礦井涌水量預測三維數值模擬

馬青山，駱祖江

(河海大學 地球科學與工程學院,江蘇 南京 210098)

摘要：為了準確預測礦井涌水量，保障煤礦安全生產，以鄂爾多斯巴彥淖井田為例，采用地下水三維數值模擬理論和方法，通過對研究區水文地質模型的概化，建立了巴彥淖井田礦井涌水量預測的地下水三維非穩定流數值模擬模型，并結合礦井生產進度，以工作面月回采進度為單位，模擬預測了豐水期和平水期兩種情況下，各工作面不同進度期地下水位分別疏降至2煤層底時的涌水量。結果表明：在前10個進度期內，工作面最大涌水量為1 328 m3·h-1，正常涌水量為1 134 m3·h-1.實踐證明：該方法不但能正確刻畫礦井水文地質條件，而且還能將礦井涌水量預測和礦井生產進度緊密結合起來，具有較高的精度。

關鍵詞：工作面；涌水量；三維非穩定流數值模型

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0217

文章編號：1672-9315(2015)02-0236-06

收稿日期:*2014-09-10責任編輯：劉潔

通訊作者：馬青山(1988-)，男，四川閬中人，博士研究生，E-mail:ssqm2007@163.com

中圖分類號：TD 742文獻標志碼： A

Three-dimensional numerical simulation for predicting mine water inflow

MA Qing-shan，LUO Zu-jiang

(SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity，Nanjing210098，China)

Abstract：In order to accurately predict the mine water inflow，ensuring the safety of coal mine production,this article took Bayannao well field in Ordos as an example，based on the numerical simulation theories and methods of groundwater movement，a three-dimensional unsteady flow numerical model of groundwater for predicting the water inflow of Bayannao mine was established by generalizing the hydrogeology model of the study area.According to the production schedule of mine，the water inflow in every working face was simulated and predicted on a monthly stoping progress basis when the groundwater level declines to the No.2 coal seam floor，under the average level period and wet period.The results showed the maximum water inflow of working face was 1 328 m3·h-1，the normal water inflow was 1 134 m3·h-1 in the first ten tunneling progresses.The practice shows that the method has a high precision which not only correctly depicts the mine hydrogeology conditions，but also closely combines with the mine water inflow prediction and mine production schedule.

Key words：working face；water inflow；three-dimensional unsteady flow numerical model

0引言

礦井涌水量預測是保證煤礦安全生產的必要工作， 是礦井水文地質工作的重要組成部分，做好礦井涌水量預測意義重大。近年來，由于煤礦采掘環境越來越復雜，因此對涌水量預測的精度提出了更高的要求。目前，礦井涌水量計算方法較多，常用的有解析法、水文地質比擬法、相關分析法等，但這些傳統的計算方法在使用上對區域水文地質條件進行了較大的簡化，并且受限于實測資料的積累，預測精度普遍較低[1-2]。相比而言，地下水三維非穩定流數值模型能較好地刻畫地下水流系統內部結構和功能，較為真實地反映實際的水文地質狀況，并且能夠根據礦井的實際采掘進度和工作面的布置特征預測礦井涌水量[3]，大大提高了礦井涌水量的預測精度。

文中以巴彥淖井田先期開采地段范圍內的礦井工作面涌水量預測為例，根據井田地質和水文地質條件，建立了地下水三維非穩定流數值模型[4-5]，并結合礦機生產進度,以工作面月回采進度為單位，分別對各工作面涌水量進行了預測。預測結果具有較高的精度，為煤礦生產設計部門制定礦井排水能力、制定疏干措施提供了重要的依據。

1工程概況

巴彥淖井田位于內蒙古自治區鄂爾多斯市境內，行政隸屬烏審旗和伊金霍洛旗，東西長10.176 km，南北寬10 km，面積101.76 km2.井田地處毛烏蘇沙漠邊緣，地表全部被第四系風積沙所覆蓋，植被稀疏，為沙漠-半沙漠地區，井田西部局部小范圍為古湖區於淺后形成的灘地地貌。井田內地層由老至新依次有：三疊系上統延長組(T3y)，侏羅系中下統延安組(J1-2y)、中統直羅組(J2z)、安定組(J2a)、白堊系下統志丹群(K1zh)、第四系[6]。

井田內分布的含水層有第四系松散巖類孔隙含水巖組；白堊系碎屑巖類孔隙、裂隙潛水～承壓水含水巖組；侏羅系碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水巖組[6]。其中侏羅系碎屑巖裂隙水是井田礦井的直接充水水源，大氣降水入滲、地表徑流入滲、白堊系孔隙裂隙水和第四系孔隙水是其間接充水水源。

2水文地質概念模型

本次模擬以井田勘查區邊界向外延伸6 km作為模擬范圍，面積約為361 km2，如圖1所示。計算的目的層為第四系潛水含水層，白堊系砂巖含水層，侏羅系中統含水層，侏羅系中下統延安組含水層。各層均概化為非均質各向異性，各層之間均發生水力聯系，整個地下水流態概化為三維非穩定流。四周按通用水頭邊界處理，系統的頂部接受大氣降雨入滲補給，是一補給邊界，同時地下水又通過其蒸發，是一排泄邊界，底部概化為隔水邊界[7-8]，如圖2所示。

圖1　研究區分布范圍示意圖 Fig.1　Schematic diagram of the study area distribution

圖2　水文地質概念模型示意圖 Fig.2　Schematic diagram of hydrogeological conceptual model

3數學模型

依據研究區水文地質概念模型，其數學模型可以描述為(取多孔各向異性介質主滲透方向與坐標軸方向一致)[9]

(x,y,z)∈Ω,

(1)

H(x,y,z,t)|t=t0=H(x,y,z,t0),

(2)

(3)

H(x,y,z,t)=Z,

(4)

式中SS為貯水率,1/m；Kxx,Kyy,Kzz為含水層各向異性主方向滲透系數,m·d-1；H為點(x,y,z)在t時刻的水頭值,m；W為源匯項,1/d；t為時間，d；Ω為計算區。H0(x,y,z,t0)為點(x,y,z)處的初始水位,m；q(x,y,z,t)為第二類邊界上單位面積的補給量,m·d-1；H(x,y,z,t)為點(x,y,z)在t時刻的水頭值，z為已知函數；cos(n,x),cos(n,y),cos(n,z)分別為流量邊界外法線方向與坐標軸方向夾角的余弦；μ為飽和差(自由面上升)或給水度(自由面下降)，它表示在自由面改變單位高度下，從含水層單位截面積上吸收或排出的水量；qw為自由面單位面積上的大氣降雨入滲補給量,m·d-1；Γ2,Γ3第二類邊界和自由面邊界[10]。

4模型的識別與驗證

研究區在平面上剖分成100×100的矩形網格單元，垂向上將地下水系統從上往下剖分成10層：① 第四系松散孔隙潛水含水層；② 白堊系砂巖孔隙、裂隙含水層；③ 侏羅系頂部到2煤以上120 m含水層；④ 2煤頂到120米范圍內裂隙含水層；⑤ 侏羅系2煤裂隙含水層；⑥ 侏羅系2煤底到3-1煤之間含水層；⑦ 侏羅系3-1煤相對隔水層；⑧ 侏羅系延安組3-1～6-2煤間裂隙含水層；⑨ 侏羅系6-2煤；⑩ 侏羅系6-2煤以下含水層，各層具體剖分如圖3所示。研究區東西長約23.2 km，南北長約17.71 km.每層的有效計算單元為9 316個，共計93 160個。其平面和垂向剖分網格，如圖4所示，以2012年8月至2012年12月作為模型識別的時段。

圖3　各層剖分柱狀示意圖 Fig.3　Each layer subdivision histogram

圖4　研究區網格剖分圖 Fig.4　Grid mesh of simulation field (a)研究區平面網格剖分圖　(b)研究區第78行剖面剖分圖 (c)研究區第78列剖面剖分圖

圖5　2煤層參數分區 Fig.5　Parameters zone of 2 coal seam

圖6　觀測井B 5計算水位與觀測水位擬合曲線 Fig.6　Fitting curve of the calculated water level and observed water with observation well B 5

圖7　觀測井HP 5計算水位與觀測水位擬合曲線 Fig.7　Fitting curve of the calculated water level and observe water with observation well HP 5

各含水層的初始流場均由各含水層長觀孔初始時刻的水位差分得到，各含水層通用邊界上的水頭值由實測值經插值給出，邊界上的水力傳導系數及各含水層參數分區的水文地質參數初值均按抽水試驗資料由解析法計算得出，并根據本次工作的抽水試驗資料，通過反演計算，求得了各層的水文地質參數[11-13]。

經識別、驗證,整個模型一共分成112個參數區。其中第一層分為12個參數分區，第二層分為15個參數分區，第三層分為11個參數分區，第四層分為11個參數分區，第五層(2煤層)分為10個參數分區，第六層分為10個參數分區，3-1煤層分為11個參數分區，第八層分為9個參數分區，6-2煤層分為12個參數分區，第十層分為11個參數分區。這里以2煤層舉例說明，圖5為2煤層參數分區圖，表1列舉了該層各分區水文地質參數值。圖6和圖7列舉了抽水試驗時間段內部分觀測井計算水位與實測水位的擬合曲線圖，從圖中可以看出，計算水位和實測水位擬合較好，達到了一定的精度。 該模型可以用來模擬預測礦井工作面的涌水量。

表1　2煤層水文參數

5礦井涌水量預測

巴彥淖井田先期開采地段分為2101工作面、2102工作面、2103工作面、2104工作面、2105工作面、2106工作面、2201工作面、2202工作面、2203工作面、2204工作面、2205工作面，如圖8所示。其中2101工作面和2201工作面同時回采，2102為2101工作面的接續，2202為2201工作面的接續，2103為2102工作面的接續，2203為2202工作面的接續。根據礦井生產進度和工作面的總長度,將11個工作面回采按月為單位依次劃分為若干個工作進度期，見表2.

表2　各工作面回采進度表

圖8　工作面布置示意圖 Fig.8　Layout of working face

5.1豐水期涌水量預測

根據1985—2011年多年氣象資料，取7月份和8月份月平均降雨量81.85 mm作為未來豐水期大氣降雨量。綜合考慮降水入滲補給和蒸發2個方面的因素取入滲系數經驗值0.2，經過模型運行，得到地下水位疏干至2煤層底時各工作面回采時各進度期的礦井涌水量。表3列舉了豐水期第1個進度期到第10個進度期工作面的涌水量。

表3　豐水期工作面回采各進度期涌水量

5.2平水期涌水量預測

根據1985—2011年多年氣象資料，選取1985—2011年多年月平均降雨量27.17 mm作為未來平水期的大氣降雨量。綜合考慮降水入滲補給和蒸發兩個方面的因素取入滲系數經驗值0.2，經過模型運行，得到地下水位疏干至2煤層底時各工作面回采時各進度期的礦井涌水量。表4列舉了平水期第1個進度期到第10個進度期工作面的涌水量。

表4　平水期工作面回采各進度期涌水量

6結論

1)以達西定律和連續性方程為基礎，結合巴彥淖井田地下水系統水文地質條件建立的地下水三維非穩定流數值模型能較好地刻畫井田實際的水文地質狀況。計算結果與實際吻合較好；

2)礦井工作面涌水量預測結果顯示,大氣降水對預測結果有較大的影響。在前10個進度期內，豐水期工作面最大涌水量約為平水期工作面正常涌水量的1.17倍；

3)相比于傳統的礦井涌水量計算方法，地下水三維非穩定流數值模型有著獨特的優勢，一方面它可以結合礦井生產進度對不同工作面各進度期的涌水量進行預報，另一方面它還綜合考慮了大氣降水和蒸發對礦井涌水量預測的影響。因此該方法具有較高的預測精度，在礦井涌水量預測中具有較高的推廣價值。

參考文獻References

[1] 陳酩知,劉樹才,楊國勇.礦井涌水量預測方法的發展[J].工程地球物理學報,2009,6(1)：68-73.

CHEN Ming-zhi，LIU Shu-cai，YANG Guo-yong.The development of mining water inflow predict method[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics，2009,6(1)：68-73．

[2]華解明.“大井法”預測礦井涌水量問題探討[J].中國煤炭地質,2009(6)：45-46.

HUA Jie-ming.Questioning on mine water inflow “virtual large Diameter well” method prediction[J].Coal Geology China，2009(6)：45-46.

[3]劉洋.淺埋煤層開采礦井涌水量計算方法研究[J].西安科技大學學報，2012,32(5)：565-570.

LIU Yang.Calculation method for water inflow from exploited mine in shallowly-buried coal seam[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012,32(5)：565-570.

[4]駱祖江,楊林,周強.煤田礦井涌水量預測三維數值模型[J].水動力學研究與進展,2010,25(6)：738-742.

LUO Zu-jiang，YANG lin，ZHOU Qiang.Three dimensional numerical model for predicting groundwater inflow of mine in coal field[J].Chinese Journal of Hydrodynamics，2010,25(6)：738-742.

[5]吳劍鋒,朱學愚.由Modflow淺談地下水流數值模擬軟件的發展趨勢[J].工程勘察,2000(2)：12-15.

WU Jian-feng，ZHU Xue-yu．Study on the development trend of software of numerical simulation for subsurface flow by Modflow[J].Geotechnical Investigation & Surveying， 2000(2)：12-15．

[6]吳有信,尹金柱.含水層富水性分布的瞬變電磁法探測實例[J].工程地球物理學報,2012,9(6)：743-749．

WU You-xin,YIN Jin-zhu.Application of transient electromagnetic method to aquifer in water abundance areas[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics，2012,9(6)：743-749．

[7]盧文喜.地下水運動數值模擬過程中邊界條件問題探討[J].水利學報,2003,34(3)：33-36.

LU Wen-xi.Approach on boundary condition numerical simulation of groundwater flows[J].Journal of Hydraulic Engineering,2003，34(3)：33-36．

[8]邵太升,邵愛軍,彭建平.峰峰五礦底板突水數值模擬及涌水量預測[J].水文地質工程地質,2009，36(4)：27-31．

SHAO TAI-sheng，SHAO AI-jun，PENG Jian-ping.Numerical simulation of water invasion of No.5 mine in the Fengfeng coalfield[J].Hydrogeology and Engineering Geology，2009,36(4)：27-31．

[9]郭華,金浩波，駱祖江.基于地面控制的江陰市淺層地下水資源評價[J].地質學刊，2009，33(1)：64-69.

GUO Hua，JIN Hao-bo，LUO Zu-jiang.Shallow groundwater resource evaluation based on ground control in Jiangyin[J].Geological Journals，2009，33(1)：64-69.

[10] 駱祖江，張月萍，劉金寶,等.江蘇沿江開發帶地下水開采與地面沉降三維數值模擬[J].地球科學與環境學報,2007,29(3)：281-284.

LUO Zu-jiang，ZHANG Yue-ping，LIU Jin-bao，et al.Three-dimensional numerical model for groundwater withdrawal and land subsidence in development zone along Yangtze river in Jiangsu province[J].Journal of Earth Sciences and Environment，2007,29(3)：281-284.

[11] 王苗.基于灰色理論的礦井頂板涌水量預測模型的建立與應用[D].青島：山東科技大學,2007．

WANG Miao．Study on forecast model of mine roof water inrush based on grey system[D].Qingdao：Shandong University of Science and Technology，2007．

[12] 毛邦燕.復雜巖溶介質礦井涌水量的三維數值模擬研究[D].成都：成都理工大學,2005.

MAO Bang-yan.3-D numerical simulation for the mine discharge of complex Karst mediator[D].Chengdu：Chengdu University of Technology，2005．

[13] 周笑綠,楊國勇.一種礦井突水量預測的近似方法[J].西安科技大學學報，2005,25(3)：342-344.

ZHOU Xiao-lu，YANG Guo-yong.An approximate calculation of the forecast of water irruption quantity in mine[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2005,25(3)：342-344.

[14] 王英，樊永賢，羅一夫.崔家溝煤礦礦井充水因素分析[J].西安科技大學學報，2012,32(6)：722-725.

WANG Ying，FAN Yong-xian，LUO Yi-fu.Water filling factors analysis of Cuijiagou coal mine[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012,32(6)：722-725.

[15] 范立民,王雙明,劉社虎,等.榆神礦區礦井涌水量特征及影響因素[J].西安科技大學學報，2009,29(1)：7-11.

FAN Li-min，WANG Shuang-ming，LIU She-hu,et al.Outcome characteristics and influencing factor of coal mining wastewater in Yushen mining area[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2009,29(1)：7-11.

[16] 何淵.神東礦區降雨入滲補給強度研究[J].西安科技大學學報，2014,34(4)：473-478.

HE Yuan.Research on rainfall infiltration intensity in Shendong mining area[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014,34(4)：473-478.

[17] 魏軍.礦井涌水量的數值模擬研究[D].阜新：遼寧工程技術大學,2006．

WEI Jun.Study on numerical simulation of mine discharge[D].Fuxin：Liaoning Technical University，2006．

[18] 劉國,毛邦燕,許模,等.合山煤田礦井涌水量的數值模擬探討[J].地質與勘探,2007,43(4)：98-103．

LIU Guo，MAO Bang-yan，XU Mo，et al.Discussion simulation for the mine discharge of Heshan coal field[J].Geology and Prospecting，2007,43(4)：98-103．

[19] 韓江水，趙婷,武謀達.綜采放頂煤工作面頂板涌水機理分析[J].西安科技大學學報，2012,32(2)：144-148.

HAN Jiang-shui，ZHAO Ting，WU Mou-da.Analysis of water-inrush mechanism of apical plate for fully mechanized caving face[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012,32(2)：144-148.