基于數(shù)值模擬方法的煤礦開采涌水量預(yù)測(cè)分析

羅奇斌,趙寶峰,毛旭閣,韓元紅,羅 希,胡玉龍

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069;2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077;3.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710021)

煤礦開采過程中大氣降水、地表水、地下水都有可能通過各種通道涌入井下,礦井涌水量的大小及涌入狀態(tài)直接影響礦井的建設(shè)和生產(chǎn)。通常,礦井涌水持續(xù)、緩慢地涌入井下，通過井下排水設(shè)備將其排至地面,不會(huì)影響礦井建設(shè)和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。個(gè)別情況下這些水會(huì)在短時(shí)間內(nèi)突然大量涌人井下作業(yè)空間，輕者沖毀設(shè)備造成局部區(qū)域生產(chǎn)中斷,重者造成人員傷亡,甚至導(dǎo)致淹井事故這樣極為嚴(yán)重的后果[1-3]。煤礦開采造成的頂板冒落塌陷、地下水漏失或疏干,會(huì)引發(fā)區(qū)域地下水水位下降等一系列地下水環(huán)境問題。因此，做好礦井涌水量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),進(jìn)而采取相應(yīng)的防范措施,對(duì)于確保煤礦安全生產(chǎn)、保護(hù)地下水環(huán)境至關(guān)重要[4-7]。

目前礦井涌水量預(yù)測(cè)方法以比擬法、數(shù)值法、解析法為主[8-9]。比擬法是基于已采礦井(參證礦井)的實(shí)測(cè)礦井涌水量數(shù)據(jù),對(duì)未采礦井(預(yù)測(cè)礦井)的礦井涌水量進(jìn)行推算的方法,其核心是預(yù)測(cè)礦井與參證礦井的推算條件的相似程度,主要考慮井田區(qū)的地質(zhì)地貌特征、水文地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件等的相似性。解析法與數(shù)值法同屬于地下水動(dòng)力學(xué)方法,但它們的實(shí)際應(yīng)用有較大差異。解析法(大井法、集水廊道法等)是基于地層均質(zhì)、各向同性等苛刻條件以及單井抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算,但地層的非均質(zhì)、各向異性客觀存在,且比較顯著;數(shù)值法是以流域?yàn)榛締卧⒁圆煌瑤r性地層為基本結(jié)構(gòu)層,依據(jù)區(qū)域地下水溢出量(泉集河流量)、地下水位數(shù)據(jù)等進(jìn)行模型擬合及模擬預(yù)測(cè)。與解析法相比，數(shù)值法對(duì)礦井涌水量預(yù)測(cè)實(shí)體的刻畫更切合實(shí)際,因而數(shù)值法預(yù)測(cè)礦井涌水量的精度更高[10-13]。

本研究以陜北頭道河則、二道河則溝域3號(hào)煤礦為例,構(gòu)建溝域地下水流數(shù)值模型,模擬區(qū)域內(nèi)3號(hào)煤礦在綜采及分層開采兩種開采方式下的礦井涌水量與地下水位變化過程,分析不同開采方式對(duì)礦井涌水量的影響,為煤礦的礦井涌水防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)值模型的構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

頭道河則、二道河則流域位于榆溪河?xùn)|側(cè),屬于毛烏素沙漠南緣與陜北黃土高原接壤地帶,研究區(qū)水文地質(zhì)圖及剖面圖如圖1和圖2所示。區(qū)內(nèi)地表絕大部分被第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙所覆蓋,區(qū)內(nèi)地層由老至新依次為:三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、侏羅系中統(tǒng)延安組砂泥巖(J2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂質(zhì)泥巖(J2z)及第四系(Q4),基巖地層除富縣組與瓦窯堡組間為微角度不整合接觸關(guān)系外,其余各地層之間為整合接觸關(guān)系[14-15]。區(qū)域地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水以及碎屑巖類風(fēng)化殼裂隙潛水與碎屑巖類裂隙承壓水。3號(hào)煤礦位于整個(gè)研究區(qū)域的中心,煤礦開采時(shí)間較長,積累了長時(shí)間連續(xù)的礦井涌水量實(shí)測(cè)資料,因此將3號(hào)煤礦作為為典型礦進(jìn)行研究。煤礦可采煤層主要為侏羅系延安組3#煤層,煤層平均厚度8.36 m。3#煤層厚度大,穩(wěn)定性好,全區(qū)可采,是區(qū)內(nèi)主采煤層。礦井直接充水水源為煤層頂板基巖裂隙水,間接充水水源有大氣降水和上覆松散層潛水。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 水文地質(zhì)概念模型 3號(hào)煤礦分屬榆溪河流域,由于第四系潛水與地表水的分水嶺基本一致,因此地表水與松散層潛水均是按溝域形成、分布與運(yùn)移。綜合考慮區(qū)域水文地質(zhì)特征、溝域水文地質(zhì)單元的相對(duì)完整性以及井田邊界與模型邊界的適度距離(不宜太近與太遠(yuǎn))等因素,確定以溝域地下水分水嶺圍閉區(qū)域?yàn)槟Ｐ蛥^(qū)范圍,面積為598.1 km2,以潛水面為模型區(qū)頂界、以3#煤層底板為模型底界。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件、煤田開采范圍以及周圍水環(huán)境特征等的綜合分析,模型結(jié)構(gòu)在垂直方向上為地面以下、延安組3#煤層底板以上之間的部分,總厚度65～295m。自上而下構(gòu)建起模型區(qū)的“5層結(jié)構(gòu)”:① 第四系薩拉烏蘇組及黃土層孔隙、孔隙裂隙含水層;② 新近系紅色黏土層;③ 分布于全區(qū)的侏羅系砂泥巖完整巖層;④ 分布于全區(qū)的侏羅系砂泥巖層(在煤田開采區(qū),為受開采影響的導(dǎo)水冒裂帶,完全導(dǎo)水);⑤ 概化的3#煤層采空區(qū)。

模型區(qū)潛水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給、主要通過潛水蒸發(fā)蒸騰、泉集河溢出、礦井涌水等方式排泄。型區(qū)西南側(cè)的榆溪河河段概化為變流量邊界,西南邊角為定水頭邊界,東北側(cè)為定流量邊界,其余周界的地下水分水嶺為隔水邊界;模型的底界為隔水邊界(見圖3)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeological map of the study area

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological section of study area

1.2.2數(shù)學(xué)模型 據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型,其地下水流數(shù)學(xué)模型為:

其中:H、Hr分別為地下水位標(biāo)高和河庫水位標(biāo)高，m;Kxx、Kyy、Kzz為各向異性含水層的滲透系數(shù)，m/d;μ、Ss分別為潛水含水層給水度和承壓含水層彈性釋水率,無量綱;Q、W為水井開采量，m3/d；W為礦井涌水量,m3/d;δ為δ函數(shù)(分別對(duì)應(yīng)水井、坑道位置坐標(biāo));h0、h1分別為初始水位標(biāo)高和定水頭邊界水位標(biāo)高,m;Qr為河庫水入滲量或地下水溢出量(入為正、出為負(fù)),m3/d;cos(nx),cos(ny)為邊界法向n與x軸的夾角余弦,邊界法向n與y軸的夾角余弦;A、Kr、Mr為河庫水區(qū)計(jì)算面積,m2;河床淤積層垂向滲透系數(shù),m/d;河庫床淤積層厚度,m;ε為潛水面垂向交換量(入為正、出為負(fù)),m3/d·m2;x、y、z、t為坐標(biāo)變量,m;時(shí)間變量,d;Γ1、Γ2分別為一類邊界和二類邊界;n、Ω為二類邊界外法線方向,計(jì)算區(qū)范圍。

采用modflow軟件對(duì)模型區(qū)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格剖分,根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立研究區(qū)的三維有限差分?jǐn)?shù)值模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬區(qū)為大地坐標(biāo)x=4 277 000～4 240 000,y=19 380 000～19 410 000范圍內(nèi)的矩形區(qū)域。平面上采用200 m×200 m的網(wǎng)格將計(jì)算區(qū)在平面上沿南北向剖分為185行,沿東西向剖分為150列;垂向上剖分為5層,第一層為第四系含水層,第二層為新近系黏土層(無新近系分布地區(qū),由侏羅系巖層補(bǔ)充),第三層為導(dǎo)水裂隙帶之上侏羅系原基巖,第四層為導(dǎo)水冒裂帶及兩側(cè)原巖層,第五層為3號(hào)煤層采空區(qū)及兩側(cè)煤層。這樣將整個(gè)模型區(qū)剖分為185行、150列、5層共138 750個(gè)單元,其中73 637個(gè)為活動(dòng)單元。模型區(qū)有效面積598.1 km2(見圖3)。

圖3 模型區(qū)有限差分剖分網(wǎng)格圖Fig.3 Finite difference meshing of the model area

1.2.3 礦區(qū)充水條件分析 根據(jù)礦區(qū)勘探階段的工作及井下實(shí)際采掘工作情況，3號(hào)煤礦充水通道主要為采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶和封閉不良鉆孔。煤層回采擾動(dòng)形成的冒裂帶是頂板水進(jìn)入礦井的主要通道之一，礦區(qū)大型斷層不發(fā)育，陷落柱不發(fā)育。因此，進(jìn)行冒裂帶高度計(jì)算和探查尤為重要。冒裂帶是煤層開采后形成的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶，裂隙帶溝通冒裂帶內(nèi)的不同基巖含水層，使地下水直接進(jìn)入礦坑，成為礦坑直接充水含水層的主要充水通道。3號(hào)煤礦直接充水含水層為其頂板侏羅紀(jì)中統(tǒng)延安組基巖。煤層開采后，由于采空區(qū)周圍的巖石應(yīng)力集中、釋放而產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙將溝通上部侏羅系中統(tǒng)基巖，并導(dǎo)致煤層頂板以上地層中形成冒落裂隙帶，其導(dǎo)水裂隙帶高度按區(qū)域經(jīng)驗(yàn)裂采比27.5計(jì)算。

3號(hào)煤礦不同充水方式表現(xiàn)為不同的充水強(qiáng)度：以延安組直接充水含水層為充水水源，地層天然裂隙為導(dǎo)水通道，其充水強(qiáng)度最低，水量小，補(bǔ)給條件差。延安組砂巖裂隙水為礦井水的經(jīng)常補(bǔ)給因素；以直羅組砂巖含水層為充水水源，地層天然及人工導(dǎo)水裂隙為導(dǎo)水通道，其充水強(qiáng)度表現(xiàn)為水量大，持續(xù)時(shí)間短，以靜儲(chǔ)量為主。動(dòng)儲(chǔ)量的大小取決于直羅組含水層的補(bǔ)給條件；以地表水為補(bǔ)給水源及人為溝通小窯采空區(qū)形成的礦井充水，充水強(qiáng)度表現(xiàn)為：水量大，來勢(shì)猛，威脅嚴(yán)重。此種充水方式需重點(diǎn)防范，應(yīng)通過調(diào)查和地面物探，摸清積水采空區(qū)的分布范圍，合理留設(shè)防水煤柱。

1.2.4 模型識(shí)別與驗(yàn)證 模型區(qū)內(nèi)除3號(hào)煤礦外，還有22座煤礦，其與3號(hào)煤礦相對(duì)位置見圖4。根據(jù)模型區(qū)煤礦勘探成果、地下水水位統(tǒng)測(cè)和長期監(jiān)測(cè)資料，繪制潛水與承壓水等水位線圖，作為模型識(shí)別的初始流場(chǎng)。依據(jù)3號(hào)煤礦實(shí)測(cè)涌水量與區(qū)內(nèi)地下水水位、地表水流量長觀資料等，將各補(bǔ)排量數(shù)據(jù)代入數(shù)值模型， 以抽水試驗(yàn)獲取的水文地質(zhì)參數(shù)為初值、 2018年1月—2021年12月作為模型擬合的均衡期，通過調(diào)試水文地質(zhì)參數(shù)，擬合礦井涌水量、地表水流量、區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)，獲得識(shí)別期末的地下水流場(chǎng)(見圖5)。模型模擬按照煤礦的開采順序，采用變采空區(qū)空間步長，逐步加大采空區(qū)面積的方式進(jìn)行模型擬合。

圖4 模型區(qū)各煤礦位置圖Fig.4 Location of coal mines in model area

圖5 模型區(qū)擬合末期地下水流場(chǎng)圖Fig.5 Quaternary submersible flow field fitting diagram

模型區(qū)分布有黃土梁崗、沙蓋黃土、沙漠、灘地和河谷等地貌單元,通過模型識(shí)別,獲取大氣降水入滲系數(shù)分區(qū)值:黃土梁崗區(qū)0.03,沙蓋黃土區(qū)0.13,沙漠區(qū)0.4,灘地區(qū)0.35,河谷區(qū)0.28。

模型第1層分為河谷區(qū)、薩拉烏蘇組含水層、薩拉烏蘇組/黃土復(fù)合含水層、黃土含水層4個(gè)區(qū);第2層分為新近系巖層和侏羅系原巖層2個(gè)區(qū);第3層全區(qū)為冒裂帶之上的侏羅系原巖層;第4層為導(dǎo)水冒裂帶及其兩側(cè)的侏羅系原巖層;第5模型層為采空區(qū)及其兩側(cè)的煤層,采空區(qū)內(nèi)無巖層介質(zhì),為完全導(dǎo)水的集水區(qū)(見圖6、表1)。

圖6 模型區(qū)含水層水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)Fig.6 Aquifer hydrogeological parameter division

模型擬合結(jié)果表明:礦井涌水量、地表水流量、地下水水位動(dòng)態(tài)的模擬值與實(shí)測(cè)值總體趨勢(shì)一致,擬合誤差較小,所建數(shù)值模型具有較好的仿真性,可用于研究區(qū)內(nèi)3號(hào)煤礦礦井涌水量的預(yù)測(cè)與分析。

1.3 預(yù)測(cè)方案設(shè)置

根據(jù)開采效率以及開采造成的導(dǎo)水裂隙帶高度,對(duì)于3號(hào)煤礦3#煤層設(shè)置兩種開采方案,用已建立的數(shù)值模型對(duì)礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬。

方案1:分層開采,即3#煤層分層開采,平均開采厚度8 m。據(jù)裂采比27.5推算采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為132 m,開采煤層上覆基巖厚度范圍為200～280 m,開采時(shí)開采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶與第四系潛水未導(dǎo)通。

表1 模型區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)與分區(qū)Tab.1 Hydrogeological parameter partition and parameter value in model area

方案2:綜采,即不分層開采,平均開采厚度8.0 m。據(jù)裂采比27.5推算采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為220m,開采煤層上覆基巖厚度范圍約為200～280 m,開采時(shí)開采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶與第四系潛水部分導(dǎo)通。

方案1共設(shè)置8個(gè)觀測(cè)孔(g1—g8);方案2為監(jiān)測(cè)導(dǎo)通區(qū)域地下水位水位變化情況,增設(shè)4個(gè)觀測(cè)孔(g1-1、g1-2、g2-1、g2-2),共12個(gè)觀測(cè)孔,模型預(yù)測(cè)期的觀測(cè)點(diǎn)位置見圖7。根據(jù)煤礦設(shè)計(jì)的開采年限,設(shè)置模型預(yù)測(cè)期為13.5年。

圖7 模型區(qū)地下水觀測(cè)點(diǎn)位置Fig.7 Location of groundwater observation points predicted by numerical model

2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

2.1 預(yù)測(cè)結(jié)果

2.1.1 礦井涌水量 將地下水流模型識(shí)別得到的末流場(chǎng)作為各方案預(yù)測(cè)的初始流場(chǎng),將模型區(qū)的大氣降水的入滲補(bǔ)給量、農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給量按面源加入模型,采用變采空區(qū)空間步長計(jì)算各方案的涌水量(見表2)。方案1煤礦開采預(yù)測(cè)期末礦井涌水量42 911 m3/d,比預(yù)測(cè)初期數(shù)值增加了約8 900 m3/d;方案2中煤礦開采預(yù)測(cè)期末礦井涌水量58 825 m3/d,比預(yù)測(cè)初期數(shù)值增加了約24 800 m3/d。

表2 各預(yù)測(cè)方案的地下水補(bǔ)排量預(yù)測(cè)成果表Tab.2 Prediction results of groundwater recharge and discharge for each prediction scheme

2.1.2 地下水位降深 模型模擬煤礦開采期末各方案礦區(qū)及區(qū)域地下水位降深,方案1煤層開采區(qū)影響區(qū)(觀測(cè)孔g1—g8)的第四系松散層潛水位降深值在0.87～2.34 m之間、侏羅系碎屑巖層承壓水頭降深值在0.69～28.49 m之間。方案2煤層開采區(qū)影響的非導(dǎo)通區(qū)(觀測(cè)孔g1—g8)的第四系松散層潛水位降深值在1.06～2.83 m之間,侏羅系碎屑巖層承壓水頭降深值在0.68～31.63 m之間;煤礦采空導(dǎo)水裂隙帶與第四系潛水溝通的導(dǎo)通區(qū)(觀測(cè)孔g1-1、g1-2、g2-1、g2-2)的第四系松散層潛水位降深值在31.02～36.22 m之間、侏羅系碎屑巖層承壓水頭降深值在50.78～55.45 m之間。各預(yù)測(cè)方案地下水位觀測(cè)點(diǎn)降深見表3、表4,圖8、圖9。

表3 方案1區(qū)域觀測(cè)點(diǎn)的潛水位降深統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Groundwater level drop depth statistics of observation points in the area of prediction scheme 1

表4 方案2礦區(qū)及附近觀測(cè)點(diǎn)的潛水位降深統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Groundwater level drop depth statistics at the mine site and nearby observation points for prediction scheme 2

圖8 方案1預(yù)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的地下水降深曲線Fig.8 Groundwater dropdown curve of the predicted observation points of scheme 1

圖9 方案2預(yù)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的地下水降深曲線Fig.9 Groundwater dropdown curve of the predicted observation points of scheme 2

2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

礦井總涌水量較現(xiàn)狀涌水量的增加量,主要來自襲奪的地下水蒸發(fā)量、溢流量和含水層儲(chǔ)存量三部分。3號(hào)煤礦分層開采煤層(方案1)的總涌水量較現(xiàn)狀增加了8 900 m3/d,其中第四系潛水蒸發(fā)減少量為1 100 m3/d,泉集河溢出減少量為1 400 m3/d,第四系與侏羅系含水層儲(chǔ)存量減少量為6 400 m3/d,分別占礦井涌水增量的12.4%、15.7%和71.9%;3號(hào)煤礦全采煤層(方案2)的總涌水量較現(xiàn)狀增加了24 800 m3/d,其中第四系潛水蒸發(fā)減少量3 400 m3/d,泉集河溢出減少量為2 700 m3/d,第四系與侏羅系含水層儲(chǔ)存量的減少量為18 700 m3/d,分別占礦井涌水增量的13.7%、10.9%和75.4%。

礦井開采疏干排水為一長期漸變過程,數(shù)值法預(yù)測(cè)結(jié)果是依據(jù)已有地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探與試驗(yàn)等資料進(jìn)行的計(jì)算,采煤初期伴隨著開拓長度和開采面積的增加,礦井涌水量隨之增加,采區(qū)地下水位急速下降、外圍地下水位降落不斷地、緩慢地向外擴(kuò)展;隨著總排水量的增加,地下水儲(chǔ)存量不斷消耗、減少,地下水壓力持續(xù)降低,礦井涌水量逐步趨于穩(wěn)定。在沒有其他水源的突水情況下,數(shù)值法預(yù)測(cè)的穩(wěn)定涌水量基本代表了礦井達(dá)產(chǎn)時(shí)的煤層涌水量。煤礦按方案2開采時(shí),煤礦部分地段采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶將與第四系潛水導(dǎo)通,存在第四系較大的水害影響,因此,推薦方案1(分層開采)預(yù)測(cè)涌水量42 911 m3/d作為3號(hào)煤礦3#煤層的可靠礦井涌水量。

3 結(jié)論

1)利用Modflow軟件構(gòu)建了研究區(qū)3號(hào)煤礦3#煤層三維地下水流數(shù)值模型,對(duì)所建立的模型進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證,并獲取了相應(yīng)的水文地質(zhì)參數(shù)。通過模型預(yù)測(cè)分析,3號(hào)煤礦按方案1(分層開采)煤礦開采預(yù)測(cè)期末礦井涌水量42 911 m3/d,比預(yù)測(cè)初期數(shù)值增加了約8 900 m3/d; 按照方案2(綜采)煤礦開采預(yù)測(cè)期末礦井涌水量58 825 m3/d, 比預(yù)測(cè)初期數(shù)值增加了約24 800 m3/d。

2)3號(hào)煤礦分層開采煤層(方案1)的總涌水量較現(xiàn)狀增加了8 900 m3/d,其中第四系潛水蒸發(fā)減少量為1 100 m3/d,泉集河溢出減少量為1 400 m3/d,第四系與侏羅系含水層儲(chǔ)存量減少量為6 400 m3/d,分別占礦井涌水增量的12.4%、15.7%和71.9%;3號(hào)煤礦全采煤層(方案2)的總涌水量較現(xiàn)狀增加了24 800 m3/d,其中第四系潛水蒸發(fā)減少量3 400 m3/d,泉集河溢出減少量為2 700 m3/d,第四系與侏羅系含水層儲(chǔ)存量的減少量為18 700 m3/d,分別占礦井涌水增量的13.7%、10.9%和75.4%。

3)方案1煤層開采影響第四系松散層潛水位降深值在0.87～2.34 m之間、侏羅系碎屑巖層承壓水頭降深值在0.69～28.49 m之間。方案2煤層開采影響的非導(dǎo)通區(qū)的第四系松散層潛水位降深值在1.06～2.83m之間,侏羅系碎屑巖層承壓水頭降深值在0.68～31.63 m之間;煤礦采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶與第四系潛水導(dǎo)通區(qū)的第四系松散層潛水位降深值在31.02～36.22 m之間、侏羅系碎屑巖層承壓水頭降深值在50.78～55.45 m之間。

4)推薦3號(hào)煤礦按照方案1進(jìn)行分層開采施工,預(yù)測(cè)涌水量42 911 m3/d作為3號(hào)煤礦3#煤層的可靠礦井涌水量。煤礦按方案2開采時(shí),煤礦部分地段采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶將與第四系潛水導(dǎo)通,存在較大的第四系水害影響。若按此方案進(jìn)行施工,應(yīng)采取在導(dǎo)通區(qū)預(yù)留保護(hù)煤柱等相應(yīng)防范措施,并做好監(jiān)測(cè)工作。