基于导水裂缝带的地下水动态模拟及预测

李明泽

(山西省地质勘查局，山西省太原市，030012)

★ 煤炭科技·地质与勘探★

基于导水裂缝带的地下水动态模拟及预测

李明泽

(山西省地质勘查局，山西省太原市，030012)

为研究煤炭地下气化过程中形成的导水裂缝带对地下水流场的影响，以FLAC 3D模型模拟导水裂缝带发育结果为基础，利用Visual Modflow构建分时段气化区地下水流数值模型来模拟气化过程中地下水渗流场的变化特征，并预测矿井涌水量。结果表明：上含水系统地下水渗流场特征在点火之后至燃烧结束变化不甚明显，气化过程未对上含水系统产生影响；顶板隔水层被导通的初始阶段，导通区域会形成明显的“反降落漏斗”，导通沟通了气化层与顶板含水层之间的水力联系，随着时间的推移形成与顶板含水层相似的地下水渗流场特征。三维数值模拟法预测矿井涌水量为164 m3/d，可以作为矿井排水方案的设计依据。

煤地下气化 地下水渗流场 Visual Modflow 涌水量 导水裂缝带

煤炭地下气化技术是一种将处在地下的煤炭进行有控制的燃烧，进而得到清洁煤气并达到环保开采目的的新型开采技术，对于我国大气污染问题的解决具有重要作用。地下气化的研究在国外起步较早，Mendeleyev等学者对地下气化工艺进行了系统的研究分析，奠定了煤炭地下气化从理论走向实践的基础。国内学者对于气化开采的实施进行了广泛深入的研究，通过均向模型等一系列动力模型论证了气化开采的可行性，推动了煤炭气化技术在中国的发展。煤炭地下气化技术从根本上改变了煤炭现有的开采方式，摈弃了传统开采方式带来的安全环境问题。由于煤炭地下气化是在大于1000℃的高温下进行的，煤层采动中上覆岩体的力学性质会发生变化，应力再分配使得气化炉附近的岩层遭到破坏。随着开采程度的增大，煤层上覆岩体产生破裂，从而生成沟通煤层与上覆含水层的导水裂缝带，含水层中的水通过裂缝带进入气化炉，导致气化炉热效率的降低以及灭炉事故的发生。鉴于此，煤炭地下气化过程中对导水裂缝带的发育以及地下水渗流场变化特征的研究就具有重要意义。

本文以乌兰察布玫瑰营矿为研究对象，以FLAC 3D模拟分析气化过程中煤层顶板导水裂缝带发育结果为依据，运用Visual Modflow分时段构建精准的三维地下水流数值模型模拟气化过程中不同阶段地下水渗流场的动态变化特征，以模型为基础研究确定气化区矿井最大涌水量，为保证气化开采的顺利进行提供科学依据。

1 水文地质概念模型

1.1 水文地质条件概化

乌兰察布玫瑰营矿位于山区与山间平原过度地带，面积为92.47 km2，本次研究试验区域面积较小，约为1.4×105m2。研究区内上含水系统含水层和煤层顶板含水层为该区域主要赋水含水层。根据含水层形成年代、埋深以及水力联系特征，将研究区在垂向上自上而下划分为新近系上含水系统含水层、中部相对稳定隔水层、煤层顶板含水层和受气化燃空区温度影响严重的煤层顶板隔水层，层厚分别为100 m、27 m、40～70 m和35 m。因此，将研究区地层自上而下概化为上含水系统含水层、上含水系统隔水层、煤层顶板含水层和煤层顶板隔水层。通过分析区域地质及水文地质特征，研究区内含水层的水文地质参数随岩性变化而异，方向上存在差异性，区内地势起伏小，含水层分布广，水力坡度较均一，厚度较大，地下水运动符合达西定律，因此将研究区地下水系统概化为四层结构的非均质各向异性的非稳定三维地下水流系统。

1.2 边界条件和源汇项的确定

研究区域水文观测资料显示，上含水系统含水层水流与区域地下水流向基本一致，北部水位和南部水位分别为1339.1 m和1337.9 m，地下水由北流向南。因此，把上含水系统北部边界设定为补给边界，南部边界设定为排泄边界，东西部设定为弱透水边界，即与外界基本没有水量交换。与上含水系统相反，地下水在煤层顶板含水层由南流向北，南北部边界水位分别为1326.4 m和1319.6 m。因此把煤层顶板含水层的南北边界分别设为补给和排泄边界，东西边界设为弱透水边界。

首先根据研究区水文地质资料对含水层主要参数赋值，然后根据模型的拟合进行参数识别，最终明确各分区参数值。研究区地下水主要接受地下含水层的侧向补给和大气降水的面状补给，由于上含水系统隔水层具有较好的隔水性能，隔断了大气降水的入渗补给。因此本模型的建立不考虑大气降水的补给，只考虑地下含水层之间的侧向补给，将补给概化为线状补给源。

2 地下水流数值模型

2.1 数学模型

根据地下水渗流的续性方程和达西定律，并与研究区地下水系统水文地质概念模型相结合，建立相对应的三维非稳定流数学模型：

式中：Kxx，Kyy，Kzz——渗透系数在x，y，z方向上的分量；

N——源汇项强度；

Ss——含水层储水率；

Ω——渗流区域；

H——地下水水头；

H0——含水层初始水头；

H1——各层边界水头；

B1——水头边界；

B2——流量边界；

q——含水层中第二类边界的单位面积过水断面的补给流量。

2.2 分时段气化区地下水流数值模型

FLAC 3D数值模拟结果显示，气化进程中受高温影响的导水裂缝带高度随着采空区面积的增大而逐渐发育，当气化过程完成时，裂缝带高度发育较大区域集中在气化的初始阶段，且在气化开采150～200 d时裂缝带高度发育至35 m左右，煤层顶板隔水层被导通，裂缝带的最终发育高度为65 m，如图1所示。因此分两个时段创建地下水流的值模型：

(1)以2007年未开采时自然状态至导水裂缝带导通顶板隔水层为第一时段，此时地下水渗流场不受裂缝带的影响，建立模型M1。

(2)以M1模型末期地下水流场为初始流场，以导水裂缝带发育分布为依据设置研究区水文地质参数，建立模型M2模拟研究导水裂缝带发育影响下的地下水渗流场特征。

2.2.1 M1数值模型的建立

模型东西长400 m，南北宽500 m，采取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100×100×4。模型面积较小，故不对特定区域网格二次剖分。根据FLAC 3D模拟结果，模拟期设为200 d，模型应力期设置为30 d，应力期内包含若干时间步长并由模型自动控制。

水文地质参数值对模型的计算具有重要的作用，其分区以及选取的合理与否将直接影响模型计算结果的精确度和模拟成果的可靠性。根据研究区含水层的岩层厚度、岩性及富水性等水文地质特征对含水层进行分区，设置各区的渗透系数和储水率。根据水文地质勘查钻孔的抽水试验结果，模型含水层分区如图2所示。对2007年初自然条件下地下水水位进行差值计算获得含水层初始水位与等水位线图。根据模拟最初的地下水流场获取模型边界的水位。

2.2.2 M2数值模型的建立

M2模型建立的依据为裂缝带的持续发育将导通煤层顶板含水层，所以裂缝带发育区域水文地质参数的准确赋值，对于模拟的精度和可信度具有重要意义。根据FLAC 3D模拟结果确定裂缝带发育高度在35 m以上区域为导通区，其余为未导通区。根据模拟需要，将模型M1顶板隔水层分为两层，上层为裂隙导通区域，下层根据裂隙影响范围进行区域划分，M2模型的含水层边界按照M1模型赋值，其他参数也与M1模型一致。

图2 M1模型各层渗透系数分区

M2模型中含水介质的剖分方法与M1相同，网格单元row×column×layer为100×100×5。模型的模拟期为M1模型模拟的结束时间至气化结束，模拟期设为700 d，模型应力期设置为30 d，应力期内包含若干时间步长并由模型自动控制。

M2模型的关键是渗透系数的确定。裂缝带的发育改变了煤层顶板隔水层的原有渗透性，本研究依据导水裂缝带发育的空间分布辅助设置顶板隔水层导通区和未导通区渗透系数分区，同时增大裂隙区域垂向渗透系数对该区域赋值。根据文献资料初步确定参数范围，后经模型识别与验证确定准确值。气化区上含水系统和煤层顶板含水层的渗透系数分区与M1模型一致。渗透系数分区如图3所示。以M1模型200 d时的流场图作为M2的初始水位等值线空间分布，给M2进行参数赋值。

图3 M2模型各层渗透系数分区

2.2.3 M1、M2模型的识别与验证

依据水文地质概念模型所创立的地下水数值模型必须表征真实地下水流场的特征。所以在预测之前，须对所建立的数值模型拟合校正，使其方程、相应参数和边界条件等能正确反映出研究区域的真实水文地质条件。参考2007年10月12日开始至150天后结束时的水文观测数据对M1模型进行拟合校正，对模型的输入项进行调整，直至模型计算出的水位与实际观测水位曲线拟合结果满意为止。拟合过程选择时间序列全面的G1、G2、G4和G5四个观测孔，拟合结果如图4所示。模型识别后各分区渗透系数的值如表1所示，表中的Kx，Ky，Kz表示某一区域3个方向上的渗透系数。根据G4和G5观测孔数据对模型M2实施拟合，结果如图5所示，模型识别后各分区渗透系数的值如表2所示。

图4 M1模型观测孔识别期水位拟合图

分区KxKyKz分区KxKyKzⅠ060130601300601Ⅳ033010330100330Ⅱ090120901200901Ⅴ025220252200252Ⅲ122011220101220Ⅵ012100121000121

图5 M2模型观测孔识别期水位拟合图

分区KxKyKz分区KxKyKz1060130601300601900618006180090420901209012009011000009000090000093122011220101221104213042130601040330103301003301205989059890801250252202522002521303981039810502360121001210001211402017020170487070080100801018101500009000090000098009330093302030

3 气化开采过程中地下水渗流场变化特征

3.1 M1模型预测结果

根据拟合校准后的M1模型分别预测气化开采100 d和200 d研究区地下水的水位变化情况。M1模型气化100 d、200 d时上含水系统和煤层顶板含水层地下水渗流场的变化特征如图6和图7所示。图中数值表示地下水的水位高度值，单位m，此高度值是以绝对基面为参照。

图6 M1模型气化开采上含水系统的地下水渗流场

从图6可以看出，上含水系统地下水渗流场在气化开采过程中没有受到明显的扰动，开采200 d后南部边界和北部边界的水位与开采100 d时基本相似，地下水渗流场在研究区东南区域出现微小变化，地下水位小范围上升。地下水流场和初始水位保持一致，这和实际相符。

从图7可以看出，顶板含水层地下水渗流场经历了较大变化，根据矿井实际生产情况，在气化区附近设置了两口抽水井(C2，C3)，根据实际生产资料设置抽水量，抽水时间为150 d。由于不断抽水，C2和C3附近形成了明显的降落漏斗且中心水位分别为1260 m和1220 m。气化进行到150 d时，漏斗中心水位没有变化，外围水位的影响范围也持续缩小，这可能是由于抽水量的减小导致地下水接受补给，水位有所回升。气化生产150 d后抽水井停止抽水，地下水接受补给，抽水井周围的降落漏斗消失，水位逐渐恢复，流场逐渐平稳，恢复后的渗流场与初始流场基本相似。

图7 M1模型气化开采煤层顶板含水层地下水渗流场

3.2 M2模型预测结果

根据拟合后的M2模型，预测煤层顶板隔水层导通之后上含水系统和煤层顶板含水层的地下水渗流场的变化特征，如图8和图9所示。

图8 M2模型预测上含水系统地下水渗流场特征

图9 M2模型预测煤层顶板含水层地下水渗流场特征

由图8可以看出，导通370 d和700 d后，上含水系统渗流场仍未发生任何变化，水位与初始水位保持一致，这说明随着气化的进行，裂缝带的发育高度没有影响到上含水系统。由图9(a)可以看出，由于研究区域面积较小，含水层厚度相对较厚，地下水接受补给较快，顶板含水层在裂隙带导通隔水层之后水位并未发生较大变化，整体流场比较平稳，未受扰动。由图9(b)可以看出，导通700 d后，顶板含水层水位相较于导通90 d左右时不再发生任何变化，渗流场处于稳定状态，地下水的补给与排泄已达到了新的平衡状态。

煤层顶板隔水层被导通之后，M2模型第四和第五层模型预测水位如图10和11所示。

由图10预测结果可知，在导通之后，M2模型第四层水位由导通区域向外围扩散，中心水位(1322 m)基本与煤层顶板含水层保持一致，随着导通时间的增加，该层水位会趋于平衡。地下水流场在导通370 d后达到了稳定状态，并且水位不再变化。由图11预测结果可知，M2模型第五层水位呈现出由裂缝带发育区域向外围扩散的“反漏斗”状，由于该层紧邻气化燃空区，裂缝带导通范围比第四层大，所以流场与第四层有微小差别，但相似的是，该层地下水流场也在导通370 d达到平衡状态。

根据M1和M2模型的预测结果可知，M1模型的顶板隔水层在M2模型中导通后，地下水位在导通区域相对较高，并向外围逐渐扩散。随着时间的推移，M2模型第四层和第五层地下水流场趋向于与顶板含水层流场一致，这说明裂缝带致使顶板含水层中的水渗流进隔水层，导致突水及灭炉事故的发生，影响气化开采安全高效进行。因此，准确预测矿井涌水量具有特别重要的理论和实际意义。

图10 M2模型第四层(M1模型隔水层上部)导通水位预测

图11 M2模型第五层(M1模型隔水层下部)导通水位预测

4 矿井涌水量的预测

4.1 数值法计算矿井涌水量

以拟合校正后的M1数值模型为基础，来预测研究区域的矿井涌水量。在模型中布置合理的抽水井，反复调试抽水量将气化区煤层顶板含水层水位疏降至安全开采水位，即含水层底板标高，使得气化过程中不受顶板突水的威胁。降落漏斗稳定后，计算出各抽水井的总抽水量既是矿井涌水量。通过模型计算得出煤层点火后稳定的最大涌水量值为164 m3/d。

4.2 解析法对比预测

根据研究区水文地质条件，运用地下水动力学解析法来预测矿井涌水量，选用承压转无压水的计算公式进行矿坑涌水量的计算，公式为：

式中：Q——矿坑涌水量，m3/d；

K——相应的渗透系数，取0.19 m/d；

H——自然水位到含水层底板的距离，即水柱的高度，取800 m；

M——承压含水层厚度，取53.89 m；

L——承压水隔水底板到井壁外动水位的距离，取68 m；

R0——引用影响半径，m；

R——影响半径，取619.2 m；

r0——矿坑引用半径，m；

a、b——矿坑的长和宽，分别取5.5 m和1.5 m；

η——概化系数，根据长和宽的比值查表获得，取1.12。

将已知数值带入公式求得涌水量预测值为124.3 m3/d。结果显示，数值法预测得到的矿井涌水量值(164 m3/d)比解析法计算出来的矿井涌水量值(124.3 m3/d)大。由于数值法能够很好的反映研究区的真实地质条件，并且所选取的水文参数值经过多次拟合校正，所以具有较高的可信度。

5 结论

(1)分时段建立基于Visual Modflow的水文数值模型，能够很好的反映气化开采过程中地下水流场由于上覆岩层的破坏所带来的动态变化。并且以导水裂缝带的发育高度为依据辅助设置水文参数分区，突出裂隙发育区域渗透系数从层状优势分布到垂向优势分布的趋势，并以此规律对导通区水文参数进行赋值，能够更加精确的模拟实际生产情况，所得结果具有较高的可信度和科学性。

(2)导水裂缝带导通煤层顶板隔水层后的初始阶段，顶板隔水层的导通区域会形成明显的“反降落漏斗”，随着时间的推移最终形成与顶板含水层相同的地下水渗流场特征。同时顶板含水层中的水延裂缝带的渗流也将导致灭炉事故的发生。

(3)应用Visual Modflow进行矿井涌水量预测，不仅能够反映真实的水文地质条件，还能克服“大井法”解析计算的缺点，所得结果精度和科学性较高，具有广泛的应用价值。

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Simulationandpredictionongroundwatersystemdynamicsinwaterflowingfracturedzone

Li Mingze

(Shanxi Provincial Geological Prospecting Bureau, Taiyuan, Shanxi 030012, China)

In order to study the influence of water flowing fractured zone formed by underground coal gasification on groundwater flow field, basing upon development results of water flowing fractured zone simulated by FLAC3D, the author used Visual Modflow establishing a multi-scenario 3D numerical model of groundwater flow to simulate variation characteristics of groundwater flow field in gasification process and predicte mine inflow. The results showed that the characteristics of the groundwater seepage field in the upper aquifer system had no obvious change from ignition to combustion ending, process of gasification had no effluence to upper aquifer system, conducting regime formed obviously inverse falling funnel in the initial phase of conducting the roof aquifuge which leading to hydraulic connection between gasification layer and roof aquifer, as time went on, the roof aquicluge formed the characteristics of groundwater flow field that similar to the roof aquifer. The three dimensions numerical model predicted mine water inflow was 164 m3/d, which could be used for design consideration of mine drainage scheme.

underground coal gasification, groundwater flow field, Visual Modflow, water inflow, water flowing fractured zone

李明泽. 基于导水裂缝带的地下水动态模拟及预测[J]. 中国煤炭，2017，43(12)：55-62.

Li Mingze. Simulation and prediction on groundwater system dynamics in water flowing fractured zone[J]. China Coal, 2017, 43(12):55-62.

TD742

A

李明泽(1967-)，男，山西太原人，高级工程师，毕业于吉林大学(原长春地质学院)，本科学历，现在山西省地质勘查局从事矿产地质工作。

(责任编辑 郭东芝)