楊輝鴻　王世文　龐豫虎　史凍生

【摘 要】本文利用峰峰五礦東翼采區(qū)的放水試驗(yàn)資料進(jìn)行了礦區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬和礦井涌水量預(yù)測(cè)。首先，根據(jù)水文地質(zhì)條件，建立了礦區(qū)地下水滲流的數(shù)學(xué)模型。然后，運(yùn)用放水試驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，模型檢驗(yàn)中各觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)水位與模擬水位擬合較好。最后，利用所建模型進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，對(duì)大青灰?guī)r含水層采取疏水降壓措施來(lái)安全開(kāi)采-100m水平以下山青煤是可行的。

【關(guān)鍵詞】峰峰煤田；底板突水；數(shù)值模擬；礦坑涌水量；突水系數(shù)

峰峰煤田位于河北省南部，煤田以東為華北平原，以西為太行山地，煤田中部的鼓山將整個(gè)煤田分為東西兩部分。研究區(qū)峰峰煤田五礦位于鼓山東麓的中部，地貌形態(tài)屬于丘陵區(qū)。

井田內(nèi)沒(méi)有自然河流和較大的地表水體。據(jù)峰峰氣象站資料，多年平均降水量為566mm，降水主要集中在7～9月。

1.井田水文地質(zhì)特征

根據(jù)井田地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)特征，將井田劃分為三個(gè)水文地質(zhì)分區(qū)，分別為東翼區(qū)、西北區(qū)和中央?yún)^(qū)[1]。本文研究區(qū)為東翼區(qū)。

目前，對(duì)礦山開(kāi)采有威脅的含水層主要是大青灰?guī)r含水層（石炭系薄層灰?guī)r）和奧陶系灰?guī)r含水層[2]。

2.放水試驗(yàn)數(shù)值模擬

2.1 東翼區(qū)大青灰?guī)r放水試驗(yàn)簡(jiǎn)介

放水時(shí)間為1996.4.15-1996.4.23，放水層位為大青灰?guī)r含水層，放水量為1.2-1.6m3/min。放水孔兩個(gè)：FD34孔、FD22孔。大青灰?guī)r觀測(cè)孔6個(gè)：FD16、FD21、FD23、FD20、FD32、FD33孔。奧灰觀2.2東翼區(qū)水文地質(zhì)條件概化

2.2.1 邊界

東翼區(qū)位于五礦井田的東部，東至F12斷層，西至F11斷層，這兩條斷層在井田南北邊界相交，使該區(qū)在平面上為一棗核狀，面積1.2km2。

2.2.2 含水層

東翼區(qū)大青灰?guī)r單孔出水量一般為0.1-0.3m3/min，最大為2.8m3/min（FD34）。東翼區(qū)斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，受構(gòu)造影響，下伏隔水層的隔水性能變?nèi)?，而下部又有高壓奧灰承壓水的頂托，因此具有形成奧灰水向上越流補(bǔ)給大青水的條件。大青含水層的補(bǔ)給來(lái)源為奧灰水。放水試驗(yàn)后，在FO8孔投放熒光黃3kg，F(xiàn)D34、FD16孔先后收到，也證明了這一點(diǎn)。因此，東翼區(qū)大青灰?guī)r含水層可概化為非均質(zhì)二維承壓水越流系統(tǒng)模型。

2.3 數(shù)學(xué)模型

大青灰?guī)r含水層水文地質(zhì)模型可用下列數(shù)學(xué)模型描述：

根據(jù)水量均衡原理和達(dá)西定律可建立三角網(wǎng)格剖分的差分方程[3～6]。方程如下：

系數(shù)矩陣A是一個(gè)具有對(duì)角線優(yōu)勢(shì)的高度稀疏的對(duì)稱正定矩陣[7～8]，對(duì)于大型稀疏矩陣?yán)玫ㄇ蠼馐呛线m的[9]。本文采用逐次超松弛迭代方法（SOR）求解。

2.4 模型識(shí)別與調(diào)試

東翼區(qū)剖分結(jié)果：三角形單元數(shù)142個(gè)（編號(hào)2，3，……，143），結(jié)點(diǎn)數(shù)87個(gè)（編號(hào)2，3，……，88），其中邊界結(jié)點(diǎn)數(shù)30個(gè)（為二類邊界結(jié)點(diǎn)）（見(jiàn)圖1）。抽水井結(jié)點(diǎn)2個(gè)，選擇擬合的大青灰?guī)r含水層觀測(cè)孔4個(gè)。

用東翼區(qū)大青灰?guī)r放水試驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別，模擬時(shí)間為11500分鐘（1996.4.15—1996.4.23），共43個(gè)時(shí)段（n t=43）。時(shí)間步長(zhǎng)Dt=10-500分鐘，為變步長(zhǎng)，放水初期水位降深快，使用小步長(zhǎng)Dt=10分鐘，以后逐漸增大步長(zhǎng)，水位相對(duì)穩(wěn)定后使用大步長(zhǎng)Dt=500分鐘。初始水位為放水前的實(shí)測(cè)水位（見(jiàn)表1）。參數(shù)初值的確定，根據(jù)放水試驗(yàn)資料和水位恢復(fù)資料用地下水動(dòng)力學(xué)求參公式計(jì)算給出，分別利用水位降深曲線和水位恢復(fù)曲線計(jì)算給出參數(shù)初值。

通過(guò)不斷地調(diào)整參數(shù)使模擬的水位動(dòng)態(tài)曲線與實(shí)測(cè)的水位動(dòng)態(tài)曲線達(dá)到了較好的擬合，模擬11500分鐘時(shí)的水位見(jiàn)圖2，這里選擇了4個(gè)觀測(cè)孔的擬合曲線見(jiàn)圖3。

經(jīng)過(guò)模型的識(shí)別，東翼區(qū)大青灰?guī)r含水層參數(shù)分為3個(gè)區(qū)（見(jiàn)圖4），各區(qū)參數(shù)的大小見(jiàn)表1。

本次數(shù)值模擬，水位經(jīng)歷了大幅度的下降與上升過(guò)程這對(duì)模型的識(shí)別是非常重要的，利用這種大的變化可以更好地檢驗(yàn)所建模型。用來(lái)驗(yàn)證模型的觀測(cè)孔的覆蓋面相對(duì)較大，既有南部的也有北部的，并且各觀測(cè)孔計(jì)算與實(shí)測(cè)的水位變化過(guò)程擬合較好。所以說(shuō)所建模型是正確的，數(shù)值方法是可行的，達(dá)到了數(shù)值仿真的效果，可以利用所建模型進(jìn)行有關(guān)水文地質(zhì)方面的預(yù)測(cè)。

3.開(kāi)采-100m水平以下山青煤疏降水量預(yù)測(cè)

由于大青灰?guī)r含水層水位高，水頭壓力大，要保證-100m水平以下山青煤的安全開(kāi)采，就必須對(duì)下伏大青灰?guī)r含水層實(shí)施疏水降壓。預(yù)測(cè)范圍：為-100～-170m山青煤層等高線所圈定的范圍（見(jiàn)圖4中粗線框圈定的范圍）。隔水層厚度的確定：由東翼區(qū)鉆孔資料，山青煤底板至大青灰?guī)r頂面間距34-50m，平均厚度為40m.。

安全水頭的計(jì)算，根據(jù)突水系數(shù)公式[10～12]：

預(yù)測(cè)時(shí)首先由突水系數(shù)公式，計(jì)算理論安全水頭壓力=2.4Mpa，然后換算出不同開(kāi)采水平的安全水位。本文取c=0.06進(jìn)行回采工作面安全水壓的計(jì)算。通過(guò)計(jì)算-120m水平安全水位為80m，即要保證-120m水平山青煤的安全回采，大青水位不能超過(guò)80m，否則將導(dǎo)致突水事故的發(fā)生，-150m水平安全水位為50m，-170m水平安全水位為30m。

下面分三個(gè)水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，①-120m水平、②-150m水平、③-170m水平。從東翼區(qū)大青灰?guī)r含水層單孔涌水量來(lái)看，一般為0.1-0.3m3/min，最大達(dá)2.8m3/min，所以預(yù)測(cè)時(shí)各結(jié)點(diǎn)水量一般設(shè)置為0.5-1.5m3/min，疏水降壓孔的位置布置在FD34孔附近。不同水平疏降水量預(yù)測(cè)為2-5m3/min（見(jiàn)表2）。

4.結(jié)論

從放水試驗(yàn)到數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，東翼區(qū)大青灰?guī)r含水層具有水壓大、水量小、易于疏降的特點(diǎn)，只要措施得當(dāng)，充分做好預(yù)防奧灰水突入的工作，通過(guò)對(duì)大青灰?guī)r含水層采取疏水降壓措施來(lái)安全開(kāi)采-100m水平以下山青煤是可行的。

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國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40672163）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（D2004000480）