宋業(yè)杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

GMS在礦井涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

宋業(yè)杰1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

應(yīng)用三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件 G MS,利用其特有的三維地層創(chuàng)建模塊和滲流計(jì)算模塊,以陜北地區(qū)某礦為例,在礦區(qū)水文地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上,建立礦區(qū)三維水文地質(zhì)模型,預(yù)測(cè)了該礦某采煤工作面的涌水量變化規(guī)律,為礦井開(kāi)采方案設(shè)計(jì)、保證安全開(kāi)采提供了理論參考。

G MS;涌水量預(yù)測(cè);三維有限差分;水文地質(zhì)建模

工作面涌水量預(yù)測(cè)是保證煤礦安全生產(chǎn)的必要工作,是礦井水文地質(zhì)工作的重要組成部分,做好工作面涌水量預(yù)測(cè)意義重大。

在煤礦生產(chǎn)中,常用 “大井法”和 “水文地質(zhì)比擬法”等解析方法來(lái)預(yù)測(cè)工作面涌水量。

近年來(lái),由于煤炭資源開(kāi)發(fā)力度和開(kāi)采強(qiáng)度的加大,采掘環(huán)境也日趨復(fù)雜,尤其是以往未能開(kāi)發(fā)的水體下復(fù)雜難采資源的采掘活動(dòng)對(duì)涌水量預(yù)測(cè)工作的精準(zhǔn)性提出了更高要求,傳統(tǒng)計(jì)算方法都對(duì)區(qū)域參數(shù)進(jìn)行較大簡(jiǎn)化,沒(méi)有考慮采掘范圍、地層變化等因素的影響,僅適用于水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦區(qū)。因此,引入數(shù)值計(jì)算是礦井涌水量預(yù)測(cè)方法的有力補(bǔ)充和必然趨勢(shì)。

1 G MS軟件介紹

G MS(Groundwater Modeling System)是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 (US Geological Survey)基于概念模型應(yīng)用有限差分法開(kāi)發(fā)的,是支持 TI Ns(Triangulated Irregular Networks),GIS,Solids、鉆孔數(shù)據(jù)、2D與 3D地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的地下水流模擬軟件。

G MS(Groundwater Modeling System)數(shù)值模擬功能強(qiáng)大,能模擬多相多組分的溶質(zhì)運(yùn)移,該軟件提供了多種組建地下水?dāng)?shù)值模型的方法,能準(zhǔn)確刻畫地層的空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn),在科研、生產(chǎn)、工業(yè)、環(huán)保、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃、水資源利用等行業(yè)和部門得到了廣泛應(yīng)用,成為目前最為普及的綜合性地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算機(jī)程序[1]。

本文應(yīng)用的是 G MS6.0版,該版本包含 TI Ns,Borehole,Solid,2D Mesh,2D Grid,2D Scatter Point,3D Mesh,3D Grid,3D Scatter Point,Map和 GIS共 11個(gè)計(jì)算模塊,在本次計(jì)算中應(yīng)用到的模塊主要有 TI N,Borehole,Solid,2D Scatter Point,3D Grid和 GIS,其理論基礎(chǔ)是基于連續(xù)介質(zhì)的水流方程,將模擬區(qū)域地層等效為一組空間上連續(xù)的介質(zhì)場(chǎng),根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律(達(dá)西定律),建立區(qū)域水文地質(zhì)的滲流連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程[2],即：

基礎(chǔ)方程：

對(duì)不同的水流類型、初始條件和邊界條件,建立區(qū)域水文地質(zhì)模型,求解工作面涌水量。

邊界條件：

2 工程應(yīng)用

研究礦井為陜北侏羅紀(jì)煤田某礦,位于榆神礦區(qū)的東南部,井田地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶,地表全部被第四紀(jì)松散沉積物所覆蓋,東、南部及北部地貌以黃土梁崗區(qū)為主,其余為沙漠灘地。地勢(shì)總體東、南部及北部較高,地層主要特征見(jiàn)表 1。

綜合分析礦井勘察過(guò)程中的鉆孔柱狀圖和各地層的水文地質(zhì)條件,建立三維礦井水文地質(zhì)模型,利用軟件的滲漏計(jì)算程序組件計(jì)算采掘區(qū)域的水頭變化和水量均衡。在模型的建立過(guò)程中,參照井田勘探資料將模擬區(qū)域分成 9層,包括 6個(gè)含水層,2個(gè)隔水層和 1層煤層,見(jiàn)表 2。主要含水層為部分出露地表的薩拉烏蘇組和基巖風(fēng)化帶,靜樂(lè)紅土為區(qū)域內(nèi)主要隔水層,地層厚,隔水性能好。

表2 模擬計(jì)算區(qū)巖層劃分

表1 區(qū)域地層特征

計(jì)算中把采動(dòng)影響區(qū)簡(jiǎn)化為滲漏空間,通過(guò)類似地質(zhì)條件下的數(shù)據(jù)反演,求得本井田滲漏單元的滲透性參數(shù),取工作面長(zhǎng)度 125m,工作面推進(jìn)長(zhǎng)度約 1000m。根據(jù)采動(dòng)影響區(qū)域的分布范圍不同,預(yù)測(cè)的涌水量分為 3種情況：一是正常回采的情況下,“兩帶”高度發(fā)育到風(fēng)化帶以上但沒(méi)有穿過(guò)靜樂(lè)組紅土層,不波及靜樂(lè)組紅土層上方的含水層;二是回采后“兩帶”高度發(fā)育至第四系黃土層,但沒(méi)有溝通上覆薩拉烏蘇組含水層;三是采動(dòng)影響區(qū)發(fā)育至中等富水含水層薩拉烏蘇組或地表。具體求算過(guò)程敘述如下：

(1)導(dǎo)入鉆孔柱狀三維數(shù)據(jù) 統(tǒng)計(jì)前期勘探資料,將鉆探資料依地層導(dǎo)入到 G MS中,如圖 1。地表出露地層主要有 3類,分別為第四系全新統(tǒng)沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、第四系中更新統(tǒng)離石組,如圖 2。對(duì)鉆孔反映的地層逐個(gè)編號(hào),為下一步生成實(shí)體做前期處理。依據(jù)先前劃分的地層情況,將 9個(gè)地層依賦存順序編號(hào),由于地層的缺失和嵌入,局部會(huì)出現(xiàn)編號(hào)的空缺和重復(fù)。

(2)生成區(qū)域地層實(shí)體 根據(jù)前面的鉆孔分布和地層編號(hào),劃出模擬區(qū)域范圍,建立模擬區(qū)域的不規(guī)則三角網(wǎng),進(jìn)而插值生成區(qū)域地層實(shí)體,確定各個(gè)地層的基本賦存情況。再根據(jù)實(shí)測(cè)地形資料,對(duì)已生成的地層塊體的局部區(qū)域做必要的修正和完善,使其更符合實(shí)際。在地層實(shí)體中可以截取任意傾角和傾向的切面查看特定區(qū)域的三維地層賦存情況,見(jiàn)圖 3、圖 4。

圖1 井田鉆孔分布

圖2 地層出露分布

圖3 井田地層實(shí)體

圖4 模擬區(qū)域地層切面 (任意角度)

(3)建立概化模型 在完成上述工作后,建立區(qū)域水文地質(zhì)概化模型,創(chuàng)建區(qū)域地層的屬性圖層,在圖層中定義數(shù)值計(jì)算的地下流場(chǎng)類型、模型邊界條件、區(qū)域單元狀態(tài)、各地層初始水頭和計(jì)算引擎等參數(shù)。模型邊界為定流量補(bǔ)給邊界,流場(chǎng)類型為穩(wěn)態(tài),參照區(qū)域潛水位等值線圖設(shè)置區(qū)域水頭,井田范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜,在建立模型之前設(shè)置水文源匯項(xiàng),添加水文地質(zhì)屬性參數(shù)。本計(jì)算區(qū)域井田長(zhǎng)約 4100m,寬 3800m,垂深約280m,模擬工作面長(zhǎng)度 125m,將井田地層劃分為41×38×9的網(wǎng)格單元,對(duì)井田地層實(shí)體作網(wǎng)格轉(zhuǎn)換,得到包含全部地層屬性的三維網(wǎng)格。模型建立過(guò)程中使用的主要參數(shù)見(jiàn)表 3。

表3 主要參數(shù)

(4)模型編譯求解 完成模型的建立之后,運(yùn)行編譯程序,進(jìn)行差分迭代計(jì)算,最后求得首采面回采時(shí)的涌水量水頭分布。在計(jì)算過(guò)程中還特別對(duì)工作面開(kāi)采不同采動(dòng)影響強(qiáng)度時(shí)的涌水量作了預(yù)測(cè)。計(jì)算求得工作面回采 “兩帶”高度發(fā)育到風(fēng)化帶以上但沒(méi)有突破靜樂(lè)紅土層時(shí)涌水量為53.94m3/h;回采后“兩帶”高度發(fā)育至第四系黃土層,但沒(méi)有溝通上覆薩拉烏蘇組地層時(shí)涌水量為76.44 m3/h;采動(dòng)影響區(qū)發(fā)育至地表富水含水層薩拉烏蘇組時(shí)涌水量為 204.82m3/h。數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 5、圖 6和表 4。

圖5 采動(dòng)后井田水位分布色譜圖 (全區(qū))

圖6 采動(dòng)后地層水位分布色譜圖 (薩拉烏蘇組)

表4 涌水量預(yù)測(cè)

3 結(jié)論與建議

(1)通過(guò)計(jì)算可以得知,煤層開(kāi)采過(guò)程中形成以采區(qū)為中心的降落漏斗,區(qū)內(nèi)水位降深大。采動(dòng)破壞未穿透黃土層時(shí),隔水性能未遭破壞,礦井涌水量較小;當(dāng)采動(dòng)破壞延展到主要含水層時(shí),礦井涌水量急劇增加,含水層失水嚴(yán)重,由于補(bǔ)給有限,部分區(qū)域出現(xiàn)疏干區(qū)。

(2)利用 G MS三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算,能定性地分析該井田的涌水規(guī)律,易于獲取不同采動(dòng)影響程度下的涌水量變化趨勢(shì),直觀地給出任意地層、任意區(qū)域的水位變化圖;能充分考慮尖滅、嵌入等地層突變因素的影響,對(duì)于復(fù)雜條件下的煤礦涌水量計(jì)算更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),應(yīng)用前景廣闊。

(3)數(shù)值法計(jì)算礦井涌水量,投資少,效率高,可以根據(jù)不同的開(kāi)采工藝分別計(jì)算各個(gè)回采階段的涌水量,便于及時(shí)采取相應(yīng)的防治水方案。G MS生成的三維地質(zhì)模型能清楚地反映各個(gè)地層的展布信息,任意角度的切面能反映出地層沉積結(jié)構(gòu)信息,可以應(yīng)用到采掘活動(dòng)的補(bǔ)充勘探中。

[1]賀國(guó)平,張 彤,等 .G MS數(shù)值建模方法研究綜述 [J].地下水,2007(3).

[2]薛禹群,謝春紅 .地下水?dāng)?shù)值模擬 [M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[3]康永華,孔凡銘,張 文.試論水體下采煤的綜合研究技術(shù)體系 [J].煤礦開(kāi)采,2001,6(1)：9-11,35.

[4]陳崇希,林 敏 .地下水動(dòng)力學(xué) [M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1999.

[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Application of GM S in Forecasting Mine Groundwater Inflow

SONG Ye-jie1,2
(1.Coal Mining&Designing Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Taking a mine of Shannbei Area as an example,3-d hydrogeology model of mining area was set up based on the analysis of its hydrogeology by applying 3-d hydrogeology modeling and seepage calculation module of G MS-a 3-d finite difference software.Groundwater inflow variation rule of a mining face in the mine was predicted with this model,which provided reference for mining design and safety mining.

G MS;groundwater inflow prediction;3-d finite difference;hydrogeology model

TD742

A

1006-6225(2011)01-0104-04

2010-10-18

宋業(yè)杰 (1985-),男,安徽旌德人,碩士研究生,主要從事煤礦水體下采煤技術(shù)與理論的研究工作。