利用數(shù)值法和解析法對祁南煤礦礦坑涌水量進行預(yù)測分析

胡雅琴，任紅蕾

(1.五礦礦業(yè)(安徽)工程設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230601；2. 合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

1 井田概況

1.1 位置及構(gòu)造

祁南井田地處宿州市埇橋區(qū)蘄縣鎮(zhèn)，勘查深度-800 m。全井田可采儲量為241 708 kt。設(shè)計生產(chǎn)能力：采、選煤260萬 t/a，礦井服務(wù)期66 a，面積大約54.58 km2。井田走向北部寬大約3 km，東部寬大約4.53 km，中部寬大約8.5 km，長大概10.5 km。按照地貌單元劃分，研究區(qū)屬華北大平原，隸屬于淮北煤田構(gòu)造。

1.2 含煤性

研究區(qū)含煤地層為石炭、二疊系。二疊系含煤地層的厚度千余米，含1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11等11個煤層(組)，含煤30余層?？刹擅簩佑?3、32、61、62、63、71、72、8、9、10等10層。23、61、62、63、8、9等6層為不穩(wěn)定煤層，32、71、72、10等4層為較穩(wěn)定煤層。較穩(wěn)定煤層平均厚8.65 m，含煤系數(shù)約為2.3%。

2 井田水文地質(zhì)條件分析

根據(jù)區(qū)域的水文地質(zhì)條件，研究區(qū)主要水文地質(zhì)特征見表1。

表1 研究區(qū)含水層(組、段)主要水文地質(zhì)特征表

礦井充水條件如下：

(1)新生界含水層在研究區(qū)廣泛發(fā)育，大部分地段的富水性較差，僅礦井西北部礫巖分布區(qū)，對于煤田的淺部煤組而言，四含是開采過程中最主要的礦井涌水來源。

(2)各主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層是礦井充水的直接充水含水層。根據(jù)煤田實際開采情況，這些水源在與其它富水性強的含水層之間不存在明顯的水力聯(lián)系的情況下，涌水量應(yīng)該不會太大，容易造成疏干現(xiàn)象。

3 礦坑涌水量預(yù)測

3.1 數(shù)值法

數(shù)值法在解決地下水流問題中，是最常用到模擬方法[1]，在地下水?dāng)?shù)值模擬軟件中，Moldflow是最為常用的軟件之一[2]，該軟件模擬度可靠、運用方便，常常用于預(yù)測煤礦礦坑涌水量的研究中[3-4]。下文將通過Moldflow軟件模擬研究區(qū)域的地下水流情況，并演算出礦坑涌水量隨時間的變動過程。

3.1.1 水文地質(zhì)模型

考慮到研究區(qū)鉆孔資料相對較為豐富，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，模型主要關(guān)注部分主要為第8-14層，含煤地層。模型邊界位于以構(gòu)造裂隙為主的裂隙網(wǎng)絡(luò)之中，地下水補給微弱，層間經(jīng)徑流緩慢，基本上處于停滯狀態(tài)，可概化為零流量邊界。本次計算和預(yù)測的范圍為祁南煤礦礦區(qū)。

因模擬區(qū)域的含水層廣泛發(fā)育，天然水力坡度非常小，因而模擬區(qū)域的地下水滲流場較為平緩，滲流基本符合達西定律，礦床開采條件下，水流各要素隨時間變化，為非穩(wěn)定流，將模擬區(qū)概化為非均質(zhì)各向同性的三維非穩(wěn)定流系統(tǒng)。根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)流場特征以及對水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析，將模擬區(qū)側(cè)向邊界類型確定為零流量邊界，垂向上接受大氣降水的入滲補給及水面蒸發(fā)等。

3.1.2 數(shù)學(xué)模型

基于上述水文地質(zhì)模型，建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[5-6]：

(1)

式中：K為含水層滲透系數(shù)(m/d)；H為地下水水位(m)；S為自由水面以下含水層的單位儲水系數(shù)(1/m)；h為潛水流厚度(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為計算期內(nèi)位于邊界處的地下水水位(m)；t為時間(d)；D為模擬區(qū)范圍；Γ1為第一類邊界，Γ2為第二類邊界。

3.1.3 數(shù)值模型

研究區(qū)垂向上概化為17層，在模擬計算中重點關(guān)注二疊系煤系地層以及直接覆蓋在二疊系煤系地層之上四含地層。

(1)時間離散

模擬期的計算時段為2015年1月至2025年1月。利用變步長的原理，前三年取步長為30天；其余年份計算步長為365 d。

(2)空間離散

在水平方向上，模型計算區(qū)面積約為86 km2，剖分網(wǎng)格如圖1所示；根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，垂向離散時，共分為17層，見圖2。

圖1 水平方向網(wǎng)格剖分圖

圖2 垂直方向網(wǎng)格剖分圖

3.1.4 模型識別與參數(shù)賦值

基于以上數(shù)值模型，根據(jù)區(qū)域內(nèi)抽水層位的抽水試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)，對所建立的數(shù)學(xué)模型進行識別，使數(shù)值模型符合實際的水文地質(zhì)條件。運行模型成功后，不斷對比分析地下水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)和觀測井位置處的模擬值，不斷改變模型的水文地質(zhì)參數(shù)，使得地下水位的模擬值與觀測值能夠很好的擬合，滿足相對的精度要求。并最獲得了比較理想的模型識別結(jié)果，見圖3。由圖可知，地下水位的模擬結(jié)果差異很小，這表明上述建立的數(shù)值模擬模型基本可信，可以用來模擬祁南煤礦的地下水流變化特征，模型識別結(jié)果如表2所示。

圖3 觀測孔2002-觀1水位擬合過程線

表2 模型識別結(jié)果

3.1.5 涌水量預(yù)測

通過已識別的數(shù)值模擬模型，計算得到的祁南煤礦礦坑涌水量隨時間的變化過程如圖4所示。即前期祁南煤礦的礦坑涌水量約為700 m3/h，隨著礦床開采進程的進一步推進，涌水量和其遞減速度逐漸變小，并達到平衡，平衡后的涌水量約為320 m3/h。

圖4 祁南煤礦礦坑涌水量時變曲線

3.2 解析法

根據(jù)上述水文地質(zhì)條件可知，祁南煤礦各主采煤層頂?shù)装宓纳皫r裂隙水會直接形成礦坑涌水，據(jù)此計算涌水量。計算公式如下[5]：

(2)

R0=R+r0

式中：Q為井筒涌水量，m3/h；K為滲透系數(shù)，m/d；S為水位降深，m；M為水層厚度，m；R為影響半徑，m；r0為引用半徑，m；R0為引用影響半徑，m。

3.2.1 主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水進入礦坑的涌水量計算

各主采煤層頂?shù)装甯凰圆粡姡揖卟痪恍?，計算時將底板砂巖和各主采煤層頂概化為一復(fù)合含水層，含水層的厚度M=66m，主采煤層面積約3.7×107 m2，可采面積約F=2.5×107 m2。根據(jù)祁南礦15-169等孔水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，估算主采煤層最大水位降深為S=496 m，根據(jù)祁南礦15-169等孔對K3砂巖抽水試驗，可得滲透系數(shù)約為K=0.003 m/d。利用上述參數(shù)得到的涌水量計算結(jié)果如表3所示。

表3 主采煤層的涌水量

3.2.2 新生界涌水量預(yù)測

本礦四含孔隙水是新生界松散層孔隙水涌入礦井的主要來源，當(dāng)其水位降到第四含水層的頂板時，含水層已由承壓水轉(zhuǎn)為承壓～無壓水流狀態(tài)，因此，本次計算利用承壓轉(zhuǎn)無壓進水溝渠公式：

(3)

主采煤層帶頭帶長度：結(jié)合實際情況，煤層的露頭帶長度設(shè)為B=2 000 m。滲透系數(shù)采用四含抽水K值的平均值，約為K=0.02 m/d，四含厚度約M=17 m。四含降深多觀測孔平均水位標(biāo)高約為-17 m，地面標(biāo)高約為23 m，底板平均埋深324 m，平均厚度約為17 m，則水位降深值約為S=267 m。選用上述參數(shù)，根據(jù)式(3)進行計算，計算成果見表4。

表4 四含水涌水量計算結(jié)果

本礦由主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水進入礦坑的涌水量和新生界四含孔隙水涌水量綜合后，礦井正?？傆克考s為300 m3/h。

3.3 預(yù)測結(jié)果對比分析

礦井正常涌水量的實際觀測值為333 m3/h，通過數(shù)值法計算的祁南煤礦的礦坑涌水量為320 m3/h，解析法計算的祁南煤礦的涌水量為300 m3/h。上述兩種預(yù)測方式得到的結(jié)果具有一定的偏差，但是差距很小。

4 結(jié)語

本研究區(qū)，區(qū)域邊界的形狀很不規(guī)則，在運用解析法公式時，很難對更加全面地反映該區(qū)域?qū)嶋H情況，解析法在運用時降低了其計算精度。太原組灰?guī)r巖溶含水層及煤層厚度的變化都比較明顯，數(shù)值法可較好地解決該問題，但解析法公式將含水層的厚度進行均勻化處理等，這大大降低了解析法預(yù)測涌水量的精度。另一方面，運用解析法時，無形當(dāng)中將模擬區(qū)域內(nèi)的含水層條件設(shè)置為均質(zhì)各向同性，這同樣使得解析解法預(yù)測結(jié)果的精度有所降低。因此，總體認為數(shù)值法的預(yù)測結(jié)果同實測值比較接近，是比較可信的；另外，解析法可以成為數(shù)值法計算礦坑涌水量的一種補充校驗方法，兩種方法的相互補充使得有效預(yù)測礦坑涌水量的準(zhǔn)確性得到了提高。