利用数值法和解析法对祁南煤矿矿坑涌水量进行预测分析

胡雅琴，任红蕾

(1.五矿矿业(安徽)工程设计有限公司，安徽 合肥 230601；2. 合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

1 井田概况

1.1 位置及构造

祁南井田地处宿州市埇桥区蕲县镇，勘查深度-800 m。全井田可采储量为241 708 kt。设计生产能力：采、选煤260万 t/a，矿井服务期66 a，面积大约54.58 km2。井田走向北部宽大约3 km，东部宽大约4.53 km，中部宽大约8.5 km，长大概10.5 km。按照地貌单元划分，研究区属华北大平原，隶属于淮北煤田构造。

1.2 含煤性

研究区含煤地层为石炭、二叠系。二叠系含煤地层的厚度千余米，含1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11等11个煤层(组)，含煤30余层。可采煤层有23、32、61、62、63、71、72、8、9、10等10层。23、61、62、63、8、9等6层为不稳定煤层，32、71、72、10等4层为较稳定煤层。较稳定煤层平均厚8.65 m，含煤系数约为2.3%。

2 井田水文地质条件分析

根据区域的水文地质条件，研究区主要水文地质特征见表1。

表1 研究区含水层(组、段)主要水文地质特征表

矿井充水条件如下：

(1)新生界含水层在研究区广泛发育，大部分地段的富水性较差，仅矿井西北部砾岩分布区，对于煤田的浅部煤组而言，四含是开采过程中最主要的矿井涌水来源。

(2)各主采煤层顶底板砂岩裂隙含水层是矿井充水的直接充水含水层。根据煤田实际开采情况，这些水源在与其它富水性强的含水层之间不存在明显的水力联系的情况下，涌水量应该不会太大，容易造成疏干现象。

3 矿坑涌水量预测

3.1 数值法

数值法在解决地下水流问题中，是最常用到模拟方法[1]，在地下水数值模拟软件中，Moldflow是最为常用的软件之一[2]，该软件模拟度可靠、运用方便，常常用于预测煤矿矿坑涌水量的研究中[3-4]。下文将通过Moldflow软件模拟研究区域的地下水流情况，并演算出矿坑涌水量随时间的变动过程。

3.1.1 水文地质模型

考虑到研究区钻孔资料相对较为丰富，根据区域水文地质条件，模型主要关注部分主要为第8-14层，含煤地层。模型边界位于以构造裂隙为主的裂隙网络之中，地下水补给微弱，层间经径流缓慢，基本上处于停滞状态，可概化为零流量边界。本次计算和预测的范围为祁南煤矿矿区。

因模拟区域的含水层广泛发育，天然水力坡度非常小，因而模拟区域的地下水渗流场较为平缓，渗流基本符合达西定律，矿床开采条件下，水流各要素随时间变化，为非稳定流，将模拟区概化为非均质各向同性的三维非稳定流系统。根据模拟区内流场特征以及对水文地质结构的分析，将模拟区侧向边界类型确定为零流量边界，垂向上接受大气降水的入渗补给及水面蒸发等。

3.1.2 数学模型

基于上述水文地质模型，建立对应的数学模型[5-6]：

(1)

式中：K为含水层渗透系数(m/d)；H为地下水水位(m)；S为自由水面以下含水层的单位储水系数(1/m)；h为潜水流厚度(m)；M为承压含水层厚度(m)；W为单位体积内的水流流量(m3)；μs为弹性释水系数；H0为地下水初始水位(m)；H1为计算期内位于边界处的地下水水位(m)；t为时间(d)；D为模拟区范围；Γ1为第一类边界，Γ2为第二类边界。

3.1.3 数值模型

研究区垂向上概化为17层，在模拟计算中重点关注二叠系煤系地层以及直接覆盖在二叠系煤系地层之上四含地层。

(1)时间离散

模拟期的计算时段为2015年1月至2025年1月。利用变步长的原理，前三年取步长为30天；其余年份计算步长为365 d。

(2)空间离散

在水平方向上，模型计算区面积约为86 km2，剖分网格如图1所示；根据水文地质概念模型，垂向离散时，共分为17层，见图2。

图1 水平方向网格剖分图

图2 垂直方向网格剖分图

3.1.4 模型识别与参数赋值

基于以上数值模型，根据区域内抽水层位的抽水试验监测数据，对所建立的数学模型进行识别，使数值模型符合实际的水文地质条件。运行模型成功后，不断对比分析地下水位的监测数据和观测井位置处的模拟值，不断改变模型的水文地质参数，使得地下水位的模拟值与观测值能够很好的拟合，满足相对的精度要求。并最获得了比较理想的模型识别结果，见图3。由图可知，地下水位的模拟结果差异很小，这表明上述建立的数值模拟模型基本可信，可以用来模拟祁南煤矿的地下水流变化特征，模型识别结果如表2所示。

图3 观测孔2002-观1水位拟合过程线

表2 模型识别结果

3.1.5 涌水量预测

通过已识别的数值模拟模型，计算得到的祁南煤矿矿坑涌水量随时间的变化过程如图4所示。即前期祁南煤矿的矿坑涌水量约为700 m3/h，随着矿床开采进程的进一步推进，涌水量和其递减速度逐渐变小，并达到平衡，平衡后的涌水量约为320 m3/h。

图4 祁南煤矿矿坑涌水量时变曲线

3.2 解析法

根据上述水文地质条件可知，祁南煤矿各主采煤层顶底板的砂岩裂隙水会直接形成矿坑涌水，据此计算涌水量。计算公式如下[5]：

(2)

R0=R+r0

式中：Q为井筒涌水量，m3/h；K为渗透系数，m/d；S为水位降深，m；M为水层厚度，m；R为影响半径，m；r0为引用半径，m；R0为引用影响半径，m。

3.2.1 主采煤层顶底板砂岩裂隙水进入矿坑的涌水量计算

各主采煤层顶底板富水性不强，且具不均一性，计算时将底板砂岩和各主采煤层顶概化为一复合含水层，含水层的厚度M=66m，主采煤层面积约3.7×107 m2，可采面积约F=2.5×107 m2。根据祁南矿15-169等孔水位监测数据，估算主采煤层最大水位降深为S=496 m，根据祁南矿15-169等孔对K3砂岩抽水试验，可得渗透系数约为K=0.003 m/d。利用上述参数得到的涌水量计算结果如表3所示。

表3 主采煤层的涌水量

3.2.2 新生界涌水量预测

本矿四含孔隙水是新生界松散层孔隙水涌入矿井的主要来源，当其水位降到第四含水层的顶板时，含水层已由承压水转为承压～无压水流状态，因此，本次计算利用承压转无压进水沟渠公式：

(3)

主采煤层带头带长度：结合实际情况，煤层的露头带长度设为B=2 000 m。渗透系数采用四含抽水K值的平均值，约为K=0.02 m/d，四含厚度约M=17 m。四含降深多观测孔平均水位标高约为-17 m，地面标高约为23 m，底板平均埋深324 m，平均厚度约为17 m，则水位降深值约为S=267 m。选用上述参数，根据式(3)进行计算，计算成果见表4。

表4 四含水涌水量计算结果

本矿由主采煤层顶底板砂岩裂隙水进入矿坑的涌水量和新生界四含孔隙水涌水量综合后，矿井正常总涌水量约为300 m3/h。

3.3 预测结果对比分析

矿井正常涌水量的实际观测值为333 m3/h，通过数值法计算的祁南煤矿的矿坑涌水量为320 m3/h，解析法计算的祁南煤矿的涌水量为300 m3/h。上述两种预测方式得到的结果具有一定的偏差，但是差距很小。

4 结语

本研究区，区域边界的形状很不规则，在运用解析法公式时，很难对更加全面地反映该区域实际情况，解析法在运用时降低了其计算精度。太原组灰岩岩溶含水层及煤层厚度的变化都比较明显，数值法可较好地解决该问题，但解析法公式将含水层的厚度进行均匀化处理等，这大大降低了解析法预测涌水量的精度。另一方面，运用解析法时，无形当中将模拟区域内的含水层条件设置为均质各向同性，这同样使得解析解法预测结果的精度有所降低。因此，总体认为数值法的预测结果同实测值比较接近，是比较可信的；另外，解析法可以成为数值法计算矿坑涌水量的一种补充校验方法，两种方法的相互补充使得有效预测矿坑涌水量的准确性得到了提高。