趙常鳳 劉正文 沈禮鋒 宋 峰 張 亮 張洪波

(1.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 青島266500；2.山東省非煤礦山鉆探應(yīng)急救援中心，山東 青島 266500)

礦井失水是影響煤礦安全的一種重要災(zāi)害，容易引起嚴(yán)重的煤礦安全事故[1]。礦井突水與瓦斯突出是礦井最重要的兩種危害，嚴(yán)重影響煤礦的生產(chǎn)與管理[2]。煤炭開采對(duì)覆蓋巖體的穩(wěn)定性有一定影響，會(huì)導(dǎo)致覆蓋巖體中的應(yīng)力重新分配，形成透水裂縫，將覆蓋巖體中的地下水引入采空區(qū)，形成突水。在不能滲透隔水層區(qū)域，因采動(dòng)沉陷，地下水水位發(fā)生變化，降低了地下水埋深[3]。地下水位不斷下降，最終會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)地下水抽干、井泉枯竭的局面，嚴(yán)重影響水資源的利用，并最終導(dǎo)致地面植物的枯萎和自然景觀的退化，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)地面土地荒漠化。

趙春虎等[4]利用COMSOL仿真分析平臺(tái)，將含水層與疏水性鉆孔之間的流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行對(duì)比，揭示了疏水性鉆孔涌水量的動(dòng)力變化機(jī)理。將疏水性鉆孔中的含水層概化為無(wú)窮大非補(bǔ)水含水層，將鉆孔單元和孔壁概化為達(dá)西滲漏界面，并進(jìn)行達(dá)西滲漏過(guò)程的實(shí)時(shí)集成，實(shí)現(xiàn)疏水性鉆孔涌出量的精確求解。他們通過(guò)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在疏水孔內(nèi)等水頭到達(dá)類穩(wěn)態(tài)排水時(shí)，等水頭在疏水孔內(nèi)呈現(xiàn)“反漏斗”現(xiàn)象，并得到了與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相吻合的一階單指標(biāo)排水衰減方程。羅奇斌等[5]通過(guò)對(duì)陜北地區(qū)頭道河澤、二道河澤溝谷區(qū)兩個(gè)區(qū)域與礦區(qū)的水文地質(zhì)情況進(jìn)行深入的分析，建立了該區(qū)域地下水不穩(wěn)流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)該區(qū)域3礦進(jìn)行綜合與分層兩種采掘模式下的礦山涌出量與地下水水位的動(dòng)態(tài)演變進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，煤炭開采會(huì)對(duì)該地區(qū)的地下水環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，其中，綜合采礦法所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶比常規(guī)的層狀采礦法要高得多，并且容易與第四系的潛流地層連通，使其涌水量增加，進(jìn)而引發(fā)水災(zāi)。煤礦井下涌水量始終困擾著煤礦的安全生產(chǎn)，明確涌水量規(guī)律是解決煤礦涌水量問(wèn)題的關(guān)鍵。為了獲取煤礦井下含水層超前疏水鉆孔中的涌水量衰減規(guī)律，本文以Q煤礦為研究對(duì)象，采用SEEP/W軟件模擬分析鉆孔涌水量的變化規(guī)律，構(gòu)建涌水量衰減規(guī)律數(shù)值模擬模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔涌水量衰減規(guī)律預(yù)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

Q煤礦區(qū)位于北嶺向斜壓性旋流構(gòu)造南端，以褶皺構(gòu)造為主，斷層構(gòu)造為輔，氣候?qū)儆诖箨懶园敫珊禋夂颍曜罡邷囟葹?2.7 ℃，最低溫度為-21.2 ℃，受地形影響，降水量的分布不均勻[6-7]，地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure of the study area

2 涌水量衰減規(guī)律數(shù)值模擬模型構(gòu)建

采用SEEP/W軟件構(gòu)建涌水量衰減規(guī)律數(shù)值模擬模型[8]，重點(diǎn)研究煤礦開挖與降雨入滲共同作用下，研究區(qū)涌水量衰減規(guī)律的變化情況，邊界條件設(shè)置如下：

入滲邊界：將Q煤礦斜坡處和山坡表面作為降雨的入滲邊界，計(jì)算過(guò)程中選取的水頭值與地面高度相等。

模型兩側(cè)：按照零流量邊界，對(duì)地下水的上邊界進(jìn)行處理，將水頭邊界作為下邊界。

模型底面：將透水邊界作為底面邊界。

在上述邊界條件下，給出涌水量衰減規(guī)律數(shù)值模擬的初始條件，通過(guò)數(shù)理分析預(yù)報(bào)原始介質(zhì)的吸力[9]。一般情況下，滲透面的底泥吸附量隨著滲透量的上升而上升，但事實(shí)上，在最大毛細(xì)高程以內(nèi)的增長(zhǎng)幅度非常大，自最大毛細(xì)高程起至地面層的吸力增長(zhǎng)幅度非常小，因此，通常將吸力的增長(zhǎng)看作是恒定的。本文假設(shè)不考慮含水層的氣相壓力，僅考慮鉆孔的水相壓力，那么，基質(zhì)吸力就是負(fù)值的孔隙水壓力[10]。如果最大毛細(xì)上升高度符合假設(shè)，可以得出，邊坡中的基質(zhì)吸力在某一高程下方呈現(xiàn)出直線分布，如果高于這個(gè)高度，那么其大小可以看作是最大毛細(xì)的上升高度。

降雨的入滲是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，其強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間對(duì)入滲情況會(huì)產(chǎn)生一定影響[11]。同時(shí)并不是每一滴落在地面上的雨水都會(huì)滲透進(jìn)土壤中，有些雨水會(huì)從地上滲透到地下，有些則會(huì)在地面上以一種特殊的方式流動(dòng)到其他地方。至于雨水在什么樣的條件下才能滲透到地下，在什么樣的條件下才能在地表流走，這兩者之間有什么聯(lián)系，就是入滲速度的問(wèn)題[12]。因此，在涌水量規(guī)律數(shù)值模擬時(shí)進(jìn)行如下假設(shè)：

1)假設(shè)所有的雨水都滲透到了地面下，以雨水的強(qiáng)度為流動(dòng)邊界，進(jìn)行入滲速率的計(jì)算。

2)按照固定比例降低雨水強(qiáng)度，并將降低后的雨水強(qiáng)度作為降雨流量的邊界條件[13]，進(jìn)行入滲速率的計(jì)算。

3)根據(jù)土壤滲透系數(shù)與雨水強(qiáng)度之間的相關(guān)規(guī)律，求出了入滲速度。在雨水強(qiáng)度大于飽和滲流系數(shù)的情況下，以飽和滲流系數(shù)為基準(zhǔn)，計(jì)算入滲速率，反之，以降雨強(qiáng)度為基準(zhǔn)計(jì)算入滲速率。

4)如果降雨強(qiáng)度比地表的入滲能力低，利用降雨強(qiáng)度計(jì)算入滲速率，并選取第二類邊界條件[14]。如果降雨強(qiáng)度比地表的入滲能力高，雨水與土壤的入滲強(qiáng)度相同，選取第一類邊界條件。

采用假設(shè)4可以模擬出降雨不同階段的入滲情況，因此降雨強(qiáng)度可作為降雨入滲土壤的邊界條件[15]。

Q煤礦的+127水平工作面是發(fā)生涌水的主要區(qū)域，因此，將地表到+127水平工作面作為研究區(qū)域。將模型劃分為六個(gè)部分，其中第五部分為煤層，表1給出了各層巖石的力學(xué)參數(shù)。

表1 每一層巖石的力學(xué)參數(shù)

通過(guò)網(wǎng)格劃分構(gòu)建涌水量衰減規(guī)律數(shù)值模擬模型，結(jié)果如圖2所示。圖2的數(shù)值模擬模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉆孔涌水量衰減規(guī)律的分析，為鉆孔涌水量衰減規(guī)律研究提供參考。

圖2 涌水量衰減規(guī)律數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model for the attenuation law of water inflow

3 結(jié)果分析

3.1 水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)鉆孔涌水量衰減的影響

當(dāng)超前疏放水鉆孔的孔徑為0.10 m、仰角為50°、斜長(zhǎng)為80 m時(shí)，對(duì)不同初始水頭、滲透系數(shù)和彈性給水度下的鉆孔涌水量衰減規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1.1 初始水頭

滲透系數(shù)和彈性給水度不變，將初始水頭設(shè)置為764、883、1 012 m，鉆孔涌水量變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 初始水頭與鉆孔涌水量規(guī)律的關(guān)系Fig.3 Relationships between initial head and borehole water inflow

由圖3可知，鉆孔涌水量的峰值和擬合穩(wěn)定水量隨著初始水頭高度的增加而逐漸增加，初始水頭為764、883、1 012 m時(shí)對(duì)應(yīng)的用水量峰值分別為96、112、124 m3/h，涌水量的衰減系數(shù)并沒有發(fā)生明顯變化，均在30 h達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，擬合穩(wěn)定水量分別為36、48、56 m3/h。

3.1.2 滲透系數(shù)

初始水頭和彈性給水度不變，將滲透系數(shù)設(shè)置為0.1、0.2、0.4 m/d，得到鉆孔的涌水量規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4 滲透系數(shù)與鉆孔涌水量的關(guān)系Fig.4 Relationships between permeability coefficient and water inflow

從圖4可以看出，鉆孔涌水量的峰值隨著滲透系數(shù)的增加而增加，滲透系數(shù)為0.1、0.2、0.4 m/d時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值涌水量分別為250、300、350 m3/h，在衰減過(guò)程中，衰減系數(shù)為30、50、36 h時(shí)，涌水量處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定涌水量分別為60、100、150 m3/h，增大滲透系數(shù)后，含水層的過(guò)水能力也會(huì)明顯增加，但是對(duì)涌水量衰減系數(shù)的影響較小。

3.1.3 彈性給水度

初始水頭和滲透系數(shù)不變，將彈性給水度設(shè)置為4×10-7、2×10-6、4×10-6，得到鉆孔的涌水量變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

圖5 彈性給水度與鉆孔涌水量的關(guān)系Fig.5 Relationships between elastic water yield and water inflow rate of drilling holes

由圖5可知，彈性給水度為4×10-7、2×10-6、4×10-6時(shí)對(duì)應(yīng)鉆孔的涌水量峰值分別為56、60、64 m3/h，當(dāng)涌水量衰減到44 m3/h時(shí)開始趨近于穩(wěn)定，衰減系數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，涌水量趨于穩(wěn)定的周期差異比較大，分別為20、28、60 h。因此，可以推斷，彈性給水度大，含水層中的峰值涌水量也大，彈性給水度會(huì)嚴(yán)重影響鉆孔的似穩(wěn)定周期，兩者為正相關(guān)。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)對(duì)涌水量的影響

設(shè)定初始水頭、滲透系數(shù)和彈性給水度不變，對(duì)煤礦井下含水層超前疏放水鉆孔在不同仰角和孔徑下的涌水量衰減規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.2.1 鉆孔仰角與斜長(zhǎng)

設(shè)定鉆孔孔徑不變，將鉆孔仰角分別設(shè)置為0°、30°和60°，對(duì)應(yīng)的斜長(zhǎng)分別為60、80、120 m，鉆孔的涌水量變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 鉆孔仰角與斜長(zhǎng)對(duì)涌水量的影響Fig.6 Effects of borehole elevation and slope length on water inflow

由圖6可知，鉆孔仰角分別為0°、30°和60°時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆孔涌水量峰值分別為100、92、88 m3/h，隨著鉆孔仰角與斜長(zhǎng)的增大，穩(wěn)定狀態(tài)下的涌水量也存在很大差異，分別為44、48、56 m3/h，峰值涌水量和穩(wěn)定涌水量隨著鉆孔仰角與斜長(zhǎng)的增大而增加，進(jìn)而鉆孔的疏水能力得到提高。

3.2.2 鉆孔孔徑

保持鉆孔仰角與斜長(zhǎng)不變，將鉆孔孔徑設(shè)置為0.05、0.075、0.1 m，得到鉆孔的涌水量變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 鉆孔孔徑與涌水量衰減的關(guān)系Fig.7 Relationships between borehole diameter and water inflow attenuation

由圖7可知，隨著鉆孔孔徑的增大，峰值涌水量和穩(wěn)定涌水量增大。鉆孔孔徑分別為0.05、0.075、0.1 m時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆孔涌水量峰值分別為62、60、58 m3/h，穩(wěn)定衰減的涌水量分別為46、42、40 m3/h。

3.3 群孔干擾疏水對(duì)涌水量的影響

以Q煤礦含水層的某一個(gè)首采工作面為研究對(duì)象，采用涌水量衰減規(guī)律數(shù)值模擬模型建立四種工況，分別為1個(gè)鉆孔、1個(gè)鉆區(qū)3個(gè)鉆孔、3個(gè)鉆區(qū)9個(gè)鉆孔、6個(gè)鉆區(qū)18個(gè)鉆孔，編號(hào)分別為H、3-1、3-2、3-3、9-1、9-2、9-3、18-1、18-2、18-3。以此為依據(jù)，構(gòu)建群孔干擾疏水?dāng)?shù)值模型，分析鉆孔涌水量在群孔干擾疏水條件下的衰減規(guī)律。不同工況條件下，鉆孔涌水量的歷時(shí)曲線如圖8所示。

圖8 鉆孔涌水量的歷時(shí)曲線Fig.8 Duration curves of drilling water inflow

從圖8可以看出，隨著鉆孔數(shù)量的增加，單個(gè)鉆孔的涌水能力明顯下降。

在不同工況條件下，鉆孔在似穩(wěn)定狀態(tài)下的涌水量如圖9所示。

圖9 似穩(wěn)定涌水量變化情況Fig.9 Changes in seemingly stable water inflow

從圖9可以看出，在多鉆孔同時(shí)工作條件下，隨著鉆孔數(shù)量的增加，增加工作面的鉆區(qū)時(shí)，鉆孔的涌水能力衰減比較明顯，除了工況1以外，其他工況中三個(gè)鉆孔的涌水能力均有所下降，其中1-1鉆孔的疏水能力受到群孔干擾的影響最大，而涌水能力最小。

4 結(jié)論

初始水頭、滲透系數(shù)、彈性給水度、鉆孔仰角與斜長(zhǎng)、孔徑以及鉆孔數(shù)量和覆蓋范圍均會(huì)影響含水層超前疏放水鉆孔涌水量。今后研究可以事先對(duì)涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果分析鉆孔的涌水量衰減規(guī)律，為煤礦安全生產(chǎn)提供一種水害治理手段。