含水層導(dǎo)通下朝克烏拉礦井涌水量穩(wěn)定性研究

劉麗紅，溫永帥

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

目前，采用數(shù)值法和解析法對(duì)礦井涌水量預(yù)測(cè)比較成熟，尤其數(shù)值法因能很好地刻畫(huà)研究區(qū)真實(shí)的三維地質(zhì)情況而被廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]用GMS軟件對(duì)新疆北部某煤礦進(jìn)行礦井涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)考慮工作進(jìn)度預(yù)測(cè)的涌水量能更真實(shí)反映情況；文獻(xiàn)[2]將基于GIS的富水性分區(qū)模型結(jié)果應(yīng)用到數(shù)值模擬涌水量預(yù)測(cè)中，提高了預(yù)測(cè)的涌水量的精確度；文獻(xiàn)[3]提到在煤礦開(kāi)采過(guò)程礦井涌水量預(yù)測(cè)的各方法中數(shù)值法與回采工作面工作情況結(jié)合起來(lái)，預(yù)測(cè)的礦井涌水量能夠反映其真實(shí)情況。礦井水及其利用問(wèn)題是近年來(lái)黨和政府及專家學(xué)者共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，2015a國(guó)務(wù)院發(fā)布的“水十條”中明確提出“推進(jìn)礦井水綜合利用，煤炭礦區(qū)的補(bǔ)充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水，加強(qiáng)洗煤廢水循環(huán)利用。文獻(xiàn)[4]提出將礦井水用于洗煤、灌溉及生活飲用等，既提高了水資源利用率又緩解了礦區(qū)水資源短缺的問(wèn)題。本文通過(guò)朝克烏拉礦井開(kāi)采過(guò)程中不同導(dǎo)通條件下涌水量的預(yù)測(cè)，結(jié)合該礦井用水需要，對(duì)礦井涌水量穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對(duì)涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、節(jié)約水資源有一定意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

朝克烏拉礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟巴彥寶力格礦區(qū)，行政隸屬錫林浩特市阿爾善鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)內(nèi)地形為平緩態(tài)的侵蝕積累的大部平原，地表遍生牧草，表現(xiàn)出自然草原景色。井田南距錫林浩特市50km，集通鐵路支線(桑根達(dá)來(lái)～錫林浩特)從井田南部錫林浩特市通過(guò)。錫林浩特市至呼和浩特市、張家口市、赤峰市、阿爾善鎮(zhèn)及東烏珠穆沁旗均有瀝青公路相通，另外，井田南部有瀝青公路通過(guò)，交通方便。

1.2 水文地質(zhì)類型

礦井地處河谷平原區(qū)，由地層巖性的埋藏條件和地下水賦存特征得知[5]，礦井內(nèi)對(duì)煤層開(kāi)采有威脅的含水層為白堊系下統(tǒng)巴彥花組上段(K1b3)的砂礫巖承壓裂隙含水層，富水性強(qiáng)；巴彥花組中段(K1b2)煤系承壓裂隙含水層，富水性弱；巴彥花組下段(K1b3)裂隙承壓含水層。由于礦區(qū)內(nèi)煤層上覆的間接充水含水層的富水性強(qiáng)，厚度大，裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)，且主采煤層又位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，局部斷層發(fā)育，將礦區(qū)水文地質(zhì)類型確定為復(fù)雜的裂隙充水礦床。

2 礦井涌水量數(shù)值模擬模型

預(yù)測(cè)礦井涌水量時(shí)，含水層隨著工作面的不斷開(kāi)采持續(xù)疏干，按工作面依次工作情況，預(yù)測(cè)各個(gè)工作面涌水量，通過(guò)每個(gè)工作面疏水1年分別計(jì)算導(dǎo)通煤層上覆K1b2含水層、K1b3強(qiáng)含水層兩種條件下的每個(gè)工作面礦井涌水量，判斷水量能否滿足礦井穩(wěn)定供水。

2.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，考慮到礦井排水時(shí)的影響、含水層疏干過(guò)程的影響區(qū)域，確定南部以F01號(hào)斷層范圍為界、北部以F04號(hào)斷層范圍為界，向外擴(kuò)2km確定為研究區(qū)范圍，概化為5個(gè)含水巖組，分別為2煤煤層含水巖組、2煤上部(K1b2)含水巖組、白堊系下統(tǒng)(K1b3)砂礫巖含水組、第三系孔隙承壓含水巖組和第四系孔隙潛水含水巖組。2煤頂板和白堊系下統(tǒng)(K1b3)砂礫巖含水組中間存在比較穩(wěn)定的隔水巖組。研究區(qū)三維效果如圖1所示，概化后研究區(qū)平面圖如圖2所示。

圖1 研究區(qū)三維效果

圖2 研究區(qū)范圍

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件及建立的概念模型，考慮水力性質(zhì)等因素，把研究區(qū)概化為各項(xiàng)異性的，且為非穩(wěn)定非均質(zhì)的三維地下水流場(chǎng)[6-11]，數(shù)學(xué)模型的公式如下。

式中：kx、ky、kz為研究區(qū)滲透系數(shù)在各方向的分量，(m·d-1)；h為三維地下水流場(chǎng)水頭，m；n為研究區(qū)邊界的外部法線所指方向；q為研究區(qū)邊界流量大小，(m3·h-1)；w為研究區(qū)單位體積大小流量值,(m3·h-1)，用以表示流進(jìn)或流出的水量大小值；μs為含水層的儲(chǔ)水率,m-1；h0為開(kāi)始水頭數(shù)值，m；t為時(shí)間，d；D為研究區(qū)整個(gè)范圍；Γ為研究區(qū)邊界種類。

2.3 數(shù)值模擬

為了提高數(shù)值模擬精度[12-14]，考慮到礦井排水時(shí)的影響、含水層疏干過(guò)程的影響區(qū)域、礦井的實(shí)際勘探程度以及地下水徑流的排泄量、補(bǔ)給量確立情況難度較大，所以把范圍足夠大的四周自然邊界范圍作為模擬區(qū)域，確立新生界孔隙含水巖組上面的邊界為潛水水面類型邊界，研究區(qū)周圍自然邊界類型確定為零流量邊界，隔水邊界為2煤煤層巖組下部邊界，煤層開(kāi)采后，將各煤層開(kāi)采部分定為給定水頭邊界，研究區(qū)面積約為140km2。建立模型時(shí)，依據(jù)礦井水文地質(zhì)條件的概化情形，對(duì)礦區(qū)實(shí)行三維網(wǎng)格剖分，確定剖分7層在垂直方向上，研究區(qū)網(wǎng)格剖分如圖3所示。

(a)第80行在垂向剖分結(jié)果

2.4 模型識(shí)別

根據(jù)已有抽水試驗(yàn)資料，概化抽水井有第四系的Y136孔，第三系的J2孔，白堊系上統(tǒng)(K1b3)的水文1號(hào)孔、水文2號(hào)孔。根據(jù)該礦井所應(yīng)用的數(shù)值模型，對(duì)研究區(qū)三維地下水系統(tǒng)進(jìn)行模型識(shí)別工作，模型擬合結(jié)果如圖4所示，模型驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

(a)Y136孔抽水試驗(yàn)水位擬合

(a)水文2號(hào)孔抽水試驗(yàn)水位擬合

2.5 導(dǎo)通K1b2含水層時(shí)涌水量預(yù)測(cè)

導(dǎo)通k1b2含水層時(shí)，含水層隨著工作面的不斷開(kāi)采持續(xù)疏干，按工作面依次工作情況計(jì)算每個(gè)工作面涌水量，部分工作面涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示，部分工作面開(kāi)采一年末的地下水位流場(chǎng)情況如圖6所示。導(dǎo)通k1b2含水層時(shí)，只考慮煤層開(kāi)采過(guò)程中冒落帶及裂隙帶波及到k1b2含水層時(shí)的涌水量，不考慮斷層活化導(dǎo)水及誘發(fā)的邊界側(cè)向和垂向補(bǔ)給，該含水層厚度較小，隨著工作面的開(kāi)拓，涌水量呈遞減趨勢(shì)，地下水位不斷下降，地下水位降落漏斗持續(xù)擴(kuò)大，隨著開(kāi)采進(jìn)程，采區(qū)中部含水層接近疏干狀態(tài)。

表1 導(dǎo)通k1b2含水層時(shí)部分工作面涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

(a)2104工作面開(kāi)采一年末的地下水位流場(chǎng)

2.6 導(dǎo)通K1b3含水層時(shí)涌水量預(yù)測(cè)

導(dǎo)通K1b3強(qiáng)含水層時(shí)，含水層隨著工作面的不斷開(kāi)采持續(xù)疏干，按工作面依次工作情況計(jì)算每個(gè)工作面涌水量，不考慮上覆第三系及第四系導(dǎo)通、和邊界補(bǔ)給和斷層活化導(dǎo)水。部分工作面涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示，部分工作面開(kāi)采一年末地下水流場(chǎng)如圖7所示。K1b3含水層的富水性很強(qiáng)，裂隙發(fā)育，含水層厚度比較大，透水性強(qiáng)，且主采煤層又位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下， 局部斷層發(fā)育，盡管各含水層的富水性在水平和垂直方向上各向異性，但在開(kāi)采條件下局部地段極易與上覆強(qiáng)富水含水層溝通，出現(xiàn)較大涌水量。

表2 導(dǎo)通K1b3強(qiáng)含水層時(shí)部分工作面涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

(a)2104工作面開(kāi)采一年末地下水位流場(chǎng)

3 礦井涌水量穩(wěn)定性分析

3.1 用水指標(biāo)分析

根據(jù)朝克烏拉礦井實(shí)際用水情況，礦井用水主要為工業(yè)場(chǎng)地生活用水、生產(chǎn)用水及井下消防灑水等。其中，礦井工業(yè)場(chǎng)地總用水量為3 323.37m3/d， 行政福利區(qū)用水量為329.5m3/d； 生產(chǎn)、 生活用水966.5m3/d； 工業(yè)場(chǎng)地綠化172.8m3/d； 電廠規(guī)劃容量為8×660MW， 若一期投入4臺(tái)機(jī)組， 電廠每小時(shí)平均用水量為330m3/h，該區(qū)域總用水量為606.6m3/h，總用水量統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

表3 總用水量統(tǒng)計(jì)表 m3·h-1

3.2 礦井涌水量穩(wěn)定性分析

采用數(shù)值法計(jì)算各工作面k1b2含水層最小涌水量為14.095m3/h，各工作面的礦井涌水量均小于煤礦生產(chǎn)和電廠運(yùn)轉(zhuǎn)日最大用水量606.6m3/h的要求。因此k1b2含水層涌水量不能滿足煤礦和電廠用水要求。

采用數(shù)值法計(jì)算各工作面K1b3含水層最小涌水量為227.911m3/h，各工作面的礦井涌水量均小于煤礦生產(chǎn)和電廠運(yùn)轉(zhuǎn)日最大用水量606.6m3/h的要求，因此K1b3含水層涌水量對(duì)供給煤礦及電廠用水偏不穩(wěn)定。

由于數(shù)值法第二種情況計(jì)算的是K1b3強(qiáng)含水層，沒(méi)有考慮礦區(qū)周邊區(qū)域地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給、上覆第三系及斷層的聯(lián)通性，對(duì)供水偏不利的情況下的涌水量，本研究選取此最不利供水情況各工作面累積涌水量過(guò)程進(jìn)行水文頻率理解，礦井總涌水量經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)和擬合頻率曲線如圖8所示。擬合均值Ex=641.0，變差系數(shù)Cv=0.18，偏態(tài)系數(shù)Cs=0.36。對(duì)于礦井最大日用水量606.6m3/h，兩含水層水量保證率為90%。從供水意義角度，水文年定義的“極其干旱”“干旱”“半干旱”“濕潤(rùn)”條件下的概率分別為95%、80%、50%和20%。50%概率條件下的涌水量值作為礦井正常涌水量，因此能夠依據(jù)穩(wěn)定水平來(lái)對(duì)k1b2、K1b3含水層進(jìn)行供水穩(wěn)定分類：95%、80%、50%，20%保證率下的礦井穩(wěn)定供水流量分別為ER1、ER2、ER3 和ER4。

ER1:QER1=Q95=460.420m3/h

ER2:QER2=Q80=540.26m3/h

ER3:QER3=Q50= 633.82m3/h

ER4:QER4=Q20= 737.406m3/h

圖8 礦井總涌水量經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)和擬合頻率曲線

根據(jù)礦井情況，首采區(qū)的側(cè)向徑流補(bǔ)給量為312.97萬(wàn)m3，降雨入滲補(bǔ)給量為66.91萬(wàn)m3，總計(jì)379.88萬(wàn)m3(433.65 m3/h)。將數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)的最不利供水K1b3含水層的礦井涌水量疊加煤層開(kāi)采、 k1b2含水層涌水量及首采區(qū)補(bǔ)給量， 最小供水量為888.763m3/h，大于礦井最大需水量606.6m3/h，因此，此區(qū)的水資源量可為礦井和電廠穩(wěn)定供水。

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用數(shù)值模擬方法，通過(guò)GMS軟件，不考慮礦井周圍方向補(bǔ)給和斷層裂隙導(dǎo)水條件下預(yù)測(cè)朝克烏拉礦井涌水量，得到導(dǎo)通k1b2、K1b3兩種不同條件下涌水量大小。

(2)數(shù)值法求解迭代30個(gè)工作面，在供水不利情況下k1b2、K1b3最小涌水量之和為455.113 m3/h，礦井涌水量小于煤礦生產(chǎn)日最大用水量606.6 m3/h的要求，礦井不能穩(wěn)定供水。

(3)將數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)的最不利供水情況K1b3富含水層的礦井涌水量疊加k1b2含水層涌水量及首采區(qū)補(bǔ)給量，最小水量為888.763m3/h，大于礦井最大需水量606.6m3/h，此情況下可穩(wěn)定供水。