基于数值模拟方法的煤矿开采涌水量预测分析

罗奇斌,赵宝峰,毛旭阁,韩元红,罗 希,胡玉龙

(1.西北大学 地质学系,陕西 西安 710069;2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710077;3.陕西省煤田地质集团有限公司,陕西 西安 710021)

煤矿开采过程中大气降水、地表水、地下水都有可能通过各种通道涌入井下,矿井涌水量的大小及涌入状态直接影响矿井的建设和生产。通常,矿井涌水持续、缓慢地涌入井下，通过井下排水设备将其排至地面,不会影响矿井建设和生产的正常进行。个别情况下这些水会在短时间内突然大量涌人井下作业空间，轻者冲毁设备造成局部区域生产中断,重者造成人员伤亡,甚至导致淹井事故这样极为严重的后果[1-3]。煤矿开采造成的顶板冒落塌陷、地下水漏失或疏干,会引发区域地下水水位下降等一系列地下水环境问题。因此，做好矿井涌水量的准确预测,进而采取相应的防范措施,对于确保煤矿安全生产、保护地下水环境至关重要[4-7]。

目前矿井涌水量预测方法以比拟法、数值法、解析法为主[8-9]。比拟法是基于已采矿井(参证矿井)的实测矿井涌水量数据,对未采矿井(预测矿井)的矿井涌水量进行推算的方法,其核心是预测矿井与参证矿井的推算条件的相似程度,主要考虑井田区的地质地貌特征、水文地质条件、开采技术条件等的相似性。解析法与数值法同属于地下水动力学方法,但它们的实际应用有较大差异。解析法(大井法、集水廊道法等)是基于地层均质、各向同性等苛刻条件以及单井抽水试验数据基础上进行计算,但地层的非均质、各向异性客观存在,且比较显著;数值法是以流域为基本单元、以不同岩性地层为基本结构层,依据区域地下水溢出量(泉集河流量)、地下水位数据等进行模型拟合及模拟预测。与解析法相比，数值法对矿井涌水量预测实体的刻画更切合实际,因而数值法预测矿井涌水量的精度更高[10-13]。

本研究以陕北头道河则、二道河则沟域3号煤矿为例,构建沟域地下水流数值模型,模拟区域内3号煤矿在综采及分层开采两种开采方式下的矿井涌水量与地下水位变化过程,分析不同开采方式对矿井涌水量的影响,为煤矿的矿井涌水防治工作提供科学依据。

1 数值模型的构建

1.1 研究区概况

头道河则、二道河则流域位于榆溪河东侧,属于毛乌素沙漠南缘与陕北黄土高原接壤地带,研究区水文地质图及剖面图如图1和图2所示。区内地表绝大部分被第四系全新统风积沙所覆盖,区内地层由老至新依次为:三叠系上统瓦窑堡组(T3w)、侏罗系下统富县组(J1f)、侏罗系中统延安组砂泥岩(J2y)、侏罗系中统直罗组砂质泥岩(J2z)及第四系(Q4),基岩地层除富县组与瓦窑堡组间为微角度不整合接触关系外,其余各地层之间为整合接触关系[14-15]。区域地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙潜水以及碎屑岩类风化壳裂隙潜水与碎屑岩类裂隙承压水。3号煤矿位于整个研究区域的中心,煤矿开采时间较长,积累了长时间连续的矿井涌水量实测资料,因此将3号煤矿作为为典型矿进行研究。煤矿可采煤层主要为侏罗系延安组3#煤层,煤层平均厚度8.36 m。3#煤层厚度大,稳定性好,全区可采,是区内主采煤层。矿井直接充水水源为煤层顶板基岩裂隙水,间接充水水源有大气降水和上覆松散层潜水。

1.2 模型构建

1.2.1 水文地质概念模型 3号煤矿分属榆溪河流域,由于第四系潜水与地表水的分水岭基本一致,因此地表水与松散层潜水均是按沟域形成、分布与运移。综合考虑区域水文地质特征、沟域水文地质单元的相对完整性以及井田边界与模型边界的适度距离(不宜太近与太远)等因素,确定以沟域地下水分水岭围闭区域为模型区范围,面积为598.1 km2,以潜水面为模型区顶界、以3#煤层底板为模型底界。

根据区域水文地质条件、煤田开采范围以及周围水环境特征等的综合分析,模型结构在垂直方向上为地面以下、延安组3#煤层底板以上之间的部分,总厚度65～295m。自上而下构建起模型区的“5层结构”:① 第四系萨拉乌苏组及黄土层孔隙、孔隙裂隙含水层;② 新近系红色黏土层;③ 分布于全区的侏罗系砂泥岩完整岩层;④ 分布于全区的侏罗系砂泥岩层(在煤田开采区,为受开采影响的导水冒裂带,完全导水);⑤ 概化的3#煤层采空区。

模型区潜水主要接受大气降水的入渗补给、主要通过潜水蒸发蒸腾、泉集河溢出、矿井涌水等方式排泄。型区西南侧的榆溪河河段概化为变流量边界,西南边角为定水头边界,东北侧为定流量边界,其余周界的地下水分水岭为隔水边界;模型的底界为隔水边界(见图3)。

图1 研究区水文地质图Fig.1 Hydrogeological map of the study area

图2 研究区水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological section of study area

1.2.2数学模型 据研究区水文地质概念模型,其地下水流数学模型为:

其中:H、Hr分别为地下水位标高和河库水位标高，m;Kxx、Kyy、Kzz为各向异性含水层的渗透系数，m/d;μ、Ss分别为潜水含水层给水度和承压含水层弹性释水率,无量纲;Q、W为水井开采量，m3/d；W为矿井涌水量,m3/d;δ为δ函数(分别对应水井、坑道位置坐标);h0、h1分别为初始水位标高和定水头边界水位标高,m;Qr为河库水入渗量或地下水溢出量(入为正、出为负),m3/d;cos(nx),cos(ny)为边界法向n与x轴的夹角余弦,边界法向n与y轴的夹角余弦;A、Kr、Mr为河库水区计算面积,m2;河床淤积层垂向渗透系数,m/d;河库床淤积层厚度,m;ε为潜水面垂向交换量(入为正、出为负),m3/d·m2;x、y、z、t为坐标变量,m;时间变量,d;Γ1、Γ2分别为一类边界和二类边界;n、Ω为二类边界外法线方向,计算区范围。

采用modflow软件对模型区进行规则网格剖分,根据数学模型建立研究区的三维有限差分数值模型并进行数值模拟。模拟区为大地坐标x=4 277 000～4 240 000,y=19 380 000～19 410 000范围内的矩形区域。平面上采用200 m×200 m的网格将计算区在平面上沿南北向剖分为185行,沿东西向剖分为150列;垂向上剖分为5层,第一层为第四系含水层,第二层为新近系黏土层(无新近系分布地区,由侏罗系岩层补充),第三层为导水裂隙带之上侏罗系原基岩,第四层为导水冒裂带及两侧原岩层,第五层为3号煤层采空区及两侧煤层。这样将整个模型区剖分为185行、150列、5层共138 750个单元,其中73 637个为活动单元。模型区有效面积598.1 km2(见图3)。

图3 模型区有限差分剖分网格图Fig.3 Finite difference meshing of the model area

1.2.3 矿区充水条件分析 根据矿区勘探阶段的工作及井下实际采掘工作情况，3号煤矿充水通道主要为采动导水裂隙带和封闭不良钻孔。煤层回采扰动形成的冒裂带是顶板水进入矿井的主要通道之一，矿区大型断层不发育，陷落柱不发育。因此，进行冒裂带高度计算和探查尤为重要。冒裂带是煤层开采后形成的冒落带及导水裂隙带，裂隙带沟通冒裂带内的不同基岩含水层，使地下水直接进入矿坑，成为矿坑直接充水含水层的主要充水通道。3号煤矿直接充水含水层为其顶板侏罗纪中统延安组基岩。煤层开采后，由于采空区周围的岩石应力集中、释放而产生的导水裂隙将沟通上部侏罗系中统基岩，并导致煤层顶板以上地层中形成冒落裂隙带，其导水裂隙带高度按区域经验裂采比27.5计算。

3号煤矿不同充水方式表现为不同的充水强度：以延安组直接充水含水层为充水水源，地层天然裂隙为导水通道，其充水强度最低，水量小，补给条件差。延安组砂岩裂隙水为矿井水的经常补给因素；以直罗组砂岩含水层为充水水源，地层天然及人工导水裂隙为导水通道，其充水强度表现为水量大，持续时间短，以静储量为主。动储量的大小取决于直罗组含水层的补给条件；以地表水为补给水源及人为沟通小窑采空区形成的矿井充水，充水强度表现为：水量大，来势猛，威胁严重。此种充水方式需重点防范，应通过调查和地面物探，摸清积水采空区的分布范围，合理留设防水煤柱。

1.2.4 模型识别与验证 模型区内除3号煤矿外，还有22座煤矿，其与3号煤矿相对位置见图4。根据模型区煤矿勘探成果、地下水水位统测和长期监测资料，绘制潜水与承压水等水位线图，作为模型识别的初始流场。依据3号煤矿实测涌水量与区内地下水水位、地表水流量长观资料等，将各补排量数据代入数值模型， 以抽水试验获取的水文地质参数为初值、 2018年1月—2021年12月作为模型拟合的均衡期，通过调试水文地质参数，拟合矿井涌水量、地表水流量、区域地下水动态，获得识别期末的地下水流场(见图5)。模型模拟按照煤矿的开采顺序，采用变采空区空间步长，逐步加大采空区面积的方式进行模型拟合。

图4 模型区各煤矿位置图Fig.4 Location of coal mines in model area

图5 模型区拟合末期地下水流场图Fig.5 Quaternary submersible flow field fitting diagram

模型区分布有黄土梁岗、沙盖黄土、沙漠、滩地和河谷等地貌单元,通过模型识别,获取大气降水入渗系数分区值:黄土梁岗区0.03,沙盖黄土区0.13,沙漠区0.4,滩地区0.35,河谷区0.28。

模型第1层分为河谷区、萨拉乌苏组含水层、萨拉乌苏组/黄土复合含水层、黄土含水层4个区;第2层分为新近系岩层和侏罗系原岩层2个区;第3层全区为冒裂带之上的侏罗系原岩层;第4层为导水冒裂带及其两侧的侏罗系原岩层;第5模型层为采空区及其两侧的煤层,采空区内无岩层介质,为完全导水的集水区(见图6、表1)。

图6 模型区含水层水文地质参数分区Fig.6 Aquifer hydrogeological parameter division

模型拟合结果表明:矿井涌水量、地表水流量、地下水水位动态的模拟值与实测值总体趋势一致,拟合误差较小,所建数值模型具有较好的仿真性,可用于研究区内3号煤矿矿井涌水量的预测与分析。

1.3 预测方案设置

根据开采效率以及开采造成的导水裂隙带高度,对于3号煤矿3#煤层设置两种开采方案,用已建立的数值模型对矿井涌水量进行预测模拟。

方案1:分层开采,即3#煤层分层开采,平均开采厚度8 m。据裂采比27.5推算采空区导水裂隙带发育高度为132 m,开采煤层上覆基岩厚度范围为200～280 m,开采时开采区导水裂隙带与第四系潜水未导通。

表1 模型区水文地质参数与分区Tab.1 Hydrogeological parameter partition and parameter value in model area

方案2:综采,即不分层开采,平均开采厚度8.0 m。据裂采比27.5推算采空区导水裂隙带发育高度为220m,开采煤层上覆基岩厚度范围约为200～280 m,开采时开采区导水裂隙带与第四系潜水部分导通。

方案1共设置8个观测孔(g1—g8);方案2为监测导通区域地下水位水位变化情况,增设4个观测孔(g1-1、g1-2、g2-1、g2-2),共12个观测孔,模型预测期的观测点位置见图7。根据煤矿设计的开采年限,设置模型预测期为13.5年。

图7 模型区地下水观测点位置Fig.7 Location of groundwater observation points predicted by numerical model

2 预测结果分析

2.1 预测结果

2.1.1 矿井涌水量 将地下水流模型识别得到的末流场作为各方案预测的初始流场,将模型区的大气降水的入渗补给量、农灌回归水补给量按面源加入模型,采用变采空区空间步长计算各方案的涌水量(见表2)。方案1煤矿开采预测期末矿井涌水量42 911 m3/d,比预测初期数值增加了约8 900 m3/d;方案2中煤矿开采预测期末矿井涌水量58 825 m3/d,比预测初期数值增加了约24 800 m3/d。

表2 各预测方案的地下水补排量预测成果表Tab.2 Prediction results of groundwater recharge and discharge for each prediction scheme

2.1.2 地下水位降深 模型模拟煤矿开采期末各方案矿区及区域地下水位降深,方案1煤层开采区影响区(观测孔g1—g8)的第四系松散层潜水位降深值在0.87～2.34 m之间、侏罗系碎屑岩层承压水头降深值在0.69～28.49 m之间。方案2煤层开采区影响的非导通区(观测孔g1—g8)的第四系松散层潜水位降深值在1.06～2.83 m之间,侏罗系碎屑岩层承压水头降深值在0.68～31.63 m之间;煤矿采空导水裂隙带与第四系潜水沟通的导通区(观测孔g1-1、g1-2、g2-1、g2-2)的第四系松散层潜水位降深值在31.02～36.22 m之间、侏罗系碎屑岩层承压水头降深值在50.78～55.45 m之间。各预测方案地下水位观测点降深见表3、表4,图8、图9。

表3 方案1区域观测点的潜水位降深统计表Tab.3 Groundwater level drop depth statistics of observation points in the area of prediction scheme 1

表4 方案2矿区及附近观测点的潜水位降深统计表Tab.4 Groundwater level drop depth statistics at the mine site and nearby observation points for prediction scheme 2

图8 方案1预测观测点的地下水降深曲线Fig.8 Groundwater dropdown curve of the predicted observation points of scheme 1

图9 方案2预测观测点的地下水降深曲线Fig.9 Groundwater dropdown curve of the predicted observation points of scheme 2

2.2 预测结果分析

矿井总涌水量较现状涌水量的增加量,主要来自袭夺的地下水蒸发量、溢流量和含水层储存量三部分。3号煤矿分层开采煤层(方案1)的总涌水量较现状增加了8 900 m3/d,其中第四系潜水蒸发减少量为1 100 m3/d,泉集河溢出减少量为1 400 m3/d,第四系与侏罗系含水层储存量减少量为6 400 m3/d,分别占矿井涌水增量的12.4%、15.7%和71.9%;3号煤矿全采煤层(方案2)的总涌水量较现状增加了24 800 m3/d,其中第四系潜水蒸发减少量3 400 m3/d,泉集河溢出减少量为2 700 m3/d,第四系与侏罗系含水层储存量的减少量为18 700 m3/d,分别占矿井涌水增量的13.7%、10.9%和75.4%。

矿井开采疏干排水为一长期渐变过程,数值法预测结果是依据已有地质、水文地质勘探与试验等资料进行的计算,采煤初期伴随着开拓长度和开采面积的增加,矿井涌水量随之增加,采区地下水位急速下降、外围地下水位降落不断地、缓慢地向外扩展;随着总排水量的增加,地下水储存量不断消耗、减少,地下水压力持续降低,矿井涌水量逐步趋于稳定。在没有其他水源的突水情况下,数值法预测的稳定涌水量基本代表了矿井达产时的煤层涌水量。煤矿按方案2开采时,煤矿部分地段采空区导水裂隙带将与第四系潜水导通,存在第四系较大的水害影响,因此,推荐方案1(分层开采)预测涌水量42 911 m3/d作为3号煤矿3#煤层的可靠矿井涌水量。

3 结论

1)利用Modflow软件构建了研究区3号煤矿3#煤层三维地下水流数值模型,对所建立的模型进行识别验证,并获取了相应的水文地质参数。通过模型预测分析,3号煤矿按方案1(分层开采)煤矿开采预测期末矿井涌水量42 911 m3/d,比预测初期数值增加了约8 900 m3/d; 按照方案2(综采)煤矿开采预测期末矿井涌水量58 825 m3/d, 比预测初期数值增加了约24 800 m3/d。

2)3号煤矿分层开采煤层(方案1)的总涌水量较现状增加了8 900 m3/d,其中第四系潜水蒸发减少量为1 100 m3/d,泉集河溢出减少量为1 400 m3/d,第四系与侏罗系含水层储存量减少量为6 400 m3/d,分别占矿井涌水增量的12.4%、15.7%和71.9%;3号煤矿全采煤层(方案2)的总涌水量较现状增加了24 800 m3/d,其中第四系潜水蒸发减少量3 400 m3/d,泉集河溢出减少量为2 700 m3/d,第四系与侏罗系含水层储存量的减少量为18 700 m3/d,分别占矿井涌水增量的13.7%、10.9%和75.4%。

3)方案1煤层开采影响第四系松散层潜水位降深值在0.87～2.34 m之间、侏罗系碎屑岩层承压水头降深值在0.69～28.49 m之间。方案2煤层开采影响的非导通区的第四系松散层潜水位降深值在1.06～2.83m之间,侏罗系碎屑岩层承压水头降深值在0.68～31.63 m之间;煤矿采空区导水裂隙带与第四系潜水导通区的第四系松散层潜水位降深值在31.02～36.22 m之间、侏罗系碎屑岩层承压水头降深值在50.78～55.45 m之间。

4)推荐3号煤矿按照方案1进行分层开采施工,预测涌水量42 911 m3/d作为3号煤矿3#煤层的可靠矿井涌水量。煤矿按方案2开采时,煤矿部分地段采空区导水裂隙带将与第四系潜水导通,存在较大的第四系水害影响。若按此方案进行施工,应采取在导通区预留保护煤柱等相应防范措施,并做好监测工作。