基于MODFLOW对陶二煤矿矿井涌水量预测研究

杨彦利，李娟

（1.河北工程大学地球科学与工程学院，河北邯郸056038；2.山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中030600）

1 研究区概况

本次研究区是邯郸西部的陶二煤矿,研究区位于邯郸市邯郸县紫山与鼓山之间[1-2]，属丘陵地带，区内地形起伏较大，西部和北部为陡峻的山体，东部和南部较为平缓，相对高差最大达348.4m。沁河是研究区唯一的地表水系。研究区内地表出露地层由老到新依次为二叠系上石盒子组、石千峰组及第四系地层，其揭露地层比较完整[3]。

2 水文地质概化模型

2.1 模拟区域的确定及边界条件

根据邯邢水文地质单元划分结果并结合研究区实际边界条件，综合确定不能将井田边界作为模拟边界[3]。根据周边地质及水文地质资料，首先将模拟计算区范围由井田边界向外适当扩展，作为模拟边界。根据实际情况，对边界条件做如下界定：北部以焦窑煤矿为界，概化为给定水头边界；南部无明显的隔水边界，概化为给定水头边界；西部以陶一井田的煤层接触带为界，概化为隔水边界；东部也无明显的隔水边界适当扩展后，概化为隔水边界。模拟总面积为69km2。

2.2 水文地质结构的确定

伏青灰岩含水层是该矿2#煤层开采的最大威胁，厚度约5m,本次将对其进行数值模拟。结合已有资料分析，该含水层上、下部均由粉砂岩和闪长岩组成，透水性差，不存在越流补排现象。

由于模拟计算区内，伏青灰岩含水层岩溶发育不均，具有统一的地下水流场。因此，将研究区地下水系统概化为非均质各向异性、三维流非稳定流系统[4-5]。

3 地下水水流数值模型的建立

3.1 数学模型

依据以上水文地质概念模型，建立相适应的地下水运动三维非稳定流数学模型如下：

式中：Ss——贮水率，L/m；

Kxx、Kyy、Kzz——含水层各向异性主方向渗透系数，m/d；

H——点（x，y，z）在t时刻的水头值，m；

t——时间，d；

Ω——计算区；

H0——点（x，y，z）处的初始水位，m；

q（x，y，z，t）——第二类边界上单位面积补给量，m/d；

H（x，y，z）——第一类边界上的水头值[6-7]。

3.2 模型建立

（1）模型区域离散化。本模型采用国际上通用的Vi⁃sual Modflow有限差分软件进行求解，结合研究区渗流结构，采用巨型剖分法将建立模型划分为1748个单元。

（2）模拟时段选择。结合生产实践及现有资料分析，本次研究模型参数识别时段选用1996年以来的突水数据[3]。

（3）参数分区。选用参数的真伪，将直接影响模拟计算精度和结果的可靠性。本次模拟针对伏青含水层，根据岩性特征、富水性、渗透系数等，以工作面作为依据，对其进行分区，共分成6个区，见图1，分别赋予初值，见表1，12418、12421、12422、12423、12424、12425工作面依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区。

4 模型的识别与验证

依据水文地质概化模型所建立的地下水数值模型，必须和实际地下水流场一致，这样才可以用其进行涌水量的预测。因此，在进行数值模拟预测前，首先要校正建立的数值模型，包括校正方程、参数以及边界条件等是否如实反映模拟区域的实际水文地质条件[8-9]。本次通过突水点位置模拟计算水头值与实际水头值进行拟合，选取不同标高拟合结果见图2～图5。校正后的水文地质参数见表2。

图1 剖分及水文地质参数分区图

表1 水文地质参数初值表

图2 12421工作面突水点水位拟合结果图

图3 12422工作面突水点水位拟合结果图

图4 12424工作面突水点水位拟合结果图

图5 12425工作面突水点水位拟合结果图

表2 优化确定的水文地质参数

5 矿井涌水量预测

建立的数值模型模拟结果与煤矿实际水位拟合较好，研究区的水文地质条件能得到有效反映。在进行涌水量预测时，预测模型与实际情况的适应度尤为重要，本次的预测模型采用上述的识别模型来进行涌水量的预测，达到了较好的温和度。

在回采工作面虚拟2个突水点，如图6所示，在上述识别模型的基础上添加突水点，进行涌水量预测，计算疏干到2#煤层底板标高时的矿井涌水量即预测的矿井涌水量。

通过数值模拟对陶二煤矿2#煤层不同采高下涌水量预测分别为：-700m标高最大涌水量为673m3/h，正常涌水量为585m3/h；-650m标高最大涌水量为616m3/h，正常涌水量为585m3/h；-600m标高最大涌水量为558m3/h，正常涌水量为485m3/h。

6 结论

图6 工作面突水点位置图

本文根据地下水渗流三维非稳定流理论，通过概化陶二煤矿水文地质条件概念模型，建立了其地下水数值模型，通过模型识别、校正，达到了实际水文地质条件的再现。在校正模型的基础上进行了用水量预测，预测结果与实际吻合较好，表明地下水数值模拟对该矿矿井涌水量进行了有效预测,为煤矿安全开采提供了依据。

[1]杨彦利,关英斌.陶二煤矿2#煤层底板破坏规律研究[D].河北工程大学,2009.

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