宋業(yè)杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

GMS在礦井涌水量預(yù)測中的應(yīng)用

宋業(yè)杰1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

應(yīng)用三維有限差分?jǐn)?shù)值計算軟件 G MS,利用其特有的三維地層創(chuàng)建模塊和滲流計算模塊,以陜北地區(qū)某礦為例,在礦區(qū)水文地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上,建立礦區(qū)三維水文地質(zhì)模型,預(yù)測了該礦某采煤工作面的涌水量變化規(guī)律,為礦井開采方案設(shè)計、保證安全開采提供了理論參考。

G MS;涌水量預(yù)測;三維有限差分;水文地質(zhì)建模

工作面涌水量預(yù)測是保證煤礦安全生產(chǎn)的必要工作,是礦井水文地質(zhì)工作的重要組成部分,做好工作面涌水量預(yù)測意義重大。

在煤礦生產(chǎn)中,常用 “大井法”和 “水文地質(zhì)比擬法”等解析方法來預(yù)測工作面涌水量。

近年來,由于煤炭資源開發(fā)力度和開采強(qiáng)度的加大,采掘環(huán)境也日趨復(fù)雜,尤其是以往未能開發(fā)的水體下復(fù)雜難采資源的采掘活動對涌水量預(yù)測工作的精準(zhǔn)性提出了更高要求,傳統(tǒng)計算方法都對區(qū)域參數(shù)進(jìn)行較大簡化,沒有考慮采掘范圍、地層變化等因素的影響,僅適用于水文地質(zhì)條件簡單的礦區(qū)。因此,引入數(shù)值計算是礦井涌水量預(yù)測方法的有力補(bǔ)充和必然趨勢。

1 G MS軟件介紹

G MS(Groundwater Modeling System)是由美國地質(zhì)調(diào)查局 (US Geological Survey)基于概念模型應(yīng)用有限差分法開發(fā)的,是支持 TI Ns(Triangulated Irregular Networks),GIS,Solids、鉆孔數(shù)據(jù)、2D與 3D地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的地下水流模擬軟件。

G MS(Groundwater Modeling System)數(shù)值模擬功能強(qiáng)大,能模擬多相多組分的溶質(zhì)運(yùn)移,該軟件提供了多種組建地下水?dāng)?shù)值模型的方法,能準(zhǔn)確刻畫地層的空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn),在科研、生產(chǎn)、工業(yè)、環(huán)保、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃、水資源利用等行業(yè)和部門得到了廣泛應(yīng)用,成為目前最為普及的綜合性地下水運(yùn)動數(shù)值模擬計算機(jī)程序[1]。

本文應(yīng)用的是 G MS6.0版,該版本包含 TI Ns,Borehole,Solid,2D Mesh,2D Grid,2D Scatter Point,3D Mesh,3D Grid,3D Scatter Point,Map和 GIS共 11個計算模塊,在本次計算中應(yīng)用到的模塊主要有 TI N,Borehole,Solid,2D Scatter Point,3D Grid和 GIS,其理論基礎(chǔ)是基于連續(xù)介質(zhì)的水流方程,將模擬區(qū)域地層等效為一組空間上連續(xù)的介質(zhì)場,根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律(達(dá)西定律),建立區(qū)域水文地質(zhì)的滲流連續(xù)性方程和運(yùn)動方程[2],即：

基礎(chǔ)方程：

對不同的水流類型、初始條件和邊界條件,建立區(qū)域水文地質(zhì)模型,求解工作面涌水量。

邊界條件：

2 工程應(yīng)用

研究礦井為陜北侏羅紀(jì)煤田某礦,位于榆神礦區(qū)的東南部,井田地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶,地表全部被第四紀(jì)松散沉積物所覆蓋,東、南部及北部地貌以黃土梁崗區(qū)為主,其余為沙漠灘地。地勢總體東、南部及北部較高,地層主要特征見表 1。

綜合分析礦井勘察過程中的鉆孔柱狀圖和各地層的水文地質(zhì)條件,建立三維礦井水文地質(zhì)模型,利用軟件的滲漏計算程序組件計算采掘區(qū)域的水頭變化和水量均衡。在模型的建立過程中,參照井田勘探資料將模擬區(qū)域分成 9層,包括 6個含水層,2個隔水層和 1層煤層,見表 2。主要含水層為部分出露地表的薩拉烏蘇組和基巖風(fēng)化帶,靜樂紅土為區(qū)域內(nèi)主要隔水層,地層厚,隔水性能好。

表2 模擬計算區(qū)巖層劃分

表1 區(qū)域地層特征

計算中把采動影響區(qū)簡化為滲漏空間,通過類似地質(zhì)條件下的數(shù)據(jù)反演,求得本井田滲漏單元的滲透性參數(shù),取工作面長度 125m,工作面推進(jìn)長度約 1000m。根據(jù)采動影響區(qū)域的分布范圍不同,預(yù)測的涌水量分為 3種情況：一是正?；夭傻那闆r下,“兩帶”高度發(fā)育到風(fēng)化帶以上但沒有穿過靜樂組紅土層,不波及靜樂組紅土層上方的含水層;二是回采后“兩帶”高度發(fā)育至第四系黃土層,但沒有溝通上覆薩拉烏蘇組含水層;三是采動影響區(qū)發(fā)育至中等富水含水層薩拉烏蘇組或地表。具體求算過程敘述如下：

(1)導(dǎo)入鉆孔柱狀三維數(shù)據(jù) 統(tǒng)計前期勘探資料,將鉆探資料依地層導(dǎo)入到 G MS中,如圖 1。地表出露地層主要有 3類,分別為第四系全新統(tǒng)沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、第四系中更新統(tǒng)離石組,如圖 2。對鉆孔反映的地層逐個編號,為下一步生成實(shí)體做前期處理。依據(jù)先前劃分的地層情況,將 9個地層依賦存順序編號,由于地層的缺失和嵌入,局部會出現(xiàn)編號的空缺和重復(fù)。

(2)生成區(qū)域地層實(shí)體 根據(jù)前面的鉆孔分布和地層編號,劃出模擬區(qū)域范圍,建立模擬區(qū)域的不規(guī)則三角網(wǎng),進(jìn)而插值生成區(qū)域地層實(shí)體,確定各個地層的基本賦存情況。再根據(jù)實(shí)測地形資料,對已生成的地層塊體的局部區(qū)域做必要的修正和完善,使其更符合實(shí)際。在地層實(shí)體中可以截取任意傾角和傾向的切面查看特定區(qū)域的三維地層賦存情況,見圖 3、圖 4。

圖1 井田鉆孔分布

圖2 地層出露分布

圖3 井田地層實(shí)體

圖4 模擬區(qū)域地層切面 (任意角度)

(3)建立概化模型 在完成上述工作后,建立區(qū)域水文地質(zhì)概化模型,創(chuàng)建區(qū)域地層的屬性圖層,在圖層中定義數(shù)值計算的地下流場類型、模型邊界條件、區(qū)域單元狀態(tài)、各地層初始水頭和計算引擎等參數(shù)。模型邊界為定流量補(bǔ)給邊界,流場類型為穩(wěn)態(tài),參照區(qū)域潛水位等值線圖設(shè)置區(qū)域水頭,井田范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜,在建立模型之前設(shè)置水文源匯項(xiàng),添加水文地質(zhì)屬性參數(shù)。本計算區(qū)域井田長約 4100m,寬 3800m,垂深約280m,模擬工作面長度 125m,將井田地層劃分為41×38×9的網(wǎng)格單元,對井田地層實(shí)體作網(wǎng)格轉(zhuǎn)換,得到包含全部地層屬性的三維網(wǎng)格。模型建立過程中使用的主要參數(shù)見表 3。

表3 主要參數(shù)

(4)模型編譯求解 完成模型的建立之后,運(yùn)行編譯程序,進(jìn)行差分迭代計算,最后求得首采面回采時的涌水量水頭分布。在計算過程中還特別對工作面開采不同采動影響強(qiáng)度時的涌水量作了預(yù)測。計算求得工作面回采 “兩帶”高度發(fā)育到風(fēng)化帶以上但沒有突破靜樂紅土層時涌水量為53.94m3/h;回采后“兩帶”高度發(fā)育至第四系黃土層,但沒有溝通上覆薩拉烏蘇組地層時涌水量為76.44 m3/h;采動影響區(qū)發(fā)育至地表富水含水層薩拉烏蘇組時涌水量為 204.82m3/h。數(shù)值計算結(jié)果見圖 5、圖 6和表 4。

圖5 采動后井田水位分布色譜圖 (全區(qū))

圖6 采動后地層水位分布色譜圖 (薩拉烏蘇組)

表4 涌水量預(yù)測

3 結(jié)論與建議

(1)通過計算可以得知,煤層開采過程中形成以采區(qū)為中心的降落漏斗,區(qū)內(nèi)水位降深大。采動破壞未穿透黃土層時,隔水性能未遭破壞,礦井涌水量較小;當(dāng)采動破壞延展到主要含水層時,礦井涌水量急劇增加,含水層失水嚴(yán)重,由于補(bǔ)給有限,部分區(qū)域出現(xiàn)疏干區(qū)。

(2)利用 G MS三維有限差分?jǐn)?shù)值計算,能定性地分析該井田的涌水規(guī)律,易于獲取不同采動影響程度下的涌水量變化趨勢,直觀地給出任意地層、任意區(qū)域的水位變化圖;能充分考慮尖滅、嵌入等地層突變因素的影響,對于復(fù)雜條件下的煤礦涌水量計算更具有獨(dú)特的優(yōu)勢,應(yīng)用前景廣闊。

(3)數(shù)值法計算礦井涌水量,投資少,效率高,可以根據(jù)不同的開采工藝分別計算各個回采階段的涌水量,便于及時采取相應(yīng)的防治水方案。G MS生成的三維地質(zhì)模型能清楚地反映各個地層的展布信息,任意角度的切面能反映出地層沉積結(jié)構(gòu)信息,可以應(yīng)用到采掘活動的補(bǔ)充勘探中。

[1]賀國平,張 彤,等 .G MS數(shù)值建模方法研究綜述 [J].地下水,2007(3).

[2]薛禹群,謝春紅 .地下水?dāng)?shù)值模擬 [M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[3]康永華,孔凡銘,張 文.試論水體下采煤的綜合研究技術(shù)體系 [J].煤礦開采,2001,6(1)：9-11,35.

[4]陳崇希,林 敏 .地下水動力學(xué) [M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1999.

[責(zé)任編輯：王興庫]

Application of GM S in Forecasting Mine Groundwater Inflow

SONG Ye-jie1,2
(1.Coal Mining&Designing Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Taking a mine of Shannbei Area as an example,3-d hydrogeology model of mining area was set up based on the analysis of its hydrogeology by applying 3-d hydrogeology modeling and seepage calculation module of G MS-a 3-d finite difference software.Groundwater inflow variation rule of a mining face in the mine was predicted with this model,which provided reference for mining design and safety mining.

G MS;groundwater inflow prediction;3-d finite difference;hydrogeology model

TD742

A

1006-6225(2011)01-0104-04

2010-10-18

宋業(yè)杰 (1985-),男,安徽旌德人,碩士研究生,主要從事煤礦水體下采煤技術(shù)與理論的研究工作。