李磊

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

礦井涌水量預(yù)計是煤礦防治水及設(shè)計礦井排水能力及抗災(zāi)能力等的關(guān)鍵問題之一。多年來，涌水量預(yù)測常用的是解析法、類比法等傳統(tǒng)方法，這些方法對水文地質(zhì)條件的認(rèn)識依賴性很大，計算結(jié)果與實際情況出入較大，對水體下壓煤的安全開采以及礦井排水能力的設(shè)計造成影響［1－4］，特別是針對水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井的涌水量預(yù)測影響更大。數(shù)值法是近年來一種較為先進(jìn)的技術(shù)手段，能較為真實地刻畫研究區(qū)水文地質(zhì)特征，模擬邊界的復(fù)雜幾何形態(tài)，能較好地描述邊界的性質(zhì)和水力特征。數(shù)值計算用近似分割原理擺脫解析法處理實際問題時的嚴(yán)格理想化要求，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，使礦井涌水量的預(yù)測更為符合實際［5－7］。

因此，以朝克烏拉煤礦為例，依據(jù)礦井水文地質(zhì)資料，采用Visual Modflow數(shù)值模擬軟件［8］，建立水文地質(zhì)概念模型、數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行模型識別與驗證，在此基礎(chǔ)上對朝克烏拉礦的礦井涌水量做出預(yù)計。

1 研究區(qū)概況

朝克烏拉煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市巴彥寶力格鄉(xiāng)境內(nèi)，設(shè)計生產(chǎn)能力5.00Mt/a。首采區(qū)開采2煤層。2煤上部含水層主要有白堊系下統(tǒng)中部砂礫巖 (K1b2)含水巖組、白堊系下統(tǒng)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。

朝克烏拉礦首采區(qū)內(nèi)2煤層厚度為12.20～22.80m，采用綜放開采。2煤開采時將會波及到白堊系下統(tǒng)中部砂礫巖 (K1b2)含水巖組與白堊系下統(tǒng)上部砂礫巖 (K1b3)含水組。K1b3含水層單位涌水量1.69～2.32L/(s·m)，滲透系數(shù)1.51～1.60m/d，K1b2含水層單位涌水量 0.0161～0.0119L/(s·m)，滲透系數(shù)0.0597～0.0814m/d。依據(jù)該礦井的水文地質(zhì)條件建立礦井的數(shù)值模型，對2煤開采時的礦井涌水量進(jìn)行預(yù)計。

2 水文地質(zhì)模型的建立

2.1 模擬范圍及邊界條件

模擬區(qū)范圍定為整個井田，將礦區(qū)含水層從下至上概化為4個含水巖組和4個隔水巖組。概化后的模擬區(qū)三維效果見圖1所示。

圖1 模擬區(qū)三維效果

限于研究區(qū)的勘探程度，本次模型的邊界條件給定如下:新生界孔隙含水巖組上邊界為潛水面邊界，模擬區(qū)側(cè)向邊界類型確定為零流量邊界，2煤巖組下邊界為隔水邊界。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型及含水層水力性質(zhì)，將模擬區(qū)地下水流概化成非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

式中，kx，ky，kz為滲透系數(shù)在x，y，z方向的分量，m/d;h為地下水水頭，m;n為邊界的外法線方向;w為單位體積流量，用以代表流進(jìn)源或流出匯的水量，m3/h;μs為含水層的儲水率，1/m;h0為初始水頭，m;t為時間，d;D為模擬區(qū)范圍; Γ為邊界類型;q為邊界流量，m3/h。

2.3 數(shù)值模型

建模過程中，根據(jù)水文地質(zhì)條件概化結(jié)果對研究區(qū)進(jìn)行三維網(wǎng)格剖分，垂向上剖分為8層，平面上將單元格剖分為150行150列共計22500個單元格，剖分結(jié)果如圖2所示。

本研究采用已有抽水孔抽水前的靜止水位結(jié)合地表高程數(shù)據(jù)通過插值方式獲得各層的初始水位(圖3)，選取已有抽水試驗過程進(jìn)行地下水流數(shù)值模擬。

圖2 模擬研究區(qū)剖分效果

圖3 初始水位流場

3 模型識別

根據(jù)礦井水文地質(zhì)補(bǔ)勘抽水時水位變化資料，對模型進(jìn)行擬合調(diào)參。擬合結(jié)果在此列舉Y136孔抽水試驗水位擬合情況，如圖4所示。由于模擬區(qū)域邊界條件類型不確定，水文地質(zhì)參數(shù)不均一，調(diào)參難度大，致使個別觀測孔的水位值擬合產(chǎn)生一定誤差，但水位變化趨勢是一致的，多數(shù)擬合點相對誤差較小，表明觀測孔水位擬合良好，對整體地下水流場影響不大，所建立的數(shù)值模擬模型與實際條件比較接近。

圖4 Y136孔抽水試驗水位擬合

4 礦井涌水量預(yù)測

根據(jù)礦井資料，第四系孔隙潛水含水層和第三系孔隙承壓含水層距離2煤較遠(yuǎn)，且與煤層之間夾有多個隔水層，2煤開采時，不會對2煤工作面造成直接充水影響。2煤開采的充水含水層主要為K1b3含水層與K1b2含水層。根據(jù)實踐經(jīng)驗可知，隨著礦井開采的疏降影響，礦井涌水量一般會逐年降低。所以，可以根據(jù)首采區(qū)的涌水量預(yù)計結(jié)果確定礦井涌水量。

模擬計算時給定每個工作面范圍內(nèi)一個平均滲透系數(shù)，滲透系數(shù)賦值見表1。

表1 滲透系數(shù)取值 /m·d－1

按照首采區(qū)工作面接替順序在工作面連續(xù)開采、含水層持續(xù)疏干情況下，考慮斷層隔水、上覆含水層補(bǔ)給及側(cè)向補(bǔ)給計算每個工作面涌水量，單一工作面涌水量曲線如圖5所示，工作面開采結(jié)束后對應(yīng)的地下水位流場情況見圖6。

圖5 2101工作面涌水量曲線

圖6 2104工作面開采結(jié)束地下水位流場

工作面開采初期涌水量最大，開采過程中涌水量趨于平穩(wěn)，結(jié)束時涌水量最小，預(yù)計結(jié)果如表2所示。隨著工作面開采，各年初累積涌水量在震蕩中減小，新開采工作面涌水一年末逐漸達(dá)到穩(wěn)定，含水層補(bǔ)給小于排泄，地下水水位持續(xù)下降，已開采所有工作面年末累積涌水量不斷減小。

表2 礦井涌水量預(yù)計結(jié)果

續(xù)表2

依據(jù)上述計算結(jié)果，工作面開采波及K1b2與K1b3含水層時預(yù)計礦井最大涌水量為4941m3/h，礦井正常涌水量取各個工作面預(yù)測結(jié)果的平均值為2418m3/h。

5 結(jié)束語

利用Visual Modflow數(shù)值模擬軟件，建立了礦井水文地質(zhì)概念模型、數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行模型識別與驗證，預(yù)測了工作面開采波及K1b2與K1b3含水層時礦井最大涌水量為4941m3/h，礦井正常涌水量為2418m3/h，可以作為礦井開采的參考依據(jù)。

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