GMS在矿井涌水量预测中的应用

宋业杰

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

GMS在矿井涌水量预测中的应用

宋业杰1,2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

应用三维有限差分数值计算软件 G MS,利用其特有的三维地层创建模块和渗流计算模块,以陕北地区某矿为例,在矿区水文地质分析的基础上,建立矿区三维水文地质模型,预测了该矿某采煤工作面的涌水量变化规律,为矿井开采方案设计、保证安全开采提供了理论参考。

G MS;涌水量预测;三维有限差分;水文地质建模

工作面涌水量预测是保证煤矿安全生产的必要工作,是矿井水文地质工作的重要组成部分,做好工作面涌水量预测意义重大。

在煤矿生产中,常用 “大井法”和 “水文地质比拟法”等解析方法来预测工作面涌水量。

近年来,由于煤炭资源开发力度和开采强度的加大,采掘环境也日趋复杂,尤其是以往未能开发的水体下复杂难采资源的采掘活动对涌水量预测工作的精准性提出了更高要求,传统计算方法都对区域参数进行较大简化,没有考虑采掘范围、地层变化等因素的影响,仅适用于水文地质条件简单的矿区。因此,引入数值计算是矿井涌水量预测方法的有力补充和必然趋势。

1 G MS软件介绍

G MS(Groundwater Modeling System)是由美国地质调查局 (US Geological Survey)基于概念模型应用有限差分法开发的,是支持 TI Ns(Triangulated Irregular Networks),GIS,Solids、钻孔数据、2D与 3D地质统计学的地下水流模拟软件。

G MS(Groundwater Modeling System)数值模拟功能强大,能模拟多相多组分的溶质运移,该软件提供了多种组建地下水数值模型的方法,能准确刻画地层的空间结构等优点,在科研、生产、工业、环保、城乡发展规划、水资源利用等行业和部门得到了广泛应用,成为目前最为普及的综合性地下水运动数值模拟计算机程序[1]。

本文应用的是 G MS6.0版,该版本包含 TI Ns,Borehole,Solid,2D Mesh,2D Grid,2D Scatter Point,3D Mesh,3D Grid,3D Scatter Point,Map和 GIS共 11个计算模块,在本次计算中应用到的模块主要有 TI N,Borehole,Solid,2D Scatter Point,3D Grid和 GIS,其理论基础是基于连续介质的水流方程,将模拟区域地层等效为一组空间上连续的介质场,根据质量守恒定律和能量守恒定律(达西定律),建立区域水文地质的渗流连续性方程和运动方程[2],即：

基础方程：

对不同的水流类型、初始条件和边界条件,建立区域水文地质模型,求解工作面涌水量。

边界条件：

2 工程应用

研究矿井为陕北侏罗纪煤田某矿,位于榆神矿区的东南部,井田地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带,地表全部被第四纪松散沉积物所覆盖,东、南部及北部地貌以黄土梁岗区为主,其余为沙漠滩地。地势总体东、南部及北部较高,地层主要特征见表 1。

综合分析矿井勘察过程中的钻孔柱状图和各地层的水文地质条件,建立三维矿井水文地质模型,利用软件的渗漏计算程序组件计算采掘区域的水头变化和水量均衡。在模型的建立过程中,参照井田勘探资料将模拟区域分成 9层,包括 6个含水层,2个隔水层和 1层煤层,见表 2。主要含水层为部分出露地表的萨拉乌苏组和基岩风化带,静乐红土为区域内主要隔水层,地层厚,隔水性能好。

表2 模拟计算区岩层划分

表1 区域地层特征

计算中把采动影响区简化为渗漏空间,通过类似地质条件下的数据反演,求得本井田渗漏单元的渗透性参数,取工作面长度 125m,工作面推进长度约 1000m。根据采动影响区域的分布范围不同,预测的涌水量分为 3种情况：一是正常回采的情况下,“两带”高度发育到风化带以上但没有穿过静乐组红土层,不波及静乐组红土层上方的含水层;二是回采后“两带”高度发育至第四系黄土层,但没有沟通上覆萨拉乌苏组含水层;三是采动影响区发育至中等富水含水层萨拉乌苏组或地表。具体求算过程叙述如下：

(1)导入钻孔柱状三维数据 统计前期勘探资料,将钻探资料依地层导入到 G MS中,如图 1。地表出露地层主要有 3类,分别为第四系全新统冲洪积层、第四系上更新统萨拉乌苏组、第四系中更新统离石组,如图 2。对钻孔反映的地层逐个编号,为下一步生成实体做前期处理。依据先前划分的地层情况,将 9个地层依赋存顺序编号,由于地层的缺失和嵌入,局部会出现编号的空缺和重复。

(2)生成区域地层实体 根据前面的钻孔分布和地层编号,划出模拟区域范围,建立模拟区域的不规则三角网,进而插值生成区域地层实体,确定各个地层的基本赋存情况。再根据实测地形资料,对已生成的地层块体的局部区域做必要的修正和完善,使其更符合实际。在地层实体中可以截取任意倾角和倾向的切面查看特定区域的三维地层赋存情况,见图 3、图 4。

图1 井田钻孔分布

图2 地层出露分布

图3 井田地层实体

图4 模拟区域地层切面 (任意角度)

(3)建立概化模型 在完成上述工作后,建立区域水文地质概化模型,创建区域地层的属性图层,在图层中定义数值计算的地下流场类型、模型边界条件、区域单元状态、各地层初始水头和计算引擎等参数。模型边界为定流量补给边界,流场类型为稳态,参照区域潜水位等值线图设置区域水头,井田范围内水文地质条件较为复杂,在建立模型之前设置水文源汇项,添加水文地质属性参数。本计算区域井田长约 4100m,宽 3800m,垂深约280m,模拟工作面长度 125m,将井田地层划分为41×38×9的网格单元,对井田地层实体作网格转换,得到包含全部地层属性的三维网格。模型建立过程中使用的主要参数见表 3。

表3 主要参数

(4)模型编译求解 完成模型的建立之后,运行编译程序,进行差分迭代计算,最后求得首采面回采时的涌水量水头分布。在计算过程中还特别对工作面开采不同采动影响强度时的涌水量作了预测。计算求得工作面回采 “两带”高度发育到风化带以上但没有突破静乐红土层时涌水量为53.94m3/h;回采后“两带”高度发育至第四系黄土层,但没有沟通上覆萨拉乌苏组地层时涌水量为76.44 m3/h;采动影响区发育至地表富水含水层萨拉乌苏组时涌水量为 204.82m3/h。数值计算结果见图 5、图 6和表 4。

图5 采动后井田水位分布色谱图 (全区)

图6 采动后地层水位分布色谱图 (萨拉乌苏组)

表4 涌水量预测

3 结论与建议

(1)通过计算可以得知,煤层开采过程中形成以采区为中心的降落漏斗,区内水位降深大。采动破坏未穿透黄土层时,隔水性能未遭破坏,矿井涌水量较小;当采动破坏延展到主要含水层时,矿井涌水量急剧增加,含水层失水严重,由于补给有限,部分区域出现疏干区。

(2)利用 G MS三维有限差分数值计算,能定性地分析该井田的涌水规律,易于获取不同采动影响程度下的涌水量变化趋势,直观地给出任意地层、任意区域的水位变化图;能充分考虑尖灭、嵌入等地层突变因素的影响,对于复杂条件下的煤矿涌水量计算更具有独特的优势,应用前景广阔。

(3)数值法计算矿井涌水量,投资少,效率高,可以根据不同的开采工艺分别计算各个回采阶段的涌水量,便于及时采取相应的防治水方案。G MS生成的三维地质模型能清楚地反映各个地层的展布信息,任意角度的切面能反映出地层沉积结构信息,可以应用到采掘活动的补充勘探中。

[1]贺国平,张 彤,等 .G MS数值建模方法研究综述 [J].地下水,2007(3).

[2]薛禹群,谢春红 .地下水数值模拟 [M].北京：科学出版社,2007.

[3]康永华,孔凡铭,张 文.试论水体下采煤的综合研究技术体系 [J].煤矿开采,2001,6(1)：9-11,35.

[4]陈崇希,林 敏 .地下水动力学 [M].武汉：中国地质大学出版社,1999.

[责任编辑：王兴库]

Application of GM S in Forecasting Mine Groundwater Inflow

SONG Ye-jie1,2
(1.Coal Mining&Designing Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Taking a mine of Shannbei Area as an example,3-d hydrogeology model of mining area was set up based on the analysis of its hydrogeology by applying 3-d hydrogeology modeling and seepage calculation module of G MS-a 3-d finite difference software.Groundwater inflow variation rule of a mining face in the mine was predicted with this model,which provided reference for mining design and safety mining.

G MS;groundwater inflow prediction;3-d finite difference;hydrogeology model

TD742

A

1006-6225(2011)01-0104-04

2010-10-18

宋业杰 (1985-),男,安徽旌德人,硕士研究生,主要从事煤矿水体下采煤技术与理论的研究工作。