刘德旺

(山西焦煤集团公司，山西 太原 0300053)

双柳煤矿矿井涌水量数值模拟研究

刘德旺

(山西焦煤集团公司，山西 太原 0300053)

如何比较准确的预测矿井涌水量一直是国内外煤矿相关研究人员努力探求的重要问题之一。在充分认识和掌握研究区水文地质条件的基础上，建立了与实际情况相符合的矿井涌水量数值模拟数学模型，重点研究了模型的边界条件、模型的时间和空间离散、含水介质水文地质参数的确定，并运用目前较为流行的地下水数值模拟软件Visual Modflow对研究区进行了矿井涌水量数值模拟，得出了比较合理的矿井各水平井下涌水量，为矿井水害防治提供决策依据。

双柳煤矿;矿井涌水量;数值模拟

矿井涌水量是矿山建设和生产过程中单位时间内流入矿井的水量。矿井涌水量的准确预测对于煤矿制定防治水措施、防止矿井突水、淹井等矿山水害事故的发生、降低矿山生产成本、保证矿井安全高效生产具有重要的指导意义。矿井涌水量预测方法很多，常见的有大井法、水文地质比拟法、涌水量曲线方程法、水均衡法、数值模拟法等。本文以双柳煤矿为研究对象，运用精度较高的数值模拟法预测了该矿矿井涌水量，取得了较好的效果。

1 研究区水文地质概况

双柳煤矿位于山西省河东煤田中部，为典型的黄土高原地貌，为一倾角5°～10°、自东向西倾斜的单斜构造，地层走向南北。井田主要含水层以承压水为主，主要包括煤系地层砂岩裂隙承压含水层、石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层和奥陶系中统灰岩岩溶裂隙承压含水层;隔水层主要为含水层间分布的泥岩、砂质泥岩或粉砂岩。煤系地层地下水自东向西径流，水力坡度大于奥灰水，以山西组最大，地下水由浅部顺含水层向深部运动，径流强度越来越小，最后可能停滞，沿地层薄弱带排泄;采矿活动直接或间接揭露含水层后，矿井涌水成了本区煤系砂岩含水层地下水新的排泄点。在井田外围东部、北部深谷中太原组灰岩出露，接受大气降水直接补给，受地形、地质条件的控制，太原组灰岩水主要排泄方式为在沟谷中以泉的方式涌出，其次为煤矿生产中揭穿太灰含水层，形成了井田范围内相对集中的人工排泄点。奥陶系灰岩水径流方向主要向南～南东，从柳林泉排泄，排泄处水力坡度较小。

2 数值模拟模型的建立

2.1 水文地质概念模型

研究区范围北至三交三号井田精查区13剖面线，南至聚财塔北断层，东至精查区东界面积31.03 km2。研究区太灰岩含水层厚度在30 m左右，由于岩性、富水性存在差异性，含水层岩溶发育极不均匀，呈现出各向异性的特征。因此，将其概化为非均质各向异性、单层结构含水层;研究区太灰岩水主径流方向为西南向和东西向，南北边界基本平行于主径流方向，定义为零通量边界;西南边界参考黄河水位定义为一类水头边界;模型的顶部及下部由于均存在稳定的隔水层(弱透水)，故处理为零通量边界。综上所述，区内地下水三维流特征显著，介质为非均质各向异性介质，符合达西定律。

2.2 数学模型

根据上述的水文地质概念模型，研究区内含水系统地下水流动的三维非稳定流数学模型可描述如下:

式中:x，y，z为笛卡尔坐标轴;t为时间;H0为初始统测水头，H为已知水头;Kxx、Kyy、Kzz为坐标轴方向的主渗透系数;μs为比弹性给水度;μd为重力给水度;W 为单位体积井流量，抽水时取负号;Γ1为第一类边界;Γ2－1为潜水面边界;Γ2－2为零流量边界;ε＇为降雨入渗补给量。

本次采用三维有限差分软件Visual modflow来模拟计算地下水系统的动态变化，进而预测地下水流场发展趋势与涌水量计算。

2.3 模型剖分

研究区采用矩形六面体(上、下两平面不一定平行)剖分，垂向上共剖分了2个单元层，3个结点层。平面上结点161×147个。整个模型共计剖分单元47 334个，其中有效单元42 000个。见图1。

2.4 初始水头

初始水头的分布是地下水非稳定流数值模拟不可缺少的条件。利用研究区统测观测孔水位通过插值获得各结点的初始水头值，导入模型，见图2。

图 1 模型剖分图(x∶y∶z=1∶1∶10)

图 2 太灰含水层初始流场图(x∶y∶z=1∶1∶10)

2.5 水文地质参数及分区

根据钻孔资料揭露的岩性变化及剖分时的岩性组合，在垂向上划分了4个对应的参数分区。针对断层进行线性排布分区，在垂向上切割多层，陷落柱进行层间的面状分区。在平面上对参数进一步分区，分区的主要依据为地层对接关系和地下水补给、径流、排泄条件，水文地质参数分区如图3所示。

2.6 模型识别与校正

利用长观资料对模型进行了识别与校正，地下水位动态曲线拟合情况见图4、图5。Ms3、Ms7两个观测孔的模拟水头与实测水头的动态趋势及相位基本一致。拟合检验分析见图6，其计算数据点个数 310个，最大残差 6.616 m位于MS3孔，平均参差 －0.109 m，最小参差为 －0.02 6m，位于MS3孔，对于该水动力场状态变化迅速的高承压含水层，拟合效果总体是较好的。反演得出了水文地质参数，如表1所示:灰岩水平渗透系数范围为0.051－0.16 m/d，垂向渗透系数 0.002 5 －0.005 m/d;，弹性重力给水度 0.000 02 －0.000 035，孔隙度为0.1－0.135，模拟的结果合理地反映出了地下水的流动特征与规律。

图3 水文地质参数分区

图4 Ms3孔水位拟和曲线

图5 Ms7孔水位拟和曲线

图6 拟合检验分析图

表1 水文地质参数反演结果

3 模拟结果分析

通过模型的识别与校正，对区内的各项水文地质参数进行了反演输出，数值模型建立合理。利用所建立的数值模型，以矿井开采计划中各阶段的开采水平为基本约束条件，进行矿井涌水量模拟计算，在模型中反复调试矿井涌水量使井下地下水位保持在该开采水平之下，研究区内太灰岩层顶板标高为+200～450 m，由东向西标高逐渐降低，故虚拟疏水孔大多置于矿井西部，来预测计算模拟区不同水平水位及涌水量特征。图7、图8、图9为其中三个水平的水位等值线，各水平预测计算的涌水量如表2所示。 本次所预测的井下涌水量为假定条件下的下组煤奥灰灾害稳定涌水量，随着开采深度的增加，涌水量不断增大，所以设计矿井排水能力时还应考虑井筒20 m3/h涌水和上组煤采空区积水因素，建议排水能力按700m3/h涌水量设计。

图7 模拟+500水平水位等值线

图8 模拟+450水平水位等值线

图9 模拟+400水平水位等值线

表2 各开采水平涌水量模拟结果

4 结语

本文采用数值模拟方法来预测井下涌水量，该方法不但能够考虑较多的影响因素，用来解决实际工程中比较复杂的问题，还能够比较充分地反映出煤田井下含水介质的水动力学特性和特定的边界条件，能够更加深入和全面地反映煤田井下涌水的全过程。模拟结果表明:所建立的研究区数学模型及边界条件的处理是合理的;最后的模拟结果比较客观地反应了研究区开采规模的变化所呈现出来的矿区地下水位的相应变化，与模型检验过程中所设定的地下水位值基本吻合。其模拟结果能够为矿井水害防治技术与措施的制定提供决策依据。

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1004－1184(2012)01－0051－02

2011－10－17

刘德旺(1972－)，男，山西平遥人，高级工程师，主要从事矿井水害防治方面的研究工作。