基于钻探-物探数据融合的矿井涌水量预测及效果评估

高瑞忠，姬腾达，于 婵，杨宇晗，肖彬虎，张春雨

（1.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区水文总局，内蒙古 呼和浩特 010020；3.中煤陕西榆林能源化工有限公司 大海则煤矿，陕西 榆林 719000）

矿井涌水量预测与煤矿开采方案和排水能力设计密切相关，是矿井在整个生产寿命周期内的重要基础数据，对煤矿安全生产的意义重大，也是矿床水文地质的重要研究内容，因此，矿井涌水量的准确预测尤为重要[1-5]，而矿区地质地层是复杂的非线性开放系统，不同地区的水文地质条件复杂多样，并且影响矿井涌水量的因素较多，然而这些因素又随着外界环境的改变而动态变化，使得矿井涌水量的科学准确预测是一项复杂而艰巨的工作[6-8]。许多学者开展了关于矿井涌水量预测的研究，形成了多种多样关于矿井涌水量预测与计算的理论和方法，例如利用数值模拟[9-14]、时间序列[15-25]、水文地质比拟[24]和解析法[27-33]等技术方法进行矿井涌水量预测，而预测结果的科学性、准确性和对工程实践的指导意义却一直不理想，不可否认还普遍存在预测误差较大、精度较低的问题，主要是矿井矿区地质地层结构复杂，水文地质条件认识不足、计算方法难以概化描述实际开采条件下水流运动规律等原因导致。

为此，以大海则煤矿作为典型研究对象，分析影响矿井涌水量的主要因素，认识确定开采地层的充水因素，融合利用钻探-物探数据来精细刻画矿区地质地层及水文地质结构，构建矿区井田三维地质实体模型，采用数值模拟法、大井法和集水廊道法预测计算矿井涌水量，综合对比多种方法和成果，旨在探讨基于多元数据提高矿井涌水量预测计算精度的应用方案，完善矿井涌水量预测技术和理论，为煤矿有效规避的水灾风险事故和安全开采提供科学依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

大海则矿井位于陕西省榆林市榆阳区西部，行政隶属榆阳区补浪河乡，矿井坐标：东经109°00′54″～109°16′57″，北纬38°22′01″～38°30′01″，位于榆横矿区（北区）的西北部；井田规划面积为276.3 km2，是中煤集团重点建设的陕蒙亿吨级煤炭基地的主力矿井之一。煤矿井田面积265.63 km2，海拔高度为1 206～1 311 m，当地年均降水量为436.7 mm，蒸发量为1 907.2 mm。考虑数值模拟计算矿井涌水量，因此模拟概化面积427 km2。

1.2 数据来源与研究方法

矿区的降水、蒸发、气温、辐射和相对湿度等气候数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn），DEM数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）。地下水水位数据来源于2019—2020年丰、平、枯不同时段区域地下水的实际监测。矿区地质及水文地质资料、钻孔数据和抽水试验成果来源于项目合作单位中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿。物探数据采用天然电场物探仪（KT-400SZ）测得，共50个断面点。

矿井涌水量计算采用数值模拟法、大井法和集水廊道法。

数值模拟预测矿井涌水量采用GMS地下水模拟系统实现。GMS（Groundwater Modeling System）地下水模拟系统由Brigham Yong University的环境模型实验室和美国军工水道实验站联合开发，其具有非常强大功能的图形界面、综合化的地下水模型构建和数值模拟等功能，可以在3D环境下开发、表征以及对地下水水流运动状况进行可视化模拟，为国内外众多学者广泛使用[9-10，12-14]。

“大井法”涌水量计算选用承压转无压完整井流公式[29-31]：

“集水廊道法”计算涌水量公式[34-36]：

式中：B为集水廊道长度，m，即工作面年推进长度；其他符号同前。

文中的数理统计分析采用Excel@2010软件完成，空间分布图通过ArcGIS@10.3软件制作。

2 矿区地层结构辨析

2.1 矿区物探试验与解释

综合大海则煤矿238个钻孔勘探数据，布设物探断面50个，每个物探点布设2条测线，每条测线上长30 m，每个物探点上布置试验点15个，总共测距离2 940 m，共计试验点数1 470个。

根据已有的钻孔柱状数据，物探试验选取了25个钻孔作为探测对象，进而验证物探试验的准确性。以ZL-8号地质钻孔测得物探数据解释地层剖面图为例表明物探解释及校准的准确性，在40～240 m处地层剖面图显示出较高的电位值，表明该点在此深度范围内是高阻体，含水量较小；在0～40 m和240 m以下区域，显示出较低的电位值，说明这2层的电阻值较小，可判断为含水层。结合实际钻孔柱状图判断在0～90 m是第四系风积沙层，拥有较强的储水能力，在地层剖面图中呈现出低电位值、低电阻率值；90～232 m为泥岩和砂质泥岩，泥岩隔水性较强，显示有较高的电位值和电阻率值，为隔水层的大致厚度和位置；232 m以下为广泛的细粒砂岩、粉砂岩，判断为含水层，物探数据显示为低阻区。因此，该钻孔位置物探试验数据解释的地层剖面图可以较好的反映矿区实际的地层结构。

2.2 基于钻探-物探数据的三维地质实体模型

综合野外物探试验数据和矿区钻孔资料，结合矿井水文地质补充勘探报告[37]及大海则矿区综合水文地质图，分析矿区地层岩性，将地层概化为9层，从上到下依次为第四系含水层、第四系-白垩系隔水层、白垩系含水层、白垩系-安定组隔水层、安定组含水层、安定组-直罗组隔水层、直罗组含水层、2煤层隔水层、2-3煤含水层，构建矿区井田三维地质实体模型。

3 矿井涌水量预测数值模拟

3.1 概念模型和数学模型

1）概念模型。煤矿所在的区域含水层参数随岩性的不同而异，且不同方向上存在差异，故将含水介质概化为非均质各向异性；地下水系统输入、输出要素随时间变化，概化地下水流为非稳定流；区域水力坡度小，含水层分布广、厚度大，地下水运动符合达西定律。因此，含水层系统概化为非均质各向异性三维非稳定流。考虑地下水流场及煤矿井田范围，确定数值模拟计算范围，地下水自东北向西南运动，将东北侧作入补给边界，西南侧为排泄边界，其余两侧概化为0流量边界。

2）数学模型。依据渗流的连续性原理和达西定律，结合概念模型得研究区地下水运动数学模型：

式中：H为地下水水头，m；Kxx、Kyy、Kzz为x、y、z方向的渗透系数，m/d；Ss为含水层储水率；q为含水层二类边界单位面积过水断面补给流量，m3/d；ε为源汇项强度；Ω为渗流区域；x、y、z为各方向长度；t为时间。

3.2 数值模拟

将煤矿数值模拟区域在水平和垂向上进行立体剖分，剖分单元大小为500×500，水平剖分为456行和456列，垂向上剖分为9层，共剖分934 353个网格。数值模拟区域三维立体剖分如图1。潜水水位实测值与计算值对比如图2。

图1 数值模拟区域三维立体剖分Fig.1 Three-dimensional subdivision

图2 潜水水位实测值与计算值对比Fig.2 Comparison of measured and calculated values of water level

模型计算时段为2019年7月—2021年3月，其中以2020年7月和11月地下水水位观测数据作为模型识别的基准值，2021年1月数据作为模型的验证值。在模型识别验证阶段，水位监测点的水位实际观测值与水位计算值拟合效果较好，识别阶段和验证阶段均小于相对误差小于0.007。因此，矿区地下水运动数值模拟模型是可靠的，可应用于煤矿涌水量的动态。

4 矿井涌水量预测及效果评估

4.1 数值模拟涌水量预测

大海则煤矿分为201盘区～214盘区，共14个，将201盘区和206盘区作为涌水量预测研究对象，根据未来矿井生产月巷道回采进度，依次划分为若干工作进度期。206盘区长3 689.27m，宽3 320.13 m，月巷道回采进度为308.8 m，分为16个工作进度期；201盘区长3 204.3 m，宽3 077.03 m，月巷道回采进度为282.3 m，分为12个工作进度期。在开采初期206盘区和201盘区同时开采，第12个开采进度期结束时，206盘区依旧进行开采，而201盘区开采结束，在后续4个开采进度期，开采的工作面只有206盘区。206盘区开采方向为由北向南，从左往右依次进行；201盘区为由南向北，从右往左依次进行开采。涌水量数值模拟预测从2022年1月1日开始至2023年5月1日结束。

煤矿开采过程中导水断裂带全部发育到顶板直罗组砂岩含水层，未导通其上部的其他含水层。本次预测煤层包括2煤层和3煤层，201盘区和206盘区2、3煤层的矿井涌水量主要来源于垮裂带导通的直罗组直接充水含水层和安定组、白垩系和第四系间接充水含水层。由于2、3煤层之间间隙较小，且层间岩性多为泥岩和砂质泥岩互层，2煤层的充水水源即为3煤层的充水水源，因此将直接充水含水层均确定为直罗组含水层。为了预测降水对深层巷道涌水量的影响，取1985—2019年最大月降水87.6 mm（8月）作为未来丰水期的降水量来预测矿井最大涌水量，取多年月均降水量27.17 mm预测矿井的正常涌水量。

根据煤矿201和206盘区开采方案，随着月巷道回采进度不断调整开采范围，在开采面上通过设置虚拟井来模拟地下水涌出的过程。数值预测涌水量虚拟井布设如图3。

图3 数值预测涌水量虚拟井布设Fig.3 Virtual well layout prediction of water inflow

第1个工作进度期开始时，在相应工作面内布设虚拟开采井，抽水井流量为1 500 m3/d，使地下水位下降至预测煤层底板处为止，其中2煤底标高533.77 m，3煤底标高502.31 m，第1个工作进度期结束时，此时的虚拟井开采量即为矿井第1工作期的矿井涌水量；预测第2工作期涌水量时，上一工作期末流场作为初始流场，根据月巷道回采进度重新布置虚拟开采井，使地下水位稳定在2煤、3煤层底板，得到第2工作期的矿井涌水量。以此例推，后续工作进度期内不断调整虚拟井的数量，依次完成各阶段涌水量动态预测。在预测2煤层时布设虚拟井数量16个，预测3煤层布设虚拟井数量12个。

工作进度期（1、3、6、9、12、16）水位流场图如图4，各煤层涌水量动态预测结果如图5。

图4 工作进度期（1、3、6、9、12、16）水位流场图Fig.4 Prediction water level changes of coal seam in working schedule periods（1、3、6、9、12、16）

图5 各煤层涌水量动态预测结果Fig.5 Dynamic prediction results of water inflow in each coal seam

根据数值模型涌水量预测结果可以看出，大海则矿区丰水期和枯水期的降水量差别比较大，但其最大涌水量和正常涌水量预测结果差别并不明显，主要原因为煤层埋深较大，2煤层以上泥岩、砂质泥岩较厚，形成较多的隔水层和弱透水层导致。

4.2 大井法涌水量预测

结合矿区地形地貌及矿区含水层水文地质条件及特征，并根据此次抽水试验水文孔ZL-1、ZL-2、ZL-3、ZL-4、ZL-5、ZL-6、ZL-7、ZL-8号和前人对直罗组抽水实验的水文孔P6、P25、ZK39-17和ZK39-21的资料，来预测大海则矿井涌水量。

井田煤层开采时的涌水量主要受其直接顶板的砂岩孔隙裂隙含水层的影响，当矿井排水时，在矿井周围就会形成以巷道系统为中心的降落漏斗，这与钻孔抽水时周围形成的降落漏斗类似，因而可以将巷道系统分布的范围假设为1个理想的大井。

涌水量计算以运输大巷为界分为206盘区和201盘区2部分，因矿井南北水文地质条件差异，固分别计算206盘区和201盘区开采2煤时的涌水量，最后将两者相加作为最终的矿井涌水量。

201盘区的面积平均约为25.87 km2，渗透系数选取钻孔ZL-7、ZL-8、P6、抽水试验时所取得的参数的平均值为0.058 m/d；承压含水层的厚度为201盘区导水断裂带发育范围内的含水层厚度平均值为33.01 m；含水层水柱高度为直罗组自然水位标高至2煤顶板的标高值545.23 m。206盘区的面积平均约为24.56 km2；渗透系数选取钻孔ZL-1、ZL-2、ZL-3、ZL-4、ZL-5、ZL-6、P25、ZK39-17、ZK39-21抽水试验时所取得的参数的平均值，其平均值为0.169 m/d；承压含水层的厚度为206盘区导水断裂带发育范围内的含水层厚度平均值，其平均值为29.16 m；水柱高度为直罗组自然水位标高至2煤顶板的标高值，其值为624.485 m。

开采2煤时，201盘区涌水量为16 904.55 m3/d；206盘区的涌水量为29 032.38 m3/d，同时开采201盘区和206盘区时矿井涌水量为45 936.93 m3/d。

4.3 集水廊道法涌水量预测

针对南北盘区取年总推进度最长工作面作为集水廊道进水断面，其中南部盘区年推进度为7 236 m，北部盘区年推进度为5 968 m，开采2煤时，201盘区涌水量为27 614.9 m3/d；206盘区的涌水量为13 973.9 m3/d，同时开采201盘区和206盘区时矿井涌水量为41 588.8m3/d，大井法和集水廊道法计算煤矿涌水量成果见表1。

表1 大井法和集水廊道法计算煤矿涌水量成果Table 1 Calculation parameters of water inflow by large well method and catchment corridor method

4.4 矿井涌水量结果对比及效果评估

通过涌水量预测方法进行计算模拟计算，当开采至2煤底标高533.77 m时，数值法预测最大涌水量为44 647.75 m3/d，正常涌水量为44 119.75 m3/d，大井法预测结果为45 937.93 m3/d，集水廊道法预测结果为41 588.8 m3/d，当开采至3煤底标高502.31 m，数值法预测的均值最大涌水量为53 385 m3/d，正常涌水量为52 857 m3/d，可以看出，数值法与大井法预测结果较为接近，相差1 818.18 m3/d，与集水廊道法预测结果相差较远，相差2 530.95 m3/d，一定程度上不同方法相互验证了涌水量预测结果的准确性。

煤矿开采处于动态状态，大井法和集水廊道法只能对涌水量做出静态预测，数值模拟法通过对含水层系统结构的剖分，并考虑煤矿开采的工作进度，可以实现涌水量的动态预测，而且本文融合钻探钻孔数据和实测物探数据，弥补数值模拟区域钻孔不足影响涌水量的预测问题，精细剖分刻画了包含煤矿井田在内的数值模拟区域的地质地层结构，准确描述开采过程中矿区地下水运动规律，提高了数值模拟计算的精度，因此，数值法对于大海则煤矿涌水量的预测结果更加可靠。

5 结 语

1）以大海则煤矿为典型研究对象，融合利用钻探-物探数据来精细刻画矿区地质地层及水文地质结构，构建矿区井田三维地质实体模型，采用数值模拟法、大井法和集水廊道法预测计算矿井涌水量。

2）以物探数据弥补地质钻孔对于区域控制的不足，融合利用钻探-物探数据将矿区地层概化为第四系含水层、第四系-白垩系隔水层、白垩系含水层、白垩系-安定组隔水层、安定组含水层、安定组-直罗组隔水层、直罗组含水层、2煤层隔水层和2-3煤含水层等9层，以精细刻画地质地层结构而构建了大海则矿区井田三维地质实体模型。

3）通过大海则矿区地下水数值模拟、大井法和集水廊道法预测涌水量的结果对比，实现了不同方法计算涌水量的相互验证。大井法和集水廊道法对涌水量只能做出静态预测，而数值模拟法可以基于钻探和物探数据对含水层系统结构进行精细剖分，准确描述开采过程中矿区地下水的运动规律，并考虑煤矿开采的工作进度，实现涌水量的动态预测，提高煤矿矿井涌水量的计算精度。