高瑞忠，姬騰達(dá)，于 嬋，楊宇晗，肖彬虎，張春雨

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水文總局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.中煤陜西榆林能源化工有限公司 大海則煤礦，陜西 榆林 719000）

礦井涌水量預(yù)測與煤礦開采方案和排水能力設(shè)計(jì)密切相關(guān)，是礦井在整個(gè)生產(chǎn)壽命周期內(nèi)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對煤礦安全生產(chǎn)的意義重大，也是礦床水文地質(zhì)的重要研究內(nèi)容，因此，礦井涌水量的準(zhǔn)確預(yù)測尤為重要[1-5]，而礦區(qū)地質(zhì)地層是復(fù)雜的非線性開放系統(tǒng)，不同地區(qū)的水文地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，并且影響礦井涌水量的因素較多，然而這些因素又隨著外界環(huán)境的改變而動(dòng)態(tài)變化，使得礦井涌水量的科學(xué)準(zhǔn)確預(yù)測是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工作[6-8]。許多學(xué)者開展了關(guān)于礦井涌水量預(yù)測的研究，形成了多種多樣關(guān)于礦井涌水量預(yù)測與計(jì)算的理論和方法，例如利用數(shù)值模擬[9-14]、時(shí)間序列[15-25]、水文地質(zhì)比擬[24]和解析法[27-33]等技術(shù)方法進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測，而預(yù)測結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和對工程實(shí)踐的指導(dǎo)意義卻一直不理想，不可否認(rèn)還普遍存在預(yù)測誤差較大、精度較低的問題，主要是礦井礦區(qū)地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不足、計(jì)算方法難以概化描述實(shí)際開采條件下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律等原因?qū)е隆?/p>

為此，以大海則煤礦作為典型研究對象，分析影響礦井涌水量的主要因素，認(rèn)識(shí)確定開采地層的充水因素，融合利用鉆探-物探數(shù)據(jù)來精細(xì)刻畫礦區(qū)地質(zhì)地層及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建礦區(qū)井田三維地質(zhì)實(shí)體模型，采用數(shù)值模擬法、大井法和集水廊道法預(yù)測計(jì)算礦井涌水量，綜合對比多種方法和成果，旨在探討基于多元數(shù)據(jù)提高礦井涌水量預(yù)測計(jì)算精度的應(yīng)用方案，完善礦井涌水量預(yù)測技術(shù)和理論，為煤礦有效規(guī)避的水災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)事故和安全開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大海則礦井位于陜西省榆林市榆陽區(qū)西部，行政隸屬榆陽區(qū)補(bǔ)浪河鄉(xiāng)，礦井坐標(biāo)：東經(jīng)109°00′54″～109°16′57″，北緯38°22′01″～38°30′01″，位于榆橫礦區(qū)（北區(qū)）的西北部；井田規(guī)劃面積為276.3 km2，是中煤集團(tuán)重點(diǎn)建設(shè)的陜蒙億噸級(jí)煤炭基地的主力礦井之一。煤礦井田面積265.63 km2，海拔高度為1 206～1 311 m，當(dāng)?shù)啬昃邓繛?36.7 mm，蒸發(fā)量為1 907.2 mm?？紤]數(shù)值模擬計(jì)算礦井涌水量，因此模擬概化面積427 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

礦區(qū)的降水、蒸發(fā)、氣溫、輻射和相對濕度等氣候數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn），DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）。地下水水位數(shù)據(jù)來源于2019—2020年豐、平、枯不同時(shí)段區(qū)域地下水的實(shí)際監(jiān)測。礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)資料、鉆孔數(shù)據(jù)和抽水試驗(yàn)成果來源于項(xiàng)目合作單位中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦。物探數(shù)據(jù)采用天然電場物探儀（KT-400SZ）測得，共50個(gè)斷面點(diǎn)。

礦井涌水量計(jì)算采用數(shù)值模擬法、大井法和集水廊道法。

數(shù)值模擬預(yù)測礦井涌水量采用GMS地下水模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。GMS（Groundwater Modeling System）地下水模擬系統(tǒng)由Brigham Yong University的環(huán)境模型實(shí)驗(yàn)室和美國軍工水道實(shí)驗(yàn)站聯(lián)合開發(fā)，其具有非常強(qiáng)大功能的圖形界面、綜合化的地下水模型構(gòu)建和數(shù)值模擬等功能，可以在3D環(huán)境下開發(fā)、表征以及對地下水水流運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行可視化模擬，為國內(nèi)外眾多學(xué)者廣泛使用[9-10，12-14]。

“大井法”涌水量計(jì)算選用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井流公式[29-31]：

“集水廊道法”計(jì)算涌水量公式[34-36]：

式中：B為集水廊道長度，m，即工作面年推進(jìn)長度；其他符號(hào)同前。

文中的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析采用Excel@2010軟件完成，空間分布圖通過ArcGIS@10.3軟件制作。

2 礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)辨析

2.1 礦區(qū)物探試驗(yàn)與解釋

綜合大海則煤礦238個(gè)鉆孔勘探數(shù)據(jù)，布設(shè)物探斷面50個(gè)，每個(gè)物探點(diǎn)布設(shè)2條測線，每條測線上長30 m，每個(gè)物探點(diǎn)上布置試驗(yàn)點(diǎn)15個(gè)，總共測距離2 940 m，共計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)1 470個(gè)。

根據(jù)已有的鉆孔柱狀數(shù)據(jù)，物探試驗(yàn)選取了25個(gè)鉆孔作為探測對象，進(jìn)而驗(yàn)證物探試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。以ZL-8號(hào)地質(zhì)鉆孔測得物探數(shù)據(jù)解釋地層剖面圖為例表明物探解釋及校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，在40～240 m處地層剖面圖顯示出較高的電位值，表明該點(diǎn)在此深度范圍內(nèi)是高阻體，含水量較??；在0～40 m和240 m以下區(qū)域，顯示出較低的電位值，說明這2層的電阻值較小，可判斷為含水層。結(jié)合實(shí)際鉆孔柱狀圖判斷在0～90 m是第四系風(fēng)積沙層，擁有較強(qiáng)的儲(chǔ)水能力，在地層剖面圖中呈現(xiàn)出低電位值、低電阻率值；90～232 m為泥巖和砂質(zhì)泥巖，泥巖隔水性較強(qiáng)，顯示有較高的電位值和電阻率值，為隔水層的大致厚度和位置；232 m以下為廣泛的細(xì)粒砂巖、粉砂巖，判斷為含水層，物探數(shù)據(jù)顯示為低阻區(qū)。因此，該鉆孔位置物探試驗(yàn)數(shù)據(jù)解釋的地層剖面圖可以較好的反映礦區(qū)實(shí)際的地層結(jié)構(gòu)。

2.2 基于鉆探-物探數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)實(shí)體模型

綜合野外物探試驗(yàn)數(shù)據(jù)和礦區(qū)鉆孔資料，結(jié)合礦井水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告[37]及大海則礦區(qū)綜合水文地質(zhì)圖，分析礦區(qū)地層巖性，將地層概化為9層，從上到下依次為第四系含水層、第四系-白堊系隔水層、白堊系含水層、白堊系-安定組隔水層、安定組含水層、安定組-直羅組隔水層、直羅組含水層、2煤層隔水層、2-3煤含水層，構(gòu)建礦區(qū)井田三維地質(zhì)實(shí)體模型。

3 礦井涌水量預(yù)測數(shù)值模擬

3.1 概念模型和數(shù)學(xué)模型

1）概念模型。煤礦所在的區(qū)域含水層參數(shù)隨巖性的不同而異，且不同方向上存在差異，故將含水介質(zhì)概化為非均質(zhì)各向異性；地下水系統(tǒng)輸入、輸出要素隨時(shí)間變化，概化地下水流為非穩(wěn)定流；區(qū)域水力坡度小，含水層分布廣、厚度大，地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律。因此，含水層系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定流。考慮地下水流場及煤礦井田范圍，確定數(shù)值模擬計(jì)算范圍，地下水自東北向西南運(yùn)動(dòng)，將東北側(cè)作入補(bǔ)給邊界，西南側(cè)為排泄邊界，其余兩側(cè)概化為0流量邊界。

2）數(shù)學(xué)模型。依據(jù)滲流的連續(xù)性原理和達(dá)西定律，結(jié)合概念模型得研究區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型：

式中：H為地下水水頭，m；Kxx、Kyy、Kzz為x、y、z方向的滲透系數(shù)，m/d；Ss為含水層儲(chǔ)水率；q為含水層二類邊界單位面積過水?dāng)嗝嫜a(bǔ)給流量，m3/d；ε為源匯項(xiàng)強(qiáng)度；Ω為滲流區(qū)域；x、y、z為各方向長度；t為時(shí)間。

3.2 數(shù)值模擬

將煤礦數(shù)值模擬區(qū)域在水平和垂向上進(jìn)行立體剖分，剖分單元大小為500×500，水平剖分為456行和456列，垂向上剖分為9層，共剖分934 353個(gè)網(wǎng)格。數(shù)值模擬區(qū)域三維立體剖分如圖1。潛水水位實(shí)測值與計(jì)算值對比如圖2。

圖1 數(shù)值模擬區(qū)域三維立體剖分Fig.1 Three-dimensional subdivision

圖2 潛水水位實(shí)測值與計(jì)算值對比Fig.2 Comparison of measured and calculated values of water level

模型計(jì)算時(shí)段為2019年7月—2021年3月，其中以2020年7月和11月地下水水位觀測數(shù)據(jù)作為模型識(shí)別的基準(zhǔn)值，2021年1月數(shù)據(jù)作為模型的驗(yàn)證值。在模型識(shí)別驗(yàn)證階段，水位監(jiān)測點(diǎn)的水位實(shí)際觀測值與水位計(jì)算值擬合效果較好，識(shí)別階段和驗(yàn)證階段均小于相對誤差小于0.007。因此，礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬模型是可靠的，可應(yīng)用于煤礦涌水量的動(dòng)態(tài)。

4 礦井涌水量預(yù)測及效果評(píng)估

4.1 數(shù)值模擬涌水量預(yù)測

大海則煤礦分為201盤區(qū)～214盤區(qū)，共14個(gè)，將201盤區(qū)和206盤區(qū)作為涌水量預(yù)測研究對象，根據(jù)未來礦井生產(chǎn)月巷道回采進(jìn)度，依次劃分為若干工作進(jìn)度期。206盤區(qū)長3 689.27m，寬3 320.13 m，月巷道回采進(jìn)度為308.8 m，分為16個(gè)工作進(jìn)度期；201盤區(qū)長3 204.3 m，寬3 077.03 m，月巷道回采進(jìn)度為282.3 m，分為12個(gè)工作進(jìn)度期。在開采初期206盤區(qū)和201盤區(qū)同時(shí)開采，第12個(gè)開采進(jìn)度期結(jié)束時(shí)，206盤區(qū)依舊進(jìn)行開采，而201盤區(qū)開采結(jié)束，在后續(xù)4個(gè)開采進(jìn)度期，開采的工作面只有206盤區(qū)。206盤區(qū)開采方向?yàn)橛杀毕蚰?，從左往右依次進(jìn)行；201盤區(qū)為由南向北，從右往左依次進(jìn)行開采。涌水量數(shù)值模擬預(yù)測從2022年1月1日開始至2023年5月1日結(jié)束。

煤礦開采過程中導(dǎo)水?dāng)嗔褞堪l(fā)育到頂板直羅組砂巖含水層，未導(dǎo)通其上部的其他含水層。本次預(yù)測煤層包括2煤層和3煤層，201盤區(qū)和206盤區(qū)2、3煤層的礦井涌水量主要來源于垮裂帶導(dǎo)通的直羅組直接充水含水層和安定組、白堊系和第四系間接充水含水層。由于2、3煤層之間間隙較小，且層間巖性多為泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，2煤層的充水水源即為3煤層的充水水源，因此將直接充水含水層均確定為直羅組含水層。為了預(yù)測降水對深層巷道涌水量的影響，取1985—2019年最大月降水87.6 mm（8月）作為未來豐水期的降水量來預(yù)測礦井最大涌水量，取多年月均降水量27.17 mm預(yù)測礦井的正常涌水量。

根據(jù)煤礦201和206盤區(qū)開采方案，隨著月巷道回采進(jìn)度不斷調(diào)整開采范圍，在開采面上通過設(shè)置虛擬井來模擬地下水涌出的過程。數(shù)值預(yù)測涌水量虛擬井布設(shè)如圖3。

圖3 數(shù)值預(yù)測涌水量虛擬井布設(shè)Fig.3 Virtual well layout prediction of water inflow

第1個(gè)工作進(jìn)度期開始時(shí)，在相應(yīng)工作面內(nèi)布設(shè)虛擬開采井，抽水井流量為1 500 m3/d，使地下水位下降至預(yù)測煤層底板處為止，其中2煤底標(biāo)高533.77 m，3煤底標(biāo)高502.31 m，第1個(gè)工作進(jìn)度期結(jié)束時(shí)，此時(shí)的虛擬井開采量即為礦井第1工作期的礦井涌水量；預(yù)測第2工作期涌水量時(shí)，上一工作期末流場作為初始流場，根據(jù)月巷道回采進(jìn)度重新布置虛擬開采井，使地下水位穩(wěn)定在2煤、3煤層底板，得到第2工作期的礦井涌水量。以此例推，后續(xù)工作進(jìn)度期內(nèi)不斷調(diào)整虛擬井的數(shù)量，依次完成各階段涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測。在預(yù)測2煤層時(shí)布設(shè)虛擬井?dāng)?shù)量16個(gè)，預(yù)測3煤層布設(shè)虛擬井?dāng)?shù)量12個(gè)。

工作進(jìn)度期（1、3、6、9、12、16）水位流場圖如圖4，各煤層涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測結(jié)果如圖5。

圖4 工作進(jìn)度期（1、3、6、9、12、16）水位流場圖Fig.4 Prediction water level changes of coal seam in working schedule periods（1、3、6、9、12、16）

圖5 各煤層涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測結(jié)果Fig.5 Dynamic prediction results of water inflow in each coal seam

根據(jù)數(shù)值模型涌水量預(yù)測結(jié)果可以看出，大海則礦區(qū)豐水期和枯水期的降水量差別比較大，但其最大涌水量和正常涌水量預(yù)測結(jié)果差別并不明顯，主要原因?yàn)槊簩勇裆钶^大，2煤層以上泥巖、砂質(zhì)泥巖較厚，形成較多的隔水層和弱透水層導(dǎo)致。

4.2 大井法涌水量預(yù)測

結(jié)合礦區(qū)地形地貌及礦區(qū)含水層水文地質(zhì)條件及特征，并根據(jù)此次抽水試驗(yàn)水文孔ZL-1、ZL-2、ZL-3、ZL-4、ZL-5、ZL-6、ZL-7、ZL-8號(hào)和前人對直羅組抽水實(shí)驗(yàn)的水文孔P6、P25、ZK39-17和ZK39-21的資料，來預(yù)測大海則礦井涌水量。

井田煤層開采時(shí)的涌水量主要受其直接頂板的砂巖孔隙裂隙含水層的影響，當(dāng)?shù)V井排水時(shí)，在礦井周圍就會(huì)形成以巷道系統(tǒng)為中心的降落漏斗，這與鉆孔抽水時(shí)周圍形成的降落漏斗類似，因而可以將巷道系統(tǒng)分布的范圍假設(shè)為1個(gè)理想的大井。

涌水量計(jì)算以運(yùn)輸大巷為界分為206盤區(qū)和201盤區(qū)2部分，因礦井南北水文地質(zhì)條件差異，固分別計(jì)算206盤區(qū)和201盤區(qū)開采2煤時(shí)的涌水量，最后將兩者相加作為最終的礦井涌水量。

201盤區(qū)的面積平均約為25.87 km2，滲透系數(shù)選取鉆孔ZL-7、ZL-8、P6、抽水試驗(yàn)時(shí)所取得的參數(shù)的平均值為0.058 m/d；承壓含水層的厚度為201盤區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育范圍內(nèi)的含水層厚度平均值為33.01 m；含水層水柱高度為直羅組自然水位標(biāo)高至2煤頂板的標(biāo)高值545.23 m。206盤區(qū)的面積平均約為24.56 km2；滲透系數(shù)選取鉆孔ZL-1、ZL-2、ZL-3、ZL-4、ZL-5、ZL-6、P25、ZK39-17、ZK39-21抽水試驗(yàn)時(shí)所取得的參數(shù)的平均值，其平均值為0.169 m/d；承壓含水層的厚度為206盤區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育范圍內(nèi)的含水層厚度平均值，其平均值為29.16 m；水柱高度為直羅組自然水位標(biāo)高至2煤頂板的標(biāo)高值，其值為624.485 m。

開采2煤時(shí)，201盤區(qū)涌水量為16 904.55 m3/d；206盤區(qū)的涌水量為29 032.38 m3/d，同時(shí)開采201盤區(qū)和206盤區(qū)時(shí)礦井涌水量為45 936.93 m3/d。

4.3 集水廊道法涌水量預(yù)測

針對南北盤區(qū)取年總推進(jìn)度最長工作面作為集水廊道進(jìn)水?dāng)嗝?，其中南部盤區(qū)年推進(jìn)度為7 236 m，北部盤區(qū)年推進(jìn)度為5 968 m，開采2煤時(shí)，201盤區(qū)涌水量為27 614.9 m3/d；206盤區(qū)的涌水量為13 973.9 m3/d，同時(shí)開采201盤區(qū)和206盤區(qū)時(shí)礦井涌水量為41 588.8m3/d，大井法和集水廊道法計(jì)算煤礦涌水量成果見表1。

表1 大井法和集水廊道法計(jì)算煤礦涌水量成果Table 1 Calculation parameters of water inflow by large well method and catchment corridor method

4.4 礦井涌水量結(jié)果對比及效果評(píng)估

通過涌水量預(yù)測方法進(jìn)行計(jì)算模擬計(jì)算，當(dāng)開采至2煤底標(biāo)高533.77 m時(shí)，數(shù)值法預(yù)測最大涌水量為44 647.75 m3/d，正常涌水量為44 119.75 m3/d，大井法預(yù)測結(jié)果為45 937.93 m3/d，集水廊道法預(yù)測結(jié)果為41 588.8 m3/d，當(dāng)開采至3煤底標(biāo)高502.31 m，數(shù)值法預(yù)測的均值最大涌水量為53 385 m3/d，正常涌水量為52 857 m3/d，可以看出，數(shù)值法與大井法預(yù)測結(jié)果較為接近，相差1 818.18 m3/d，與集水廊道法預(yù)測結(jié)果相差較遠(yuǎn)，相差2 530.95 m3/d，一定程度上不同方法相互驗(yàn)證了涌水量預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

煤礦開采處于動(dòng)態(tài)狀態(tài)，大井法和集水廊道法只能對涌水量做出靜態(tài)預(yù)測，數(shù)值模擬法通過對含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剖分，并考慮煤礦開采的工作進(jìn)度，可以實(shí)現(xiàn)涌水量的動(dòng)態(tài)預(yù)測，而且本文融合鉆探鉆孔數(shù)據(jù)和實(shí)測物探數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)數(shù)值模擬區(qū)域鉆孔不足影響涌水量的預(yù)測問題，精細(xì)剖分刻畫了包含煤礦井田在內(nèi)的數(shù)值模擬區(qū)域的地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確描述開采過程中礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提高了數(shù)值模擬計(jì)算的精度，因此，數(shù)值法對于大海則煤礦涌水量的預(yù)測結(jié)果更加可靠。

5 結(jié) 語

1）以大海則煤礦為典型研究對象，融合利用鉆探-物探數(shù)據(jù)來精細(xì)刻畫礦區(qū)地質(zhì)地層及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建礦區(qū)井田三維地質(zhì)實(shí)體模型，采用數(shù)值模擬法、大井法和集水廊道法預(yù)測計(jì)算礦井涌水量。

2）以物探數(shù)據(jù)彌補(bǔ)地質(zhì)鉆孔對于區(qū)域控制的不足，融合利用鉆探-物探數(shù)據(jù)將礦區(qū)地層概化為第四系含水層、第四系-白堊系隔水層、白堊系含水層、白堊系-安定組隔水層、安定組含水層、安定組-直羅組隔水層、直羅組含水層、2煤層隔水層和2-3煤含水層等9層，以精細(xì)刻畫地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)而構(gòu)建了大海則礦區(qū)井田三維地質(zhì)實(shí)體模型。

3）通過大海則礦區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬、大井法和集水廊道法預(yù)測涌水量的結(jié)果對比，實(shí)現(xiàn)了不同方法計(jì)算涌水量的相互驗(yàn)證。大井法和集水廊道法對涌水量只能做出靜態(tài)預(yù)測，而數(shù)值模擬法可以基于鉆探和物探數(shù)據(jù)對含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)剖分，準(zhǔn)確描述開采過程中礦區(qū)地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并考慮煤礦開采的工作進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)涌水量的動(dòng)態(tài)預(yù)測，提高煤礦礦井涌水量的計(jì)算精度。