数值模拟在矿井涌水量预测中的应用

李磊

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

矿井涌水量预计是煤矿防治水及设计矿井排水能力及抗灾能力等的关键问题之一。多年来，涌水量预测常用的是解析法、类比法等传统方法，这些方法对水文地质条件的认识依赖性很大，计算结果与实际情况出入较大，对水体下压煤的安全开采以及矿井排水能力的设计造成影响［1－4］，特别是针对水文地质条件复杂矿井的涌水量预测影响更大。数值法是近年来一种较为先进的技术手段，能较为真实地刻画研究区水文地质特征，模拟边界的复杂几何形态，能较好地描述边界的性质和水力特征。数值计算用近似分割原理摆脱解析法处理实际问题时的严格理想化要求，可以弥补传统方法的不足，使矿井涌水量的预测更为符合实际［5－7］。

因此，以朝克乌拉煤矿为例，依据矿井水文地质资料，采用Visual Modflow数值模拟软件［8］，建立水文地质概念模型、数学模型，进行模型识别与验证，在此基础上对朝克乌拉矿的矿井涌水量做出预计。

1 研究区概况

朝克乌拉煤矿位于内蒙古自治区锡林浩特市巴彦宝力格乡境内，设计生产能力5.00Mt/a。首采区开采2煤层。2煤上部含水层主要有白垩系下统中部砂砾岩 (K1b2)含水岩组、白垩系下统上部砂砾岩 (K1b3)含水组、第三系孔隙承压含水岩组和第四系孔隙潜水含水岩组。

朝克乌拉矿首采区内2煤层厚度为12.20～22.80m，采用综放开采。2煤开采时将会波及到白垩系下统中部砂砾岩 (K1b2)含水岩组与白垩系下统上部砂砾岩 (K1b3)含水组。K1b3含水层单位涌水量1.69～2.32L/(s·m)，渗透系数1.51～1.60m/d，K1b2含水层单位涌水量 0.0161～0.0119L/(s·m)，渗透系数0.0597～0.0814m/d。依据该矿井的水文地质条件建立矿井的数值模型，对2煤开采时的矿井涌水量进行预计。

2 水文地质模型的建立

2.1 模拟范围及边界条件

模拟区范围定为整个井田，将矿区含水层从下至上概化为4个含水岩组和4个隔水岩组。概化后的模拟区三维效果见图1所示。

图1 模拟区三维效果

限于研究区的勘探程度，本次模型的边界条件给定如下:新生界孔隙含水岩组上边界为潜水面边界，模拟区侧向边界类型确定为零流量边界，2煤岩组下边界为隔水边界。

2.2 数学模型

根据水文地质概念模型及含水层水力性质，将模拟区地下水流概化成非均质各向异性非稳定三维地下水流系统，并建立相应的数学模型。

式中，kx，ky，kz为渗透系数在x，y，z方向的分量，m/d;h为地下水水头，m;n为边界的外法线方向;w为单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量，m3/h;μs为含水层的储水率，1/m;h0为初始水头，m;t为时间，d;D为模拟区范围; Γ为边界类型;q为边界流量，m3/h。

2.3 数值模型

建模过程中，根据水文地质条件概化结果对研究区进行三维网格剖分，垂向上剖分为8层，平面上将单元格剖分为150行150列共计22500个单元格，剖分结果如图2所示。

本研究采用已有抽水孔抽水前的静止水位结合地表高程数据通过插值方式获得各层的初始水位(图3)，选取已有抽水试验过程进行地下水流数值模拟。

图2 模拟研究区剖分效果

图3 初始水位流场

3 模型识别

根据矿井水文地质补勘抽水时水位变化资料，对模型进行拟合调参。拟合结果在此列举Y136孔抽水试验水位拟合情况，如图4所示。由于模拟区域边界条件类型不确定，水文地质参数不均一，调参难度大，致使个别观测孔的水位值拟合产生一定误差，但水位变化趋势是一致的，多数拟合点相对误差较小，表明观测孔水位拟合良好，对整体地下水流场影响不大，所建立的数值模拟模型与实际条件比较接近。

图4 Y136孔抽水试验水位拟合

4 矿井涌水量预测

根据矿井资料，第四系孔隙潜水含水层和第三系孔隙承压含水层距离2煤较远，且与煤层之间夹有多个隔水层，2煤开采时，不会对2煤工作面造成直接充水影响。2煤开采的充水含水层主要为K1b3含水层与K1b2含水层。根据实践经验可知，随着矿井开采的疏降影响，矿井涌水量一般会逐年降低。所以，可以根据首采区的涌水量预计结果确定矿井涌水量。

模拟计算时给定每个工作面范围内一个平均渗透系数，渗透系数赋值见表1。

表1 渗透系数取值 /m·d－1

按照首采区工作面接替顺序在工作面连续开采、含水层持续疏干情况下，考虑断层隔水、上覆含水层补给及侧向补给计算每个工作面涌水量，单一工作面涌水量曲线如图5所示，工作面开采结束后对应的地下水位流场情况见图6。

图5 2101工作面涌水量曲线

图6 2104工作面开采结束地下水位流场

工作面开采初期涌水量最大，开采过程中涌水量趋于平稳，结束时涌水量最小，预计结果如表2所示。随着工作面开采，各年初累积涌水量在震荡中减小，新开采工作面涌水一年末逐渐达到稳定，含水层补给小于排泄，地下水水位持续下降，已开采所有工作面年末累积涌水量不断减小。

表2 矿井涌水量预计结果

续表2

依据上述计算结果，工作面开采波及K1b2与K1b3含水层时预计矿井最大涌水量为4941m3/h，矿井正常涌水量取各个工作面预测结果的平均值为2418m3/h。

5 结束语

利用Visual Modflow数值模拟软件，建立了矿井水文地质概念模型、数学模型，并进行模型识别与验证，预测了工作面开采波及K1b2与K1b3含水层时矿井最大涌水量为4941m3/h，矿井正常涌水量为2418m3/h，可以作为矿井开采的参考依据。

［1］王克勤，李 凯.地下水数值模拟系统在矿井涌水量计算中的应用［J］.西部探矿工程，2012，24(10):162－163，168.

［2］李 平，郭会荣，吴孔军，等.王河煤矿矿井涌水量数值模拟及预测［J］.中国地质大学学报，2011(4):755－760.

［3］王国利.关于数值法用于复杂型矿床涌水量预测中存在问题的讨论［J］.冶金地质动态，1991，7(2):56－60.

［4］Bridget R.Scanlon，Robert E.Mace，Michael E.Barrett.Can we simiulate regional ground water flow in a karst system using equivalent porous media models Case study Barton Springs Edwards aquifer USA［J］.Journal of Hydrology，2003，27(6):137－158.

［5］孙 勇.地下水数学模型中动态边界的一种处理方法［J］.岩土工程技术，1996(4):19－22.

［6］魏 军.矿井涌水量的数值模拟研究［D］.阜新:辽宁工程技术大学，2006.

［7］Samania N，Kompani－Zare M，Barry D A.Modflow equipped with a new method forthe accurate simulation ofax symmetric flow［J］.Advances in Water Resources，2004，27(1).

［8］李 平，卢多喜，马洪云，等.Visual.MODFLOW在地下小数值模拟中的应用—以公主岭市黄龙工业园水源为例［J］.工程勘察，2006(3):24－27.