基于MODFLOW的含水层间水力联系分析研究

翟晓荣，沈书豪，张海潮，吴基文，樊 成，龚世龙

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001;2.大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622;3.安徽省淮北矿业集团公司桃园煤矿，安徽宿州 234116)

矿井水害一直是威胁我国煤矿安全生产的主要灾害之一［1～2］。华北型石炭—二叠系煤田在下组煤开采过程中普遍受到其底部的太灰及奥灰岩溶含水层高承压水的威胁，一旦发生突水事故，将会造成极大的损失［3］。对于水文地质条件复杂的矿井，在其生产过程中，常需要探查各含水层间相互水力联系及灰岩含水层的可疏放性，井下放水试验是最常用、有效的方法之一［4～5］。通过放水试验，可以获得含水层水文地质参数，揭示含水层间水力联系，能够为矿井防治水工作提供指导。

桃园煤矿位于安徽省宿州市墉桥区北杨寨乡、桃园镇、祁县镇境内，矿井北距宿州市约11 km，南距蚌埠市约75 km。其北界为F1断层，南部以第10勘探线为界与祁南煤矿毗邻，西界为10煤层露头线，东界至32煤层-800 m底板等高线的水平投影线。矿井走向长约15 km，倾向宽1.5～3.5 km，面积29.45 km2。

1 Ⅱ2采区水文地质问题

桃园煤矿Ⅱ2采区位于井田中部-520 m水平以下，上部多个工作面在采掘过程中曾多次发生涌、突水(如1022工作面最大突水量达410 m3/h)，1041工作面轨道巷揭露1#陷落柱，该区域井下有多个太灰放水孔，水量均在50 m3/h以上。地面瞬变电磁法探查表明，Ⅱ2采区下部存在多个富水异常区。该区水压大(大于3.8 MPa)，煤层倾角大，存在褶曲构造，三维地震勘探揭露断层较多，构造较复杂。根据近期施工的井下水文地质钻孔及巷道揭露情况，该采区显示出异常的水文地质现象，水文地质条件复杂，但由于该采区水文地质勘查程度低，水文地质条件不清，下组煤10煤开采过程中将受到底板太原组灰岩含水层的高承压和强富水威胁，同时可能受到奥灰强含水层的补给。为此，在井下开展放水试验，探查太灰与奥灰间的水力联系，为采区防治水方法的选择提供科学依据。

2 放水试验简介

2.1 工程布置

根据现场条件，放水试验在Ⅱ4轨道大巷进行，为了充分揭露目标含水层的水文地质条件，要求放水形成水位降深要足够大，因此，施工三个放水孔分别为FS1、FS2、FS3，放水孔布置相对集中，以构成放水“大井”，井下布置3个水位观测孔分别为 G1、G2、G3，平面位置图见图1。

2.2 放水过程

图1 放水试验平面布置图Fig.1 Project layout of the pumping test

本次放水试验采用定流量非稳定流方式进行，由小到大二次定流量放水，于2014年7月18日—2014年8月2日进行了井下放水试验工作。总历时360余小时，共取得各类试验观测数据约45 000个，累计放水量约36 000 m3。分二个阶段进行:第一阶段:FS1、FS2孔于2014年7月18日16∶00开始正式放水，放水历时71.5h，总放水量约15 730 m3，两孔总涌水量平均为220 m3/h;第二阶段:于2014年7月21日15∶30，打开FS3孔，三孔总放水量平均为280 m3/h，历时89.5 h，总放水量约25 060 m3。

2.3 放水试验结果

根据放水试验前初始水位及放水试验过程中井下观测孔水位资料，对Ⅱ4轨道大巷内太灰水位及降深变化进行了分析，结果见图2。

图2 太灰含水层水位变化与降深曲线示意图Fig.2 Drawdown and water level of the Taiyuan Group limestone aquifer

从图2中可以看出，在放水试验开始前，放水孔位置处出现明显的高水位异常现象，这与初始探查阶段水压异常吻合。井下观测孔降深最大为G2孔，总降深值为41.84 m，G3孔次之为25.51 m，最小为G1孔，下降值为2.04 m。此外，地面奥灰长观孔水位也出现了同步下降，降幅1 m左右。井下各观测孔离放水孔越远，水位降深越小。但是放水试验后，在放水孔位置仍为高水位区，水位形态呈开口向下的“喇叭”状，并未形成一般放水试验结束后的水位降落漏斗，说明可能存在奥灰水的补给，这反映了本次放水试验的特殊性。

此外，从图2中可以看出，放水区段所处位置的岩层地质条件为一宽缓的褶曲，通常情况下在向、背斜轴部岩体应力集中，其附近岩体中裂隙也较正常位置更为发育，且放水过程中所揭露的高水位异常区也在此位置附近，同时在勘探及井下揭露中并未发现该处有大的断层发育。因此，基于上述分析，推测该处高水位异常区很可能是沿该褶曲轴部发育的一条破碎带造成，从而使奥灰与太灰含水层在垂向上产生直接水力联系。

3 含水层系统概化

3.1 模拟区域

为了全面了解Ⅱ2采区的水文地质条件和放水过程中地下水流场的变化过程，本次模拟区域南北方向以采区边界为界，西部以10煤隐伏露头为界，东部边界为10煤层底板-950 m等值线。模拟区东西宽1 400 m，南北长2 800 m。

3.2 含水层系统结构概化

本次放水试验的目的主要是探查太原组上部1-4灰与下部奥灰强含水层之间的水力联系，因此，模型垂向上概化为三段。太原组上段灰岩含水层，主要包括4层薄层灰岩，厚度约30 m，其中第一、二层石灰岩厚度小，第三、四层石灰岩厚度较大，岩溶裂隙发育，含水丰富，各灰岩层间无稳定隔水层，水力联系密切，将其视为一统一含水体;4灰以下各层灰岩富水性较弱，为弱透水层;下部奥灰为强含水层。含水层在不同的区域其渗透系数K值不同，属于非均质含水层，但在同一区，其各个方向上的渗透系数差别不大，可视为各向同性含水层。

3.3 补排项概化

排泄项为矿井疏放水和含水层侧向径流排泄等。由于本次模拟将4灰下至奥灰之间的岩层概化为弱透水层，可不考虑中段弱透水层的补给，仅考虑1-4灰含水层本身及下部奥灰水。因此，所有补给项来源于太灰上部1-4灰层间侧向补给及下部奥灰水的垂向补给。

3.4 边界条件概化

根据研究区1-4灰岩含水层结构特点，上部与煤系砂岩裂隙含水层距离较大，与其不发生垂向上的水力联系，下部不考虑与中段弱透水层发生水力联系。根据本次放水试验的特点，放水孔附近出现水压高异常，在7 MPa左右，且在放水过程中，奥灰水位与太灰水位发生了同步性下降，最大降幅1 m左右，由此推断，放水段可能在下方受到了奥灰的垂向直接补给，因此下段奥灰含水层可视为定水头补给边界，其余边界可作为流量边界。

4 模型建立及结果分析

4.1 模型的建立及参数分区

根据采区地质特征，模拟区属于单斜构造，地层倾角约20°，地质剖面图见图3。本次模型垂向上概化为三段，上段1-4灰厚30 m，中段弱透水层厚80 m，下段奥灰厚10 m，模型厚度共计120 m，模拟区南北长2 800 m，东西宽1 400 m，对研究区域进行三维剖分。本次用软件进行自动剖分为280行，140列，共39 200个计算单元。

图3 研究区沿倾向地质剖面图Fig.3 Geological profile in the dip direetion in the study area

通过对研究区内放水试验水文地质资料进行整理，根据太灰含水层的分布规律(埋深、厚度、组合特征)、岩溶水的天然流场、构造条件以及岩溶发育规律，并参考放水试验资料的解析法求参结果，经过多次的参数调试，最终确定了研究区的参数分区，分区图见图4，结果见表1。

图4 模型沿走向参数分区图Fig.4 Partition of parameters in the strike direction

表1 模型水文地质参数优选成果表Table 1 Optimization results of hydrogeological parameters

4.2 模拟时间的确定

模拟时间取放水持续时间，分为两个阶段:第一阶段2014年7月18日16:00-21日15:30，持续时间3 d:第二阶段2014年7月21日15:30时-25日9:00，持续时间3.5d。对应二个放水阶段模型分为2个地下水应力期，每应力期时间步长设为10，递增因子设为 1.2［6］。

4.3 模型的识别验证

为使建立的数值模型能准确地刻画客观水文地质原型，需对模型进行调试和识别［7］。通过对水文长观孔地下水位曲线的拟合，识别含水层给水度及弹性释水系数的空间分布。水位观测孔拟合结果如图5所示。

图5 观测孔水位拟合图Fig.5 Fitting of guoundwater levels in the observation holes

通过对比分析模拟结果与观测成果发现，模拟的水位变化过程与实测的水位变化趋势基本一致，拟合精度较高，仅个别时间点的水位值拟合产生一定误差，但水位变化趋势是一定的，表明观测孔水位拟合良好，对整体地下水流场影响不大。

4.4 模拟结果分析

通过数值模拟确定了奥灰与太灰含水层之间存在垂向上的补给通道，当计算水位与实际拟合程度最高时，最终确定该补给带宽度为50～60 m，长度约为300 m，且垂向渗透性明显大于其侧向渗透性，具有明显的各向异性。

基于软件Zone budget得出本次放水试验过程中奥灰通过补给通道对太灰的总补给量约为300 m3/h，略大于放水量，说明本次放水补给源主要来自该条带。该补给量略大于本次放水试验的放水量，说明由于放水段高水位的存在，下伏奥灰水在水力梯度的作用下，不仅对太灰含水层进行垂向补给，同时还对太灰含水层进行层间侧向补给。因此，若发生底板突水，采区煤层开采将受到奥灰水的严重威胁。

5 结论

(1)通过数值模拟得出，桃园矿Ⅱ2采区太灰含水层与下伏奥灰强含水层间存在一宽度50～60 m，长度约300 m的垂向补给通道，且该通道垂向渗透性大于侧向渗透性，具有明显各向异性。

(2)通过Zone budget得出，放水试验期间奥灰补给量约300 m3/h，放水量基本来自奥灰含水层，太灰本层补给有限，采区下组煤开采受到奥灰含水层的威胁。

(3)基于放水试验结果，目前在该采区采用了地面垂直钻探，到达太灰层位后改用水平钻进技术，对异常区太灰含水层沿层面进行注浆加固改造的防治水措施，为下一步该采区10煤的开采提供安全保障。

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