露天矿疏干降水数值模拟及优化分析

刘先彪，臧彦超，李 静

(1.神华国能宝清煤电化有限公司 朝阳露天煤矿，黑龙江 双鸭山 155625；2.大地工程开发(集团)有限公司，北京 100102)

煤炭资源开发工程中疏干降水是安全生产的关键环节。矿区疏干排水方案优化一直是矿山开发研究设计面临主要问题之一[1-5]。近几十年来，地下水数值模拟技术在疏干排水方案分析研究中得到广泛应用。例如，陈时磊等开展了基于矿井生产进度疏干条件下的三维地下水数值模拟研究，分析满足生产进度疏干条件矿井涌水量[6]；白乐等研究了煤矿开采区地表水-地下水转化关系，开展了地表水-地下水耦合模拟研究[7]；冯翔开展了利用GMS地下水模拟软件，开发矿井三维地下水系统模型，进行矿井涌水量预测[8]。对于复杂多含水层系统，以及不同疏干排水方式的模拟与方案优化尚不多见。

朝阳露天矿区含水层呈多层结构，渗透性差，不易疏干，地下水位(压)较高，采掘场出现多次滑坡，为保证露天矿安全生产，迫切需要准确预测露天矿疏干水量，采取有效疏干方式降低地下水位。本文对矿区水文地质资料和疏干排水数据详细分析，运用Visual Modflow软件，开发了矿区地下水三维数值模型，提出了地面降水孔降水、采场内水平放水孔排水、泄压坑排水等多种方式联合的综合疏干降水优化方案，为矿区确定治水方案和措施提供科学依据[9-16]。

1 矿区水文地质条件

矿区地处三江平原的南部，沉积有第三系和第四系地层。露天矿开采的对象为10煤层，依据含水层和煤层空间分布关系，本区含水层分为上部含水层、中部含水层和下部含水层，煤层位于中部和下部弱含水层之间，平均厚度15m。上部含水层组：全区发育，岩性以中砂和细砂为主，厚度变化大，平均厚度11.75m；中部含水层组：全区发育，岩性主要为第三系微胶结砂岩及第四系底部中粗砂，平均厚度21m；下部含水层组：发育在10煤底板以下，岩性为第三系微胶结中、细砂岩和粉砂岩，平均厚度5～6m。矿区发育三个相对弱含水层，即顶部、中部及底部弱含水层，平均厚度分别6.76m、8m和2～3m。顶部弱含水层裸露地表，中部弱含水层埋深在30m左右，底部弱含水层埋藏在下部含水层与煤层底板之间。弱含水层主要为粘土、砂质粘土和弱胶结泥岩、砂质泥岩。上部含水层和中部含水层之间的弱含水层连续分布，而中、下部含水层之间弱含水层由于发育有断层或天窗，含水层存在一定的水力联系。

矿区地下水主要接受大气降水入渗、地表水和灌溉渠系渗漏、灌溉田间回归，以及山前侧向径流补给。天然条件下，地下水由西南向东北方向径流，消耗于潜水蒸发和侧向径流。

2 矿区地下水数值模型

2.1 含水层和边界条件概化

矿区研究范围界定在以矿区为中心，东和南到山区山前，西到地表分水岭、北到平原区山丘隆起带，模型区面积为114.72km2。

依据岩性与富水性，含水层自上而下概化为7层：第1层为第四系亚粘土、粘土层相对弱含水层；第2层即第四系中砂细砂含水层(上含水层)，渗透系数3.1～4.1m/d；第3层为第四系粘土、砂质粘土相对弱含水层；第4层为第四系底部中粗砂和第三系微胶结砂岩强含水层(中含水层)，渗透系数2.31～2.98m/d，含水层与煤层顶板直接接触；第5层为相对弱含水层，即煤系地层；第6层为相对弱含水层；第7层为第三系微胶结中、细砂岩强含水层(下含水层)，渗透系数3.6～5.2m/d，是矿床直接充含水层。各个分层的顶底板依据钻孔资料，进行空间插值得到。

顶部边界接收大气降水和地表水体的入渗补给，采用入渗系数法计算。四周边界的概化为流量边界。为反映边界变化的特点概化为混合边界(MODFLOW中的GHB边界类型)，边界流量与边界内外水位及含水层导水性有关。

矿区范围内，深埋的基底第三系泥岩为相对隔水层，底部边界概化为隔水边界。

2.2 数学模型及求解

含水层概化为非均质各项异性，地下水水流概化为三维非稳定流，主微分方程：

式中，kxx，kyy，kzz分别为沿主轴方向渗透系数，m/d；h为测压水头，m；Q为单位体积流量(降水或地表水入渗、人工抽水等)，(m3/d)/m3；Ss为单位储水系数，m-1；t为时间，d。

初始及边界条件：

h(x，y，z，t)∣t=0=h0(x，y，z)

式中，h0为含水层的初始水位分布，m；Γ12为渗流区域的侧向混合边界；q(x，y，t)为边界流量，采用GHB计算方法得到。

设计降水孔，按分布和开采深度(滤水管)布置于各单元，随水位下降，降水孔抽水量也将衰减。降水孔抽水量与水位以下的滤水管长度和揭露含水层导水性有关。计算公式如下：

式中，Qi为在某时段内从第i层进入某井的水量；Qt为在该时段内的井的抽水量；Li为第i层中滤水管段长度；Kx为第i层X方向的渗透系数。

采场排水概化为Drain边界类型。采坑排泄地下水量计算方法如下：

Qk=(h-hc)C

式中，Qk为采坑排泄地下水量，m3/d；h为地下水位标高，m；hc为坑内水位高程，坑内无水时，为坑底高程，m；C为综合导水系数，m2/d。

当地下水位低于坑底高程时，不再排泄地下水。

计算区域采用40m×40m的矩形网格，在开采区和水文地质条件变化较大的地方加密部分网格(20m×20m)，以提高计算的精度。为了保证收敛的同时提高计算速度，对网格作平滑处理。

2.3 模型识别与验证

采用2008年11月26日—12月10日的群孔抽水试验数据进行模型参数和边界条件识别，抽水试验用162C2和162C3共2个井抽水，5个观测井同步观测水位。2个抽水井水位模拟和实测水位过程曲线如图1所示。

图1 2个抽水井水位模拟和实测水位过程曲线

运用2019年1月1日—4月30日的孔排、坑排水量和观测井水位数据，进行模型验证。收集的6个观测孔实测数据模拟结果进行置信检验，结果如图2所示，均差-0.76m，相关系数为0.976，RMS为8.52%，满足模型精度要求。模型验证期内，地下水总补给量和总排泄量分别为0.91万m3/d和1.98万m3/d，静储量变化量为-1.07万m3/d。孔排和坑排分别为1.49万m3/d和0.36万m3/d。总排水量为1.85万m3/d，期间消耗静储量为-1.07万m3/d，占总排水量的57.84%。

图2 计算和实测水位拟合曲线

3 降水方案模拟预测

3.1 降水方案

降水方案主要目的是在充分利用已有降水孔和坑内疏干排水设施的基础上，通过新增降水设施，有效降低采掘场内地下水位，保证采剥工作顺利开展，提高剥离、采煤工作效率。同时，最大程度降低非工作帮和东、西端帮的地下水位，减少边帮地下水渗出量，提高边帮稳定性。拟定方案如下：

1)利用89个已有降水孔，2020年新投入60～90个设计地面降水孔。

2)2020—2021年在工作帮台阶分阶段设置100～120个水平放水孔(倾角5°)，疏放采场工作帮的中含水层地下水。

3)随着开采工作面推进，在采场坑底煤层底板标高较低地带，开挖泄压坑(井)，降低下含水层地下水位(水头)。

3.2 模拟预测与方案优化

降水方案模拟预测时，大气降水取多年平均降水量，保持不变。用2018年底流场为初始流场，时间步长为30d，预测到2023年12月30日。

初始设计地面降水孔和水平孔的数量分别为45个和80个，通过逐步增加设计的地面降水孔和水平孔的数量，预测各含水层水位动态，直到水位降满足疏干和降压水位要求，即得到优化排水方案。通过模拟确定的排水方案为68个地面孔和120个水平孔。

2019年总排水量1.79万m3/d，2020年启用北部、东北和西北部67个降水孔后排水量急剧增加，达到3.4万m3/d，之后几年呈减少趋势，2023年排水量为2.41万m3/d，2019—2023年矿区总排水量过程预测曲线如图3所示；相应消耗静储量由2020年2.53万m3/d，减少到0.98万m3/d。排水量组成中，静储量占42%，其他来自侧向补给、降水和地表水入渗补给。按分层地下水组成看，排水主要来自中含水层和下含水层，分层含水层排水量变化过程见表1，上含水层、中含水层和下含水层排水量分别占6%、61%和33%。下含水层的排水需要孔排和坑排同时进行，坑排水量主要来自下含水层的泄压排水。

图3 2019—2023年矿区总排水量过程预测曲线

表1 分层含水层排水量变化过程 万m3/d

2023年中含水层和下含水层预测地下水流场如图4所示。随着开采向北推进，采坑范围中含水层逐步疏干，外围水位在40～45m变化。由于外围的孔排和坑内泄压坑排水，坑内下含水层不同年份水位(水头)能够控制在煤层底板之下，满足了煤矿安全水位(水头)要求，预测矿区下含水层水位(头)标高见表2。坑外围水位(水头)标高控制在15m。

图4 预测期末中含水层和下含水层水位标高等值线(m)

表2 预测矿区下含水层水位(头)标高 m

4 结 论

1)在矿区水文地质模型基础上，建立了三维地下水流数学模型。运用已有疏干降水资料和地下水水位观测数据，进行模型参数与边界条件识别与验证以及地下水均衡分析。结果表明，开发的模型是可靠的。目前排水条件下，疏干排水主要是来自中含水层和下含水层，分别占61%和33%。地下水均衡为确定疏干降水方案增加了坚实的依据。

2)运用开发的地下水数值模拟模型，预测分析了考虑“地面孔排—台阶水平孔—坑底泄压坑”等综合排水方案下的矿坑涌水量及疏干时间。预测最大排水量为3.9万m3/d，排水量随工作面推进呈缓慢减小趋势，排水水源来自周边地下水侧向补给、消耗静储量以及降水地表水入渗补给，其中消耗静储量占42%。

3)根据矿区水文地质条件研究和数值模拟成果，优化了降水方案。模拟模型预测结果表明，综合疏干降水方案是可行的。采用优化后的降水方案，地下水位(头)下降显著，从而有效保证露天矿正常开采。