采動(dòng)影響下濱湖煤礦奧灰地下水流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

張歷峰

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司濱湖煤礦，山東 棗莊 277599）

我國(guó)華北型煤田下組16 煤開(kāi)采時(shí)，煤層基本底為奧灰系頂部灰?guī)r含水巖體，其分布范圍廣，受巖溶作用影響明顯，具有很好的富水性[1-2]。濱湖煤礦目前開(kāi)采太原組16 煤，已發(fā)生奧灰突水事故7 次。奧灰水位在-165.8～ -175.5 m 之間。區(qū)內(nèi)奧灰水具有埋藏深、富水性不均一等特點(diǎn)，在構(gòu)造復(fù)雜地段極易發(fā)生突水。因此，需要結(jié)合研究區(qū)16 煤開(kāi)采技術(shù)條件展開(kāi)深入研究，查明奧灰地下水流場(chǎng)特征及演化規(guī)律，采取有效措施消除底板奧灰水對(duì)16 煤開(kāi)采的威脅。

GMS 軟件目前廣泛應(yīng)用于地下水二維、三維流場(chǎng)模擬研究，該軟件具體有構(gòu)建模型、賦值參數(shù)、圖像結(jié)果分析等一系列強(qiáng)大功能，可實(shí)現(xiàn)模型快速高效求解[3-4]。基于此，本文對(duì)濱湖煤礦162 采區(qū)16 煤開(kāi)采水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)分析，開(kāi)展井下抽、放水試驗(yàn)，并獲取相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。運(yùn)用GMS軟件構(gòu)建研究區(qū)奧灰地下水流場(chǎng)模型，模擬放水試驗(yàn)全過(guò)程，觀察奧灰水位變化、徑流方向及斷層導(dǎo)水性等，旨在為煤礦后期16 煤開(kāi)采奧灰水害防治提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于魯西松散沖積平原區(qū)，水文地質(zhì)單元屬相對(duì)獨(dú)立的半封閉型單元。圖1 為研究區(qū)位置圖，西北部為F25-10 斷層，東部為西馬村斷層，東北部與錦丘煤礦相鄰，南部與新安、王晁煤礦相鄰。目前濱湖煤礦正在開(kāi)采該區(qū)域-465 m 水平，采掘過(guò)程中揭露大量小斷層和隱伏構(gòu)造。另外F38-11 斷層、胡樓斷層、F121-1 斷層交叉穿過(guò)該區(qū)域，影響地下水的補(bǔ)、徑、排特征。該區(qū)16 煤埋深在-507～ -600 m 之間，水壓在3.48～4.29 MPa 之間，奧灰埋藏深、儲(chǔ)量大、富水性不均一。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 地下水流場(chǎng)模型構(gòu)建

2.1 水文地質(zhì)概念模型

2.1.1 模擬區(qū)內(nèi)、外邊界概化

模擬區(qū)位于F25-10 逆斷層和西馬村正斷層的下盤，根據(jù)以往地質(zhì)資料，奧灰主要接受東北、西南鄰礦側(cè)向弱補(bǔ)給，因此將研究區(qū)與錦丘煤礦、新安煤礦、王晁煤礦邊界設(shè)置為定水頭邊界；西北部邊界為F25-10 低角度逆斷層，受擠壓應(yīng)力作用，斷層封閉性較好，抽、放水試驗(yàn)也表明該斷層兩側(cè)的含水體水力聯(lián)系較弱，將其設(shè)置為零流量邊界。東部邊界為西馬村正斷層，周邊煤礦開(kāi)采已對(duì)該斷層導(dǎo)水性進(jìn)行驗(yàn)證，證明其導(dǎo)水性較弱，將其設(shè)置為零流量邊界。位于研究區(qū)內(nèi)部的胡樓斷層、F38-11 斷層、F121-1 斷層，根據(jù)本次放水試驗(yàn)結(jié)果顯示，其具有一定的透水能力，因此將內(nèi)部斷層均設(shè)置為弱透水邊界。研究區(qū)各邊界劃分結(jié)果如圖2。

2.1.2 含水層結(jié)構(gòu)概化

研究區(qū)16 煤頂板十下灰和底板十四灰含水層經(jīng)多次探查，認(rèn)為其富水性較弱，局部富水且以靜儲(chǔ)量為主。因此十下灰和十四灰水易于疏放，對(duì)煤層開(kāi)采不構(gòu)成威脅，而16 煤底部發(fā)育相對(duì)封閉且獨(dú)立的巨厚奧灰承壓含水層，在構(gòu)造破碎地段往往影響煤礦生產(chǎn)。根據(jù)以往探查和實(shí)際生產(chǎn)資料分析，奧灰含水層具有埋藏深度大、巖溶十分發(fā)育、富水性不均一等特點(diǎn)。因此，在深入分析研究區(qū)含（隔）水層分布、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征、奧灰水位變化等的基礎(chǔ)上，將模擬區(qū)劃分為6 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元。劃分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 模型參數(shù)分區(qū)圖

2.1.3 源匯項(xiàng)概化

由于奧灰含水層埋藏深，認(rèn)為大氣降水和地表水對(duì)其補(bǔ)給極弱，不考慮奧灰水與地表水之間的水力聯(lián)系。因此，研究區(qū)奧灰水主要考慮從周邊煤礦補(bǔ)給。含水層水排泄則主要依靠井下鉆孔和工作面泄水巷疏放。此外，突水點(diǎn)也起到排泄含水層水的作用，可將其概化為一個(gè)放水孔。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述構(gòu)建的水文地質(zhì)概念模型，結(jié)合地下水流動(dòng)特征，構(gòu)建適用于研究區(qū)的二維各向異性非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型[5]：

式中：q為放水孔的出水量，m3/h；i為放水孔編號(hào)；n為放水孔總數(shù)；Tx為x 軸向?qū)禂?shù)，m2/h；Ty為y 軸向?qū)禂?shù)，m2/h；H為水頭高度，m；H0為初始水頭高度，m；ψ1為第一類邊界；ψ2為第二類邊界；S為含水層的儲(chǔ)水系數(shù)；t為放水時(shí)間，h；x、y為坐標(biāo)值。

2.3 地下水流模型

在建立水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型后，接下來(lái)需要構(gòu)建地下水流模型。首先將研究區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行剖分，按照X 軸和Y 軸方向?qū)|西寬4.5 km、南北長(zhǎng)5.6 km 的矩形區(qū)域劃分為12 000 個(gè)不等間距的小單元格。將整個(gè)模擬過(guò)程劃分為三個(gè)階段，第一、二階段作為模型的識(shí)別期，共劃分為85 個(gè)應(yīng)力期；第三階段的水位恢復(fù)作為模型驗(yàn)證期，共劃分為46 個(gè)應(yīng)力期；在整個(gè)模型識(shí)別、驗(yàn)證的過(guò)程中，每個(gè)應(yīng)力期內(nèi)運(yùn)行一次，共計(jì)運(yùn)行131 個(gè)應(yīng)力期。

使用自然鄰點(diǎn)插值法（Natural neighbor）得到模擬區(qū)地下水位等值線，將其看作滲流場(chǎng)初始水位進(jìn)行模擬。研究區(qū)放水試驗(yàn)得出的滲透系數(shù)K和儲(chǔ)水系數(shù)S導(dǎo)入地下水流模型，通過(guò)反復(fù)識(shí)別、驗(yàn)證和參數(shù)敏感度分析等對(duì)模型進(jìn)行求解，最終得到地下水流場(chǎng)模擬效果圖。

3 模型參數(shù)確定

分別計(jì)算在±10%和±30%條件下的滲透系數(shù)K和儲(chǔ)水系數(shù)S對(duì)模型的影響，通過(guò)不斷優(yōu)化求解，最終得到模型各個(gè)子區(qū)域的輸入?yún)?shù)（K和S），列于表1 中。滲透系數(shù)K從大到小依次為：第4 個(gè)子區(qū)域＞第5 個(gè)子區(qū)域＞第2 個(gè)子區(qū)域＞第1 個(gè)子區(qū)域＞第6 個(gè)子區(qū)域＞第3 個(gè)子區(qū)域；儲(chǔ)水系數(shù)S從大到小依次為：第3 個(gè)子區(qū)域＞第2 個(gè)子區(qū)域＞第6 個(gè)子區(qū)域＞第5 個(gè)子區(qū)域＞第1 個(gè)子區(qū)域＞第4 個(gè)子區(qū)域。

表1 參數(shù)分區(qū)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 模擬結(jié)果分析

4.1 初始奧灰流場(chǎng)特征

圖3 為研究區(qū)放水前初始流場(chǎng)圖?？梢钥闯觯芯繀^(qū)奧灰水位整體處于0～38 m 之間，水位相差較大，反映出奧灰水位的不均一性。放水前F38-11斷層上下盤水位相差較大，斷層西側(cè)水位低，東側(cè)水位高，因此天然狀態(tài)下F38-11 斷層的導(dǎo)水性較差。根據(jù)水位分布特征，研究區(qū)東北部可接受相鄰礦井的弱補(bǔ)給；區(qū)內(nèi)徑流方向主要由東北、南部流向突水部位，然后由突水點(diǎn)流出，最后沿排水巷道排出礦井。

圖3 初始流場(chǎng)圖

4.2 模擬奧灰流場(chǎng)特征

第一階段將所有放水孔打開(kāi)。模擬范圍內(nèi)形成明顯的雙降落漏斗，漏斗中心分別為奧灰放水孔和突水點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量在放水孔處水位降深約25.8 m，在突水點(diǎn)處水位降深約19.7 m。放水孔處形成的降落漏斗較突水點(diǎn)處深，這是由于人工放水量遠(yuǎn)大于突水量，容易形成更大的降落漏斗。根據(jù)圖4（a）中兩降落漏斗的平面形態(tài)特征，可以發(fā)現(xiàn)降落漏斗呈橢圓形，且長(zhǎng)軸方向近平行于斷層破碎帶，說(shuō)明沿?cái)鄬臃较驖B透性較好，垂直斷層方向滲透性較差。根據(jù)圖4（b）中水流運(yùn)動(dòng)方向可知，含水層主要接受東北、南部鄰礦的弱補(bǔ)給，受西側(cè)胡樓斷層補(bǔ)給影響較小，模擬放水前后研究區(qū)徑流情況基本一致。

第二階段關(guān)閉部分放水孔。此時(shí)人工放水量減小，由圖4（c）可以看出，突水點(diǎn)處降落漏斗的降深加大、范圍擴(kuò)大；而放水孔處降落漏斗的降深減小、范圍縮小。圖4（d）可以看出，F(xiàn)38-11 斷層處等水位線密集，導(dǎo)水性較好。同時(shí)，可以觀察到距離突水點(diǎn)較近的2018-2 和2019-1 觀測(cè)孔水位下降明顯，距離放水孔較近的2018-1 和2020-2 觀測(cè)孔水位開(kāi)始回升，驗(yàn)證了關(guān)閉部分放水孔后，雙降落漏斗的最低點(diǎn)由放水孔向突水點(diǎn)移動(dòng)。

第三階段關(guān)閉所有放水孔。由圖4（e）～（f）可以看出，放水孔處降落漏斗逐漸消失，水位回升明顯；突水點(diǎn)處降落漏斗更加明顯，影響范圍也不斷擴(kuò)大，最大降深達(dá)23.8 m。

綜上所述，從模擬奧灰放水孔全部打開(kāi)→部分打開(kāi)→全部關(guān)閉過(guò)程中，觀察研究區(qū)內(nèi)降落漏斗形態(tài)和水位變化特征可以看出，對(duì)奧灰含水層水提前疏放，可以起到很好的疏水降壓效果。

圖4 模擬疏放水過(guò)程流場(chǎng)圖

5 結(jié)論

本文基于GMS 軟件及抽放水試驗(yàn)成果開(kāi)展奧灰地下水流場(chǎng)數(shù)值模擬，分析不同放水階段奧灰水流場(chǎng)的演化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)放水孔和突水點(diǎn)處降落漏斗形態(tài)的變化特點(diǎn)，斷層破碎帶處滲透性大于兩側(cè)地層，且沿?cái)鄬臃较驖B透性較強(qiáng)，垂直斷層方向滲透性較弱。

（2）地下水流場(chǎng)演化特征表明，研究區(qū)主要接受東北、南部鄰礦的弱補(bǔ)給；南北向斷層導(dǎo)水性較強(qiáng)，而北東向斷層導(dǎo)水性較弱。

（3）奧灰放水孔全部打開(kāi)→部分打開(kāi)→全部關(guān)閉過(guò)程中，研究區(qū)水位逐步回升，尤其是放水孔處水位回升明顯，說(shuō)明奧灰水疏降效果較好。