涌水量预测的解析法与数值法对比研究

陈秀艳+刘启蒙+李鹏飞

摘 要：矿井涌水量是矿井排水系统设计和防治水重要依据。以朝克乌拉煤矿为例，采用解析法和数值法对研究区K1b2含水层涌水量进行预测，并进行对比分析。对比结果表明，数值法更能体现开采过程中涌水量的动态变化过程，较解析法更能反映实际情况。

关键词：涌水量预测；解析法；数值法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.091

0 引言

矿井涌水量预测是煤矿水文地质工作的重要内容，其贯穿了矿床勘探、矿井建设和生产全过程。目前矿井涌水量预测方法较多，由于各种计算方法适用范围存在差异，因此计算时应充分考虑矿区的地质及水文地质条件。本文以朝克乌拉煤矿为例，在充分考虑矿井水文地质条件的基础上，分别采用解析法和数值法对朝克乌拉煤矿各工作面K1b2含水层涌水量进行预测，并对预测结果对比分析。

1 研究区水文地质概况

根据区域水文地质资料，矿区从下至上概化为4个含水岩组，即2煤上部（K1b2）含水岩组、白垩系下统上部砂砾岩（K1b3）含水组、第三系孔隙承压含水岩组和第四系孔隙潜水含水岩组。矿井主要的充水含水层为K1b2含水层，也是本次涌水量预测研究的目的含水层。据含水层混合抽水试验资料显示，其单位涌水量为0.0161～0.0119 L/s·m，渗透系数为0.0597～0.0814 m/d，属弱富水含水层。

2 解析法预测矿井涌水量

2.1 涌水量预测公式

根据开采设计和实际水文地质特征分析可知，水压会降到隔水层顶板以下，水力性质会转为承压—潜水水流，故拟选择承压—潜水完整井水平坑道计算公式计算各工作面的涌水量。其公式如下

（1）

（2）

式中Q——工作面矿井涌水量（m3/d）；

B——水平坑道长度，此处指各工作面长度（m）；

S——水位降深（m）；

M——承压含水层厚度（m）；

R——水平坑道的影响深度（m）；

H——承压水从最低开拓水平算起的水头高度（m）；

K——含水层渗透系数（m/d）。

2.2 参数选取

（1）渗透系数参数。根据研究区在K1b2含水层的钻孔抽水试验资料，结合研究区实际情况，且考虑到利用解析法预测矿井涌水量的局限性和适用条件，取K=0.05 m/d。

（2）水位降深。水位降深S采用各工作面静止水位与K1b2含水层底板高程的差值，各开采工作面降深数据见表1。

2.3 涌水量预测结果

利用公式（1）、（2）计算K1b2含水层涌水量结果见表2。

从表2可知：K1b2含水层对首采区各工作面的涌水量为40.960～74.223 m3/h，平均60.993 m3/h。

3 数值法预测矿井涌水量

3.1 水文地质概念模型

白垩系下统上部砂砾岩（K1b3）含水组和2煤顶板之间有较稳定的隔水岩组，2煤顶板第一隔水岩组和2煤顶板第二隔水岩组。降水入渗补给是第四系孔隙潜水含水岩组的补给水源。建立数值模型时，结合不同含水岩组的空间分布情况，并综合考虑岩性及裂隙发育程度，将研究区垂向概化为8层。

3.2 初始条件和模拟期

考虑到抽水试验前地下水流场相对稳定，视为统一的地下水径流系统，7个含水层有统一的地下水初始流场，本研究采用已有抽水孔抽水前的静止水位，结合地表高程数据通过插值方式获得各层的初始水位。

3.3 模型识别

经过试错法调参，最终得到了较为理想的模型识别验证结果，拟合结果见图2。

由图2可知，由于模拟区域范围广，边界条件类型不确定并且区域水文地质参数不均一，调参难度大，致使个别观测孔的水位值拟合产生一定误差，水位变化曲线较为一致，多数拟合点相对误差较小，表明抽水孔水位拟合良好，对整体地下水流畅影响不大，所建立的数

值模拟模型基本正确。

3.4 涌水量预测

在工作面连续开采含水层持续疏干情况下，按照工作面接替顺序计算每个工作面涌水量，无上覆K1b3含水层补给、边界和断层均隔水，此情况下涌水量对煤矿供水来说是最不利的情况。涌水量预测结果见表3。

由表3可知：采用数值模拟方法，在不考虑侧向补给和断层导水条件情况下，K1b2含水层矿井涌水量为44.771～155.623 m3/h，平均涌水量为86.452 m3/h。

3.5 矿井涌水量预测结果分析

从表3、表4可以看出，解析法预测涌水量结果较稳定，波动性较小，这是因为解析法预计的结果是地下水经过一定时间的非稳定运动后会出现稳定状态时的水量，与实际情况存在差距；数值法预测矿井涌水量结果波动性较大，其反映了地下水在非稳定运动过程中的水量，较解析法预测结果更符合实际情况。基于以上原因，故建议采用数值法预测矿井涌水量的结果。

4 结论

（1）解析法在预测矿井涌水量时存在诸多局限性，实际条件难以满足，难以进行简化处理，预测结果难以满足精度要求，无法预测工作面连续开采、地下水位持续下降及复杂边界非稳定情况下的涌水量。（2）数值模拟较解析法而言，其处理实际问题时的严格理想化要求，使其更符合实际条件，其结果可信度高。在本实例中，通过两种方法的对比可知，数值法预测矿井涌水量结果波动性较大，其反映了地下水在非稳定运动过程中的水量，较解析法预测结果更符合实际情况。

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作者简介：陈秀艳（1990-），女，山东菏泽人，在读硕士，研究方向：水文地质。