涌水量預測的解析法與數值法對比研究

陳秀艷+劉啟蒙+李鵬飛

摘 要：礦井涌水量是礦井排水系統設計和防治水重要依據。以朝克烏拉煤礦為例，采用解析法和數值法對研究區K1b2含水層涌水量進行預測，并進行對比分析。對比結果表明，數值法更能體現開采過程中涌水量的動態變化過程，較解析法更能反映實際情況。

關鍵詞：涌水量預測；解析法；數值法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.091

0 引言

礦井涌水量預測是煤礦水文地質工作的重要內容，其貫穿了礦床勘探、礦井建設和生產全過程。目前礦井涌水量預測方法較多，由于各種計算方法適用范圍存在差異，因此計算時應充分考慮礦區的地質及水文地質條件。本文以朝克烏拉煤礦為例，在充分考慮礦井水文地質條件的基礎上，分別采用解析法和數值法對朝克烏拉煤礦各工作面K1b2含水層涌水量進行預測，并對預測結果對比分析。

1 研究區水文地質概況

根據區域水文地質資料，礦區從下至上概化為4個含水巖組，即2煤上部（K1b2）含水巖組、白堊系下統上部砂礫巖（K1b3）含水組、第三系孔隙承壓含水巖組和第四系孔隙潛水含水巖組。礦井主要的充水含水層為K1b2含水層，也是本次涌水量預測研究的目的含水層。據含水層混合抽水試驗資料顯示，其單位涌水量為0.0161～0.0119 L/s·m，滲透系數為0.0597～0.0814 m/d，屬弱富水含水層。

2 解析法預測礦井涌水量

2.1 涌水量預測公式

根據開采設計和實際水文地質特征分析可知，水壓會降到隔水層頂板以下，水力性質會轉為承壓—潛水水流，故擬選擇承壓—潛水完整井水平坑道計算公式計算各工作面的涌水量。其公式如下

（1）

（2）

式中Q——工作面礦井涌水量（m3/d）；

B——水平坑道長度，此處指各工作面長度（m）；

S——水位降深（m）；

M——承壓含水層厚度（m）；

R——水平坑道的影響深度（m）；

H——承壓水從最低開拓水平算起的水頭高度（m）；

K——含水層滲透系數（m/d）。

2.2 參數選取

（1）滲透系數參數。根據研究區在K1b2含水層的鉆孔抽水試驗資料，結合研究區實際情況，且考慮到利用解析法預測礦井涌水量的局限性和適用條件，取K=0.05 m/d。

（2）水位降深。水位降深S采用各工作面靜止水位與K1b2含水層底板高程的差值，各開采工作面降深數據見表1。

2.3 涌水量預測結果

利用公式（1）、（2）計算K1b2含水層涌水量結果見表2。

從表2可知：K1b2含水層對首采區各工作面的涌水量為40.960～74.223 m3/h，平均60.993 m3/h。

3 數值法預測礦井涌水量

3.1 水文地質概念模型

白堊系下統上部砂礫巖（K1b3）含水組和2煤頂板之間有較穩定的隔水巖組，2煤頂板第一隔水巖組和2煤頂板第二隔水巖組。降水入滲補給是第四系孔隙潛水含水巖組的補給水源。建立數值模型時，結合不同含水巖組的空間分布情況，并綜合考慮巖性及裂隙發育程度，將研究區垂向概化為8層。

3.2 初始條件和模擬期

考慮到抽水試驗前地下水流場相對穩定，視為統一的地下水徑流系統，7個含水層有統一的地下水初始流場，本研究采用已有抽水孔抽水前的靜止水位，結合地表高程數據通過插值方式獲得各層的初始水位。

3.3 模型識別

經過試錯法調參，最終得到了較為理想的模型識別驗證結果，擬合結果見圖2。

由圖2可知，由于模擬區域范圍廣，邊界條件類型不確定并且區域水文地質參數不均一，調參難度大，致使個別觀測孔的水位值擬合產生一定誤差，水位變化曲線較為一致，多數擬合點相對誤差較小，表明抽水孔水位擬合良好，對整體地下水流暢影響不大，所建立的數

值模擬模型基本正確。

3.4 涌水量預測

在工作面連續開采含水層持續疏干情況下，按照工作面接替順序計算每個工作面涌水量，無上覆K1b3含水層補給、邊界和斷層均隔水，此情況下涌水量對煤礦供水來說是最不利的情況。涌水量預測結果見表3。

由表3可知：采用數值模擬方法，在不考慮側向補給和斷層導水條件情況下，K1b2含水層礦井涌水量為44.771～155.623 m3/h，平均涌水量為86.452 m3/h。

3.5 礦井涌水量預測結果分析

從表3、表4可以看出，解析法預測涌水量結果較穩定，波動性較小，這是因為解析法預計的結果是地下水經過一定時間的非穩定運動后會出現穩定狀態時的水量，與實際情況存在差距；數值法預測礦井涌水量結果波動性較大，其反映了地下水在非穩定運動過程中的水量，較解析法預測結果更符合實際情況。基于以上原因，故建議采用數值法預測礦井涌水量的結果。

4 結論

（1）解析法在預測礦井涌水量時存在諸多局限性，實際條件難以滿足，難以進行簡化處理，預測結果難以滿足精度要求，無法預測工作面連續開采、地下水位持續下降及復雜邊界非穩定情況下的涌水量。（2）數值模擬較解析法而言，其處理實際問題時的嚴格理想化要求，使其更符合實際條件，其結果可信度高。在本實例中，通過兩種方法的對比可知，數值法預測礦井涌水量結果波動性較大，其反映了地下水在非穩定運動過程中的水量，較解析法預測結果更符合實際情況。

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作者簡介：陳秀艷（1990-），女，山東菏澤人，在讀碩士，研究方向：水文地質。