袁店二礦水文地質(zhì)勘察分析及涌水量估算研究

(安徽省渦陽縣水務(wù)局，安徽 渦陽 233602)

1 井田概況

1.1 井田地層

袁店二礦位于安徽省渦陽縣境內(nèi)，與袁店一礦毗鄰，面積為41.60 km2。礦井可采儲(chǔ)量8 051.92萬 t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力：采、選煤90萬 t/a。

該研究區(qū)多為新生界地層所覆蓋，基巖僅有零星出露。井田和外圍地層自下而上劃為奧陶系的馬家溝組、石炭系的太原組、本溪組、二疊系的石千峰組、上石盒子組、下石盒子組和山西組，上第三系和第四系。

1.2 井田構(gòu)造

該井田為一走向近東西，向北傾斜的單斜斷塊，袁店煤礦地層的傾角較小，為5°～15°。井田內(nèi)的斷層較為發(fā)育，其走向主要是北東向，其次是近東西向，個(gè)別為北西向和近南北向。按斷層走向分為近南北向、北東向(40°～80°)、北西向。斷層傾向主要是北西方向，其次為南東方向。

1.3 巖漿巖

本區(qū)有鉆孔揭露有巖漿巖，主要為基性的輝綠巖及蝕變巖漿巖和中性的閃長(zhǎng)玢巖等。侵入時(shí)代推測(cè)為燕山期。某些區(qū)域的可開采煤層受到侵蝕，侵入層位從10煤到7煤，而7-8煤受侵蝕最為嚴(yán)重。

2 井田地質(zhì)條件勘察分析

井田水文地質(zhì)條件如下：(1)第1層為第一含水層(組)：底板埋深27～36 m，平均厚度13.10 m，富水性中等，水質(zhì)較好，可作為井田生活飲用水的水源。(2)第2層為第一隔水層(組)：底板埋深47.60～63.90 m，該層分布相對(duì)穩(wěn)定，隔水能力較好。(3)第3層為第二含水層(組)：底板埋深77.20～106.20 m，平均厚度85.50 m，富水性弱-中等。(4)第4層為第二隔水層(組)：底板埋深93.20～126.65 m，平均厚度16.0～22.8 m。該層分布比較穩(wěn)定，隔水能力良好。(5)第5層為第三含水層(組)：底板埋深169.1～198.1 m，平均厚度7.30～69.10 m，富水性中等。(6)第6層為第三隔水層(組)：底板埋深234.1～263.1 m，平均厚度65.0 m。隔水層較厚、分布比較穩(wěn)定，隔水能力較好。(7)第7層為第四含水層(組)：底板埋深254.0～283.0 m，該層厚度約為0～14.56 m，分布在煤系地層的上面，富水能力較弱。(8)第8層為3煤上隔水層：底板埋深285.50～796.30 m，平均厚度146.90 m，隔水性能較好。(9)第9層是3～4煤間砂巖裂隙含水層：該層總厚度3.28～57.27 m，平均厚度16.5 m，富水性弱至中等。(10)第10層為4～6煤間隔水層(段)：底板埋深271.50～1 067.85 m，平均厚度100.70 m，主要是粉砂巖和泥巖，隔水性能較好。第11層為7-8煤層上、下砂巖裂隙含水層(段)：底板埋深288.50～1 126.78 m，平均厚度15.4 m，巖性致密，裂隙不發(fā)育；隔水性能較好。第12層為8煤層下隔水層(段)：底板埋深263.15～966.95 m，平均厚度31.70 m，隔水能力良好。

3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

數(shù)值法是解決地下水問題常用的方法[1,2]，而Moldflow是目前國(guó)際比較通用的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，該軟件仿真度高、方便靈活，已廣泛應(yīng)用于礦坑涌水量估算的計(jì)算領(lǐng)域[3]。本論文采用Moldflow軟件就地下水問題進(jìn)行數(shù)值模擬，最終求得礦坑涌水量隨時(shí)間的變化過程。

3.1 充水條件

由礦區(qū)的水文地質(zhì)條件可知，袁店二井田地層中有多個(gè)含水層和隔水層，主要充水水源有：

(1)新生界松散層第四含水層(組)：分布普遍，平均厚度7.5 m，巖性比較復(fù)雜，富水性弱至中等。該層的地下水流將由順煤層、煤層采空冒裂帶裂隙和淺部基巖風(fēng)化帶裂隙滲入礦井。

(2)主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水：礦井開拓和煤層開采的直接充水水源。裂隙發(fā)育不均一，一般富水能力差，主要是儲(chǔ)存量，缺少補(bǔ)給水源。此含水層水量較小，易于疏干，對(duì)于礦井的開采生產(chǎn)將不會(huì)造成水患。

(3)斷層及構(gòu)造裂隙：研究區(qū)大部分?jǐn)鄬釉谧匀粻顟B(tài)下富水能力差，導(dǎo)水能力弱，但井巷項(xiàng)目施工穿過斷層時(shí)，裂隙帶水將滲入礦井，雖然水量較小，但在這種工況下使地下水的天然平衡狀態(tài)被打破，將導(dǎo)致斷層的導(dǎo)水能力增強(qiáng)，就有可能產(chǎn)生突水。

(4)太灰、奧灰石灰?guī)r巖溶裂隙水：灰?guī)r巖溶裂隙水一般對(duì)可采煤層的開采生產(chǎn)不會(huì)產(chǎn)生直接的充水影響，若遭遇斷層或陷落柱的情況時(shí)，就會(huì)減小煤層與灰?guī)r“對(duì)口”接觸距離，將會(huì)使巷道產(chǎn)生“底鼓”或?qū)ΦV坑產(chǎn)生直接充水，灰?guī)r水水壓較大，水量多，容易發(fā)生突水現(xiàn)象，會(huì)對(duì)礦井產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響。

(5)鉆孔：在施工作業(yè)過程中，若由于事故而沒有封閉見煤鉆孔或者封閉不符合要求，將可能發(fā)生突水現(xiàn)象。

3.2 水文地質(zhì)模型

基于礦區(qū)水文地質(zhì)資料，結(jié)合勘探孔所揭露的水文地質(zhì)條件，礦床由上到下概化為九個(gè)含(隔)水巖組：第一含水層(組)、第一隔水層(組)、第二含水層(組)、第二隔水層(組)、第三含水層(組)、第三隔水層(組)、第四含水層(組)、3煤上隔水層(段)、3～4煤間砂巖裂隙含水層(段)。

因礦區(qū)所處的水文地質(zhì)單元范圍較大，且勘探程度及范圍有限，在確定模擬區(qū)時(shí)充分考慮到礦區(qū)排水過程中的干擾作用，以及疏干排水過程中可能的影響范圍，結(jié)合資料情況，確定以袁二井田范圍為界，向外擴(kuò)2 km為模擬區(qū)范圍，面積約為137.32 km2。

由于研究區(qū)的含水層分布廣，水力坡度比較小，研究區(qū)內(nèi)地下水流場(chǎng)也比較平緩，滲流基本符合達(dá)西定律，將研究區(qū)地下水流概化為非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定二維地下水流系統(tǒng)，側(cè)向邊界的類型確定為給定水頭邊界，垂向上接受大氣降水的入滲補(bǔ)給及水面蒸發(fā)。

3.3 數(shù)學(xué)模型

基于概化以后的水文地質(zhì)概念模型，建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[4]：

(1)

式中：K為含水層滲透系數(shù)(m/d)；H為地下水水位(m)；M為承壓含水層厚度(m)；W為單位體積內(nèi)的水流流量(m3)；μs為彈性釋水系數(shù)；H0為地下水初始水位(m)；H1為模擬期內(nèi)邊界處的地下水水位(m)；t為時(shí)間(d)；D為模擬區(qū)范圍；Γ1為第一類邊界。

圖1 水位擬合過程線

3.4 數(shù)值模型

建模過程中，垂向上概化為九層，因四含覆蓋在基巖之上，煤層開采后，地下水流可能會(huì)沿采空冒裂帶裂隙和淺部基巖風(fēng)化裂隙帶滲入礦坑，若防水煤柱被保留，這部分地下水流將是淺部煤組開采的直接充水水源。因此，重點(diǎn)概化四含的含水層結(jié)構(gòu)，四含厚度等值線圖如圖1(a)所示。在平面上把模擬區(qū)劃分為150行×150列，22 500個(gè)單元格。

根據(jù)收集到的資料，以2008年10月設(shè)為模型的初始流場(chǎng)，計(jì)算步長(zhǎng)以月為單位；模擬預(yù)測(cè)至2020年12月。

3.5 模型識(shí)別與參數(shù)賦值

根據(jù)水文地質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)松散層第四含水層兩個(gè)鉆孔水位的觀測(cè)資料，通過反復(fù)調(diào)參，最終得出了比較理想的模型識(shí)別結(jié)果，具體擬合結(jié)果如圖1(a)、(b)所示。地下水水位模擬結(jié)果比較理想，說明所建立的數(shù)值模擬模型基本正確，可用于模擬研究區(qū)內(nèi)地下水流的變化特征。

受觀測(cè)資料限制，重點(diǎn)對(duì)四含和3～4煤間砂巖裂隙含水層的參數(shù)進(jìn)行了率定，其它含(隔)水層(組)參數(shù)的取值參考《袁店二井勘探(補(bǔ)充)地質(zhì)報(bào)告》。參數(shù)識(shí)別結(jié)果見表1。

表1 含水層參數(shù)取值

3.6 涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)袁店二井的礦床開發(fā)利用方案，通過識(shí)別后的數(shù)值模型，通過Visual MODFLOW軟件，預(yù)測(cè)得到了涌水量隨時(shí)間變化過程曲線如圖2所示。開采初始時(shí)刻涌水量為8 260 m3/d，礦坑涌水量伴隨著礦床的不斷開采而逐漸減小，在礦床開采的第三年，礦坑涌水量逐漸趨于平衡，約為2 686 m3/d。

圖2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)的變化過程圖

綜上所述，利用數(shù)值法計(jì)算得到信湖礦在正常工況下的礦坑涌水量為3 236 m3/d。

4 結(jié)語

利用數(shù)值法預(yù)測(cè)礦坑涌水量，能夠通過數(shù)值模型清晰地反映實(shí)際情況，詳細(xì)地模擬出了地下水流隨時(shí)間的變化過程，預(yù)測(cè)結(jié)果比較可靠。煤層所處的地下水含水層的厚度變化都比較大，數(shù)值法能夠較好地解決這一問題。因此，總體認(rèn)為預(yù)測(cè)結(jié)果符合袁店二礦水文地質(zhì)條件反映的規(guī)律，預(yù)測(cè)成果將為袁店二礦的生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。