煤礦涌水量預測和疏降流場數值模擬研究

康 俊,何 璞,王 帥,宋 歌,趙繼先

(1.河南省地質局礦產資源勘查中心,河南 鄭州 450012; 2.河南省地質局地質災害防治中心,河南 鄭州 450012;3.河南省地質礦產勘查開發局 第二地質礦產調查院,河南 鄭州 450012)

河南平禹煤電有限責任公司一礦(簡稱平禹一礦)前身是新峰礦務局一礦,水文地質基礎工作薄弱,而水文地質條件非常復雜。自建礦以來,多次發生大型巖溶水突水事故,數次淹井或淹采區,煤層底板巖溶水突水已成為威脅礦井安全生產的重大隱患。為提高水文地質條件復雜老礦山的煤炭資源開采利用水平,解放受巖溶水威脅的煤炭資源[1-5],本文采用均衡法計算和評價礦區巖溶水多年補給量和排泄量,求得多年平均補給量,采用均衡法、非穩流解析法、相關分析法、比擬法和數值模擬法預測了未來疏放寒武系灰巖水的正常涌水量和最大涌水量。未來疏放寒武系灰巖和太原組灰巖巖溶水條件下,全礦井正常涌水量包括寒武系灰巖和太原組灰巖水疏放量、煤層頂板砂巖裂隙水涌水量和太原組上段灰巖巖溶水涌水量。

1 平禹礦區巖溶水資源計算與評價

1.1 評價方法

目前地下水資源計算與評價的常用方法有水量均衡法、解析法、數值模擬法和抽水試驗法,水量均衡法建立在水量均衡原理上,它通過對地下水補給量、排泄量和含水層儲存量變化反映水資源量,計算原理簡單,適用性強,不受地域和水文地質條件復雜程度限制,在地下水資源評價中得到廣泛的應用。數值法是一種比較先進的計算方法,借助于計算機可以求解大型及任何復雜的地下水水流計算與預測問題。根據本次工作情況,采用均衡法計算和評價礦區巖溶水多年補給量和排泄量。

1.2 均衡法

對于一個地下水系統來說,任意一個均衡時間段內,補給量與排泄量之差等于該均衡時段內地下水儲存量的變化[6-8],即:

QI-QO=μFΔH

(1)

式中,QI為均衡時段內地下水系統的天然補給總量;QO為均衡時段內地下水系統的天然排泄總量;μ為潛水含水層給水度;F為均衡區含水層的分布面積;ΔH為均衡時段內地下水水位變化幅度。

對于地下水來說,天然條件下,地下水的補給與排泄始終處于動平衡狀態。在一個水文年內,地下水補給量大于排泄量,地下水儲存量增加,水位上升;地下水排泄量大于補給量,地下水儲存量減少,水位下降。一個水文年內的地下水補給量與排泄量總處在變化狀態,地下水水位隨補給與排泄關系有所變化。但從多年來看,地下水補給量和排泄量基本上是相等的,即天然條件下,地下水多年天然補給量等于多年天然排泄量。天然條件下,地下水的均衡方程為:

QI=QO

(2)

工作區巖溶水補給方式單一,以寒武系灰巖露頭區接受大氣降水入滲為主,排泄方式包括礦井排水、人工開采和泉(自流井)排泄等。平禹一礦井田是白沙向斜北翼巖溶水系統的集中排泄區,自流井常年處于自流狀態,巖溶水多年水位穩定,經常維持在+135～+142 m,多年水位變幅很小。因此,在目前平禹一礦尚未疏放巖溶水的條件下,研究區白沙向斜北翼巖溶水補給與排泄仍處在接近天然條件的均衡狀態,多年補給量與多年排泄量大致平衡。研究分別用計算多年天然補給量和多年天然排泄量的方法評價巖溶水資源。

根據相關理論計算公式得出白沙向斜北翼巖溶水子系統多年平均補給量為2 669.7 m3/h,南翼巖溶水子系統多年平均補給量為3 690.9 m3/h,整個禹州巖溶水系統多年平均補給量為6 360.6 m3/h。

禹州基巖山區是嚴重的缺水地區,居民生活用水非常困難,以泉水和雨水(水窖)作為水源,干旱少雨時靠買水生活。最近幾年,各鄉鎮利用水利部提供的專項資金,打了不少基巖深井,部分山區居民的生活用水問題得到了解決,但仍有不少村鎮仍需買水解決吃水問題。根據禹州市水利局和山區鄉鎮水保所提供的資料,本次水文地質調查野外工作期間,對基巖山區村鎮深井及開采情況進行了調查,初步掌握了山區基巖水開發利用現狀。

沒有深井的鄉村通常多以泉(基巖裂隙水)為水源,缺水的山區則以水窖蓄積降水為水源。受主客觀條件限制,本次區域水文地質調查沒能獲得翔實的泉水出流數據。為了全面計算基巖山區鄉村居民實際開采基巖地下水數量,以鄉鎮為單位按居民人口數量和日均用水定額進行計算。人畜用水標準使用《水文地質手冊》中的經驗值,農村人口為50 L/d,大牲畜70 L/d,小牲畜30 L/d。根據調查,農村飼養大牲畜數量平均每戶1.8頭左右,將用水量均攤到人口數量上,相當于人均需水量為92 L/d。以此作為估算山區居民開采地下水量的標準。經過計算,白沙向斜北翼山區居民開采基巖地下水(包括泉水)共計11 395 m3/d,相當于475 m3/h;白沙向斜南翼山區居民開采基巖地下水(包括泉水)共計31 498 m3/d,相當于1 312 m3/h。在禹州市現有63個小煤礦中,分布在白沙向斜北翼的小煤礦有3個,主要礦井是平禹一礦。3個小煤礦排水量在40～50 m3/h,平禹一礦正常排水量為200 m3/h,最大排水量為300 m3/h。13091工作面寒武系灰巖水突水,礦井總涌水量達到1 300 m3/h,目前,突水點已經被注漿封堵。因此,白沙向斜北翼礦井排泄巖溶水量為250 m3/h,南翼煤礦多,共有60個小煤礦,煤礦設計正常涌水量總計為3 384 m3/h,根據禹州市煤炭管理局統計資料,實際排水量是煤礦設計正常涌水量1/3。因此,小煤窯實際排水量按1 015 m3/h計算。白沙向斜南翼排水強度較大的礦井主要有:平禹二礦、平禹四礦、平禹六礦、白廟礦、梁北礦和方山礦,各礦排水量依次為80、120、25、260、250、1 600 m3/h,總計排水量2 335 m3/h。整個白沙向斜南翼礦井排水總量為3 350 m3/h。白沙向斜北翼補給區巖溶水標高為+210 m,至平禹一礦,水位降至+140 m,補給區至排泄區距離為35 km,平均水力坡度J=0.002。在平禹井田巖溶水等水位線圖及采掘工程平面圖測量得到側向徑流寬度為24 km,井田寒武系灰巖平均導水系數為788 m2/d。根據達西定律,側向徑流排泄量為1 576 m3/h。在長葛市坡胡鎮海子李村和水磨河村,自第四系松散沉積物中出露有泉水,在地表匯集成湖,分別是暖泉湖和幸福湖。巖溶水的排泄途徑主要包括泉和自流井排泄量、人工開采量、礦井排水量和側向徑流排泄量,巖溶水總排泄量是各分項排泄量之和,用公式表示:

QO=Qso+QDo+QMo+QLo

(3)

式中,Qso為泉(自流井)流量;QDo為人工開采量;QMo為煤礦疏排巖溶水量;QLo為側向排泄量。

采用均衡法,求得平均補給量為3 690 m3/h,排泄超過補給,巖溶水處在負均衡狀態。梁北煤礦采取了大流量疏放巖溶水的方法,疏放強度達到1 600 m3/h,使得巖溶水位由+50 m降至目前的-60 m。

2 礦井涌水量預測

13091綜采面煤層底板寒武系灰巖水突水后,井田范圍內水位均出現下降,最大水位降幅達到20 m。從一定意義上講,本次突水相當于一次非人為控制的大型放水試驗。借助對水量、水位動態和疏放流場空間特征的分析,可以總結平禹一礦井田寒武系灰巖水文地質特征,為今后防治水工作積累重要的基礎資料。

基于這些認識,在13091工作面發生寒武系灰巖水突水后,在突水點尚未被注漿堵住之前,利用煤礦原有地面水文觀測孔及井下測流設施,搶在突水點被完全封堵前,對突水量和水位進行了連續觀測,主要目的是:①通過對突水后水量、水位進行連續觀測,獲得水位及水量動態變化資料,全面分析寒武系灰巖含水層的水文地質條件,了解寒武系灰巖巖溶水可疏干性。②利用本次突水量、水位降深數據,并結合歷年突水數據,初步估算寒武系灰巖水在不同疏放條件的疏放水量(正常涌水量),為礦井防治水系統的技術改造提供水文地質依據。

2.1 非穩定流解析法

突水量基本穩定在1 100 m3/h,寒武系灰巖水位隨著時間推移,從快速下降、緩慢下降直至接近穩定的過程。因此,13091綜采面寒武系灰巖突水過程相當于進行了一個落程的非穩定流放水試驗,從而可以借助非穩定流理論的泰斯井流公式(Theis)確定水文地質參數、預測未來疏放條件下的疏放水量。嚴格上講,平禹一礦的水文地質條件并不完全符合泰斯井流條件,表現在:①寒武系灰巖和太原組灰巖巖溶裂隙含水層并非均質和各向同性的;②含水層厚度是變化的;③巖溶水的分布是不均勻的,含水介質是巖溶裂隙甚至存在溶洞;④巖溶水系統也并非側向無限延伸,是有邊界的。然而,13091綜采面突水后的水位動態和流場分布大致與泰斯井流公式的條件相符合,如整體性的水位下降、突水量穩定、水位下降影響范圍超過6 000 m、水位下降曲線符合泰斯井流特征等。鑒于此,利用泰斯非穩定井流理論反求水文地質參數,并預測未來疏放條件的涌水量[9-11]。泰斯井流公式為:

(4)

式中,s為抽水影響范圍內,任一點任一時刻的水位降深;Q為抽水井的流量;T為導水系數;t為自抽水開始到計算時刻的時間;r為計算點到抽水井的距離;μ*為含水層貯水系數。

求解過程分2步:首先,利用配線方法求解水文地質參數;然后,給定水位降深,利用泰斯公式預測涌水量。采用降深—時間配線法求導水系數和含水層貯水系數。各觀測孔至突水點的距離r見表1。

表1 觀測孔至突水點之間的距離Tab.1 Distance from observation hole to water inrush point

在此間的55 d內各個觀測孔水位均逐漸下降,而水量一直穩定在1 100 m3/h,近似一次定流量非穩定流放水試驗。利用此間各個觀測孔曲線(圖1)分別將觀測孔的匹配點坐標代入到泰斯井流公式中,就可求出導水系數和貯水系數,結果見表2。

圖1 13091工作面突水至堵水前的水量-水位降深動態Fig.1 13091 working face water inrush to water before plugging-water level drawdown dynamics

表2 降深—時間配線法確定的水文地質參數Tab.2 Hydrogeological parameters determined by drawdown-time alignment method

由于寒武系灰巖含水層滲透性和導水性具有明顯的不均質性,使得13091工作面突水后并未形成以突水點為中心的水位降落漏斗,以平4最大,其次為平8和平3孔(圖2)。

圖2 13091工作面突水后寒武系灰巖觀測孔水位降深等值線Fig.2 Contours of water level drawdown in Cambrian limestone observation holes after water inrush at 13091 working face

在同樣的預測目標條件下,如利用降深較小的觀測孔去預測,預測涌水量將會偏大。考慮到平禹一礦今后開采區域主要在突水點東南方向的三采區,且解析法結果尚需和回歸方法對比,以平4孔確定的參數進行預測。預測條件為:距離r=2 125 m,導水系數T=368.8 m2/d,貯水系數μ*=6.5×10-5,水位降深S=220 m,時間t=50 d。將數據代入泰斯井流公式中,計算得到u=4×10-3;查泰斯井流函數表,W(u)=4.948 2,涌水量為8 580.2 m3/h。將不同設計疏放降深代入上式,就可求出不同疏放條件下對應的疏放水量,計算結果見表3。

表3 解析法預測的不同疏放水平巖溶水疏放量Tab.3 Analytic method for predicting the amount of karst water drainage at different drainage levels

2.2 相關分析法

13091工作面突水后突水量很快升至1 100 m3/h,并保持穩定,與此同時,平4孔水位快速下降,最大水位降深為20 m。從開始突水到突水點被封堵前的55 d內,水位降深曲線與突水量動態曲線基本同步,末期水位基本穩定。在突水點注漿堵水顯效但尚未完全封堵期間,突水量在400 m3/h水平上持續了20 d,平4孔對應的降深穩定在10.2 m(這些現象說明,水量和水位降深存在明顯的對應關系)。此外,根據1985年7月7日+30 m總回風巷突水,最大突水量為2 375 m3/h,桐樹張水井水位最大降深達到100 m。

以上述水量和對應的水位降深3組數據為依據,以水量為自變量,水位降深為因變量,分別采用直線相關、指數相關關系建立相關方程[12-15]。線性相關方程的相關系數為0.967,指數相關方程的相關系數為0.998,指數相關性略好于直線方程(圖3)。經過顯著性檢驗,各方程都有顯著性意義(P≤0.05)。

圖3 水量和降深之間的線性相關關系Fig.3 Linear correlation between water volume and drawdown

給定水位降深S=220 m,用直線相關方程求得涌水量Q直=5 001.0 m3/h,用指數相關方程求得涌水量Q指=2 996.3 m3/h。直線方程求得結果與解析解較為接近,并基于安全考慮,選用直線相關方程作為預測涌水量的依據。不同疏放水平對應的涌水量預測結果見表4。預測方程為:S=0.047 6Q-18.049或Q=21.008 4S+379.18。

表4 直線相關法預測的不同疏放水平巖溶水疏放量Tab.4 Karst water drainage amount predicted by linear correlation method at different drainage levels

2.3 涌水量預測結果

考慮到平禹一礦水文地質條件的復雜性,取直線回歸和解析方法預測值的平均值作為涌水量預測結果。未來疏放寒武系灰巖水條件下,不同疏放水位降深對應的礦井涌水量預測結果見表5。

表5 疏放巖溶水條件下不同降深對應的礦井涌水量Tab.5 Mine water inflow corresponding to different drawdowns under the condition of dredging karst water

根據預測結果,在降深S=100 m(水位從+135 m降至+35 m)時,預測礦井正常涌水量為3 190 m3/h,降深S=200 m(水位從+135 m降至-65 m)時,預測礦井正常涌水量為6 191 m3/h。至突水點距離r=2 125 m、導水系數T=368.8 m2/d、貯水系數μ*=6.5×10-5,將這兩組數據分別代入泰斯公式中,可以求出距離疏放中心2 125 m處不同時間的水位降深值。在疏放水量Q=3 190 m3/h時,60 d的水位降深為85 m,120 d水位降深為95 m,此后水位呈緩慢下降狀態,表明60 d可以達到最大降深的85%左右。同樣地,在疏放水量Q=6 191 m3/h時,60 d水位降深達到最大降深的85%左右。

本礦二1煤頂板砂巖正常涌水量一般小于10 m3/h,最大為32 m3/h。煤層底板太原組上段灰巖巖溶水以靜儲量為主,動儲量有限。根據2001—2004年全礦涌水量資料,在沒有發生太原組灰巖和寒武系灰巖巖溶水突水的情況下,礦井涌水主要來源于太原組上段灰巖巖溶水,全礦涌水量在200～300 m3/h。

在未來開采條件下,太原組上段灰巖巖溶水涌水量可采用涌水量—開采面積、水位降深比擬法預測,公式為:

(5)

式中,Q為預測涌水量;Q0為當前正常涌水量;S為未來水位降深;S0為當前生產水平水位降深;F為未來開采面積;F0為當前生產水平面積。

以開采標高-270 m為起點,Q0=540 m3/h,S0=340 m,F0=7.042 8 km2,S=690 m,F=11.042 8 km2。經過計算,-550 m水平涌水量814.0 m3/h,該值可作為煤層底板太原組上段巖溶水未來涌水量(該值來源于礦井生產報告)。未來疏放寒武系灰巖和太原組灰巖巖溶水條件下,全礦井正常涌水量包括寒武系灰巖和太原組灰巖水疏放量、煤層頂板砂巖裂隙水涌水量和太原組上段灰巖巖溶水涌水量。根據歷史涌水量資料,雨季涌水量增幅不大,最大涌水量可按正常涌水量的1.3倍取值。不同條件下,全礦井涌水量為:疏放降深S=100 m時,正常涌水量Q正常=4 036 m3/h,最大涌水量Qmax=5 247 m3/h;疏放降深S=220 m時,正常涌水量Q正常=7 637 m3/h,最大涌水量Qmax=9 928 m3/h。

3 巖溶水疏降流場模擬與預測

為了了解平禹一礦巖溶水滲流場時空變化規律,預測未來疏放巖溶水條件下的疏放水量,同時為以后開采時疏水設計提供依據,故對礦區巖溶水疏降流場進行數值模擬。13091采掘工作面回采過程中發生大型突水,最大涌水量達到1 100 m3/h,導致整個采區被淹。煤層底板的石炭系太原組下段灰巖和寒武系灰巖巖溶水是主要充水來源,二者水力聯系密切。目前巖溶水水位穩定在+130～+137 m,開采深度-270 m。為了安全開采深部煤炭資源,預防煤層底板巖溶水突水事故,必須將灰巖水位降低至安全高度。為此,以13091工作面突水后形成的巖溶水流場及水位動態為依據,采用數值模擬方法預測未來疏放巖溶水條件下的礦井涌水量。

3.1 水文地質概念模型及參數概化

模擬計算區為平禹一礦井田,其面積約11.09 km2,位于白沙向斜的東北部,礦區北、西環山,南為丘陵,屬向東南開闊的向斜匯水盆地,即區域上地下水的排泄區。總體上為一單斜構造,地層走向總體為90°～125°,傾向180°～215°,地層傾角在淺部為8°～25°,深部為25°～53°,沿走向有小的緩波狀起伏。平禹一礦水文地質概念模型如圖4所示。

圖4 平禹一礦水文地質概念模型Fig.4 Hydrogeological conceptual model of Pingyu No.1 Mine

3.2 地下水流的數值模擬

3.2.1 模型的離散化

根據礦區開采和觀測資料,以每個月作為一個地下水開采應力期,共有3個應力期,時間步長為1 d。平禹一礦巖溶水數值模擬單元剖分平面和三維如圖5所示。

圖5 平禹一礦巖溶水數值模擬單元剖分平面和三維Fig.5 Plane and three-dimensional division of karst water numerical simulation unit in Pingyu No.1 Mine

3.2.2 初始條件

根據煤礦的開采資料和觀測資料,本次模擬初始時刻為2008年12月14日,根據研究區內各個觀測孔的水位經過插值作為模擬的初始流場,寒武系灰巖承壓含水層等水位線圖如圖6所示。

圖6 寒武系灰巖承壓含水層等水位線Fig.6 Cambrian limestone confined aquifer contours

3.2.3 水文地質參數的初始化

水文地質參數分區如圖7所示。

圖7 水文地質參數分區Fig.7 Hydrogeological parameter division

3.2.4 模型的校正與識別

對模型進行調參,使觀測水位變化盡可能反映在模型中,并使其誤差值在允許誤差范圍內,然后在此基礎上進行檢驗,檢驗模擬結果是否與實際相符。如果相符,說明此模型比較可靠,可以反映實際的情況;如果結果相差較大,再分析其原因,然后根據實際情況重新調參,最終確定模型。觀測孔的擬合,也就是通過適當地調整模型參數,使觀測孔實際水位與計算水位趨勢保持一致,數值盡量吻合。根據13091工作面突水后各觀測孔水位動態,平3孔、平4孔、平8孔水位變化最顯著,而平3、平4孔受變邊界條件影響較大,故以平2、平5、平8孔水位動態為擬合對象建立模擬模型,擬合結果如圖8所示。

圖8 數值模擬水位動態擬合曲線Fig.8 Numerical simulation of dynamic fitting curve of water level

模型識別期內,計算得到的擬合孔水位動態與實際水位動態基本同步變化。鑒于平2、平5、平8孔具有代表性,此次擬合、檢驗主要利用平2、平5、平8孔,但計算值與實際值在個別時段的差異還是較大。其主要原因是該孔水位資料不屬于長觀水位資料,礦井突發性的突水、堵孔和巖溶水開采量的短期變化等都可能造成巖溶水水位短時間內突然上升或下降。

3.3 未來疏放巖溶水條件下水位預測

根據平禹一礦防治巖溶水水害治理計劃,要將巖溶水水位從目前的+135 m降至-85 m(降深220 m),擬定的疏水位置是:E43號異常區施工鉆孔放水量最大可達1 000 m3/h、三采區下部放8號異常區放水量最大可達2 000 m3/h和三采區上山處放水鉆孔放水量最大可達1 500 m3/h。本次數值模擬的預測目標為:確定巖溶水位從目前的+135 m降至-85 m后的疏放水量及水位流場變化。

通過運行模擬模型,未來疏放條件下,巖溶水疏放水量為Q=5 546.67 m3/h,疏放時間60、120、180、360 d的含水層疏水水位等值線如圖9所示。

圖9 預測寒武系灰巖含水層疏水水位等值線Fig.9 Prediction of hydrophobic water level contours in Cambrian limestone aquifers

隨著煤層開采面積的增加,其涌水量也存在著一定的變化,在開采時一般處于上升階段,由于煤層的采動,導致底板受到的壓力加大,底板裂隙擴張,成為充水通道,構成了煤層與底板水源的聯系。所以,此礦區的涌水量處于增加階段。

通過以上分析可以看出,由于疏水井不斷排泄,寒武系灰巖承壓含水層水位快速下降,形成明顯的降落漏斗,這主要與疏水井設計在富水區內、滲透系數及外界補給量有關。

4 結語

(1)基于13091工作面寒武系灰巖巖溶水突水后的水位水量動態數據,采用均衡法、非穩流解析法、相關分析法和數值模擬法預測了未來疏放寒武系灰巖水的正常涌水量和最大涌水量。未來疏放寒武系灰巖和太原組灰巖巖溶水條件下,全礦井正常涌水量包括寒武系灰巖和太原組灰巖水疏放量、煤層頂板砂巖裂隙水涌水量和太原組上段灰巖巖溶水涌水量。根據歷史涌水量資料,雨季涌水量增幅不大,最大涌水量可按正常涌水量的1.3倍取值。不同疏放條件下,全礦井涌水量為:疏放降深S=100 m時,正常涌水量Q正常=4 036 m3/h,最大涌水量Qmax=5 247 m3/h;疏放降深S=220 m時,正常涌水量Q正常=7 637 m3/h,最大涌水量Qmax=9 928 m3/h。

(2)通過數值模擬分析,預測了寒武系灰巖含水層疏水水位等值線。