數(shù)值模擬在礦井涌水量預測中的應用

李磊

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

礦井涌水量預計是煤礦防治水及設計礦井排水能力及抗災能力等的關(guān)鍵問題之一。多年來，涌水量預測常用的是解析法、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計造成影響［1－4］，特別是針對水文地質(zhì)條件復雜礦井的涌水量預測影響更大。數(shù)值法是近年來一種較為先進的技術(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格理想化要求，可以彌補傳統(tǒng)方法的不足，使礦井涌水量的預測更為符合實際［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)學模型，進行模型識別與驗證，在此基礎上對朝克烏拉礦的礦井涌水量做出預計。

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行預計。

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)，并建立相應的數(shù)學模型。

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)補勘抽水時水位變化資料，對模型進行擬合調(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，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、上覆含水層補給及側(cè)向補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到穩(wěn)定，含水層補給小于排泄，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)學模型，并進行模型識別與驗證，預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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