Visual Modflow模型在鱼卡矿井第四系涌水量预测中的应用

■李博

（中国煤炭地质总局第一水文地质队 河北邯郸056004）

Visual Modflow模型在鱼卡矿井第四系涌水量预测中的应用

■李博

（中国煤炭地质总局第一水文地质队 河北邯郸056004）

分析青海省鱼卡矿地质和水文地质条件，进而分析确定矿井边界条件和初始水文地质参数，构建水文地质模型和数学模型。根据矿井水文地质条件，矿坑水的主要来源为M5-2、M6-6、M7-9煤层顶板砂岩含水层裂隙承压水。当采煤对煤层顶板的扰动产生的导水裂隙高度发育到第四系时，矿坑水的来源就发生了改变，变为第四系松散岩类孔隙水和煤层顶板砂岩裂隙水。采用Visual Modflow模型计算第四系孔隙水通过导水裂缝带进入到矿井的涌水量。

鱼卡矿Visual Modflow模型涌水量预测

1　矿井概况

1.1位置交通

鱼卡矿井位于柴达木盆地北缘鱼卡煤田东部北山地区，青海省海西州大柴旦镇以西45km处，介于南侧的绿梁山与北侧的达肯大坂山之间。井田面积23.8083km2，主采煤层为侏罗系石门沟组M5煤层和大煤沟组M6、M7煤层。

矿井及其周边交通以公路为主，是青海连接西藏、新疆、甘肃的重要交通枢纽。青藏铁路在矿井之南约102km处。由矿井经国道G215可直达锡铁山火车站。矿井向南至格尔木机场约235km，经国道G215线或青藏铁路均可到达格尔木机场，再经格尔木机场或青藏铁路又可到达西宁曹家堡国际机场。

1.2自然地理

矿井位居青藏高原的北部，柴达木盆地的北部边缘，以戈壁荒滩和低山丘陵地貌单元为主。矿井北部为达肯达坂山，西南为绿梁山，中间为鱼卡冲洪积扇。

矿井属柴达木内陆水系、鱼卡河与德宗马海湖流域。矿井位于鱼卡河流域中段，距河流约3.5km。鱼卡河在该段以下切剥蚀作用为主。鱼卡湿地紧邻矿井西南角，湿地面积5.5km2左右，是地表泉水汇集处，夏季雨量充沛时形成沼泽。

矿井深居内陆、地处高原，具冬季寒冷、夏季酷热、昼夜温差大、干燥少雨、风速强劲、沙暴多等高原气候特征，属于典型的内陆沙漠盆地型大陆性气候。

2　地质特征

2.1地层

矿井内多被新生界地层所覆盖。根据地表出露及煤田钻孔揭露，区内地层由老至新发育有：奥陶系滩间山群（O3tj）、侏罗系（J）、古近系（E）及第四系（Q）。

矿井内含煤地层为侏罗系石门沟组含煤段和大煤沟组含煤段，含煤层7层（编号为M1～M7），煤层平均总厚度为58.12m，总含煤系数为9.63%；含可采煤层3层（编号为M5、M6、M7），平均可采厚度为27.00m，可采含煤系数7.87%。

2.2构造

矿井总体构造形态为一走向近东西向、向西倾伏的背斜构造即北山背斜，靠近轴部地层倾角大，向南北两侧地层倾角逐渐变小；并伴生有一组走向近东西向的逆推断层和一组近南北向的逆断层，并且断裂构造破坏了褶曲构造的完整性。

矿井内主要由鱼卡背斜构成。该背斜位于井田中南部，是出露形态完整，规模最大的背斜。轴迹走向呈近东西向贯穿整个井田，它东端起于北山奥陶系绿泥石片岩古隆起部位，向西倾伏，东西长约15km，宽约5～6km。

主要断层由物探推断并经钻探证实发育有多条呈近东西向展布的逆断层，形成向北倾的单斜断块构造。共确定断层6条。其中F1、F2、F4和F7断层查明程度为详细查明，F3、F6断层查明程度为查明。走向逆断层4条（F1、F4、F6和F7）；倾向逆断层2条（F2和F3）。

3　水文地质

3.1含水层

根据矿井水文地质条件和对煤层开采影响的水文地质因素，矿井自上而下可划分为第四系松散层孔隙含水层和碎屑岩类侏罗系砂岩裂隙含水层两大含水层组。

第四系含水层厚度4.00～559.44m。该含水层组厚度变化受构造影响较大。南区以砂卵砾石、含漂石卵砾石及砂砾石为主，一般50m以下，泥质含量高，上部泥质含量低；东区为中粗砂、砂砾石，含少量含卵砾石层，粒径较小；西区以中粗砂为主，粒径变细。总之，北山背斜以南砂卵砾石、含卵砾石、砂砾石所占比例较大；北山背斜以北中粗砂、砂砾石所占比例较大。

第四系孔隙水的水化学特征与其补给条件、富水性、水交替积极程度和地下水迳流强度息息相关。一般补给条件好、富水性强、地下水交替积极的地段，水中阴阳离子含量、矿化度、总硬度低，反之越高。

3.2隔水层

根据岩层的透水性能强弱，矿井内可划分四个主要隔水层，分别是侏罗系上统红水沟组、采石岭组隔水层、侏罗系中统石门沟组隔水层、侏罗系中统大煤沟组隔水层和侏罗系中统大煤沟组底板隔水层。

其中，侏罗系上统红水沟组、采石岭组隔水层岩性为紫红色—灰绿色夹杂色巨厚层状泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩，厚度约96.5～189.10m，泥质结构，致密，泥质含量高，隔水性能好，阻隔了表层第四系孔隙水的下渗，主要发育在井田中西部。

4　第四系涌水量预测

根据矿井水文地质条件，矿坑水的主要来源为M5-2、M6-6、M7-9煤层顶板砂岩含水层裂隙承压水。当采煤对煤层顶板的扰动产生的导水裂隙高度发育到第四系时，矿坑水的来源就发生了改变，变为第四系松散岩类孔隙水和煤层顶板砂岩裂隙水。

4.1水文地质概念模型

根据矿井地下水系统的特征，采用Visual Modflow模型，计算第四系孔隙水通过导水裂隙带进入到矿井的涌水量。结合模型技术的要求，直接在计算机上创建水文地质概念模型，进行模型的校正、识别与验证，实现矿井整个地下水系统的可视化模拟与预测。

4.1.1计算范围

模拟以鱼卡河冲洪积扇和山前支沟冲洪积扇作为计算域范围，北部以达肯大阪山及矿井内基岩露头为界，东部、南部以鱼卡河为界，西部以鱼卡湿地为界，面积约为50km2，详见图1。

4.1.2水文地质条件概化

矿井地处青海省海西州大柴旦镇以西45km处，介于南侧的绿梁山与北侧的达肯大坂山之间。计算范围为整个鱼卡河冲洪积扇和山前支沟冲洪积扇，以200*200的均匀网格对模型进行剖分，针对矿井的水文地质条件，东部边界主要以鱼卡河冲洪积扇补给为主、北部以山前支沟冲洪积扇补给为主，西部边界以泉水溢出形式排泄至鱼卡湿地，南部边界为鱼卡河，模型顶部接受大气降水补给和大气蒸发，为补给排泄边界，将计算区概化为单层潜水含水层，以基岩作为含水层的相对隔水底板。

图1　模型计算范围

将从以下几个方面进行本区地下水流系统概化：

（1）将含水介质概化为非均质各向异性。（2）地下水系统输入、输出随时间变化，故为非稳定流。（3）计算区水力坡度小，含水层分布广、厚度大，地下水运动符合达西定律。

综上所述，将计算区地下水系统概化为非均质各向异性三维非稳定地下水流系统。

4.2数学模型

依据渗流的连续性方程和达西定律，计算区地下水系统水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型如下：

式中：H—地下水水头；H0—含水层初始水头；H1—各层边界水头；Kxx，Kyy，Kzz—x，y，z方向的渗透系数；μ—给水度；q—含水层第二类边界单位面积过水断面补给流量；ω—源汇项强度；Ω—渗流区域；B1—水头边界；B2—流量边界。

图2　模型的网格剖分图

4.3应用Visual Modflow建立模型

4.3.1计算区域剖分

根据Visual Modflow的要求，采用等间距有限差分的离散方法对含水介质进行自动剖分，网格单元row×column×layer为200× 200×1，其中将计算区边界外的网格设为不计算单元格（即不参与模型计算），建立剖分图，详见图2～图4）。

图3　计算区横向剖面（79行）剖分图

图4　计算区纵向剖面（106列）剖分图

4.3.2模拟期的确定

确定模拟期为单孔抽水试验时间，以一个小时作为一个时间段，每个时间段内包括若干时间步长，时间步长为模型自动控制。

4.3.3定解条件的处理

在设置边界条件与初始条件时主要根据充水含水层的水文地质条件以及抽水试验进行设置。

初始条件：采用2014年9月实测的地下水水位作为模型含水层的初始水位，采用内插和外推法获得含水层的初始水位。

边界条件：模型边界按通用水头边界处理。

4.3.4源汇项的处理

计算区的源汇项主要包括补给项和排泄项。

该区地下水的补给来源主要为鱼卡河侧向渗漏补给，其次是大气降水入渗补给。

鱼卡河水位远高于地下水位，具有西北地区河流渗漏的一般特征，在洪积扇中上部，渗漏量大小与河水和地下水位差无关，以“悬河”的形式渗漏补给地下水。不同的河水流量，形成不同的河流宽度与深度，从而影响渗漏量的大小。河流总渗漏量的大小，受河水流量与渗漏能力的制约（当流量较小时，直至沿途全部渗漏为止），而渗漏能力则随河水流量的大小而变化。河水渗漏能力的变化规律，用渗漏量经验公式控制，数据采用2014年6月份所实测的河流断面流量，用递推方法分配给河流沿途各结点。根据收集的1970年～2007年大柴旦地区的气象资料，本地区多年平均降水量88.3mm，作为未来模型的大气降水入渗补给，并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为0.2。

地下水主要排泄方式为泉水溢出形式排泄至鱼卡湿地、地下水蒸发和人工开采。

在模型的西部边界，潜水水位高于地表高程，地下水溢出成泉或泉集河向鱼卡湿地排泄，根据已有的资料显示，泉水年平均流量为1.3m3/s。

蒸发强度选择阿维里扬诺夫经验公式来近似描述蒸发规律：

式中：ε(t)—地下水的蒸发强度，主要取决于水面蒸发能力E0 (t)与地下水埋深Δ；E0(t)—水面蒸发能力，直接取气象统计资料数值多年平均蒸发量1400mm；Δ0—地下水极限蒸发深度，取3m；Δ—地下水埋藏深度，地下水泄出带水位埋深小于3m，取平均值1.5m；n—无量纲经验系数，该地区近似取2。

蒸发量将会随着地下水的埋深而变化。

鱼卡水源地目前并未进行人工开采。

4.3.5模型识别与验证

根据建立的数值模型，模拟的地下水流场要与实际地下水流场基本一致。主要是通过调整水文地质参数，同时也对边界条件及边界上的交换水量进行必要的调整，经过反复调整与试算，使计算的水位值与实测的水位值之差最小，从而达到数值仿真的目的。如果校正效果好，则可利用模型对矿井水文地质条件进行预测分析，否则，需要重新调整模型。

此次采用以往施工的水文地质孔水位动态资料，并结合以往鱼卡水源地勘探报告来进行模型识别与验证，通过地质条件分析和计算相结合，反复调参，以取得最佳拟合效果。经过多次计算，拟合结果较为满意，详见图5～图7）。

图5　第四系初始流场拟合图

图6　K2号孔地下水水位历时拟合曲线图

4.3.6模型识别和验证后的参数

水文地质参数选取的合理与否直接关系到模型的计算精度和结果的可靠程度。此次参数的选取，主要参考以往施工的水文地质孔的水文地质参数，结合鱼卡矿区三井田和鱼卡河冲洪积扇的地层、构造，以及含水层的岩性、富水性、埋深条件、厚度和水位动态变化规律对各含水层进行分区，设置不同的渗透系数和给水度初值。

图7　Q1号孔地下水水位历时拟合曲线图

4.4涌水量预测

4.4.1预测方案

利用校正、识别后的数值模型，预测当开采M5-2、M6-6、M7-9煤层时，将导水裂隙带高度发育到第四系地段的地下水水位疏干至含水层的底板的第四系涌水量。开采M5-2、M6-6煤层时，先期开采地段东部局部范围内导水裂隙带高度发育到第四系，此范围内含水层所蕴含的水量作为第四系含水层通过导水裂隙带进入矿井的涌水量，但考虑煤矿开采常常引起上部岩层发生位移，甚至使岩层产生大面积移动，故本次计算包括了岩层移动角75°范围内含水层所蕴含的水量。

4.4.2涌水量预测

此次预测采用加井抽水疏干进行预测，即在所需预测区均匀布井，加井抽水疏干至含水层底板，即第四系底板。

运用Visual Modflow软件中水均衡域计算模块Zone Budget，预测开采M5-2煤层时第四系孔隙水通过导水裂隙带进入到矿井的涌水量为：先期开采地段的中部（即K2、ZK39-2、ZK37-1孔附近）正常涌水量为1519.58m3/h，最大涌水量1671.54m3/h。因疏排第四系孔隙水而形成的降落漏斗影响半径约为770m。预测开采M6-6煤层时，第四系孔隙水通过导水裂隙带进入到矿井的涌水量分别为：先期开采地段北部（ZK34-7、ZK35-5、ZK36-10、ZK36-11孔附近）矿井正常涌水量为505.0m3/h，最大涌水量555.5 m3/h，先期开采地段东部（即ZK40-8、ZK41-3和ZK40-14孔附近）矿井正常涌水量为1854.17m3/h，最大涌水量2039.58m3/h。因疏排第四系孔隙水（即ZK40-8、ZK41-3和ZK40-14孔附近）而形成的降落漏斗影响半径约为790m。

5　结论

采用Visual Modflow模型对矿井先期开采地段冒落裂隙发育到第四系底板部位的第四系含水层的正常涌水量预测时，尽管模拟区面积较大，观测孔长观数据较少，对计算区边界水位条件控制程度不高，但采用的调参资料为群孔抽水试验的水位观测资料以及根据现场实测的水位进行修正，能够比较好的用来调试和验证模型。因此，应用Visual Modflow进行矿井地下水三维数值模拟计算，水文地质概念模型正确，较好地反映了矿区水文地质条件，模型识别精度高，收敛性和稳定性较好。

[1]宋颖霞，张耀文，曾一凡.基于Visual Modflow的矿坑涌水量模拟预测评价 [J].矿业安全与环保，2012，39（2）：25～28.

[2]郑世书，陈江中，刘汉湖.专门水文地质学 [M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

TD175[文献码]B

1000-405X（2016）-2-113-3

李博（1982～），男，毕业于河北师范大学资源与环境科学学院地理信息系统专业，河北工程大学资源学院地质工程专业在职研究生，工程硕士，工程师。