臥龍湖礦太灰含水層水文地質求參

2016-02-06 02:20:38王濤

宿州學院學報 2016年12期

王濤

中煤第三建設集團安徽地質測量工程有限責任公司，安徽宿州，234000

臥龍湖礦太灰含水層水文地質求參

王濤

中煤第三建設集團安徽地質測量工程有限責任公司，安徽宿州，234000

通過對臥龍湖煤礦101和102采區進行放水試驗，得到了放水第一、二階段主要太灰觀測孔降深與流量歷時曲線以及水位恢復階段觀測孔降深與流量的歷時曲線。根據放水試驗結果與采區水文地質條件，建立水文地質概念模型并進行水文地質單元劃分，采用FEFLOW模擬軟件進行模型的建立、識別、對比和驗證，求得了較為合理的各水文地質單元地下水動力學參數，進而揭示出了礦區內101與102采區兩個太灰含水層的高水位分布區。

放水試驗；太灰含水層；數值模擬；臥龍湖礦

臥龍湖煤礦深部煤層開采受到下伏太原群巖溶含水層(簡稱“太灰”)和奧陶系巖溶含水層(簡稱“奧灰”)的嚴重威脅。為了查明臥龍湖礦101與102采區太灰含水層的富水性、補給來源、補給方式及可能的補給地段，進而得出采區灰巖水流場分布特征，開展井下放水試驗是一種有效手段。FEFLOW是由德國WASY水資源規劃系統研究所研制開發的基于有限單元法的地下水模型軟件包，是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一。該軟件提供圖形人機對話功能、具備地理信息系統數據接口、能夠自動產生空間各種有限元網、具有空間參數區域化、快速精確的數值算法和先進的圖形視覺化技術等特點[1]。將放水試驗與FEFLOW模擬同時應用于采區水文地質條件分析,是煤礦防治水研究工作中的有益嘗試。

1 研究區水文地質概況

101與102采區位于臥龍湖井田西南部，采區西部及南部以10煤層露頭為界，東部以F9斷層為界，北部以F8斷層為界。101與102采區上限為煤層露頭線，煤層底板標高-310 m左右，下限煤層底板標高為-550 m，采區整體形態呈梯形，北寬南窄，南北長約5000 m，東西寬600～1400 m，面積約5 km2。兩采區內地表無基巖出露，沖積層厚330～355 m，由西南至東北逐漸變厚，區內地勢平坦。

四含水因與基巖直接接觸，構成四含水與煤系含水層水、灰巖含水層水成為互補關系，煤系含水層與下伏灰巖含水層之間有相對隔水層存在，本身聯系不密切，但采區由于F8、F9及BF34等落差大于50米斷層的存在，造成灰巖與煤系地層直接接觸，煤系含水層與灰巖含水層為互補關系[2]。

2 研究區放水試驗

此次研究的主要對象為太原組上段灰巖水。由于其為高承壓含水層，井下也不具備足夠的排水能力和完備的測流、測壓裝備，故本次試驗按照非穩定流方法，采用井下放水，井上、井下同步觀測的方法。為充分暴露礦井水文地質條件，首先102-觀3開始放水，其他鉆孔作為觀測孔。持續放水一段時間后，增加102-放5為放水孔。放水試驗歷時15天，第1d12:00之前開始原始水位觀測，12:00時后打開101-觀3開始放水，由于效果不明顯，于第4d11:00打開102-放5;第10d18:00關閉兩個放水孔，開始水位恢復。放水第一、二階段主要太灰觀測孔降深與流量歷時曲線如圖1所示，水位恢復階段太灰觀測孔降深歷時曲線如圖2所示。

圖1 放水第一、二階段太灰觀測孔降深與流量歷時曲線

圖2 水位恢復階段太灰觀測孔降深歷時曲線

3 水文地質概念模型與數學模型

3.1 水文地質概念模型

根據臥龍湖煤礦水文地質條件，結合太灰101-觀2的觀測結果，可以初步推斷F9斷層以西的塊段為一相對獨立的水文地質單元。東側以落差0～70 m的F9斷層為區外相隔，北側以落差0～90 m的F8斷層為區外相隔，南側與西側以井田淺部10煤層露頭區為界。采區主要水害威脅水源太灰含水層包括4個薄層灰巖，各含水層間無穩定隔水層，水體聯系密切，將其視為一非均質、各向異性統一含水體。該區域的北部邊界定義為流量邊界，邊界的具體流量根據北部太灰2001-觀1在放水過程中降深與流場分布規律進行分段估計。F9斷層以南，101采區東翼軌道巷的太灰101-觀1在整個放水試驗過程中壓力不變，表明F9斷層阻隔太灰水流動，F9斷層為隔水斷層。研究區域的F8斷層落差較大，在計算區域內延長不大，定義為隔水邊界。在F8與F9斷層之間的邊界無構造分布，直接與外界相同，定義為

圖3 101與102采區太灰水文地質概念模型示意圖

流量邊界。區內太灰水主要通過兩個放水孔及102采區局部泄水點等通道進行排泄。

根據整個101與102采區放水試驗結果，結合兩采區水文地質條件與構造條件，將計算區域進行了水文地質參數分區：一共劃分出6個水文地質參數區，并在局部復雜區域定義了緩沖區域(圖3)。

3.2 數學模型

數學模型是水文地質概念模型的數學語言表達形式，它是根據地下水動力學原理，由一個泛定方程加定解條件(邊界條件和初始條件)組成。根據上述水文地質概念模型，即得二維非均質、各向異性、非穩定承壓地下水流的數學模型，可用下列方程式來描述，即：

H(x,y,t)=H1(x,y)∈Γ1

=-q(x,y,t) (x,y)∈Γ2,t>0

4 數值模型的建立、識別與對比驗證

4.1 數值模型的建立

圖4 研究區有限元計算剖分網格

通過對研究區內所有的水文資料進行整理，將研究區進行參數分區[5-6]。采用三角形單元將兩個研究區進行三角剖分，將101與102研究區分為2238個單元，2360個節點(圖4)。

4.2 數值模型識別與驗證

根據已掌握的礦井水文地質條件，將模型所需全部數據輸入模擬計算程序，通過不斷調整模型參數，修正模型的各部分，完成數值模型對客觀水文地質原型較為逼真的擬合。擬合過程采用人工試算與機器調試相結合的方法，即先人為給定未知量(參數或水量)進行正向計算，求得目標函數，并不斷地修改未知量，重復進行正演計算，直至求得的目標函數滿足誤差為止，此時的未知量即是所要求的參數或水量。再給定未知量的約束條件，讓機器自動尋優，不斷地解正問題。求得目標函數達極小值的未知量，即得到所求的參數。然后結合礦井的水文地質條件，進行綜合分析，確定較合理的一組。

根據放水試驗，本次模擬時間段為第4d15：00～第10d18：00～第15d9:00兩個時間段。從圖5中第10d18：00的時刻水位分布模擬與實測對比圖可以看出，模擬結果基本與觀測結果相符合，從圖中可以明顯地看出兩個高水位分布區與兩個降落漏斗的分布區。從圖6中第15d9:00的時刻水位分布模擬與實測對比圖可以看出，水位恢復速度較慢，高水位分布區水位變化很小，少數觀測孔水位在此時間段內恢復到初始水位。盡管部分觀測孔上水位恢復模擬不太理想，但大體上水位恢復階段的模擬還是符合放水試驗反映的客觀實際。