涌水量預(yù)測(cè)的解析法與數(shù)值法對(duì)比研究

陳秀艷+劉啟蒙+李鵬飛

摘 要：礦井涌水量是礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防治水重要依據(jù)。以朝克烏拉煤礦為例，采用解析法和數(shù)值法對(duì)研究區(qū)K1b2含水層涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比結(jié)果表明，數(shù)值法更能體現(xiàn)開采過程中涌水量的動(dòng)態(tài)變化過程，較解析法更能反映實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：涌水量預(yù)測(cè)；解析法；數(shù)值法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.091

0 引言

礦井涌水量預(yù)測(cè)是煤礦水文地質(zhì)工作的重要內(nèi)容，其貫穿了礦床勘探、礦井建設(shè)和生產(chǎn)全過程。目前礦井涌水量預(yù)測(cè)方法較多，由于各種計(jì)算方法適用范圍存在差異，因此計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮礦區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。本文以朝克烏拉煤礦為例，在充分考慮礦井水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，分別采用解析法和數(shù)值法對(duì)朝克烏拉煤礦各工作面K1b2含水層涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，礦區(qū)從下至上概化為4個(gè)含水巖組，即2煤上部（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。礦井主要的充水含水層為K1b2含水層，也是本次涌水量預(yù)測(cè)研究的目的含水層。據(jù)含水層混合抽水試驗(yàn)資料顯示，其單位涌水量為0.0161～0.0119 L/s·m，滲透系數(shù)為0.0597～0.0814 m/d，屬弱富水含水層。

2 解析法預(yù)測(cè)礦井涌水量

2.1 涌水量預(yù)測(cè)公式

根據(jù)開采設(shè)計(jì)和實(shí)際水文地質(zhì)特征分析可知，水壓會(huì)降到隔水層頂板以下，水力性質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)為承壓—潛水水流，故擬選擇承壓—潛水完整井水平坑道計(jì)算公式計(jì)算各工作面的涌水量。其公式如下

（1）

（2）

式中Q——工作面礦井涌水量（m3/d）；

B——水平坑道長度，此處指各工作面長度（m）；

S——水位降深（m）；

M——承壓含水層厚度（m）；

R——水平坑道的影響深度（m）；

H——承壓水從最低開拓水平算起的水頭高度（m）；

K——含水層滲透系數(shù)（m/d）。

2.2 參數(shù)選取

（1）滲透系數(shù)參數(shù)。根據(jù)研究區(qū)在K1b2含水層的鉆孔抽水試驗(yàn)資料，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，且考慮到利用解析法預(yù)測(cè)礦井涌水量的局限性和適用條件，取K=0.05 m/d。

（2）水位降深。水位降深S采用各工作面靜止水位與K1b2含水層底板高程的差值，各開采工作面降深數(shù)據(jù)見表1。

2.3 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

利用公式（1）、（2）計(jì)算K1b2含水層涌水量結(jié)果見表2。

從表2可知：K1b2含水層對(duì)首采區(qū)各工作面的涌水量為40.960～74.223 m3/h，平均60.993 m3/h。

3 數(shù)值法預(yù)測(cè)礦井涌水量

3.1 水文地質(zhì)概念模型

白堊系下統(tǒng)上部砂礫巖（K1b3）含水組和2煤頂板之間有較穩(wěn)定的隔水巖組，2煤頂板第一隔水巖組和2煤頂板第二隔水巖組。降水入滲補(bǔ)給是第四系孔隙潛水含水巖組的補(bǔ)給水源。建立數(shù)值模型時(shí)，結(jié)合不同含水巖組的空間分布情況，并綜合考慮巖性及裂隙發(fā)育程度，將研究區(qū)垂向概化為8層。

3.2 初始條件和模擬期

考慮到抽水試驗(yàn)前地下水流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，視為統(tǒng)一的地下水徑流系統(tǒng)，7個(gè)含水層有統(tǒng)一的地下水初始流場(chǎng)，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。

3.3 模型識(shí)別

經(jīng)過試錯(cuò)法調(diào)參，最終得到了較為理想的模型識(shí)別驗(yàn)證結(jié)果，擬合結(jié)果見圖2。

由圖2可知，由于模擬區(qū)域范圍廣，邊界條件類型不確定并且區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)不均一，調(diào)參難度大，致使個(gè)別觀測(cè)孔的水位值擬合產(chǎn)生一定誤差，水位變化曲線較為一致，多數(shù)擬合點(diǎn)相對(duì)誤差較小，表明抽水孔水位擬合良好，對(duì)整體地下水流暢影響不大，所建立的數(shù)

值模擬模型基本正確。

3.4 涌水量預(yù)測(cè)

在工作面連續(xù)開采含水層持續(xù)疏干情況下，按照工作面接替順序計(jì)算每個(gè)工作面涌水量，無上覆K1b3含水層補(bǔ)給、邊界和斷層均隔水，此情況下涌水量對(duì)煤礦供水來說是最不利的情況。涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。

由表3可知：采用數(shù)值模擬方法，在不考慮側(cè)向補(bǔ)給和斷層導(dǎo)水條件情況下，K1b2含水層礦井涌水量為44.771～155.623 m3/h，平均涌水量為86.452 m3/h。

3.5 礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析

從表3、表4可以看出，解析法預(yù)測(cè)涌水量結(jié)果較穩(wěn)定，波動(dòng)性較小，這是因?yàn)榻馕龇A(yù)計(jì)的結(jié)果是地下水經(jīng)過一定時(shí)間的非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的水量，與實(shí)際情況存在差距；數(shù)值法預(yù)測(cè)礦井涌水量結(jié)果波動(dòng)性較大，其反映了地下水在非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)過程中的水量，較解析法預(yù)測(cè)結(jié)果更符合實(shí)際情況?；谝陨显?，故建議采用數(shù)值法預(yù)測(cè)礦井涌水量的結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）解析法在預(yù)測(cè)礦井涌水量時(shí)存在諸多局限性，實(shí)際條件難以滿足，難以進(jìn)行簡化處理，預(yù)測(cè)結(jié)果難以滿足精度要求，無法預(yù)測(cè)工作面連續(xù)開采、地下水位持續(xù)下降及復(fù)雜邊界非穩(wěn)定情況下的涌水量。（2）數(shù)值模擬較解析法而言，其處理實(shí)際問題時(shí)的嚴(yán)格理想化要求，使其更符合實(shí)際條件，其結(jié)果可信度高。在本實(shí)例中，通過兩種方法的對(duì)比可知，數(shù)值法預(yù)測(cè)礦井涌水量結(jié)果波動(dòng)性較大，其反映了地下水在非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)過程中的水量，較解析法預(yù)測(cè)結(jié)果更符合實(shí)際情況。

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作者簡介：陳秀艷（1990-），女，山東菏澤人，在讀碩士，研究方向：水文地質(zhì)。