采动影响下滨湖煤矿奥灰地下水流场数值模拟研究

张历峰

（枣庄矿业（集团）有限责任公司滨湖煤矿，山东 枣庄 277599）

我国华北型煤田下组16 煤开采时，煤层基本底为奥灰系顶部灰岩含水岩体，其分布范围广，受岩溶作用影响明显，具有很好的富水性[1-2]。滨湖煤矿目前开采太原组16 煤，已发生奥灰突水事故7 次。奥灰水位在-165.8～ -175.5 m 之间。区内奥灰水具有埋藏深、富水性不均一等特点，在构造复杂地段极易发生突水。因此，需要结合研究区16 煤开采技术条件展开深入研究，查明奥灰地下水流场特征及演化规律，采取有效措施消除底板奥灰水对16 煤开采的威胁。

GMS 软件目前广泛应用于地下水二维、三维流场模拟研究，该软件具体有构建模型、赋值参数、图像结果分析等一系列强大功能，可实现模型快速高效求解[3-4]。基于此，本文对滨湖煤矿162 采区16 煤开采水文地质条件进行详细分析，开展井下抽、放水试验，并获取相关水文地质参数。运用GMS软件构建研究区奥灰地下水流场模型，模拟放水试验全过程，观察奥灰水位变化、径流方向及断层导水性等，旨在为煤矿后期16 煤开采奥灰水害防治提供理论依据。

1 地质概况

研究区位于鲁西松散冲积平原区，水文地质单元属相对独立的半封闭型单元。图1 为研究区位置图，西北部为F25-10 断层，东部为西马村断层，东北部与锦丘煤矿相邻，南部与新安、王晁煤矿相邻。目前滨湖煤矿正在开采该区域-465 m 水平，采掘过程中揭露大量小断层和隐伏构造。另外F38-11 断层、胡楼断层、F121-1 断层交叉穿过该区域，影响地下水的补、径、排特征。该区16 煤埋深在-507～ -600 m 之间，水压在3.48～4.29 MPa 之间，奥灰埋藏深、储量大、富水性不均一。

图1 研究区位置图

2 地下水流场模型构建

2.1 水文地质概念模型

2.1.1 模拟区内、外边界概化

模拟区位于F25-10 逆断层和西马村正断层的下盘，根据以往地质资料，奥灰主要接受东北、西南邻矿侧向弱补给，因此将研究区与锦丘煤矿、新安煤矿、王晁煤矿边界设置为定水头边界；西北部边界为F25-10 低角度逆断层，受挤压应力作用，断层封闭性较好，抽、放水试验也表明该断层两侧的含水体水力联系较弱，将其设置为零流量边界。东部边界为西马村正断层，周边煤矿开采已对该断层导水性进行验证，证明其导水性较弱，将其设置为零流量边界。位于研究区内部的胡楼断层、F38-11 断层、F121-1 断层，根据本次放水试验结果显示，其具有一定的透水能力，因此将内部断层均设置为弱透水边界。研究区各边界划分结果如图2。

2.1.2 含水层结构概化

研究区16 煤顶板十下灰和底板十四灰含水层经多次探查，认为其富水性较弱，局部富水且以静储量为主。因此十下灰和十四灰水易于疏放，对煤层开采不构成威胁，而16 煤底部发育相对封闭且独立的巨厚奥灰承压含水层，在构造破碎地段往往影响煤矿生产。根据以往探查和实际生产资料分析，奥灰含水层具有埋藏深度大、岩溶十分发育、富水性不均一等特点。因此，在深入分析研究区含（隔）水层分布、地质构造发育特征、奥灰水位变化等的基础上，将模拟区划分为6 个相对独立的单元。划分结果如图2 所示。

图2 模型参数分区图

2.1.3 源汇项概化

由于奥灰含水层埋藏深，认为大气降水和地表水对其补给极弱，不考虑奥灰水与地表水之间的水力联系。因此，研究区奥灰水主要考虑从周边煤矿补给。含水层水排泄则主要依靠井下钻孔和工作面泄水巷疏放。此外，突水点也起到排泄含水层水的作用，可将其概化为一个放水孔。

2.2 数学模型

根据上述构建的水文地质概念模型，结合地下水流动特征，构建适用于研究区的二维各向异性非稳定流数学模型[5]：

式中：q为放水孔的出水量，m3/h；i为放水孔编号；n为放水孔总数；Tx为x 轴向导水系数，m2/h；Ty为y 轴向导水系数，m2/h；H为水头高度，m；H0为初始水头高度，m；ψ1为第一类边界；ψ2为第二类边界；S为含水层的储水系数；t为放水时间，h；x、y为坐标值。

2.3 地下水流模型

在建立水文地质概念模型和数学模型后，接下来需要构建地下水流模型。首先将研究区网格进行剖分，按照X 轴和Y 轴方向将东西宽4.5 km、南北长5.6 km 的矩形区域划分为12 000 个不等间距的小单元格。将整个模拟过程划分为三个阶段，第一、二阶段作为模型的识别期，共划分为85 个应力期；第三阶段的水位恢复作为模型验证期，共划分为46 个应力期；在整个模型识别、验证的过程中，每个应力期内运行一次，共计运行131 个应力期。

使用自然邻点插值法（Natural neighbor）得到模拟区地下水位等值线，将其看作渗流场初始水位进行模拟。研究区放水试验得出的渗透系数K和储水系数S导入地下水流模型，通过反复识别、验证和参数敏感度分析等对模型进行求解，最终得到地下水流场模拟效果图。

3 模型参数确定

分别计算在±10%和±30%条件下的渗透系数K和储水系数S对模型的影响，通过不断优化求解，最终得到模型各个子区域的输入参数（K和S），列于表1 中。渗透系数K从大到小依次为：第4 个子区域＞第5 个子区域＞第2 个子区域＞第1 个子区域＞第6 个子区域＞第3 个子区域；储水系数S从大到小依次为：第3 个子区域＞第2 个子区域＞第6 个子区域＞第5 个子区域＞第1 个子区域＞第4 个子区域。

表1 参数分区结果统计表

4 模拟结果分析

4.1 初始奥灰流场特征

图3 为研究区放水前初始流场图。可以看出，研究区奥灰水位整体处于0～38 m 之间，水位相差较大，反映出奥灰水位的不均一性。放水前F38-11断层上下盘水位相差较大，断层西侧水位低，东侧水位高，因此天然状态下F38-11 断层的导水性较差。根据水位分布特征，研究区东北部可接受相邻矿井的弱补给；区内径流方向主要由东北、南部流向突水部位，然后由突水点流出，最后沿排水巷道排出矿井。

图3 初始流场图

4.2 模拟奥灰流场特征

第一阶段将所有放水孔打开。模拟范围内形成明显的双降落漏斗，漏斗中心分别为奥灰放水孔和突水点。根据测量在放水孔处水位降深约25.8 m，在突水点处水位降深约19.7 m。放水孔处形成的降落漏斗较突水点处深，这是由于人工放水量远大于突水量，容易形成更大的降落漏斗。根据图4（a）中两降落漏斗的平面形态特征，可以发现降落漏斗呈椭圆形，且长轴方向近平行于断层破碎带，说明沿断层方向渗透性较好，垂直断层方向渗透性较差。根据图4（b）中水流运动方向可知，含水层主要接受东北、南部邻矿的弱补给，受西侧胡楼断层补给影响较小，模拟放水前后研究区径流情况基本一致。

第二阶段关闭部分放水孔。此时人工放水量减小，由图4（c）可以看出，突水点处降落漏斗的降深加大、范围扩大；而放水孔处降落漏斗的降深减小、范围缩小。图4（d）可以看出，F38-11 断层处等水位线密集，导水性较好。同时，可以观察到距离突水点较近的2018-2 和2019-1 观测孔水位下降明显，距离放水孔较近的2018-1 和2020-2 观测孔水位开始回升，验证了关闭部分放水孔后，双降落漏斗的最低点由放水孔向突水点移动。

第三阶段关闭所有放水孔。由图4（e）～（f）可以看出，放水孔处降落漏斗逐渐消失，水位回升明显；突水点处降落漏斗更加明显，影响范围也不断扩大，最大降深达23.8 m。

综上所述，从模拟奥灰放水孔全部打开→部分打开→全部关闭过程中，观察研究区内降落漏斗形态和水位变化特征可以看出，对奥灰含水层水提前疏放，可以起到很好的疏水降压效果。

图4 模拟疏放水过程流场图

5 结论

本文基于GMS 软件及抽放水试验成果开展奥灰地下水流场数值模拟，分析不同放水阶段奥灰水流场的演化规律，主要得到以下结论：

（1）根据放水孔和突水点处降落漏斗形态的变化特点，断层破碎带处渗透性大于两侧地层，且沿断层方向渗透性较强，垂直断层方向渗透性较弱。

（2）地下水流场演化特征表明，研究区主要接受东北、南部邻矿的弱补给；南北向断层导水性较强，而北东向断层导水性较弱。

（3）奥灰放水孔全部打开→部分打开→全部关闭过程中，研究区水位逐步回升，尤其是放水孔处水位回升明显，说明奥灰水疏降效果较好。