鄒莊煤礦礦坑涌水量預測研究

張乃豐 任紅蕾

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 合肥 230031 2.安徽省水利水資源重點實驗室 合肥 230031 3.合肥工業大學 合肥 230009）

1 研究區概況

鄒莊煤礦行政區劃屬于安徽省淮北市濉溪縣南坪鎮、雙堆集鎮，開采深度由-200m 至-1200m，礦區面積28.18km2，地層被揭露的總厚度974.20m。研究區地處淮北煤田東南部，可供開采及局部可供開采煤層共7 層，即10、82、72、62、51、52、32煤層，其中，10 煤層為局部可供開采煤層，82、62、51、52煤層為大部分可供開采煤層，72煤層中除被巖漿巖侵蝕的范圍以外全區可供開采煤層，而32煤層全區可供開采煤層。

2 研究區水文地質條件分析

基于研究區地層巖性的含水條件，含水層自下而上可劃分為二疊系主采煤層砂巖裂隙含水層（段）及奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層、新生界下第三系“紅層”含水層（段）、新生界松散層含水層（組）。礦坑涌水的主要補給來源為主采煤層頂板砂巖裂隙水和四含孔隙水，以靜儲量為主，補給量較少。礦井充水條件如下：該含水層之間的徑流補給微弱，補給量較少。研究區在礦坑排水的長期作用下，各主采煤層的砂巖裂隙含水層地下水水位在持續下降。

3 礦坑涌水量預測

3.1 數值法

數值法計算礦坑涌水量的過程，第一步是水文地質概念模型的建立與概化，然后進行模型識別與驗證，并得到相應的模型參數，利用所得參數預測礦坑涌水量。本文將通過Moldflow 模擬鄒莊煤礦附近地下水流場的變化情況，并預測礦坑涌水量的時變過程。

3.1.2 水文地質模型的建立與概化

利用水文地質勘察報告中的108 個鉆孔所揭露的水文地質條件，自上而下將地層概化為12 層。根據區域水文地質條件，研究區含水層為非均質各向異性，邊界條件概化為定水頭邊界。計算過程中，地下水流視為三維非穩定流。

3.1.3 數學模型

依據以上水文地質概念模型，建立相對應的數學模型：

式中：K—含水層的滲透系數，m/d；Γ1—第一類邊界；Γ2—第二類邊界；H—含水層地下水位，m；t—時間，d；μ—彈性釋水系數；W—單位體積內水流流量，m3；M—承壓含水層的平均厚度，m；D—模擬區范圍；h—第一含水層厚度，m；H0—初始時刻含水層的水位，m；H1—模型邊界的地下水水位，m。

3.1.4 數值模型

（1）時間離散，計算期為2015 年1 月至2019年1 月。選取變步長時間離散方法，前三年計算步長為10 天，其他模擬時段計算步長為30 天。

（2）空間離散，研究區域約900km2，水平方向上分為140 列，140 行，垂直方向上共分為12 層，空間離散網格圖略。

3.1.5 模型識別與參數賦值

建立模型后，利用抽水試驗成果，對所建模型進行識別。模型運行成功后，通過調整模型參數，使得含水層水位的計算值與觀測值的吻合程度達到計算精度的要求，結果顯示，地下水水位擬合過程較好，如圖1 所示。這表明所建立的模型基本正確，可用于模擬該區域地下水流的時變過程，最終得到的模型參數見表1 和表2。

圖1 觀測孔6-4 水位擬合過程線圖

表1 滲透系數賦值表（單位：m/d）

表2 儲水系數賦值表（單位：1/m）

3.1.6 涌水量預測

基于煤礦的礦床開發利用方案，通過以上數值模擬模型，礦坑涌水量時變曲線見圖2。隨著鄒莊礦井采煤接替開采時間順序，礦井水涌水量呈逐漸增加的趨勢，根據預測結果，到2023 年，礦坑涌水量趨于穩定，約為6690m3/d。

圖2 鄒莊煤礦涌水量變化過程圖

3.2 利用解析法預算礦井涌水量

基于礦區水文地質條件分析，研究區礦坑涌水的直接補給來源為主采煤層頂底板砂巖裂隙水，計算公式見公式（2）；其次，四含水是研究區涌水量的間接補給來源，補給礦坑涌水主要采用承壓轉無壓雙側進水溝渠公式，即公式（3），如下：

式中：K—滲透系數，m/d；Q—井筒涌水量，m3/h；R—影響半徑，m；r0—引用半徑，m；R0—引用影響半徑，m；S—水位降深，m；M—含水層厚度，m；B—采煤長度，m。

解析法計算礦坑涌水量的結果見表3、表4。

表3 砂巖裂隙水補給涌水量計算結果表

表4 含水補給涌水量計算結果表

本礦礦坑涌水量為上述兩項涌水量的總和，計算結果為673m3/h。

3.3 預測結果對比分析

利用數值法模擬得到鄒莊煤礦的涌水量為6690m3/d，即279m3/h；解析法計算得到的涌水量為673m3/h，數值法與解析法計算得到的涌水量有一定的差距。

4 結論

研究區邊界形狀復雜多變，解析法進行計算時，一般很難進行精確刻畫，并且解析法計算過程取用的含水層厚度為研究范圍內的平均值，降低了解析法的計算精度。然而太原組灰巖巖溶含水層及煤層厚度變化均較大，數值法可以比較合理地概化這一實際。另一方面，根據本研究區的實際情況，礦井直接充水含水層富水性較弱，未來開拓期間不受礫巖區影響以及太灰及奧灰水的影響，在煤層開采深度不斷擴大的趨勢下，涌水量也將會隨之變大，不可能按照解析法參照固定值進行計算。而數值法計算涌水量的預測結果為動態值，更能夠反映礦坑涌水量的實際變化過程，預測結果更為可靠