卧龙湖矿太灰含水层水文地质求参

王 涛

中煤第三建设集团安徽地质测量工程有限责任公司，安徽宿州，234000

卧龙湖矿太灰含水层水文地质求参

王 涛

中煤第三建设集团安徽地质测量工程有限责任公司，安徽宿州，234000

通过对卧龙湖煤矿101和102采区进行放水试验，得到了放水第一、二阶段主要太灰观测孔降深与流量历时曲线以及水位恢复阶段观测孔降深与流量的历时曲线。根据放水试验结果与采区水文地质条件，建立水文地质概念模型并进行水文地质单元划分，采用FEFLOW模拟软件进行模型的建立、识别、对比和验证，求得了较为合理的各水文地质单元地下水动力学参数，进而揭示出了矿区内101与102采区两个太灰含水层的高水位分布区。

放水试验；太灰含水层；数值模拟；卧龙湖矿

卧龙湖煤矿深部煤层开采受到下伏太原群岩溶含水层(简称“太灰”)和奥陶系岩溶含水层(简称“奥灰”)的严重威胁。为了查明卧龙湖矿101与102采区太灰含水层的富水性、补给来源、补给方式及可能的补给地段，进而得出采区灰岩水流场分布特征，开展井下放水试验是一种有效手段。FEFLOW是由德国WASY水资源规划系统研究所研制开发的基于有限单元法的地下水模型软件包，是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一。该软件提供图形人机对话功能、具备地理信息系统数据接口、能够自动产生空间各种有限元网、具有空间参数区域化、快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点[1]。将放水试验与FEFLOW模拟同时应用于采区水文地质条件分析,是煤矿防治水研究工作中的有益尝试。

1 研究区水文地质概况

101与102采区位于卧龙湖井田西南部，采区西部及南部以10煤层露头为界，东部以F9断层为界，北部以F8断层为界。101与102采区上限为煤层露头线，煤层底板标高-310 m左右，下限煤层底板标高为-550 m，采区整体形态呈梯形，北宽南窄，南北长约5000 m，东西宽600～1400 m，面积约5 km2。两采区内地表无基岩出露，冲积层厚330～355 m，由西南至东北逐渐变厚，区内地势平坦。

四含水因与基岩直接接触，构成四含水与煤系含水层水、灰岩含水层水成为互补关系，煤系含水层与下伏灰岩含水层之间有相对隔水层存在，本身联系不密切，但采区由于F8、F9及BF34等落差大于50米断层的存在，造成灰岩与煤系地层直接接触，煤系含水层与灰岩含水层为互补关系[2]。

2 研究区放水试验

此次研究的主要对象为太原组上段灰岩水。由于其为高承压含水层，井下也不具备足够的排水能力和完备的测流、测压装备，故本次试验按照非稳定流方法，采用井下放水，井上、井下同步观测的方法。为充分暴露矿井水文地质条件，首先102-观3开始放水，其他钻孔作为观测孔。持续放水一段时间后，增加102-放5为放水孔。放水试验历时15天，第1d12:00之前开始原始水位观测，12:00时后打开101-观3开始放水，由于效果不明显，于第4d11:00打开102-放5;第10d18:00关闭两个放水孔，开始水位恢复。放水第一、二阶段主要太灰观测孔降深与流量历时曲线如图1所示，水位恢复阶段太灰观测孔降深历时曲线如图2所示。

图1 放水第一、二阶段太灰观测孔降深与流量历时曲线

图2 水位恢复阶段太灰观测孔降深历时曲线

3 水文地质概念模型与数学模型

3.1 水文地质概念模型

根据卧龙湖煤矿水文地质条件，结合太灰101-观2的观测结果，可以初步推断F9断层以西的块段为一相对独立的水文地质单元。东侧以落差0～70 m的F9断层为区外相隔，北侧以落差0～90 m的F8断层为区外相隔，南侧与西侧以井田浅部10煤层露头区为界。采区主要水害威胁水源太灰含水层包括4个薄层灰岩，各含水层间无稳定隔水层，水体联系密切，将其视为一非均质、各向异性统一含水体。该区域的北部边界定义为流量边界，边界的具体流量根据北部太灰2001-观1在放水过程中降深与流场分布规律进行分段估计。F9断层以南，101采区东翼轨道巷的太灰101-观1在整个放水试验过程中压力不变，表明F9断层阻隔太灰水流动，F9断层为隔水断层。研究区域的F8断层落差较大，在计算区域内延长不大，定义为隔水边界。在F8与F9断层之间的边界无构造分布，直接与外界相同，定义为

图3 101与102采区太灰水文地质概念模型示意图

流量边界。区内太灰水主要通过两个放水孔及102采区局部泄水点等通道进行排泄。

根据整个101与102采区放水试验结果，结合两采区水文地质条件与构造条件，将计算区域进行了水文地质参数分区：一共划分出6个水文地质参数区，并在局部复杂区域定义了缓冲区域(图3)。

3.2 数学模型

数学模型是水文地质概念模型的数学语言表达形式，它是根据地下水动力学原理，由一个泛定方程加定解条件(边界条件和初始条件)组成。根据上述水文地质概念模型，即得二维非均质、各向异性、非稳定承压地下水流的数学模型，可用下列方程式来描述，即：

H(x,y,t)=H1(x,y)∈Γ1

=-q(x,y,t) (x,y)∈Γ2,t>0

4 数值模型的建立、识别与对比验证

4.1 数值模型的建立

图4 研究区有限元计算剖分网格

通过对研究区内所有的水文资料进行整理，将研究区进行参数分区[5-6]。采用三角形单元将两个研究区进行三角剖分，将101与102研究区分为2238个单元，2360个节点(图4)。

4.2 数值模型识别与验证

根据已掌握的矿井水文地质条件，将模型所需全部数据输入模拟计算程序，通过不断调整模型参数，修正模型的各部分，完成数值模型对客观水文地质原型较为逼真的拟合。拟合过程采用人工试算与机器调试相结合的方法，即先人为给定未知量(参数或水量)进行正向计算，求得目标函数，并不断地修改未知量，重复进行正演计算，直至求得的目标函数满足误差为止，此时的未知量即是所要求的参数或水量。再给定未知量的约束条件，让机器自动寻优，不断地解正问题。求得目标函数达极小值的未知量，即得到所求的参数。然后结合矿井的水文地质条件，进行综合分析，确定较合理的一组。

根据放水试验，本次模拟时间段为第4d15：00～第10d18：00～第15d9:00两个时间段。从图5中第10d18：00的时刻水位分布模拟与实测对比图可以看出，模拟结果基本与观测结果相符合，从图中可以明显地看出两个高水位分布区与两个降落漏斗的分布区。从图6中第15d9:00的时刻水位分布模拟与实测对比图可以看出，水位恢复速度较慢，高水位分布区水位变化很小，少数观测孔水位在此时间段内恢复到初始水位。尽管部分观测孔上水位恢复模拟不太理想，但大体上水位恢复阶段的模拟还是符合放水试验反映的客观实际。

图5 第10d 18：00时刻水位分布模拟与实测等值线对比图

太灰水文观测孔水位变化曲线如图7所示，从拟合曲线上可看出，放水试验中两水位观测孔模拟水位与观测水位基本一致，变化趋势大体相符。

4.3 水文地质参数分区结果

101与102采区水文地质参数识别结果如表1所示，单元分区内的水文地质参数基本与采用s-lg(t/r2)直线图解法一致。

表1 101与102采区水文地质参数识别结果

5 结 论

根据放水试验，结合FEFLOW数值模拟，建立了卧龙湖煤矿101与102采区太灰含水层水文地质概念模型，合理确定了研究区水文地质单元，求得各水文地质单元地下水动力学参数，揭示了101与102采区两个太灰含水层高水位分布区。数值模拟结果与实测结果基本一致。

[1]张国伟,孙亚军,徐智敏,等.FEFLOW在区域地下水流场演化数值模拟中的应用[J].地下水,2010,32(1):3-6

[2]桂和荣,陈陆望.矿区地下水水文地球化学演化与识别[M].北京:地质出版社,2007:57-61

[3]任印国,柳华武,李明良.石家庄市东部平原FeFLow地下水数值模拟与研究[J].水文,2009,29(5):59-62

[4]冶雪艳,杜新强.FeFlow在红兴水库渗控方案确定中的应用[J].人民黄河,2009,31(9):116-118

[5]林坜,杨峰,崔亚莉等.FeFLow在模拟大区域地下水流中的特点[J].北京水务,2007,(1):43-46

[6]李守波,赵传燕,冯兆东.黑河下游地下水波动带地下水时空分布模拟研究：FeFLow模型应用[J].干旱区地理,2009,32(3):391-395

(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.12.030

2016-06-12

王涛(1987-)，安徽宿州人，主要研究方向：工程地质与水文地质。

P641

A

1673-2006(2016)12-0108-04