煤矿涌水量预测和疏降流场数值模拟研究

康 俊,何 璞,王 帅,宋 歌,赵继先

(1.河南省地质局矿产资源勘查中心,河南 郑州 450012; 2.河南省地质局地质灾害防治中心,河南 郑州 450012;3.河南省地质矿产勘查开发局 第二地质矿产调查院,河南 郑州 450012)

河南平禹煤电有限责任公司一矿(简称平禹一矿)前身是新峰矿务局一矿,水文地质基础工作薄弱,而水文地质条件非常复杂。自建矿以来,多次发生大型岩溶水突水事故,数次淹井或淹采区,煤层底板岩溶水突水已成为威胁矿井安全生产的重大隐患。为提高水文地质条件复杂老矿山的煤炭资源开采利用水平,解放受岩溶水威胁的煤炭资源[1-5],本文采用均衡法计算和评价矿区岩溶水多年补给量和排泄量,求得多年平均补给量,采用均衡法、非稳流解析法、相关分析法、比拟法和数值模拟法预测了未来疏放寒武系灰岩水的正常涌水量和最大涌水量。未来疏放寒武系灰岩和太原组灰岩岩溶水条件下,全矿井正常涌水量包括寒武系灰岩和太原组灰岩水疏放量、煤层顶板砂岩裂隙水涌水量和太原组上段灰岩岩溶水涌水量。

1 平禹矿区岩溶水资源计算与评价

1.1 评价方法

目前地下水资源计算与评价的常用方法有水量均衡法、解析法、数值模拟法和抽水试验法,水量均衡法建立在水量均衡原理上,它通过对地下水补给量、排泄量和含水层储存量变化反映水资源量,计算原理简单,适用性强,不受地域和水文地质条件复杂程度限制,在地下水资源评价中得到广泛的应用。数值法是一种比较先进的计算方法,借助于计算机可以求解大型及任何复杂的地下水水流计算与预测问题。根据本次工作情况,采用均衡法计算和评价矿区岩溶水多年补给量和排泄量。

1.2 均衡法

对于一个地下水系统来说,任意一个均衡时间段内,补给量与排泄量之差等于该均衡时段内地下水储存量的变化[6-8],即:

QI-QO=μFΔH

(1)

式中,QI为均衡时段内地下水系统的天然补给总量;QO为均衡时段内地下水系统的天然排泄总量;μ为潜水含水层给水度;F为均衡区含水层的分布面积;ΔH为均衡时段内地下水水位变化幅度。

对于地下水来说,天然条件下,地下水的补给与排泄始终处于动平衡状态。在一个水文年内,地下水补给量大于排泄量,地下水储存量增加,水位上升;地下水排泄量大于补给量,地下水储存量减少,水位下降。一个水文年内的地下水补给量与排泄量总处在变化状态,地下水水位随补给与排泄关系有所变化。但从多年来看,地下水补给量和排泄量基本上是相等的,即天然条件下,地下水多年天然补给量等于多年天然排泄量。天然条件下,地下水的均衡方程为:

QI=QO

(2)

工作区岩溶水补给方式单一,以寒武系灰岩露头区接受大气降水入渗为主,排泄方式包括矿井排水、人工开采和泉(自流井)排泄等。平禹一矿井田是白沙向斜北翼岩溶水系统的集中排泄区,自流井常年处于自流状态,岩溶水多年水位稳定,经常维持在+135～+142 m,多年水位变幅很小。因此,在目前平禹一矿尚未疏放岩溶水的条件下,研究区白沙向斜北翼岩溶水补给与排泄仍处在接近天然条件的均衡状态,多年补给量与多年排泄量大致平衡。研究分别用计算多年天然补给量和多年天然排泄量的方法评价岩溶水资源。

根据相关理论计算公式得出白沙向斜北翼岩溶水子系统多年平均补给量为2 669.7 m3/h,南翼岩溶水子系统多年平均补给量为3 690.9 m3/h,整个禹州岩溶水系统多年平均补给量为6 360.6 m3/h。

禹州基岩山区是严重的缺水地区,居民生活用水非常困难,以泉水和雨水(水窖)作为水源,干旱少雨时靠买水生活。最近几年,各乡镇利用水利部提供的专项资金,打了不少基岩深井,部分山区居民的生活用水问题得到了解决,但仍有不少村镇仍需买水解决吃水问题。根据禹州市水利局和山区乡镇水保所提供的资料,本次水文地质调查野外工作期间,对基岩山区村镇深井及开采情况进行了调查,初步掌握了山区基岩水开发利用现状。

没有深井的乡村通常多以泉(基岩裂隙水)为水源,缺水的山区则以水窖蓄积降水为水源。受主客观条件限制,本次区域水文地质调查没能获得翔实的泉水出流数据。为了全面计算基岩山区乡村居民实际开采基岩地下水数量,以乡镇为单位按居民人口数量和日均用水定额进行计算。人畜用水标准使用《水文地质手册》中的经验值,农村人口为50 L/d,大牲畜70 L/d,小牲畜30 L/d。根据调查,农村饲养大牲畜数量平均每户1.8头左右,将用水量均摊到人口数量上,相当于人均需水量为92 L/d。以此作为估算山区居民开采地下水量的标准。经过计算,白沙向斜北翼山区居民开采基岩地下水(包括泉水)共计11 395 m3/d,相当于475 m3/h;白沙向斜南翼山区居民开采基岩地下水(包括泉水)共计31 498 m3/d,相当于1 312 m3/h。在禹州市现有63个小煤矿中,分布在白沙向斜北翼的小煤矿有3个,主要矿井是平禹一矿。3个小煤矿排水量在40～50 m3/h,平禹一矿正常排水量为200 m3/h,最大排水量为300 m3/h。13091工作面寒武系灰岩水突水,矿井总涌水量达到1 300 m3/h,目前,突水点已经被注浆封堵。因此,白沙向斜北翼矿井排泄岩溶水量为250 m3/h,南翼煤矿多,共有60个小煤矿,煤矿设计正常涌水量总计为3 384 m3/h,根据禹州市煤炭管理局统计资料,实际排水量是煤矿设计正常涌水量1/3。因此,小煤窑实际排水量按1 015 m3/h计算。白沙向斜南翼排水强度较大的矿井主要有:平禹二矿、平禹四矿、平禹六矿、白庙矿、梁北矿和方山矿,各矿排水量依次为80、120、25、260、250、1 600 m3/h,总计排水量2 335 m3/h。整个白沙向斜南翼矿井排水总量为3 350 m3/h。白沙向斜北翼补给区岩溶水标高为+210 m,至平禹一矿,水位降至+140 m,补给区至排泄区距离为35 km,平均水力坡度J=0.002。在平禹井田岩溶水等水位线图及采掘工程平面图测量得到侧向径流宽度为24 km,井田寒武系灰岩平均导水系数为788 m2/d。根据达西定律,侧向径流排泄量为1 576 m3/h。在长葛市坡胡镇海子李村和水磨河村,自第四系松散沉积物中出露有泉水,在地表汇集成湖,分别是暖泉湖和幸福湖。岩溶水的排泄途径主要包括泉和自流井排泄量、人工开采量、矿井排水量和侧向径流排泄量,岩溶水总排泄量是各分项排泄量之和,用公式表示:

QO=Qso+QDo+QMo+QLo

(3)

式中,Qso为泉(自流井)流量;QDo为人工开采量;QMo为煤矿疏排岩溶水量;QLo为侧向排泄量。

采用均衡法,求得平均补给量为3 690 m3/h,排泄超过补给,岩溶水处在负均衡状态。梁北煤矿采取了大流量疏放岩溶水的方法,疏放强度达到1 600 m3/h,使得岩溶水位由+50 m降至目前的-60 m。

2 矿井涌水量预测

13091综采面煤层底板寒武系灰岩水突水后,井田范围内水位均出现下降,最大水位降幅达到20 m。从一定意义上讲,本次突水相当于一次非人为控制的大型放水试验。借助对水量、水位动态和疏放流场空间特征的分析,可以总结平禹一矿井田寒武系灰岩水文地质特征,为今后防治水工作积累重要的基础资料。

基于这些认识,在13091工作面发生寒武系灰岩水突水后,在突水点尚未被注浆堵住之前,利用煤矿原有地面水文观测孔及井下测流设施,抢在突水点被完全封堵前,对突水量和水位进行了连续观测,主要目的是:①通过对突水后水量、水位进行连续观测,获得水位及水量动态变化资料,全面分析寒武系灰岩含水层的水文地质条件,了解寒武系灰岩岩溶水可疏干性。②利用本次突水量、水位降深数据,并结合历年突水数据,初步估算寒武系灰岩水在不同疏放条件的疏放水量(正常涌水量),为矿井防治水系统的技术改造提供水文地质依据。

2.1 非稳定流解析法

突水量基本稳定在1 100 m3/h,寒武系灰岩水位随着时间推移,从快速下降、缓慢下降直至接近稳定的过程。因此,13091综采面寒武系灰岩突水过程相当于进行了一个落程的非稳定流放水试验,从而可以借助非稳定流理论的泰斯井流公式(Theis)确定水文地质参数、预测未来疏放条件下的疏放水量。严格上讲,平禹一矿的水文地质条件并不完全符合泰斯井流条件,表现在:①寒武系灰岩和太原组灰岩岩溶裂隙含水层并非均质和各向同性的;②含水层厚度是变化的;③岩溶水的分布是不均匀的,含水介质是岩溶裂隙甚至存在溶洞;④岩溶水系统也并非侧向无限延伸,是有边界的。然而,13091综采面突水后的水位动态和流场分布大致与泰斯井流公式的条件相符合,如整体性的水位下降、突水量稳定、水位下降影响范围超过6 000 m、水位下降曲线符合泰斯井流特征等。鉴于此,利用泰斯非稳定井流理论反求水文地质参数,并预测未来疏放条件的涌水量[9-11]。泰斯井流公式为:

(4)

式中,s为抽水影响范围内,任一点任一时刻的水位降深;Q为抽水井的流量;T为导水系数;t为自抽水开始到计算时刻的时间;r为计算点到抽水井的距离;μ*为含水层贮水系数。

求解过程分2步:首先,利用配线方法求解水文地质参数;然后,给定水位降深,利用泰斯公式预测涌水量。采用降深—时间配线法求导水系数和含水层贮水系数。各观测孔至突水点的距离r见表1。

表1 观测孔至突水点之间的距离Tab.1 Distance from observation hole to water inrush point

在此间的55 d内各个观测孔水位均逐渐下降,而水量一直稳定在1 100 m3/h,近似一次定流量非稳定流放水试验。利用此间各个观测孔曲线(图1)分别将观测孔的匹配点坐标代入到泰斯井流公式中,就可求出导水系数和贮水系数,结果见表2。

图1 13091工作面突水至堵水前的水量-水位降深动态Fig.1 13091 working face water inrush to water before plugging-water level drawdown dynamics

表2 降深—时间配线法确定的水文地质参数Tab.2 Hydrogeological parameters determined by drawdown-time alignment method

由于寒武系灰岩含水层渗透性和导水性具有明显的不均质性,使得13091工作面突水后并未形成以突水点为中心的水位降落漏斗,以平4最大,其次为平8和平3孔(图2)。

图2 13091工作面突水后寒武系灰岩观测孔水位降深等值线Fig.2 Contours of water level drawdown in Cambrian limestone observation holes after water inrush at 13091 working face

在同样的预测目标条件下,如利用降深较小的观测孔去预测,预测涌水量将会偏大。考虑到平禹一矿今后开采区域主要在突水点东南方向的三采区,且解析法结果尚需和回归方法对比,以平4孔确定的参数进行预测。预测条件为:距离r=2 125 m,导水系数T=368.8 m2/d,贮水系数μ*=6.5×10-5,水位降深S=220 m,时间t=50 d。将数据代入泰斯井流公式中,计算得到u=4×10-3;查泰斯井流函数表,W(u)=4.948 2,涌水量为8 580.2 m3/h。将不同设计疏放降深代入上式,就可求出不同疏放条件下对应的疏放水量,计算结果见表3。

表3 解析法预测的不同疏放水平岩溶水疏放量Tab.3 Analytic method for predicting the amount of karst water drainage at different drainage levels

2.2 相关分析法

13091工作面突水后突水量很快升至1 100 m3/h,并保持稳定,与此同时,平4孔水位快速下降,最大水位降深为20 m。从开始突水到突水点被封堵前的55 d内,水位降深曲线与突水量动态曲线基本同步,末期水位基本稳定。在突水点注浆堵水显效但尚未完全封堵期间,突水量在400 m3/h水平上持续了20 d,平4孔对应的降深稳定在10.2 m(这些现象说明,水量和水位降深存在明显的对应关系)。此外,根据1985年7月7日+30 m总回风巷突水,最大突水量为2 375 m3/h,桐树张水井水位最大降深达到100 m。

以上述水量和对应的水位降深3组数据为依据,以水量为自变量,水位降深为因变量,分别采用直线相关、指数相关关系建立相关方程[12-15]。线性相关方程的相关系数为0.967,指数相关方程的相关系数为0.998,指数相关性略好于直线方程(图3)。经过显著性检验,各方程都有显著性意义(P≤0.05)。

图3 水量和降深之间的线性相关关系Fig.3 Linear correlation between water volume and drawdown

给定水位降深S=220 m,用直线相关方程求得涌水量Q直=5 001.0 m3/h,用指数相关方程求得涌水量Q指=2 996.3 m3/h。直线方程求得结果与解析解较为接近,并基于安全考虑,选用直线相关方程作为预测涌水量的依据。不同疏放水平对应的涌水量预测结果见表4。预测方程为:S=0.047 6Q-18.049或Q=21.008 4S+379.18。

表4 直线相关法预测的不同疏放水平岩溶水疏放量Tab.4 Karst water drainage amount predicted by linear correlation method at different drainage levels

2.3 涌水量预测结果

考虑到平禹一矿水文地质条件的复杂性,取直线回归和解析方法预测值的平均值作为涌水量预测结果。未来疏放寒武系灰岩水条件下,不同疏放水位降深对应的矿井涌水量预测结果见表5。

表5 疏放岩溶水条件下不同降深对应的矿井涌水量Tab.5 Mine water inflow corresponding to different drawdowns under the condition of dredging karst water

根据预测结果,在降深S=100 m(水位从+135 m降至+35 m)时,预测矿井正常涌水量为3 190 m3/h,降深S=200 m(水位从+135 m降至-65 m)时,预测矿井正常涌水量为6 191 m3/h。至突水点距离r=2 125 m、导水系数T=368.8 m2/d、贮水系数μ*=6.5×10-5,将这两组数据分别代入泰斯公式中,可以求出距离疏放中心2 125 m处不同时间的水位降深值。在疏放水量Q=3 190 m3/h时,60 d的水位降深为85 m,120 d水位降深为95 m,此后水位呈缓慢下降状态,表明60 d可以达到最大降深的85%左右。同样地,在疏放水量Q=6 191 m3/h时,60 d水位降深达到最大降深的85%左右。

本矿二1煤顶板砂岩正常涌水量一般小于10 m3/h,最大为32 m3/h。煤层底板太原组上段灰岩岩溶水以静储量为主,动储量有限。根据2001—2004年全矿涌水量资料,在没有发生太原组灰岩和寒武系灰岩岩溶水突水的情况下,矿井涌水主要来源于太原组上段灰岩岩溶水,全矿涌水量在200～300 m3/h。

在未来开采条件下,太原组上段灰岩岩溶水涌水量可采用涌水量—开采面积、水位降深比拟法预测,公式为:

(5)

式中,Q为预测涌水量;Q0为当前正常涌水量;S为未来水位降深;S0为当前生产水平水位降深;F为未来开采面积;F0为当前生产水平面积。

以开采标高-270 m为起点,Q0=540 m3/h,S0=340 m,F0=7.042 8 km2,S=690 m,F=11.042 8 km2。经过计算,-550 m水平涌水量814.0 m3/h,该值可作为煤层底板太原组上段岩溶水未来涌水量(该值来源于矿井生产报告)。未来疏放寒武系灰岩和太原组灰岩岩溶水条件下,全矿井正常涌水量包括寒武系灰岩和太原组灰岩水疏放量、煤层顶板砂岩裂隙水涌水量和太原组上段灰岩岩溶水涌水量。根据历史涌水量资料,雨季涌水量增幅不大,最大涌水量可按正常涌水量的1.3倍取值。不同条件下,全矿井涌水量为:疏放降深S=100 m时,正常涌水量Q正常=4 036 m3/h,最大涌水量Qmax=5 247 m3/h;疏放降深S=220 m时,正常涌水量Q正常=7 637 m3/h,最大涌水量Qmax=9 928 m3/h。

3 岩溶水疏降流场模拟与预测

为了了解平禹一矿岩溶水渗流场时空变化规律,预测未来疏放岩溶水条件下的疏放水量,同时为以后开采时疏水设计提供依据,故对矿区岩溶水疏降流场进行数值模拟。13091采掘工作面回采过程中发生大型突水,最大涌水量达到1 100 m3/h,导致整个采区被淹。煤层底板的石炭系太原组下段灰岩和寒武系灰岩岩溶水是主要充水来源,二者水力联系密切。目前岩溶水水位稳定在+130～+137 m,开采深度-270 m。为了安全开采深部煤炭资源,预防煤层底板岩溶水突水事故,必须将灰岩水位降低至安全高度。为此,以13091工作面突水后形成的岩溶水流场及水位动态为依据,采用数值模拟方法预测未来疏放岩溶水条件下的矿井涌水量。

3.1 水文地质概念模型及参数概化

模拟计算区为平禹一矿井田,其面积约11.09 km2,位于白沙向斜的东北部,矿区北、西环山,南为丘陵,属向东南开阔的向斜汇水盆地,即区域上地下水的排泄区。总体上为一单斜构造,地层走向总体为90°～125°,倾向180°～215°,地层倾角在浅部为8°～25°,深部为25°～53°,沿走向有小的缓波状起伏。平禹一矿水文地质概念模型如图4所示。

图4 平禹一矿水文地质概念模型Fig.4 Hydrogeological conceptual model of Pingyu No.1 Mine

3.2 地下水流的数值模拟

3.2.1 模型的离散化

根据矿区开采和观测资料,以每个月作为一个地下水开采应力期,共有3个应力期,时间步长为1 d。平禹一矿岩溶水数值模拟单元剖分平面和三维如图5所示。

图5 平禹一矿岩溶水数值模拟单元剖分平面和三维Fig.5 Plane and three-dimensional division of karst water numerical simulation unit in Pingyu No.1 Mine

3.2.2 初始条件

根据煤矿的开采资料和观测资料,本次模拟初始时刻为2008年12月14日,根据研究区内各个观测孔的水位经过插值作为模拟的初始流场,寒武系灰岩承压含水层等水位线图如图6所示。

图6 寒武系灰岩承压含水层等水位线Fig.6 Cambrian limestone confined aquifer contours

3.2.3 水文地质参数的初始化

水文地质参数分区如图7所示。

图7 水文地质参数分区Fig.7 Hydrogeological parameter division

3.2.4 模型的校正与识别

对模型进行调参,使观测水位变化尽可能反映在模型中,并使其误差值在允许误差范围内,然后在此基础上进行检验,检验模拟结果是否与实际相符。如果相符,说明此模型比较可靠,可以反映实际的情况;如果结果相差较大,再分析其原因,然后根据实际情况重新调参,最终确定模型。观测孔的拟合,也就是通过适当地调整模型参数,使观测孔实际水位与计算水位趋势保持一致,数值尽量吻合。根据13091工作面突水后各观测孔水位动态,平3孔、平4孔、平8孔水位变化最显著,而平3、平4孔受变边界条件影响较大,故以平2、平5、平8孔水位动态为拟合对象建立模拟模型,拟合结果如图8所示。

图8 数值模拟水位动态拟合曲线Fig.8 Numerical simulation of dynamic fitting curve of water level

模型识别期内,计算得到的拟合孔水位动态与实际水位动态基本同步变化。鉴于平2、平5、平8孔具有代表性,此次拟合、检验主要利用平2、平5、平8孔,但计算值与实际值在个别时段的差异还是较大。其主要原因是该孔水位资料不属于长观水位资料,矿井突发性的突水、堵孔和岩溶水开采量的短期变化等都可能造成岩溶水水位短时间内突然上升或下降。

3.3 未来疏放岩溶水条件下水位预测

根据平禹一矿防治岩溶水水害治理计划,要将岩溶水水位从目前的+135 m降至-85 m(降深220 m),拟定的疏水位置是:E43号异常区施工钻孔放水量最大可达1 000 m3/h、三采区下部放8号异常区放水量最大可达2 000 m3/h和三采区上山处放水钻孔放水量最大可达1 500 m3/h。本次数值模拟的预测目标为:确定岩溶水位从目前的+135 m降至-85 m后的疏放水量及水位流场变化。

通过运行模拟模型,未来疏放条件下,岩溶水疏放水量为Q=5 546.67 m3/h,疏放时间60、120、180、360 d的含水层疏水水位等值线如图9所示。

图9 预测寒武系灰岩含水层疏水水位等值线Fig.9 Prediction of hydrophobic water level contours in Cambrian limestone aquifers

随着煤层开采面积的增加,其涌水量也存在着一定的变化,在开采时一般处于上升阶段,由于煤层的采动,导致底板受到的压力加大,底板裂隙扩张,成为充水通道,构成了煤层与底板水源的联系。所以,此矿区的涌水量处于增加阶段。

通过以上分析可以看出,由于疏水井不断排泄,寒武系灰岩承压含水层水位快速下降,形成明显的降落漏斗,这主要与疏水井设计在富水区内、渗透系数及外界补给量有关。

4 结语

(1)基于13091工作面寒武系灰岩岩溶水突水后的水位水量动态数据,采用均衡法、非稳流解析法、相关分析法和数值模拟法预测了未来疏放寒武系灰岩水的正常涌水量和最大涌水量。未来疏放寒武系灰岩和太原组灰岩岩溶水条件下,全矿井正常涌水量包括寒武系灰岩和太原组灰岩水疏放量、煤层顶板砂岩裂隙水涌水量和太原组上段灰岩岩溶水涌水量。根据历史涌水量资料,雨季涌水量增幅不大,最大涌水量可按正常涌水量的1.3倍取值。不同疏放条件下,全矿井涌水量为:疏放降深S=100 m时,正常涌水量Q正常=4 036 m3/h,最大涌水量Qmax=5 247 m3/h;疏放降深S=220 m时,正常涌水量Q正常=7 637 m3/h,最大涌水量Qmax=9 928 m3/h。

(2)通过数值模拟分析,预测了寒武系灰岩含水层疏水水位等值线。