煤矿井下含水层超前疏放水钻孔涌水量衰减规律数值模拟分析

赵常凤 刘正文 沈礼锋 宋 峰 张 亮 张洪波

(1.山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛266500；2.山东省非煤矿山钻探应急救援中心，山东 青岛 266500)

矿井失水是影响煤矿安全的一种重要灾害，容易引起严重的煤矿安全事故[1]。矿井突水与瓦斯突出是矿井最重要的两种危害，严重影响煤矿的生产与管理[2]。煤炭开采对覆盖岩体的稳定性有一定影响，会导致覆盖岩体中的应力重新分配，形成透水裂缝，将覆盖岩体中的地下水引入采空区，形成突水。在不能渗透隔水层区域，因采动沉陷，地下水水位发生变化，降低了地下水埋深[3]。地下水位不断下降，最终会导致出现地下水抽干、井泉枯竭的局面，严重影响水资源的利用，并最终导致地面植物的枯萎和自然景观的退化，严重的还会引发地面土地荒漠化。

赵春虎等[4]利用COMSOL仿真分析平台，将含水层与疏水性钻孔之间的流动状态转换特性进行对比，揭示了疏水性钻孔涌水量的动力变化机理。将疏水性钻孔中的含水层概化为无穷大非补水含水层，将钻孔单元和孔壁概化为达西渗漏界面，并进行达西渗漏过程的实时集成，实现疏水性钻孔涌出量的精确求解。他们通过数值模拟，发现在疏水孔内等水头到达类稳态排水时，等水头在疏水孔内呈现“反漏斗”现象，并得到了与现场观测相吻合的一阶单指标排水衰减方程。罗奇斌等[5]通过对陕北地区头道河泽、二道河泽沟谷区两个区域与矿区的水文地质情况进行深入的分析，建立了该区域地下水不稳流动数学模型，对该区域3矿进行综合与分层两种采掘模式下的矿山涌出量与地下水水位的动态演变进行仿真发现，煤炭开采会对该地区的地下水环境产生一定的影响，其中，综合采矿法所产生的导水裂缝带比常规的层状采矿法要高得多，并且容易与第四系的潜流地层连通，使其涌水量增加，进而引发水灾。煤矿井下涌水量始终困扰着煤矿的安全生产，明确涌水量规律是解决煤矿涌水量问题的关键。为了获取煤矿井下含水层超前疏水钻孔中的涌水量衰减规律，本文以Q煤矿为研究对象，采用SEEP/W软件模拟分析钻孔涌水量的变化规律，构建涌水量衰减规律数值模拟模型，实现对钻孔涌水量衰减规律预测。

1 研究区概况

Q煤矿区位于北岭向斜压性旋流构造南端，以褶皱构造为主，断层构造为辅，气候属于大陆性半干旱气候，全年最高温度为42.7 ℃，最低温度为-21.2 ℃，受地形影响，降水量的分布不均匀[6-7]，地质构造如图1所示。

图1 研究区地质构造Fig.1 Geological structure of the study area

2 涌水量衰减规律数值模拟模型构建

采用SEEP/W软件构建涌水量衰减规律数值模拟模型[8]，重点研究煤矿开挖与降雨入渗共同作用下，研究区涌水量衰减规律的变化情况，边界条件设置如下：

入渗边界：将Q煤矿斜坡处和山坡表面作为降雨的入渗边界，计算过程中选取的水头值与地面高度相等。

模型两侧：按照零流量边界，对地下水的上边界进行处理，将水头边界作为下边界。

模型底面：将透水边界作为底面边界。

在上述边界条件下，给出涌水量衰减规律数值模拟的初始条件，通过数理分析预报原始介质的吸力[9]。一般情况下，渗透面的底泥吸附量随着渗透量的上升而上升，但事实上，在最大毛细高程以内的增长幅度非常大，自最大毛细高程起至地面层的吸力增长幅度非常小，因此，通常将吸力的增长看作是恒定的。本文假设不考虑含水层的气相压力，仅考虑钻孔的水相压力，那么，基质吸力就是负值的孔隙水压力[10]。如果最大毛细上升高度符合假设，可以得出，边坡中的基质吸力在某一高程下方呈现出直线分布，如果高于这个高度，那么其大小可以看作是最大毛细的上升高度。

降雨的入渗是一个十分复杂的过程，其强度和持续时间对入渗情况会产生一定影响[11]。同时并不是每一滴落在地面上的雨水都会渗透进土壤中，有些雨水会从地上渗透到地下，有些则会在地面上以一种特殊的方式流动到其他地方。至于雨水在什么样的条件下才能渗透到地下，在什么样的条件下才能在地表流走，这两者之间有什么联系，就是入渗速度的问题[12]。因此，在涌水量规律数值模拟时进行如下假设：

1)假设所有的雨水都渗透到了地面下，以雨水的强度为流动边界，进行入渗速率的计算。

2)按照固定比例降低雨水强度，并将降低后的雨水强度作为降雨流量的边界条件[13]，进行入渗速率的计算。

3)根据土壤渗透系数与雨水强度之间的相关规律，求出了入渗速度。在雨水强度大于饱和渗流系数的情况下，以饱和渗流系数为基准，计算入渗速率，反之，以降雨强度为基准计算入渗速率。

4)如果降雨强度比地表的入渗能力低，利用降雨强度计算入渗速率，并选取第二类边界条件[14]。如果降雨强度比地表的入渗能力高，雨水与土壤的入渗强度相同，选取第一类边界条件。

采用假设4可以模拟出降雨不同阶段的入渗情况，因此降雨强度可作为降雨入渗土壤的边界条件[15]。

Q煤矿的+127水平工作面是发生涌水的主要区域，因此，将地表到+127水平工作面作为研究区域。将模型划分为六个部分，其中第五部分为煤层，表1给出了各层岩石的力学参数。

表1 每一层岩石的力学参数

通过网格划分构建涌水量衰减规律数值模拟模型，结果如图2所示。图2的数值模拟模型能够实现对钻孔涌水量衰减规律的分析，为钻孔涌水量衰减规律研究提供参考。

图2 涌水量衰减规律数值模拟模型Fig.2 Numerical simulation model for the attenuation law of water inflow

3 结果分析

3.1 水文地质参数对钻孔涌水量衰减的影响

当超前疏放水钻孔的孔径为0.10 m、仰角为50°、斜长为80 m时，对不同初始水头、渗透系数和弹性给水度下的钻孔涌水量衰减规律进行数值模拟。

3.1.1 初始水头

渗透系数和弹性给水度不变，将初始水头设置为764、883、1 012 m，钻孔涌水量变化规律如图3 所示。

图3 初始水头与钻孔涌水量规律的关系Fig.3 Relationships between initial head and borehole water inflow

由图3可知，钻孔涌水量的峰值和拟合稳定水量随着初始水头高度的增加而逐渐增加，初始水头为764、883、1 012 m时对应的用水量峰值分别为96、112、124 m3/h，涌水量的衰减系数并没有发生明显变化，均在30 h达到稳定状态，拟合稳定水量分别为36、48、56 m3/h。

3.1.2 渗透系数

初始水头和弹性给水度不变，将渗透系数设置为0.1、0.2、0.4 m/d，得到钻孔的涌水量规律，结果如图4所示。

图4 渗透系数与钻孔涌水量的关系Fig.4 Relationships between permeability coefficient and water inflow

从图4可以看出，钻孔涌水量的峰值随着渗透系数的增加而增加，渗透系数为0.1、0.2、0.4 m/d时对应的峰值涌水量分别为250、300、350 m3/h，在衰减过程中，衰减系数为30、50、36 h时，涌水量处于稳定状态，稳定涌水量分别为60、100、150 m3/h，增大渗透系数后，含水层的过水能力也会明显增加，但是对涌水量衰减系数的影响较小。

3.1.3 弹性给水度

初始水头和渗透系数不变，将弹性给水度设置为4×10-7、2×10-6、4×10-6，得到钻孔的涌水量变化规律，结果如图5所示。

图5 弹性给水度与钻孔涌水量的关系Fig.5 Relationships between elastic water yield and water inflow rate of drilling holes

由图5可知，弹性给水度为4×10-7、2×10-6、4×10-6时对应钻孔的涌水量峰值分别为56、60、64 m3/h，当涌水量衰减到44 m3/h时开始趋近于稳定，衰减系数相对来说比较小，涌水量趋于稳定的周期差异比较大，分别为20、28、60 h。因此，可以推断，弹性给水度大，含水层中的峰值涌水量也大，弹性给水度会严重影响钻孔的似稳定周期，两者为正相关。

3.2 钻孔结构对涌水量的影响

设定初始水头、渗透系数和弹性给水度不变，对煤矿井下含水层超前疏放水钻孔在不同仰角和孔径下的涌水量衰减规律进行数值模拟分析。

3.2.1 钻孔仰角与斜长

设定钻孔孔径不变，将钻孔仰角分别设置为0°、30°和60°，对应的斜长分别为60、80、120 m，钻孔的涌水量变化规律如图6所示。

图6 钻孔仰角与斜长对涌水量的影响Fig.6 Effects of borehole elevation and slope length on water inflow

由图6可知，钻孔仰角分别为0°、30°和60°时对应的钻孔涌水量峰值分别为100、92、88 m3/h，随着钻孔仰角与斜长的增大，稳定状态下的涌水量也存在很大差异，分别为44、48、56 m3/h，峰值涌水量和稳定涌水量随着钻孔仰角与斜长的增大而增加，进而钻孔的疏水能力得到提高。

3.2.2 钻孔孔径

保持钻孔仰角与斜长不变，将钻孔孔径设置为0.05、0.075、0.1 m，得到钻孔的涌水量变化规律如图7所示。

图7 钻孔孔径与涌水量衰减的关系Fig.7 Relationships between borehole diameter and water inflow attenuation

由图7可知，随着钻孔孔径的增大，峰值涌水量和稳定涌水量增大。钻孔孔径分别为0.05、0.075、0.1 m时对应的钻孔涌水量峰值分别为62、60、58 m3/h，稳定衰减的涌水量分别为46、42、40 m3/h。

3.3 群孔干扰疏水对涌水量的影响

以Q煤矿含水层的某一个首采工作面为研究对象，采用涌水量衰减规律数值模拟模型建立四种工况，分别为1个钻孔、1个钻区3个钻孔、3个钻区9个钻孔、6个钻区18个钻孔，编号分别为H、3-1、3-2、3-3、9-1、9-2、9-3、18-1、18-2、18-3。以此为依据，构建群孔干扰疏水数值模型，分析钻孔涌水量在群孔干扰疏水条件下的衰减规律。不同工况条件下，钻孔涌水量的历时曲线如图8所示。

图8 钻孔涌水量的历时曲线Fig.8 Duration curves of drilling water inflow

从图8可以看出，随着钻孔数量的增加，单个钻孔的涌水能力明显下降。

在不同工况条件下，钻孔在似稳定状态下的涌水量如图9所示。

图9 似稳定涌水量变化情况Fig.9 Changes in seemingly stable water inflow

从图9可以看出，在多钻孔同时工作条件下，随着钻孔数量的增加，增加工作面的钻区时，钻孔的涌水能力衰减比较明显，除了工况1以外，其他工况中三个钻孔的涌水能力均有所下降，其中1-1钻孔的疏水能力受到群孔干扰的影响最大，而涌水能力最小。

4 结论

初始水头、渗透系数、弹性给水度、钻孔仰角与斜长、孔径以及钻孔数量和覆盖范围均会影响含水层超前疏放水钻孔涌水量。今后研究可以事先对涌水量进行预测，根据预测结果分析钻孔的涌水量衰减规律，为煤矿安全生产提供一种水害治理手段。