基于水文地质的涌水量数值模拟计算

郭建红

摘 要：本文结合晋邦德矿的水文地质情况，对上覆岩层及含水岩层的特性进行讨论，针对工作面易发生突水的原因及特点，借助Visual MODFLOW软件对矿井涌水进行模拟分析，利用水流评价模块、不同层面（主要为平面和剖面）水流跟踪分析模块和溶质运移评价模块联合共同运行，进行网格的划分、水文地质参数及几何参数的输入，建立基础模型，得到工作面各阶段放水试验钻孔分布，再实测参数得到渗透系数分布示意图，最后通过观测水位与计算水位的拟合程度确定了模型计算的准确性，得到工作面新切眼选在1700m 时，该工作面涌水量相对较小。

关键词：矿井涌水;水文地质;渗透系数分布示意图

1 前言

矿井突水是煤矿重大灾害之一，目前，对于矿井突水的研究已有不少，通过从水量及水温等方面判断工作面的突水异常，利用突水理论对此进行分析，得到突水水源的位置及裂隙发育情况，对于突水量的测量方法已有不少，通过数学模型和不确定性方法是矿井涌水量预测计算的主要发展方向，提出了一些发展迅速的新技术相结合进行矿井涌水量预测的可能性[1]。本文结合晋邦德矿的水文地质情况，利用Visual MODFLOW软件对矿井涌水进行模拟分析，得到工作面新切眼选在1700m时，该工作面涌水量相对较小的结论。

2 矿区概况及水文地质条件

晋邦德矿于2012年11月2日获山西省国土资源厅换发的C1400002009111220043383号采矿许可证，批准开采3-10号煤层。矿井生产规模1.20Mt/a，为大型矿井，矿井的开采深度从740m至1120m，矿井东西长约为3.5km，南北长约4km，根据井田边界的不同坐标圈得到矿井的总面积为9.011km2。井下主水平的标高为+800m，辅助水平的标高为+885m，主水平和辅助水平通过集中轨道暗斜井相互沟通。

矿井工作面煤层为4#煤层，煤层最厚达到1.8m，最薄为0.5m，平均厚度为1.5m，该工作面总体为一单斜构造，倾向325°，煤层倾角为0～4°，平均2°，煤层结构虽有一定程度的变化，但是总体结构简单，煤层性质稳定;煤层直接顶为均厚4.75m的细粒砂岩，砂岩层理均匀，质地较硬，以石英为主，直接顶为均厚5.95m的砂质泥岩，泥巖硬度较低，层理不明显，部分含植物颈部碎屑化石，老顶为均厚0.45m的菱铁质泥岩。根据地质构造，在工作面推进的过程中，会遇到高度差为6m的正断层，会对生产造成一定程度的影响，煤层顶板稳定且工作面内陷落柱不发育，未发现岩浆侵入现象。

矿区地处山区，工作面上覆地表为山体，山体厚度山271-326m，平均为298m，山体未发现明显裂缝以及严重坍塌现象，地表并无大面积水体，但是自北到南有两条季节性水流沟谷，对工作面不构成地表水威胁。根据已经测得的地质资料，所采工作面北部为轨道巷，南部与担炭沟矿相邻，东面与原燕沟矿采空区相邻，西面为煤。工作面涌水主要是上覆岩层中富含水的砂岩层，砂岩层平均厚度达到4.75m，涌水量对工作面掘进以及生产有很大的影响。

工作面突水主要是在工作面的推进过程中，由于顶板垮落，底板突出等原因造成富含水涌入工作面的现象。晋邦德矿因为上覆岩层富含水分，在进行顶板垮落的过程中，顶板发生断裂，如果断裂区域延续扩展，导通含水层后，水量就会涌入工作面。影响顶板突水的原因有很多，顶板岩层的硬度、顶板岩层裂隙发育程度、含水层空间的导通性、地质构造等都会影响突水现象的发生。突水有以下特征：一旦发生突水，水量会不断持续的增大，这是因为顶板垮落后裂缝不断发育，给水量的流动提供了便利条件;涌水时间长，涌水发生后，并不会在短期内停止，一般都会持续数月，随着时间的累加，涌水量会非常大，对生产有严重的影响;顶板垮落发生突水主要是因为顶板垮落造成，所以突水发生的位置一般距离工作面较近，且涌水位置和涌水通道相对明确，水会顺着导水通道流入工作面。

3 晋邦德矿涌水量计算及数值模拟

本文借助Visual MODFLOW软件对矿井涌水进行模拟分析，Visual MODFLOW软件主要由水流的评价、不同层面（主要为平面和剖面）水流跟踪分析和溶质运移评价组成，每个模块功能不同，可以单独计算也可联合共同运行，其因为简单的操作、良好的界面和准确的水流水质分析计算而广受欢迎。软件的具体操作过程为通过平面或者剖面两个不同的角度利用彩色立体显示进行网格的划分，随后根据矿井的具体情况输入水文地质参数及几何参数，这部分参数可以根据实际情况进行调整，随后进行模型的运行以及反演校正参数最后得到所需的结果，整个模拟过程清晰且较简单，具有明显的系统化和规范化。

模拟中的三维数学模型理论如公式（1）所示：

公式中，x、y、z分别为笛卡尔坐标轴;H为已知水头;Kxx为x坐标轴方向的主渗透系数，Kyy为y坐标轴方向的主渗透系数，Kzz为z坐标轴方向的主渗透系数;?s为弹性给水度。

基于此理论，模拟得到工作面各阶段放水试验钻孔分布，再根据实测的水文地质参数信息，得到渗透性系数等直线图，随后导入模型中，以岩层特性、地下水的补给等信息为参数，得到渗透系数分布示意图，如图1所示。

结合图1中的渗透系数的分布和等值线图，通过统计工作面顶板含水层的水位信息，利用插值得到初始的水头值，这为后续模拟提供了必要条件，将计算的初始水头导入模型中，得到如图2所示的含水层初始水位等值线图。

在模型的计算过程，需要反复调整水文地质参数保证计算的准确性，通过观测水位与计算水位的拟合程度反映模型计算的准确性，图3为计算水位与观测水位拟合曲线，经过反复的试验得到含水层的水平渗透性系数范围为0.0000089-7.56m/d，垂直渗透系数范围为0.91-5.68*10-7。本次拟合选择在工作面内部，因为工作面内部最易发生顶板突水，拟合中的各水位状态良好，水位和观测水位拟合图中，I，II，III，IV分别对应为四个放水阶段，第一阶段内的初始水位在时间为48h时将到了1210m;当时间为96h时，即第二阶段末，水位降至1207m;在三四阶段内，因为观测水位距离较远，因此观测结果不理想，水位下降至1206m，放水结束后，水位会逐渐恢复原来水平。从曲线上看，实测与拟合水位接近，在可接受误差范围内，结果较为满意。最后得到新切眼选在1700m时，该工作面涌水量相对较小。

4 结论

晋邦德矿因为上覆顶板富含水，在工作面推进以及采空区顶板垮落的时候，易发生顶板突水事故。且持续时间长、流量大等特点，如若突水发生在工作面或距离工作面较近的区域，将严重阻碍矿井的安全生产。借助Visual MODFLOW软件对矿井涌水进行模拟分析，根据实测的水文地质参数信息，得到渗透性系数等直线图和分布示意图，利用插值得到初始的水头值，通过计算水位与观测水位拟合曲线，保证了模拟结果的准确性。

参考文献：

[1]王厚柱，丁厚稳.新集一矿111311工作面突水机理探讨[J].矿业安全与环保，2002，29（l）：24-27.