矿井涌水量预测三维数值模拟

矿井涌水量预测三维数值模拟

马青山，骆祖江

(河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 210098)

摘要：为了准确预测矿井涌水量，保障煤矿安全生产，以鄂尔多斯巴彦淖井田为例，采用地下水三维数值模拟理论和方法，通过对研究区水文地质模型的概化，建立了巴彦淖井田矿井涌水量预测的地下水三维非稳定流数值模拟模型，并结合矿井生产进度，以工作面月回采进度为单位，模拟预测了丰水期和平水期两种情况下，各工作面不同进度期地下水位分别疏降至2煤层底时的涌水量。结果表明：在前10个进度期内，工作面最大涌水量为1 328 m3·h-1，正常涌水量为1 134 m3·h-1.实践证明：该方法不但能正确刻画矿井水文地质条件，而且还能将矿井涌水量预测和矿井生产进度紧密结合起来，具有较高的精度。

关键词：工作面；涌水量；三维非稳定流数值模型

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0217

文章编号：1672-9315(2015)02-0236-06

收稿日期:*2014-09-10责任编辑：刘洁

通讯作者：马青山(1988-)，男，四川阆中人，博士研究生，E-mail:ssqm2007@163.com

中图分类号：TD 742文献标志码： A

Three-dimensional numerical simulation for predicting mine water inflow

MA Qing-shan，LUO Zu-jiang

(SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity，Nanjing210098，China)

Abstract：In order to accurately predict the mine water inflow，ensuring the safety of coal mine production,this article took Bayannao well field in Ordos as an example，based on the numerical simulation theories and methods of groundwater movement，a three-dimensional unsteady flow numerical model of groundwater for predicting the water inflow of Bayannao mine was established by generalizing the hydrogeology model of the study area.According to the production schedule of mine，the water inflow in every working face was simulated and predicted on a monthly stoping progress basis when the groundwater level declines to the No.2 coal seam floor，under the average level period and wet period.The results showed the maximum water inflow of working face was 1 328 m3·h-1，the normal water inflow was 1 134 m3·h-1 in the first ten tunneling progresses.The practice shows that the method has a high precision which not only correctly depicts the mine hydrogeology conditions，but also closely combines with the mine water inflow prediction and mine production schedule.

Key words：working face；water inflow；three-dimensional unsteady flow numerical model

0引言

矿井涌水量预测是保证煤矿安全生产的必要工作， 是矿井水文地质工作的重要组成部分，做好矿井涌水量预测意义重大。近年来，由于煤矿采掘环境越来越复杂，因此对涌水量预测的精度提出了更高的要求。目前，矿井涌水量计算方法较多，常用的有解析法、水文地质比拟法、相关分析法等，但这些传统的计算方法在使用上对区域水文地质条件进行了较大的简化，并且受限于实测资料的积累，预测精度普遍较低[1-2]。相比而言，地下水三维非稳定流数值模型能较好地刻画地下水流系统内部结构和功能，较为真实地反映实际的水文地质状况，并且能够根据矿井的实际采掘进度和工作面的布置特征预测矿井涌水量[3]，大大提高了矿井涌水量的预测精度。

文中以巴彦淖井田先期开采地段范围内的矿井工作面涌水量预测为例，根据井田地质和水文地质条件，建立了地下水三维非稳定流数值模型[4-5]，并结合矿机生产进度,以工作面月回采进度为单位，分别对各工作面涌水量进行了预测。预测结果具有较高的精度，为煤矿生产设计部门制定矿井排水能力、制定疏干措施提供了重要的依据。

1工程概况

巴彦淖井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，行政隶属乌审旗和伊金霍洛旗，东西长10.176 km，南北宽10 km，面积101.76 km2.井田地处毛乌苏沙漠边缘，地表全部被第四系风积沙所覆盖，植被稀疏，为沙漠-半沙漠地区，井田西部局部小范围为古湖区於浅后形成的滩地地貌。井田内地层由老至新依次有：三叠系上统延长组(T3y)，侏罗系中下统延安组(J1-2y)、中统直罗组(J2z)、安定组(J2a)、白垩系下统志丹群(K1zh)、第四系[6]。

井田内分布的含水层有第四系松散岩类孔隙含水岩组；白垩系碎屑岩类孔隙、裂隙潜水～承压水含水岩组；侏罗系碎屑岩类孔隙、裂隙承压水含水岩组[6]。其中侏罗系碎屑岩裂隙水是井田矿井的直接充水水源，大气降水入渗、地表径流入渗、白垩系孔隙裂隙水和第四系孔隙水是其间接充水水源。

2水文地质概念模型

本次模拟以井田勘查区边界向外延伸6 km作为模拟范围，面积约为361 km2，如图1所示。计算的目的层为第四系潜水含水层，白垩系砂岩含水层，侏罗系中统含水层，侏罗系中下统延安组含水层。各层均概化为非均质各向异性，各层之间均发生水力联系，整个地下水流态概化为三维非稳定流。四周按通用水头边界处理，系统的顶部接受大气降雨入渗补给，是一补给边界，同时地下水又通过其蒸发，是一排泄边界，底部概化为隔水边界[7-8]，如图2所示。

图1　研究区分布范围示意图 Fig.1　Schematic diagram of the study area distribution

图2　水文地质概念模型示意图 Fig.2　Schematic diagram of hydrogeological conceptual model

3数学模型

依据研究区水文地质概念模型，其数学模型可以描述为(取多孔各向异性介质主渗透方向与坐标轴方向一致)[9]

(x,y,z)∈Ω,

(1)

H(x,y,z,t)|t=t0=H(x,y,z,t0),

(2)

(3)

H(x,y,z,t)=Z,

(4)

式中SS为贮水率,1/m；Kxx,Kyy,Kzz为含水层各向异性主方向渗透系数,m·d-1；H为点(x,y,z)在t时刻的水头值,m；W为源汇项,1/d；t为时间，d；Ω为计算区。H0(x,y,z,t0)为点(x,y,z)处的初始水位,m；q(x,y,z,t)为第二类边界上单位面积的补给量,m·d-1；H(x,y,z,t)为点(x,y,z)在t时刻的水头值，z为已知函数；cos(n,x),cos(n,y),cos(n,z)分别为流量边界外法线方向与坐标轴方向夹角的余弦；μ为饱和差(自由面上升)或给水度(自由面下降)，它表示在自由面改变单位高度下，从含水层单位截面积上吸收或排出的水量；qw为自由面单位面积上的大气降雨入渗补给量,m·d-1；Γ2,Γ3第二类边界和自由面边界[10]。

4模型的识别与验证

研究区在平面上剖分成100×100的矩形网格单元，垂向上将地下水系统从上往下剖分成10层：① 第四系松散孔隙潜水含水层；② 白垩系砂岩孔隙、裂隙含水层；③ 侏罗系顶部到2煤以上120 m含水层；④ 2煤顶到120米范围内裂隙含水层；⑤ 侏罗系2煤裂隙含水层；⑥ 侏罗系2煤底到3-1煤之间含水层；⑦ 侏罗系3-1煤相对隔水层；⑧ 侏罗系延安组3-1～6-2煤间裂隙含水层；⑨ 侏罗系6-2煤；⑩ 侏罗系6-2煤以下含水层，各层具体剖分如图3所示。研究区东西长约23.2 km，南北长约17.71 km.每层的有效计算单元为9 316个，共计93 160个。其平面和垂向剖分网格，如图4所示，以2012年8月至2012年12月作为模型识别的时段。

图3　各层剖分柱状示意图 Fig.3　Each layer subdivision histogram

图4　研究区网格剖分图 Fig.4　Grid mesh of simulation field (a)研究区平面网格剖分图　(b)研究区第78行剖面剖分图 (c)研究区第78列剖面剖分图

图5　2煤层参数分区 Fig.5　Parameters zone of 2 coal seam

图6　观测井B 5计算水位与观测水位拟合曲线 Fig.6　Fitting curve of the calculated water level and observed water with observation well B 5

图7　观测井HP 5计算水位与观测水位拟合曲线 Fig.7　Fitting curve of the calculated water level and observe water with observation well HP 5

各含水层的初始流场均由各含水层长观孔初始时刻的水位差分得到，各含水层通用边界上的水头值由实测值经插值给出，边界上的水力传导系数及各含水层参数分区的水文地质参数初值均按抽水试验资料由解析法计算得出，并根据本次工作的抽水试验资料，通过反演计算，求得了各层的水文地质参数[11-13]。

经识别、验证,整个模型一共分成112个参数区。其中第一层分为12个参数分区，第二层分为15个参数分区，第三层分为11个参数分区，第四层分为11个参数分区，第五层(2煤层)分为10个参数分区，第六层分为10个参数分区，3-1煤层分为11个参数分区，第八层分为9个参数分区，6-2煤层分为12个参数分区，第十层分为11个参数分区。这里以2煤层举例说明，图5为2煤层参数分区图，表1列举了该层各分区水文地质参数值。图6和图7列举了抽水试验时间段内部分观测井计算水位与实测水位的拟合曲线图，从图中可以看出，计算水位和实测水位拟合较好，达到了一定的精度。 该模型可以用来模拟预测矿井工作面的涌水量。

表1　2煤层水文参数

5矿井涌水量预测

巴彦淖井田先期开采地段分为2101工作面、2102工作面、2103工作面、2104工作面、2105工作面、2106工作面、2201工作面、2202工作面、2203工作面、2204工作面、2205工作面，如图8所示。其中2101工作面和2201工作面同时回采，2102为2101工作面的接续，2202为2201工作面的接续，2103为2102工作面的接续，2203为2202工作面的接续。根据矿井生产进度和工作面的总长度,将11个工作面回采按月为单位依次划分为若干个工作进度期，见表2.

表2　各工作面回采进度表

图8　工作面布置示意图 Fig.8　Layout of working face

5.1丰水期涌水量预测

根据1985—2011年多年气象资料，取7月份和8月份月平均降雨量81.85 mm作为未来丰水期大气降雨量。综合考虑降水入渗补给和蒸发2个方面的因素取入渗系数经验值0.2，经过模型运行，得到地下水位疏干至2煤层底时各工作面回采时各进度期的矿井涌水量。表3列举了丰水期第1个进度期到第10个进度期工作面的涌水量。

表3　丰水期工作面回采各进度期涌水量

5.2平水期涌水量预测

根据1985—2011年多年气象资料，选取1985—2011年多年月平均降雨量27.17 mm作为未来平水期的大气降雨量。综合考虑降水入渗补给和蒸发两个方面的因素取入渗系数经验值0.2，经过模型运行，得到地下水位疏干至2煤层底时各工作面回采时各进度期的矿井涌水量。表4列举了平水期第1个进度期到第10个进度期工作面的涌水量。

表4　平水期工作面回采各进度期涌水量

6结论

1)以达西定律和连续性方程为基础，结合巴彦淖井田地下水系统水文地质条件建立的地下水三维非稳定流数值模型能较好地刻画井田实际的水文地质状况。计算结果与实际吻合较好；

2)矿井工作面涌水量预测结果显示,大气降水对预测结果有较大的影响。在前10个进度期内，丰水期工作面最大涌水量约为平水期工作面正常涌水量的1.17倍；

3)相比于传统的矿井涌水量计算方法，地下水三维非稳定流数值模型有着独特的优势，一方面它可以结合矿井生产进度对不同工作面各进度期的涌水量进行预报，另一方面它还综合考虑了大气降水和蒸发对矿井涌水量预测的影响。因此该方法具有较高的预测精度，在矿井涌水量预测中具有较高的推广价值。

参考文献References

[1] 陈酩知,刘树才,杨国勇.矿井涌水量预测方法的发展[J].工程地球物理学报,2009,6(1)：68-73.

CHEN Ming-zhi，LIU Shu-cai，YANG Guo-yong.The development of mining water inflow predict method[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics，2009,6(1)：68-73．

[2]华解明.“大井法”预测矿井涌水量问题探讨[J].中国煤炭地质,2009(6)：45-46.

HUA Jie-ming.Questioning on mine water inflow “virtual large Diameter well” method prediction[J].Coal Geology China，2009(6)：45-46.

[3]刘洋.浅埋煤层开采矿井涌水量计算方法研究[J].西安科技大学学报，2012,32(5)：565-570.

LIU Yang.Calculation method for water inflow from exploited mine in shallowly-buried coal seam[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012,32(5)：565-570.

[4]骆祖江,杨林,周强.煤田矿井涌水量预测三维数值模型[J].水动力学研究与进展,2010,25(6)：738-742.

LUO Zu-jiang，YANG lin，ZHOU Qiang.Three dimensional numerical model for predicting groundwater inflow of mine in coal field[J].Chinese Journal of Hydrodynamics，2010,25(6)：738-742.

[5]吴剑锋,朱学愚.由Modflow浅谈地下水流数值模拟软件的发展趋势[J].工程勘察,2000(2)：12-15.

WU Jian-feng，ZHU Xue-yu．Study on the development trend of software of numerical simulation for subsurface flow by Modflow[J].Geotechnical Investigation & Surveying， 2000(2)：12-15．

[6]吴有信,尹金柱.含水层富水性分布的瞬变电磁法探测实例[J].工程地球物理学报,2012,9(6)：743-749．

WU You-xin,YIN Jin-zhu.Application of transient electromagnetic method to aquifer in water abundance areas[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics，2012,9(6)：743-749．

[7]卢文喜.地下水运动数值模拟过程中边界条件问题探讨[J].水利学报,2003,34(3)：33-36.

LU Wen-xi.Approach on boundary condition numerical simulation of groundwater flows[J].Journal of Hydraulic Engineering,2003，34(3)：33-36．

[8]邵太升,邵爱军,彭建平.峰峰五矿底板突水数值模拟及涌水量预测[J].水文地质工程地质,2009，36(4)：27-31．

SHAO TAI-sheng，SHAO AI-jun，PENG Jian-ping.Numerical simulation of water invasion of No.5 mine in the Fengfeng coalfield[J].Hydrogeology and Engineering Geology，2009,36(4)：27-31．

[9]郭华,金浩波，骆祖江.基于地面控制的江阴市浅层地下水资源评价[J].地质学刊，2009，33(1)：64-69.

GUO Hua，JIN Hao-bo，LUO Zu-jiang.Shallow groundwater resource evaluation based on ground control in Jiangyin[J].Geological Journals，2009，33(1)：64-69.

[10] 骆祖江，张月萍，刘金宝,等.江苏沿江开发带地下水开采与地面沉降三维数值模拟[J].地球科学与环境学报,2007,29(3)：281-284.

LUO Zu-jiang，ZHANG Yue-ping，LIU Jin-bao，et al.Three-dimensional numerical model for groundwater withdrawal and land subsidence in development zone along Yangtze river in Jiangsu province[J].Journal of Earth Sciences and Environment，2007,29(3)：281-284.

[11] 王苗.基于灰色理论的矿井顶板涌水量预测模型的建立与应用[D].青岛：山东科技大学,2007．

WANG Miao．Study on forecast model of mine roof water inrush based on grey system[D].Qingdao：Shandong University of Science and Technology，2007．

[12] 毛邦燕.复杂岩溶介质矿井涌水量的三维数值模拟研究[D].成都：成都理工大学,2005.

MAO Bang-yan.3-D numerical simulation for the mine discharge of complex Karst mediator[D].Chengdu：Chengdu University of Technology，2005．

[13] 周笑绿,杨国勇.一种矿井突水量预测的近似方法[J].西安科技大学学报，2005,25(3)：342-344.

ZHOU Xiao-lu，YANG Guo-yong.An approximate calculation of the forecast of water irruption quantity in mine[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2005,25(3)：342-344.

[14] 王英，樊永贤，罗一夫.崔家沟煤矿矿井充水因素分析[J].西安科技大学学报，2012,32(6)：722-725.

WANG Ying，FAN Yong-xian，LUO Yi-fu.Water filling factors analysis of Cuijiagou coal mine[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012,32(6)：722-725.

[15] 范立民,王双明,刘社虎,等.榆神矿区矿井涌水量特征及影响因素[J].西安科技大学学报，2009,29(1)：7-11.

FAN Li-min，WANG Shuang-ming，LIU She-hu,et al.Outcome characteristics and influencing factor of coal mining wastewater in Yushen mining area[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2009,29(1)：7-11.

[16] 何渊.神东矿区降雨入渗补给强度研究[J].西安科技大学学报，2014,34(4)：473-478.

HE Yuan.Research on rainfall infiltration intensity in Shendong mining area[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014,34(4)：473-478.

[17] 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．

WEI Jun.Study on numerical simulation of mine discharge[D].Fuxin：Liaoning Technical University，2006．

[18] 刘国,毛邦燕,许模,等.合山煤田矿井涌水量的数值模拟探讨[J].地质与勘探,2007,43(4)：98-103．

LIU Guo，MAO Bang-yan，XU Mo，et al.Discussion simulation for the mine discharge of Heshan coal field[J].Geology and Prospecting，2007,43(4)：98-103．

[19] 韩江水，赵婷,武谋达.综采放顶煤工作面顶板涌水机理分析[J].西安科技大学学报，2012,32(2)：144-148.

HAN Jiang-shui，ZHAO Ting，WU Mou-da.Analysis of water-inrush mechanism of apical plate for fully mechanized caving face[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012,32(2)：144-148.