邹庄煤矿矿坑涌水量预测研究

张乃丰 任红蕾

（1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 合肥 230031 2.安徽省水利水资源重点实验室 合肥 230031 3.合肥工业大学 合肥 230009）

1 研究区概况

邹庄煤矿行政区划属于安徽省淮北市濉溪县南坪镇、双堆集镇，开采深度由-200m 至-1200m，矿区面积28.18km2，地层被揭露的总厚度974.20m。研究区地处淮北煤田东南部，可供开采及局部可供开采煤层共7 层，即10、82、72、62、51、52、32煤层，其中，10 煤层为局部可供开采煤层，82、62、51、52煤层为大部分可供开采煤层，72煤层中除被岩浆岩侵蚀的范围以外全区可供开采煤层，而32煤层全区可供开采煤层。

2 研究区水文地质条件分析

基于研究区地层岩性的含水条件，含水层自下而上可划分为二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层（段）及奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层、新生界下第三系“红层”含水层（段）、新生界松散层含水层（组）。矿坑涌水的主要补给来源为主采煤层顶板砂岩裂隙水和四含孔隙水，以静储量为主，补给量较少。矿井充水条件如下：该含水层之间的径流补给微弱，补给量较少。研究区在矿坑排水的长期作用下，各主采煤层的砂岩裂隙含水层地下水水位在持续下降。

3 矿坑涌水量预测

3.1 数值法

数值法计算矿坑涌水量的过程，第一步是水文地质概念模型的建立与概化，然后进行模型识别与验证，并得到相应的模型参数，利用所得参数预测矿坑涌水量。本文将通过Moldflow 模拟邹庄煤矿附近地下水流场的变化情况，并预测矿坑涌水量的时变过程。

3.1.2 水文地质模型的建立与概化

利用水文地质勘察报告中的108 个钻孔所揭露的水文地质条件，自上而下将地层概化为12 层。根据区域水文地质条件，研究区含水层为非均质各向异性，边界条件概化为定水头边界。计算过程中，地下水流视为三维非稳定流。

3.1.3 数学模型

依据以上水文地质概念模型，建立相对应的数学模型：

式中：K—含水层的渗透系数，m/d；Γ1—第一类边界；Γ2—第二类边界；H—含水层地下水位，m；t—时间，d；μ—弹性释水系数；W—单位体积内水流流量，m3；M—承压含水层的平均厚度，m；D—模拟区范围；h—第一含水层厚度，m；H0—初始时刻含水层的水位，m；H1—模型边界的地下水水位，m。

3.1.4 数值模型

（1）时间离散，计算期为2015 年1 月至2019年1 月。选取变步长时间离散方法，前三年计算步长为10 天，其他模拟时段计算步长为30 天。

（2）空间离散，研究区域约900km2，水平方向上分为140 列，140 行，垂直方向上共分为12 层，空间离散网格图略。

3.1.5 模型识别与参数赋值

建立模型后，利用抽水试验成果，对所建模型进行识别。模型运行成功后，通过调整模型参数，使得含水层水位的计算值与观测值的吻合程度达到计算精度的要求，结果显示，地下水水位拟合过程较好，如图1 所示。这表明所建立的模型基本正确，可用于模拟该区域地下水流的时变过程，最终得到的模型参数见表1 和表2。

图1 观测孔6-4 水位拟合过程线图

表1 渗透系数赋值表（单位：m/d）

表2 储水系数赋值表（单位：1/m）

3.1.6 涌水量预测

基于煤矿的矿床开发利用方案，通过以上数值模拟模型，矿坑涌水量时变曲线见图2。随着邹庄矿井采煤接替开采时间顺序，矿井水涌水量呈逐渐增加的趋势，根据预测结果，到2023 年，矿坑涌水量趋于稳定，约为6690m3/d。

图2 邹庄煤矿涌水量变化过程图

3.2 利用解析法预算矿井涌水量

基于矿区水文地质条件分析，研究区矿坑涌水的直接补给来源为主采煤层顶底板砂岩裂隙水，计算公式见公式（2）；其次，四含水是研究区涌水量的间接补给来源，补给矿坑涌水主要采用承压转无压双侧进水沟渠公式，即公式（3），如下：

式中：K—渗透系数，m/d；Q—井筒涌水量，m3/h；R—影响半径，m；r0—引用半径，m；R0—引用影响半径，m；S—水位降深，m；M—含水层厚度，m；B—采煤长度，m。

解析法计算矿坑涌水量的结果见表3、表4。

表3 砂岩裂隙水补给涌水量计算结果表

表4 含水补给涌水量计算结果表

本矿矿坑涌水量为上述两项涌水量的总和，计算结果为673m3/h。

3.3 预测结果对比分析

利用数值法模拟得到邹庄煤矿的涌水量为6690m3/d，即279m3/h；解析法计算得到的涌水量为673m3/h，数值法与解析法计算得到的涌水量有一定的差距。

4 结论

研究区边界形状复杂多变，解析法进行计算时，一般很难进行精确刻画，并且解析法计算过程取用的含水层厚度为研究范围内的平均值，降低了解析法的计算精度。然而太原组灰岩岩溶含水层及煤层厚度变化均较大，数值法可以比较合理地概化这一实际。另一方面，根据本研究区的实际情况，矿井直接充水含水层富水性较弱，未来开拓期间不受砾岩区影响以及太灰及奥灰水的影响，在煤层开采深度不断扩大的趋势下，涌水量也将会随之变大，不可能按照解析法参照固定值进行计算。而数值法计算涌水量的预测结果为动态值，更能够反映矿坑涌水量的实际变化过程，预测结果更为可靠