煤矿突水危险区疏干涌水及其对地下水流场的影响分析

康　宁，罗奇斌，陈　硕，李贵娟，吕广罗

(1.北京求思智云计算科技有限公司，北京 100085；2.西北大学，陕西 西安 710069；3.陕西省煤田地质局186队，陕西 西安 710075)



煤矿突水危险区疏干涌水及其对地下水流场的影响分析

康宁1，罗奇斌2，陈硕1，李贵娟3，吕广罗3

(1.北京求思智云计算科技有限公司，北京 100085；2.西北大学，陕西 西安 710069；3.陕西省煤田地质局186队，陕西 西安 710075)

以鄂尔多斯盆地西南部某井田为研究对象，在煤矿突水危险性分析的基础上，构建煤层开采冒裂带波及上覆强含水层的矿井涌突水预测的地下水三维流数值模拟模型。预测结果表明，煤层开采形成的导水裂隙带是否导通强含水层以及导水裂隙带的渗透性能强弱，对矿井涌突水量以及地下水渗流场影响的差异较大；当导水裂隙带渗透系数小于0.001 m/d，基本为原地层的正常渗透水量；当导水裂隙带的渗透系数大于0.01 m/d，反映原地层遭受较大破坏，矿坑初期涌水为突水量，后期涌水接近稳定涌水量，涌突水对强含水层地下水降深以及流场都影响很大。

煤矿；突水危险区；疏干涌水；数值模拟；地下水流场

我国是世界上煤炭资源及原煤产量最大的国家之一，也是煤矿灾害最为严重的国家。在我国煤矿重特大事故中，矿井突水事故在死亡人数上和发生次数上，仅次于瓦斯事故，但造成的经济损失一直居各类煤矿灾害之首。煤矿突水灾害时有发生，据统计，2000～2013 年，全国煤矿共发生突水灾害 1 131 起，死亡 4 533 人[1-3]；同时，矿井突水对矿区水资源与水环境也造成巨大的破坏，如陕北煤矿开采导致地下水位下降、泉水断流、地表径流减少等，产生了一系列环境问题[4-5]。虽然煤矿突水灾害发生频率和致死人数总体呈下降和减弱趋势，但涌突水预防与环境保护形势仍不容乐观，有必要加强矿井涌突水的预测及其环境影响研究。

1　矿床水文地质特征

1.1井田煤层与含隔水层特征

鄂尔多斯盆地西南部某井田的含煤地层为侏罗系中统延安组(J2y)，主要可采煤层为延安组第一段(J2y1)的4煤层。4煤层形成于长期发育的泥炭沼泽环境，煤层巨厚、结构简单，见煤钻孔的煤层统计平均厚度为9.74 m，最大厚度17.8 m，煤层底板标高37.7～165.19 m，煤层埋深934.59～1 007.00 m。

井田4煤层之上的含隔水岩组有第四系全新统砂卵石层(Qh)、更新统黄土层(Qp)、上第三系泥岩层(N)、白垩系下统华池组砂泥岩层(K1h)、洛河组砂岩层(K1L)、侏罗系中统安定组泥岩夹砂岩层(J2a)、直罗组砂泥岩层(J2z)、延安组煤系砂泥岩层(J2y)，其中的华池组砂泥岩层、洛河组砂岩层是井田4煤层之上的主要含水层。华池组(K1h)主要由浅紫红色、灰绿色砂质泥岩、泥岩及少量粉砂岩等组成，岩层厚度158～431 m，层底高程535～770 m，承压水头高程920～954 m，单位涌水量0.082 5～0.222 L/s·m，属中等富水含水层；洛河组(K1L)主要由紫红色～暗紫色中-粗粒砂岩及少量砾岩、砂砾、泥岩等组成，岩层厚度318～514 m，层底高程155～362 m，承压水头高程938～946 m，单位涌水量0.218～1.130 L/s·m，属较强富水含水层。

1.2煤层开采的突水危险性分析

井田4煤层未来井巷开拓过程中，坑道系统充水含水层及充水方式，主要取决于煤层采动所形成的导水裂隙带能否波及上覆含水层。导水裂隙带高度，与煤层顶板岩体工程地质性质、煤层采厚、采煤方法、顶板管理方法密切相关[6-8]。根据井田地质勘探计算的4煤层开采所形成的冒落带和导水裂隙带高度，冒落带高度波及直罗组的钻孔有64个，直罗组砂岩与延安组煤系砂岩含水层为矿井直接充水含水层；导水裂隙带波及洛河组的钻孔有60个，洛河组砂岩含水层为矿井间接充水含水层。直罗组与延安组含水层埋藏深、裂隙不发育、补给来源有限，对煤矿开采威胁较小；华池组与洛河组承压含水层厚度大、分布广、富水性好，对煤矿开采构成威胁，同时矿井涌突水对白垩系洛河组地下水流场也会产生重大影响。

井田4煤层开采保护层厚度等值线与突水危险性分区详见图1，保护层厚度小于0的区域(即突水危险区)呈连片状分布，面积约13 km2。保护层厚度越小，导水裂隙带穿越到洛河组含水层的可能性就越大，显然保护层厚度值小的地段，将是4煤层顶板突水最危险的地段；在突水危险区内，计算的保护层厚度最小值为-64.96 m(ZH1-1)，即计算的导水裂隙带将穿入洛河组含水层达64.96 m，可见ZH1-1孔将是最有可能成为顶板突水点的位置之一。

图1　保护层厚度等值线与突水危险性分区图

2　地下水流数值模型构建

2.1水文地质概念模型及数学描述

依据井田水文地质条件和4煤层开采方式以及突水危险区疏干涌水的影响范围等，确定模型区水平面积为90 km2(东西9 km×南北10 km)；垂直方向上，为地面以下、4煤层底部岩层以上之间的部分，总厚度760～1 030 m(图2)。

图2　研究区水文地质概念模型图

图3　模型区剖分网格及南北向剖面结构图

第四系潜水，在黄土塬区由南北两侧向河谷方向径流，在河谷区由北西往南东方向径流；第四系潜水含水层的北东部和南西部边界为天然的零流量边界(地下水分水岭)，北西方向的边界为补给边界，南东方向的边界为排泄边界。第三系泥岩层为极弱透水层，模型区四周设为隔水边界。白垩系承压水的总径流方向为由北西往南东径流；现状条件下，白垩系承压水含水层的北东部和南西部边界为零流量边界(地下水流线)，北西方向的边界为补给边界，南东方向的边界为排泄边界；在4煤层开采条件下，模型区含水层的四周边界均为变流量边界。侏罗系砂泥岩层为弱含水层，模型区四周与底板均设为隔水边界；在4煤层开采条件下，顶板突水最危险的地段(即ZH1-1孔位置)设置导水通道(冒裂带)。

第四系潜水主要接受大气降水和农灌水的入渗补给，主要消耗于潜水溢出、蒸发、开采和白垩系承压自流井的溢出，模型区内各含水层之间通过越流发生水量交换等。

描述地下水流的数学模型为：

式中：H为地下水位标高(m)；K为渗透系数(m/d)；μ为给水度；Ss为弹性释水率(1/m)；Wi为潜水含水层第i井开采强度(m3/d·m3)；Qi为承压水含水层第i井自流强度(m3/d·m3)；δi为δ函数；m1、m2为井数；x,y,z为坐标变量(m)；t为时间变量(d)；h0为初始水位标高(m)；ε为潜水面垂向交换量(入为正、出为负，m3/d·m2)；q0为定(零)流量边界的流量(m3/d·m2)；q(t)为变流量边界的流量(m3/d·m2)；n为边界外法线方向；Γ2为Ⅱ类边界；Ω为模型区范围。

2.2地下水流数值模型

模型区平面上采用100×100 m的网格剖分为南北100行、东西90列，垂向上剖分为6层，共剖分为54 000个单元。其中，第1～4层每层有8 300个活动单元，第5、6层每层有1个活动单元(突水点部位)，模型区共有33 202个活动单元(图3)。

模型区六个结构层自上而下：第1层为第四系黄土层、砂卵石，为潜水含水层；第2层为第三系泥岩层(河谷区为人为划定的厚度5～10 m的华池组砂泥岩层)，为极弱-弱的透水层；第3层为白垩系华池组砂泥岩层，为透水性较好的承压水含水层；第4层为白垩系洛河组砂岩层，为透水性好的承压水含水层(充水层)；第5层为侏罗系岩层(4煤层开采的导水裂隙带)，是连接第4、6层地下水的“越流”通道，涌突水点的该层厚度D=38 m，其越流系数α= K / D；第6层为侏罗系煤系岩层(4煤层开采的冒落带与采空区)，涌突水点的该层厚度为50 m，为接纳并排出第4层涌突水量(通过第5层垂直渗漏)的空间区域(汇水单元)。

利用白垩系洛河组含水层历时19天的大型抽水试验资料(抽水孔及观测孔详见图1)，结合各结构层单孔抽水试验的参数，进行了数值模拟模型的参数识别。洛河组承压水，各观测孔的实测水头与计算水头曲线总体升降趋势一致，拟合误差绝对值大多小于0.3 m，各观测孔的水头拟合效果良好；华池组承压水，在ZH1抽水孔与G1观测孔测管中的水头下降值为0.43～0.58 m，模拟计算的水头下降值为0.4～0.6 m，拟合效果较好。经反复模拟调试，模型识别获得的水文地质参数列入表1。

表1　模型区水文地质参数分区与参数值成果表

3　突水危险区疏干涌水数值模拟

3.1模型预测环境设置

涌突水点位置x,y：设置在ZH1-1的位置(图1、图3)，涌突水点顶板水平面积为1个剖分网格，即100×100 m2。

涌突水预测时间t：主要预测时间为1 min、3 min、5 min、10 min、20 min、30 min、1 h、3 h、5 h、10 h、1 d、10 d、100 d、1 a、3 a、5 a、10 a，总体设置为先密后疏的预测时序，最长预测时间为10 a。

第5层导水裂隙带的渗透能力：垂向平均渗透系数K设置为0.000 1、0.001、0.01、0.1、1、5、10 m/d等七种参数分别预测，渗透系数的最小值为原岩层参数值，其它六种参数值分别模拟导水裂隙带原岩层的不同破裂程度；对应七种渗透系数的越流系数α分别为2.63×10-06、2.63×10-05、2.63×10-04、2.63×10-03、2.63×10-02、1.32×10-01、2.63×10-01。

第6层(坑道与冒落带)的出水能力：为使模型能从第6层快速“排出”涌突水量，第6层设置为具有很强的排水能力(排水系数β>50 000 m3/d·m)和较低的排水口(排水口高度h=138 m)。

3.2模型预测成果分析

依据建立的数值模型与确定的模型参数和设置的预测方案，采用MODFLOW软件对4煤层开采的顶板涌突水量及其对白垩系地下水流场的影响进行了预测，预测结果详见图4～图6。

图4　涌突水量与时间、渗透系数关系曲线图

图5　洛河组水头降深与时间、渗透系数关系曲线图(ZH1-1)

(K=0.000 1 m/d)　　(K=10 m/d)

矿坑涌突水量与导水裂隙带渗透系数的关系：(1)导水裂隙带的渗透系数小于0.001 m/d，预测的涌突水量基本不随时间变化，表明坑道获得洛河组地下水稳定的渗漏补给，它基本代表了导水裂隙带原地层结构参数的正常渗透水量，1个网格单元的正常涌水量小于200 m3/d。(2)导水裂隙带的渗透系数大于0.01 m/d，预测的涌突水量随时间的增加在不断地衰减，表明坑道涌突水量主要源于洛河组地下水的弹性释放水量，初期的洛河组高水头释放水量应为坑道的突水量，后期的洛河组低水头释放水量接近坑道的稳定涌水量，1个网格单元的突水量大于2 000 m3/d(渗透系数10 m/d的突水量可达25 000 m3/d)。(3)导水裂隙带的渗透系数介于0.001～0.01 m/d，预测的涌突水量随时间变化，但变化幅度不大，1个网格单元的涌水量小于2 000 m3/d。

洛河组ZH1-1网格单元水头降深：(1)随着时间的延续，洛河组承压水头在不断地降低，且导水裂隙带渗透系数越大，水头下降幅度和下降速率也越大。(2)导水裂隙带的渗透系数小于0.001 m/d，预测10年末的洛河组的水头下降幅度小于17.40 m，这既有坑道涌水的影响，也有自流井的作用(自流井影响的洛河组水头降低为10.60 m)；导水裂隙带的渗透系数大于0.1 m/d，预测10年末的洛河组的水头下降幅度大于232.5 m，全部为坑道涌水的影响；导水裂隙带的渗透系数介于0.001～0.1 m/d，预测10年末的洛河组的水头下降主要为坑道涌水的影响，渗透系数为0.01 m/d的洛河组水头降低为47.22 m。

洛河组地下水流场：(1)坑道涌突水，未能改变洛河组地下水的径流总方向，仍然为由西北向东南方向径流。(2)涌突水初期，洛河组地下水流场基本保持初始状态，其流场形态主要受天然流场控制与自流井的影响。(3)涌突水后期，洛河组地下水流场均受坑道涌水影响明显，但流场形态差异较大。

4　结语

构建了地下水三维流数值模拟模型，利用MODFLOW软件预测煤矿突水危险区的疏干涌水。煤层开采形成的导水裂隙带是否导通强含水层以及导水裂隙带的渗透性能强弱，对矿井涌突水量以及地下水渗流场影响的差异较大。预测矿井的导水裂隙带渗透系数小于0.001 m/d，基本代表了第5层的原地层的正常渗透水量；导水裂隙带的渗透系数大于0.01 m/d，反映第5层的原地层遭受不同程度的破裂，矿坑初期涌水为突水量，后期涌水接近稳定涌水量，涌突水对洛河组地下水降深以及流场都影响很大。

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Analysis of Mine Inflow Drainage and Its Impact on the Groundwater Flow Field in the Water-inrush-dangerous Areas in Coal Mine

KANGNing1，LUO Qi-bin2，CHENShuo1，LI Gui-juan3，LV Guang-luo3

(1.Beijing Qiusizhiyun Computing Technologies Co.,Ltd, Beijing 100085；2.Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi；3.Team 186 of Shaanxi Coal Geology Bureau, Xi’an 710075, Shaanxi)

We constructed 3-D numerical simulation of groundwater flow to predict the water gushing during coal mining due to the impact on the aquifer caused by the crack zones. The simulation was built on analyzing the possible dangers of water-inrush in coal mine, by taking a specific mine at the southwest of Ordos Basin as a typical example. The results of the simulation indicate that the permeability and its connection to the aquifer of the crack zones determine the significance of the impact on the ground water flow field. The aquifer is consistent if the permeability coefficient of the crack zone is under 0.001m/d, and is affected significantly if the coefficient is above 0.01m/d. In the latter case, the mine inflow starts with a water-inrush and decades gradually to a stable flow, both of which have great impact on the drawdown and the flow field of groundwater at the aquifer.

Coal Mine；Water-inrush-dangerous Area；Mine Inflow Drainage；Numerical Simulation；Groundwater Flow Field

2016-03-14

康宁(1983-)，女，陕西府谷人，主要从事数学与应用数学研究。

P641.4+1

B

1004-1184(2016)04-0026-04