展了一些積極的探索與研究。牟兆剛等[4]在分析影響大井法預(yù)測精度相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，提出了一種基于涌水量探采對比的大井法公式修正方法，并將該方法水量結(jié)果與實(shí)測涌水量進(jìn)行對比分析。段東偉等[5]在對礦井工作面充水水源、充水通道與充水強(qiáng)度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上，分別采用大井法、單寬流量法和水文地質(zhì)比擬法對涌水量進(jìn)行了動態(tài)預(yù)測與對比研究，得出水文地質(zhì)綜合比擬法預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確。方剛等[6]在分析導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的基礎(chǔ)上，采用大井法、廊道法、動靜結(jié)合法、比擬法和數(shù)值法分別對礦井工作面涌水量進(jìn)行了預(yù)測與對比分析，得出比擬法的計(jì)算結(jié)果最接近礦井生產(chǎn)實(shí)際。蔡淼等[7]將水文地質(zhì)比擬法和灰色理論模型有機(jī)結(jié)合，提出一種具有時(shí)空特征的計(jì)算方法，并與解析法進(jìn)行對比分析。郭小銘[8]在數(shù)值模擬過程中將采空區(qū)涌水概化為排水溝邊界條件，并結(jié)合局部水均衡分析，得出工作面采后采用區(qū)的涌水量。陳時(shí)磊等[9]在建立數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，以首采區(qū)回采工作面月掘進(jìn)進(jìn)度為單位，采用豐水期和平水期兩種預(yù)測方法，對礦井工作面底板的涌水量進(jìn)行了模擬和預(yù)測。王洋等[10]在精細(xì)刻畫研究區(qū)邊界條件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對礦井底板奧灰含水層的疏降水量進(jìn)行了整體預(yù)測，并用以指導(dǎo)礦方的疏放水工作。李燕等[11]在建立合理可靠的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，對未開采和開采兩種方案的礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測，并預(yù)計(jì)了礦井涌水量的水量構(gòu)成。白曉等[12]通過構(gòu)建地下水流數(shù)值模型和ARIMA降水量預(yù)測模型(R語言軟件)的基礎(chǔ)上，對峰峰礦區(qū)巖溶地下水水位動態(tài)變化和地下水資源量進(jìn)行了模擬和預(yù)測，得出2018—2025年巖溶地下水位和降落漏斗的變化趨勢。

前人在傳統(tǒng)涌水量預(yù)測方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了積極的探索和改進(jìn)，并與實(shí)際聯(lián)系更為緊密。其中，數(shù)值法能相對真實(shí)的構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，刻畫含水層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、水力特征與邊界條件，在礦井涌水量預(yù)測中應(yīng)用更為廣泛[13]。但在目前實(shí)際應(yīng)用中，主要存在兩個(gè)方面問題：一是模型中虛擬疏放孔的位置布設(shè)過于隨意，未充分考慮含水層的富水性分布，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有所偏差；二是礦井涌水量不是一個(gè)固定值，而是隨著礦井生產(chǎn)進(jìn)度的進(jìn)行在時(shí)空上不斷動態(tài)變化的量。為此，在對奧灰含水層富水性分區(qū)評價(jià)基礎(chǔ)上，將富水性分區(qū)結(jié)果導(dǎo)入到數(shù)值模型中，通過在強(qiáng)富水區(qū)布設(shè)虛擬疏放孔，同時(shí)根據(jù)礦井的生產(chǎn)接續(xù)計(jì)劃，分時(shí)段、分區(qū)段的對礦井涌水量進(jìn)行動態(tài)預(yù)測，從而更為準(zhǔn)確地反映礦井的涌水實(shí)際，為礦井防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件概況

研究區(qū)為河北省蔚州礦區(qū)某煤礦首采區(qū)，該煤礦自下而上依次發(fā)育有侏羅系1#、5#、6#煤層，上部5#、6#煤層已基本回采完畢，目前主采下部首采區(qū)1#煤層，礦井主要充水水源為煤層底板奧陶系灰?guī)r水。研究區(qū)巖溶類型主要為北方埋藏型，以溶蝕裂隙形態(tài)為主，多沿地下水強(qiáng)徑流帶發(fā)育。根據(jù)地面瞬變電磁解譯成果，研究區(qū)范圍內(nèi)主要發(fā)育有6個(gè)富水異常區(qū)。研究區(qū)1#煤底板突水系數(shù)等值線如圖1可知，研究區(qū)突水系數(shù)在0.06～0.66 MPa/m，普遍大于臨界突水系數(shù)(0.06 MPa/m)，全區(qū)面臨突水威脅。因此，在查清煤層底板奧灰含水層富水性分布基礎(chǔ)上，通過在強(qiáng)富水區(qū)分階段布設(shè)虛擬疏放孔，從而科學(xué)合理的對研究區(qū)涌水量進(jìn)行動態(tài)預(yù)測，對后續(xù)的疏降工程與防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。

圖2 奧灰含水層富水性各評價(jià)指標(biāo)Fig.2 Each evaluation index of waterabundance of Ordovician limestone aquifer

2 涌水量預(yù)測方法與過程

2.1 富水性分區(qū)評價(jià)

影響研究區(qū)奧灰含水層富水性分布的因素具有多維性、復(fù)雜性問題[14]，在利用地面瞬變電磁法探測奧灰含水層富水異常區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合抽水試驗(yàn)成果與礦井地質(zhì)構(gòu)造分布資料，構(gòu)建含有物探富水異常指數(shù)、單位涌水量、滲透系數(shù)、斷層分布及斷層分維值5個(gè)指標(biāo)在內(nèi)的評價(jià)指標(biāo)體系，建立各評價(jià)指標(biāo)專題圖，如圖2所示。其中，在刻畫斷層破碎帶和影響帶對斷層周邊富水影響的基礎(chǔ)上，引入了分形理論中斷層分維值[15]這一指標(biāo)，以反映規(guī)模較大斷層周邊中小斷層或巖溶裂隙的富水狀態(tài)。同時(shí)，為避免各評價(jià)指標(biāo)數(shù)值運(yùn)算所帶來的不確定性問題，運(yùn)用較為成熟且易于操作的層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。最后利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)的信息融合功能將歸一化后的各評價(jià)指標(biāo)專題圖進(jìn)行復(fù)合疊加，產(chǎn)生能反映含水層富水性相對大小的數(shù)值，經(jīng)自然分級法[16]分級處理，即可得到煤層底板奧灰含水層富水性分區(qū)評價(jià)結(jié)果，評價(jià)結(jié)果如圖3所示。研究區(qū)南翼在巷道掘進(jìn)時(shí)曾發(fā)生過底板奧灰突水事故，穩(wěn)定出水量為1 600 m3/h，可知該出水點(diǎn)附近為(較)強(qiáng)富水區(qū)，評價(jià)結(jié)果中該出水點(diǎn)附近為較強(qiáng)富水區(qū)，評價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際較為吻合。

圖3 研究區(qū)奧灰含水層富水性分區(qū)Fig.3 Water abundance zoning of Ordovician limestone aquifer in the study area

2.2 水文地質(zhì)數(shù)值模型的構(gòu)建

為了提高研究區(qū)涌水量數(shù)值模型的精度，避免人為邊界處水頭或流量改變所造成的不利影響，模擬區(qū)域延伸至四周天然邊界。北起灰?guī)r的露頭區(qū)，南至壺流河斷層，西起F1斷層，東至松枝口-右所堡斷層。模型范圍與邊界條件概化結(jié)果如圖4所示。模型范圍內(nèi)巖溶水主要沿3個(gè)方向接受補(bǔ)給：①接受F1斷層南部奧灰水的側(cè)向補(bǔ)給；②從模型西北部灰?guī)r露頭區(qū)接受滲透補(bǔ)給；③從松枝口-右所堡斷層，沿壺流河斷層接受側(cè)向補(bǔ)給。模型區(qū)奧灰水的排泄主要為礦區(qū)內(nèi)煤炭開采的疏排水工程。

圖4 水文地質(zhì)概念模型Fig.4 Hydrogeological conceptual model

模型區(qū)奧灰含水層的巖溶類型主要為北方隱蔽式溶蝕裂隙型，巖溶裂隙較為發(fā)育，平面上主要沿地下水強(qiáng)徑流帶發(fā)育，垂向上由淺至深具有逐漸減弱的巖溶發(fā)育特征。因此，將奧灰含水層概化為100 m厚度的單層結(jié)構(gòu)。研究區(qū)井下放水試驗(yàn)?zāi)苄纬赏暾y(tǒng)一的降落漏斗，奧灰含水層內(nèi)部水力聯(lián)系較為密切，符合多孔介質(zhì)滲流理論，因此將其概化為非均質(zhì)、空間三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。經(jīng)模型識別、驗(yàn)證，建立出研究區(qū)奧灰含水層疏水初始等水位線，初始等水位線如圖5所示。

圖5 奧灰含水層疏水初始等水位線Fig.5 Initial isowater level of drainage in Ordovician limestone aquifer

2.3 礦井涌水量動態(tài)預(yù)測

礦井涌水量是一個(gè)受自然因素與人為因素共同影響而動態(tài)變化的量，一方面與含水層自身的富水性分布緊密相關(guān)，只有在強(qiáng)富水區(qū)布設(shè)疏放水鉆孔，才能有效降低地下水位，達(dá)到安全開采的目的；另一方面礦井涌水量是一個(gè)隨著礦井生產(chǎn)進(jìn)度的進(jìn)行在時(shí)空上不斷動態(tài)變化的量。因此，在充分考慮含水層富水性分布的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦井的生產(chǎn)接續(xù)計(jì)劃，分時(shí)段、分區(qū)段的對礦井涌水量進(jìn)行動態(tài)預(yù)測。

由于研究區(qū)全區(qū)面臨突水危險(xiǎn)且隔水層較薄，因此需根據(jù)1#煤奧灰水位控制點(diǎn)，將奧灰水位降至1#煤層底板標(biāo)高，方能保障礦井的安全開采。研究區(qū)從北向南、自東向西布置了8個(gè)采煤工作面。根據(jù)工作面的生產(chǎn)接續(xù)安排，一次只能回采一個(gè)采煤工作面，且按照工作面編號從小到大依次開采。因此，分8個(gè)生產(chǎn)階段對礦井涌水量進(jìn)行動態(tài)預(yù)測。工作面編號及接續(xù)計(jì)劃如表1所示。

進(jìn)行第1階段涌水量預(yù)測時(shí)，需將模擬疏放水量的虛擬孔，主要布設(shè)在第1個(gè)待采工作面的強(qiáng)富水分布區(qū)，反復(fù)調(diào)試虛擬孔的具體位置與水量大小，直至計(jì)算出的水量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且水位降至1101工作面范圍內(nèi)煤層底板標(biāo)高，此時(shí)計(jì)算出的所有虛擬孔的水量為第1階段的礦井涌水量。進(jìn)行第2階段涌水量預(yù)測時(shí)，將第1階段末地下水流場作為第2階段的初始流場，按第1階段的方式方法將虛擬孔主要布設(shè)在第2個(gè)待采工作面的強(qiáng)富水分布區(qū)，得到第2階段奧灰含水層的涌水量大小。同理，通過不斷調(diào)整虛擬孔的位置，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，依次完成各階段涌水量的動態(tài)預(yù)測。

表1 研究區(qū)1#煤回采工作面接續(xù)計(jì)劃Table 1 Coal face continuation plan of the 1# seam in the study area

3 涌水量預(yù)測結(jié)果

按照上述方法，根據(jù)回采工作面的接續(xù)計(jì)劃，經(jīng)反復(fù)調(diào)試虛擬疏放孔的具體位置與水量大小，預(yù)測出第1階段～第8階段的礦井涌水量，預(yù)測結(jié)果如表2所示。由表2可知，礦井涌水量整體上按照生產(chǎn)階段呈現(xiàn)先逐漸增大，后逐漸減小的趨勢。其中，第5階段礦井涌水量達(dá)到最大，為650 m3/h，這是由于1105工作面位于煤層底板標(biāo)高最低處，水頭壓力較大，且工作面較長，疏放范圍大，是礦井的重點(diǎn)疏放區(qū)。隨著第五階段疏放的完成，地下水位已大幅降低，后續(xù)3個(gè)生產(chǎn)階段礦井涌水量自然也就跟著逐漸降低。第1階段末與第8階段末地下水流場展示如圖6所示。

表2 不同生產(chǎn)階段的礦井涌水量Table 2 Mine inflow at different production stages

4 結(jié)論

(1)提出了一種基于富水性分布的礦井涌水量預(yù)測方法。該方法主要包括充水含水層富水性分區(qū)評價(jià)，水文地質(zhì)數(shù)值模型構(gòu)建，以及考慮充水含水層富水性分布與礦井生產(chǎn)進(jìn)度的礦井涌水量動態(tài)預(yù)測三個(gè)方面。

(2)建立了一套基于GIS多源信息復(fù)合疊加的評價(jià)模型對研究區(qū)奧灰含水層富水性進(jìn)行分區(qū)評價(jià)。其中，在評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建方面，引入了分形理論中斷層分維值這一指標(biāo)，以反映規(guī)模較大斷層周邊中小斷層或巖溶裂隙的富水狀態(tài)。

(3)將含水層富水性分區(qū)結(jié)果融入到涌水量預(yù)測模型中，根據(jù)礦井工作面的采掘銜接計(jì)劃，通過在強(qiáng)富水區(qū)分階段布設(shè)虛擬疏放孔，從而對礦井的涌水量進(jìn)行動態(tài)預(yù)測。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該方法預(yù)測的礦井涌水量更為準(zhǔn)確，應(yīng)用效果較好。

圖6 研究區(qū)地下水流場展示圖Fig.6 Underground flow field diagram of the study area