雙柳煤礦礦井涌水量數值模擬研究

劉德旺

(山西焦煤集團公司，山西 太原 0300053)

雙柳煤礦礦井涌水量數值模擬研究

劉德旺

(山西焦煤集團公司，山西 太原 0300053)

如何比較準確的預測礦井涌水量一直是國內外煤礦相關研究人員努力探求的重要問題之一。在充分認識和掌握研究區水文地質條件的基礎上，建立了與實際情況相符合的礦井涌水量數值模擬數學模型，重點研究了模型的邊界條件、模型的時間和空間離散、含水介質水文地質參數的確定，并運用目前較為流行的地下水數值模擬軟件Visual Modflow對研究區進行了礦井涌水量數值模擬，得出了比較合理的礦井各水平井下涌水量，為礦井水害防治提供決策依據。

雙柳煤礦;礦井涌水量;數值模擬

礦井涌水量是礦山建設和生產過程中單位時間內流入礦井的水量。礦井涌水量的準確預測對于煤礦制定防治水措施、防止礦井突水、淹井等礦山水害事故的發生、降低礦山生產成本、保證礦井安全高效生產具有重要的指導意義。礦井涌水量預測方法很多，常見的有大井法、水文地質比擬法、涌水量曲線方程法、水均衡法、數值模擬法等。本文以雙柳煤礦為研究對象，運用精度較高的數值模擬法預測了該礦礦井涌水量，取得了較好的效果。

1 研究區水文地質概況

雙柳煤礦位于山西省河東煤田中部，為典型的黃土高原地貌，為一傾角5°～10°、自東向西傾斜的單斜構造，地層走向南北。井田主要含水層以承壓水為主，主要包括煤系地層砂巖裂隙承壓含水層、石炭系上統太原組灰巖巖溶裂隙承壓含水層和奧陶系中統灰巖巖溶裂隙承壓含水層;隔水層主要為含水層間分布的泥巖、砂質泥巖或粉砂巖。煤系地層地下水自東向西徑流，水力坡度大于奧灰水，以山西組最大，地下水由淺部順含水層向深部運動，徑流強度越來越小，最后可能停滯，沿地層薄弱帶排泄;采礦活動直接或間接揭露含水層后，礦井涌水成了本區煤系砂巖含水層地下水新的排泄點。在井田外圍東部、北部深谷中太原組灰巖出露，接受大氣降水直接補給，受地形、地質條件的控制，太原組灰巖水主要排泄方式為在溝谷中以泉的方式涌出，其次為煤礦生產中揭穿太灰含水層，形成了井田范圍內相對集中的人工排泄點。奧陶系灰巖水徑流方向主要向南～南東，從柳林泉排泄，排泄處水力坡度較小。

2 數值模擬模型的建立

2.1 水文地質概念模型

研究區范圍北至三交三號井田精查區13剖面線，南至聚財塔北斷層，東至精查區東界面積31.03 km2。研究區太灰巖含水層厚度在30 m左右，由于巖性、富水性存在差異性，含水層巖溶發育極不均勻，呈現出各向異性的特征。因此，將其概化為非均質各向異性、單層結構含水層;研究區太灰巖水主徑流方向為西南向和東西向，南北邊界基本平行于主徑流方向，定義為零通量邊界;西南邊界參考黃河水位定義為一類水頭邊界;模型的頂部及下部由于均存在穩定的隔水層(弱透水)，故處理為零通量邊界。綜上所述，區內地下水三維流特征顯著，介質為非均質各向異性介質，符合達西定律。

2.2 數學模型

根據上述的水文地質概念模型，研究區內含水系統地下水流動的三維非穩定流數學模型可描述如下:

式中:x，y，z為笛卡爾坐標軸;t為時間;H0為初始統測水頭，H為已知水頭;Kxx、Kyy、Kzz為坐標軸方向的主滲透系數;μs為比彈性給水度;μd為重力給水度;W 為單位體積井流量，抽水時取負號;Γ1為第一類邊界;Γ2－1為潛水面邊界;Γ2－2為零流量邊界;ε＇為降雨入滲補給量。

本次采用三維有限差分軟件Visual modflow來模擬計算地下水系統的動態變化，進而預測地下水流場發展趨勢與涌水量計算。

2.3 模型剖分

研究區采用矩形六面體(上、下兩平面不一定平行)剖分，垂向上共剖分了2個單元層，3個結點層。平面上結點161×147個。整個模型共計剖分單元47 334個，其中有效單元42 000個。見圖1。

2.4 初始水頭

初始水頭的分布是地下水非穩定流數值模擬不可缺少的條件。利用研究區統測觀測孔水位通過插值獲得各結點的初始水頭值，導入模型，見圖2。

圖 1 模型剖分圖(x∶y∶z=1∶1∶10)

圖 2 太灰含水層初始流場圖(x∶y∶z=1∶1∶10)

2.5 水文地質參數及分區

根據鉆孔資料揭露的巖性變化及剖分時的巖性組合，在垂向上劃分了4個對應的參數分區。針對斷層進行線性排布分區，在垂向上切割多層，陷落柱進行層間的面狀分區。在平面上對參數進一步分區，分區的主要依據為地層對接關系和地下水補給、徑流、排泄條件，水文地質參數分區如圖3所示。

2.6 模型識別與校正

利用長觀資料對模型進行了識別與校正，地下水位動態曲線擬合情況見圖4、圖5。Ms3、Ms7兩個觀測孔的模擬水頭與實測水頭的動態趨勢及相位基本一致。擬合檢驗分析見圖6，其計算數據點個數 310個，最大殘差 6.616 m位于MS3孔，平均參差 －0.109 m，最小參差為 －0.02 6m，位于MS3孔，對于該水動力場狀態變化迅速的高承壓含水層，擬合效果總體是較好的。反演得出了水文地質參數，如表1所示:灰巖水平滲透系數范圍為0.051－0.16 m/d，垂向滲透系數 0.002 5 －0.005 m/d;，彈性重力給水度 0.000 02 －0.000 035，孔隙度為0.1－0.135，模擬的結果合理地反映出了地下水的流動特征與規律。

圖3 水文地質參數分區

圖4 Ms3孔水位擬和曲線

圖5 Ms7孔水位擬和曲線

圖6 擬合檢驗分析圖

表1 水文地質參數反演結果

3 模擬結果分析

通過模型的識別與校正，對區內的各項水文地質參數進行了反演輸出，數值模型建立合理。利用所建立的數值模型，以礦井開采計劃中各階段的開采水平為基本約束條件，進行礦井涌水量模擬計算，在模型中反復調試礦井涌水量使井下地下水位保持在該開采水平之下，研究區內太灰巖層頂板標高為+200～450 m，由東向西標高逐漸降低，故虛擬疏水孔大多置于礦井西部，來預測計算模擬區不同水平水位及涌水量特征。圖7、圖8、圖9為其中三個水平的水位等值線，各水平預測計算的涌水量如表2所示。 本次所預測的井下涌水量為假定條件下的下組煤奧灰災害穩定涌水量，隨著開采深度的增加，涌水量不斷增大，所以設計礦井排水能力時還應考慮井筒20 m3/h涌水和上組煤采空區積水因素，建議排水能力按700m3/h涌水量設計。

圖7 模擬+500水平水位等值線

圖8 模擬+450水平水位等值線

圖9 模擬+400水平水位等值線

表2 各開采水平涌水量模擬結果

4 結語

本文采用數值模擬方法來預測井下涌水量，該方法不但能夠考慮較多的影響因素，用來解決實際工程中比較復雜的問題，還能夠比較充分地反映出煤田井下含水介質的水動力學特性和特定的邊界條件，能夠更加深入和全面地反映煤田井下涌水的全過程。模擬結果表明:所建立的研究區數學模型及邊界條件的處理是合理的;最后的模擬結果比較客觀地反應了研究區開采規模的變化所呈現出來的礦區地下水位的相應變化，與模型檢驗過程中所設定的地下水位值基本吻合。其模擬結果能夠為礦井水害防治技術與措施的制定提供決策依據。

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P641

B

1004－1184(2012)01－0051－02

2011－10－17

劉德旺(1972－)，男，山西平遙人，高級工程師，主要從事礦井水害防治方面的研究工作。