基于MODFLOW-USG的矿井水文地质仿真分析

朱志远

(中煤资源发展集团有限公司安全监察局，北京 100011)

0 引言

在煤矿开采过程中，矿井的水文地质结构严重影响着煤矿的开采和安全性。深刻理解造成矿井水文地质差异的原因，对于防止发生矿井水害是十分重要的工作[1-3]。特别是在一些大型煤矿的开采前，普遍会采用计算机仿真的方法对煤矿中的有关地质情况进行模拟，这既是防治水文地质灾害的重要组成，也是构建数字化煤矿的重要一步[4-5]。为此，在分析影响矿井水文地质的影响因素的基础上，提出了一种新的MODFLOW-USG(非结构网格)模拟方法，对传统模拟工作进行全新的更新。

1 水文地质影响因素分析

1.1 探究水文地质影响的必要性

矿区的水文地质条件之所以非常复杂，主要是由于水流通过复杂的缝隙贯穿在岩石裂缝等地质构造中。这使得在开采过程中，很可能会更改水文地质条件的平衡体系，导致地表灾害。鉴于此，很多学者将分析影响水文地质的因素作为研究内容[6-7]。

1.2 案例地质概况

以陕西地区某案例开展水文地质影响因素分析，通过调研发现，矿区水文地质条件的影响因素是十分复杂的，包括降雨、池畦等都会影响矿区的水文情况，而地质情况一般是天然形成的。在该案例中，断层将矿床分成中央地块和东部隆起地块两部分。还有较小的内部断裂，构造运动达50 m，矿床为海相粘土沉积。早期地层位于海相粘土之上，由两个砂质含水层(1～15 m厚)组成，中间由粘土导流层隔开(厚28 m)。在煤层的正上方和正下方也有粘土导流层。煤层厚度较均匀，在3.5～5.6 m之间。煤层上由3个砂质含水层组成，厚度6～20 m，由0～20 m的粘土导流槽分隔，部分地区未形成导流槽，含水层相互连通，该案例煤层的三维地质视图如图1所示。在北部，子断层沿着断层相互连接；在南部，次断块沿内部构造断裂上升。随着上升量的变化，案例中煤矿巷道目前在中部区块活跃，东部区块的开采计划正在向北部推进。

图1 案例煤层的三维地质视图

1.3 影响因素分析

地下水：该案例地下水的成因类型为第四纪冲积层孔隙潜水及基岩裂隙水。这种水文地质的特征为顶板砾岩裂隙含水层层厚100 m以上，仅局部裂隙含水。井巷一旦触及便有水涌出，但持续时间较短，对施工巷道及生产没有太大的威胁。两层煤露头被冲积层复盖砂层中有丰富的潜层水沿煤层顶底板裂隙下渗，使井下巷道尤其浅部巷道涌水量极大，现在由矿井延深而围岩裂隙减少，井上下水力联系不十分明显。各含水层分布于煤层顶底板，但随深度的增加含水程度有减弱的趋势。

充水因素及含水量：目前开拓的最低标高为44 m，生产水平为44 m，距地表垂深为180 m。一般生产水平涌水量在240 m3/a左右，近年来雨季涌水量为 230～310 m3/a，并且随矿井延深大气降水，对矿井涌水量也越来越不明显，即矿井涌水量也趋于稳定、水文地质条件也越来越简单。历年观测资料表明井田含水系数多在0.9～1.5，个别月份含水系数突然增大是由于产量大幅度下降或施测手段方法不当所至。通过收集以往水文地质资料和水文地质普查工作了解，井田内水文地质条件较简单，地面无河流、无井泉。地势为东北高、西南低的构造剥蚀丘陵，大气降水一部分沿地表流向西南流失，一小部分渗入地下。

2 计算机仿真

2.1 软件介绍

MODFLOW：提前构建的仿真模型为后续提出具体的防治方案积累了宝贵的数据，是水文地质防治中不可或缺的部分[8]。MODFLOW是一款非常流行的软件程序，在矿山水文地质领域得到了广泛的应用。然而，MODFLOW却面临着复杂地质条件的挑战。例如异质性以及矿井空洞等人工构造，导致流场相对于周围地质环境的变化。在实际的建模过程中，与层状构造、矿空洞、断层构造和裂缝相关的地质非均质性会使计算机建模变得困难，特别是对矿井脱水而言，这种异质性很难用传统的MODFLOW结构网格来表示。

MODFLOW-USG：MODFLOW的更新版本，被称为MODFLOW-USG(非结构网格)，支持多种结构和非结构网格类型[9]，可以用于模拟地下水流动和使用控制体积有限差分公式的紧密耦合过程，为复杂地质构造建模提供了灵活性。MODFLOW-USG是基于非结构化网格方法(控制体积有限差分，或集成有限差分)开发的，这种方法允许用户创建几乎任何形状的灵活网格，可以在感兴趣的区域进行细化。MODFLOW-USG还支持新的CLN包，CLN单元可以代表水井、管道、地下隧道、河流，可以是垂直、水平或倾斜的，具有足够的普遍性。

2.2 软件应用

模型网格：通过对上覆和下垫砂土含水层的水流进行勘探，可以确定东部区块的最佳脱水方案。在案例北部地区，子块之间是物理连接的，如图2所示。唯一未知的是断层带的水力性质，将它作为水力屏障。在矿井的南部，块体沿着构造断层向上移动，每个块体的垂直移动幅度不同。

图2 水文地层结构模型网格

结构和非结构化网格对比：因为模型直接假设水是通过具有相同数量的层进行传输的，在传统的方法中，可以在两边添加“虚拟”层，各层重新编号，以保证预期的水流[10]。但是这种传统方法比较繁琐，可能会导致模型设计的错误。而使用MODFLOW-USG及其非结构化网格，可以直接指定各个方向的单元之间的连接，该模型还考虑了连接单元之间的接触面积，计算出的水流符合要求，这是利用经典方法是不可能达到的结果，如图3所示。在经典方法中，模型正确地传输了水流，但因为单元之间的水位差异太大，可能面临数值上的不稳定性；在非结构化网格中，数据通常是由软件准备的，自动计算且可以正确地假设相邻单元连接。

图3 结构和非结构化网格下水流流动的情况

仿真过程及效果：在本案例矿井中，地层最大斜率位于补给区，为7.30，即平均含水层厚度为10 m时，最大单元宽度不应超过39 m，这种复杂的地理条件使得准备数据十分困难。在本案例中，已经事故70多个钻孔，在大多数地层都有过滤器，部分钻孔已经被安装在特定的地质构造中，以研究它们的水力特性，如图4所示(图4中彩色圆圈代表功能井，空圆圈代表废弃井)。为了生成煤层床的等高线地图，网格使用GIS插值工具“从顶部到栅格”包括煤层床的标高。所有层的厚度，包括煤层、粘土导流槽和砂质含水层，由钻孔测井确定，在整个地区保持一致，可以在同一时间内在整个地区相互极化。在层间化后，利用光栅计算器对煤层床层(如果层在煤层上面)进行增厚或减薄(如果层在煤层下面)。MODFLOW-USG的利用更加细化了复杂水文地质条件下的模型精度，可以在煤矿开采前利用MODFLOW-USG对矿区的水文地质情况进行建模，以便为后续的防治工作提供清晰可行的数据来源。

图4 井和煤层床等高线图

3 结语

综上，矿区的水文地质条件是十分复杂的系统工程，不同的矿区其水文地质条件也是不尽相同的。利用新开发的MODFLOW-USG建模方案可以处理许多复杂的水文地质特征，如不连续性(地质断层、矿井开口等)、陡峭和不平坦的斜坡，或夹出地层。以陕西某褐煤矿井地质为例，证明了MODFLOW-USG的可行性和有效性，相关行业人员可以在煤矿开采前利用MODFLOW-USG对矿区的水文地质情况进行建模，可以为后续的防治工作提供清晰可用的数据来源。