邱集煤矿四五灰含水层水位恢复数值模拟研究

张礼威

(山东能源集团有限公司,山东省济南市,250014)

邱集煤矿四五灰含水层水位恢复数值模拟研究

张礼威

(山东能源集团有限公司,山东省济南市,250014)

针对邱集煤矿11＃煤层掘进过程中四五灰顶板出水原因、四五灰含水层水文地质变化、重要边界条件和垂向补给通道的位置等问题,以矿区地下含水层为研究对象,利用四五灰含水层水位恢复资料,采用FEELOW软件建立了三维地下水水流数值模型模拟并计算四五灰含水层疏干水量。模拟结果表明井田区域浅部四五灰富水性及渗透性较好,四五灰非均质各相异性明显,矿井东南部区域的渗透性强于东北部区域的渗透性;浅部、中部、深部四五灰含水层疏干正常水量为3620 m3/h、3930 m3/h、4130 m3/h。

四五灰含水层 地下水水流 数值模拟 水位恢复 疏干水量 邱集煤矿

邱集煤矿是我国黄河北煤田的第一对试验型生产矿井,11＃煤层直接顶为四五灰含水层,底板距徐灰含水层35.40 m,徐灰距奥灰含水层平均7～8 m。为解放受水威胁的11＃煤层,邱集煤矿开始在11＃煤层轨道石门布置四五灰疏干工程,轨道石门处已经疏降至水压0.3 MPa,周围四五灰观测孔已处于疏干状态。当轨道石门掘进至506 m时在掘进头后约3 m处出水,出水前12 h地面徐灰、奥灰孔不同程度出现水位下降,四五灰水位出现上升,出水后井下四五灰观测孔水压明显回升,四五灰疏干钻孔出水量稳定在1000 m3/h。水文地质条件的突变使四五灰含水层无法疏干,邱集矿不得不在11＃煤层轨道石门施工挡水墙,停止了四五灰疏干工程。

为全面有效评价11＃煤层受水威胁的程度,拟采用数值模拟对矿区水文地质进行反演。在分析煤矿地质与水文地质条件的基础上,建立研究区水文地质概念模型、数学模型与数值模型,并利用三维有限元地下水数值模拟软件FEFLOW对模型进行求解;着重考虑煤矿特殊水文地质条件,利用煤矿观测孔的长期观测资料对建立的模型进行验证与标识;反演四五灰含水层水文地质参数,反演矿井重要水文地质边界条件,分析水文地质条件变化的原因和新的垂向补给通道的位置及性质,并计算产生新的突水通道以后四五灰含水层的疏干水量,作为矿井防治水的依据。

1 水文地质概念模型

1.1 含水层结构

井田上部为上第三系和第四系地层。上第三系中部约200 m厚的地层基本为粘土岩,构成上部隔水边界,从而使第四系含水层与下伏各含水层不存在水力联系。上第三系底砾岩发育不均一,基本可以排除四五灰在露头区与下伏徐灰、奥灰含水层存在水力联系。井田底部为奥陶系灰岩含水层,厚度大,据勘探资料可知奥陶系灰岩含水层补给范围320 km2以上,因此具有一定的动储量和静储量。该含水层应是井田内各灰岩含水层的补给源,是下部补给边界。

1.2 边界条件概化

井田东部边界F8断层为东升西降的正断层,断层落差25～50 m,造成井田外徐灰、奥灰与井田内四五灰对口相接;井田北部边界F11断层落差110 m,位于井田深部,南升北降,使井田内四五灰含水层与井田外煤系地层对接,可按阻水边界考虑。井田西界断层组阶梯式向西断下,可按阻水边界对待。井田南部边界以F2断层和13＃煤层露头为界,为补给边界;F2断层落差25～160 m,井田内下降,井田外上升,可看作补给边界。

2 模型的建立

2.1 数学模型的建立

数学模型是水文地质概念模型的数学语言表达形式,依据邱集煤矿水文地质概念模型,选择三维非均质、各向异性、非稳定承压地下水流的数学模型,如式(1)所示。

式中:Ω——研究区域;

h——含水层的初始高度,m;

z1——含水层底板标高,m;

Kxx——为x方向渗透系数,m/d;

Kyy——为y方向渗透系数,m/d;

Kzz——为z方向的渗透系数,m/d;

Kn——边界面法向方向的渗透系数,m/d;

t——时间,d;

μ——给水度;

p——越流强度,1/d;

h0——含水层的初始水位分布,m;

Γ0——地下水的自由表面;

Γ1——侧向流量边界;

Γ2——侧向分水岭零流量边界;

Γ3——含水层底部的隔水边界;

q(x,y,z,t)——定义为侧向边界的单宽流量,流入为正,流出为负,隔水边界为0, m2/d·m。

对于不均质岩体中的地下水流运动计算,目前多采用数值解法。本次研究采用有限元法。应用迦辽金有限元法及对时间的有限差分法,将式(1)离散化,得到线性方程:

式中:A——导水矩阵;

F——贮水矩阵;

H——含水层的水头,m;

[G]——源、汇项;

[Eh]——补给和排泄量矩阵;

Δt——单位时间变化量。

采用变带宽LU矩阵分解法求解式(2)所示的线性方程组,即可求得计算区各节点的水位分布状况。

2.2 数值模型的建立、识别与验证

数值模拟选用德国水资源规划与系统研究所(WASY)公司开发的基于有限元法的FEFLOW5.3软件进行计算。

数值模拟计算以第一次放水试验所得的水文地质参数为初始参数,并作为水文地质参数分区的依据之一,根据奥陶系石灰岩的分布规律、岩溶水的天然流场、构造条件、岩溶发育规律、各孔的水位变化规律,将计算区参数分为13个区,如图1所示,并采用三角形单元将计算区剖分为8799单元, 6156个节点。

图1 水文地质参数分区图

根据研究区域天然岩溶水系统的水文地质条件,对初始流场进行拟合,单宽流量按稳定水量分配南部边界的单宽流量,再拟合确定模型南部侧向补给边界的单宽流量。井田北部、西部及东部边界为隔水边界,单边边界流量为0,底部隔水层有越流存在。

布置在井田东部断层附近的WS3四五灰地面观测钻孔、南部煤层露头附近的WS1四五灰地面观测钻孔、西南部WS4－6四五灰地面观测钻孔和井田开拓巷道内布置的井下放水钻孔s 39、s 41、 s 49、s 52、s 19、s 30、s 42、s 36共11个钻孔在四五灰出水后22 d的水位恢复资料如表1所示。在模型的基础上调整每个参数分区的渗透系数Kxx、Kyy、Kzz等相关地质参数,计算各观测孔的水位值,绘制计算值曲线并与观测值曲线进行拟合比较,观测孔拟合曲线如图2～图4所示。由图可知,观测孔实测水位与计算水位的拟合满足收敛度,其中的9个观测孔多个拟合点中,80%以上的拟合点相对误差小于6.5%。求得模型各层参数分区的水文地质参数。其中四五灰含水层水文地质参数识别结果如表2所示。

表1 四五灰各观测孔水位最大降深变化m

图2 WS3、WS1、WS4－6号孔水位拟合曲线图

图3 s19、s42和s49号孔水位拟合曲线图

通过地下水位计算值与观测值的拟合比较,说明含水层结构、边界条件概化、水文地质参数的选取和源汇项的选取都是合理的,所建立的数学模型较为真实地刻画了研究区四五灰含水层特征,仿真性强。选出参数识别的最优模型,可以运用该模型进行研究区矿井涌水量的预测。

表2 四五灰含水层水文地质参数识别结果

图4 s30、s36和s41号孔水位拟合曲线图

3 突水以后四五灰含水层疏干水量的计算

将表2各分区参数带入到有限元数值模型中,即构成四五灰疏降水量的计算模型。四五灰含水层是11＃煤层的直接顶板,要安全回采11＃煤层,必须将四五灰疏干,四五灰的疏降模拟计算均将四五灰水位疏降至四五灰的顶板标高。

根据邱集井田开拓水平延伸顺序,按多种计算方案,假定四五灰含水层采用巷道疏干,分别计算了井田浅部、中部和深部的疏降水量。由于南部补给边界的单宽流量随着水位下降而逐渐增大,疏干计算中假设单宽流量与水力坡度成正比关系增加。

第一种计算方案。给定涌水量Q为3000 m3/h和4500 m3/h时,随疏降时间的延续,所对应的水位及疏降至给定水平所需的时间计算结果见表3～表5。

表3 邱集煤矿四五灰浅部疏降水位与时间关系

表4 邱集煤矿四五灰中部疏降水位与时间关系

表5 邱集煤矿四五灰深部疏降水位与时间关系

第二种计算方案。将四五灰疏降至顶板标高附近,计算稳定的正常涌水量及最大涌水量。将疏干巷道按定水头I类边界处理(即边界上水头不随时间改变),然后求出稳定流场并计算进入巷道的稳定流量,即正常涌水量。最大涌水量是指降雨量最大时的涌水量,降雨量的大小主要影响徐灰含水层水位,徐灰含水层通过垂向越流影响四五灰的疏干水量,汛期徐灰含水层水位提高约10 m,该方案计算结果见表6。

表6 四五灰含水层疏干涌水量计算结果m3/h

4 结论

(1)数值模拟共涉及11个四五灰观测孔,进行水文地质参数拟合有9个钻孔,水位曲线拟合符合要求,预测四五灰疏降水量准确,能有效地指导矿井生产。

(2)研究区域浅部四五灰富水性较好,渗透性也好,四五灰非均质各相异性明显,矿井东南部区域的渗透性强于东北部区域的渗透性。往深部(北部)富水性和渗透性逐渐变差。

(3)通过水文地质数值模拟计算,研究区域浅部、中部、深部四五灰含水层的疏干正常水量分别为3620 m3/h、3930 m3/h、4130 m3/h。

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(责任编辑 张毅玲)

Study on numerical simulation of water level recovery in the No.4 and No.5 limestone aquifer in Qiuji Coal Mine

Zhang Liwei
(Shandong Energy Group Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 250014,China)

Aimed at the water-bursting cause and hydrogeology variation of No.4 and No.5 limestone,important boundary conditions and the location of vertical recharge path in No.11 coal seam in Qiuji Coal Mine,according to the data of water level recovery in the No.4 and No.5 limestone aquifer,the author set up a numerical model of 3D groundwater flow using FEELOW software and calculated the unwatering quantity of the No.4 and No.5 limestone aquifer.The results showed that the water abundance and permeability of the No.4 and No.5 limestone in shallow coalfield area were preferable,and the anisotropy of heterogeneity was obvious.The permeability of southeast area was better than that of northeast area,and the normal unwatering quantities of the shallow part,middle part and deep part in the No.4 and No.5 limestone aquifer were 3620 m3/h,3930 m3/h,4130 m3/h.

the No.4 and No.5 limestone aquifer,groundwater flow,numerical simulation, water level recovery,unwatering quantity,Qiuji Coal Mine

P641

A

张礼威(1984－),男,山东菏泽人,工程师,2006年毕业于山东科技大学采矿工程专业,现在山东能源集团从事技术管理工作。