劉麗紅，溫永帥

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

目前，采用數(shù)值法和解析法對礦井涌水量預(yù)測比較成熟，尤其數(shù)值法因能很好地刻畫研究區(qū)真實的三維地質(zhì)情況而被廣泛應(yīng)用。文獻[1]用GMS軟件對新疆北部某煤礦進行礦井涌水量動態(tài)預(yù)測，發(fā)現(xiàn)考慮工作進度預(yù)測的涌水量能更真實反映情況；文獻[2]將基于GIS的富水性分區(qū)模型結(jié)果應(yīng)用到數(shù)值模擬涌水量預(yù)測中，提高了預(yù)測的涌水量的精確度；文獻[3]提到在煤礦開采過程礦井涌水量預(yù)測的各方法中數(shù)值法與回采工作面工作情況結(jié)合起來，預(yù)測的礦井涌水量能夠反映其真實情況。礦井水及其利用問題是近年來黨和政府及專家學(xué)者共同關(guān)注的熱點問題，2015a國務(wù)院發(fā)布的“水十條”中明確提出“推進礦井水綜合利用，煤炭礦區(qū)的補充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水，加強洗煤廢水循環(huán)利用。文獻[4]提出將礦井水用于洗煤、灌溉及生活飲用等，既提高了水資源利用率又緩解了礦區(qū)水資源短缺的問題。本文通過朝克烏拉礦井開采過程中不同導(dǎo)通條件下涌水量的預(yù)測，結(jié)合該礦井用水需要，對礦井涌水量穩(wěn)定性進行研究，對涌水量動態(tài)預(yù)測、節(jié)約水資源有一定意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

朝克烏拉礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟巴彥寶力格礦區(qū)，行政隸屬錫林浩特市阿爾善鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)內(nèi)地形為平緩態(tài)的侵蝕積累的大部平原，地表遍生牧草，表現(xiàn)出自然草原景色。井田南距錫林浩特市50km，集通鐵路支線(桑根達來～錫林浩特)從井田南部錫林浩特市通過。錫林浩特市至呼和浩特市、張家口市、赤峰市、阿爾善鎮(zhèn)及東烏珠穆沁旗均有瀝青公路相通，另外，井田南部有瀝青公路通過，交通方便。

1.2 水文地質(zhì)類型

礦井地處河谷平原區(qū)，由地層巖性的埋藏條件和地下水賦存特征得知[5]，礦井內(nèi)對煤層開采有威脅的含水層為白堊系下統(tǒng)巴彥花組上段(K1b3)的砂礫巖承壓裂隙含水層，富水性強；巴彥花組中段(K1b2)煤系承壓裂隙含水層，富水性弱；巴彥花組下段(K1b3)裂隙承壓含水層。由于礦區(qū)內(nèi)煤層上覆的間接充水含水層的富水性強，厚度大，裂隙發(fā)育，透水性強，且主采煤層又位于當(dāng)?shù)厍治g基準面以下，局部斷層發(fā)育，將礦區(qū)水文地質(zhì)類型確定為復(fù)雜的裂隙充水礦床。

2 礦井涌水量數(shù)值模擬模型

預(yù)測礦井涌水量時，含水層隨著工作面的不斷開采持續(xù)疏干，按工作面依次工作情況，預(yù)測各個工作面涌水量，通過每個工作面疏水1年分別計算導(dǎo)通煤層上覆K1b2含水層、K1b3強含水層兩種條件下的每個工作面礦井涌水量，判斷水量能否滿足礦井穩(wěn)定供水。

2.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，考慮到礦井排水時的影響、含水層疏干過程的影響區(qū)域，確定南部以F01號斷層范圍為界、北部以F04號斷層范圍為界，向外擴2km確定為研究區(qū)范圍，概化為5個含水巖組，分別為2煤煤層含水巖組、2煤上部(K1b2)含水巖組、白堊系下統(tǒng)(K1b3)砂礫巖含水組、第三系孔隙承壓含水巖組和第四系孔隙潛水含水巖組。2煤頂板和白堊系下統(tǒng)(K1b3)砂礫巖含水組中間存在比較穩(wěn)定的隔水巖組。研究區(qū)三維效果如圖1所示，概化后研究區(qū)平面圖如圖2所示。

圖1 研究區(qū)三維效果

圖2 研究區(qū)范圍

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件及建立的概念模型，考慮水力性質(zhì)等因素，把研究區(qū)概化為各項異性的，且為非穩(wěn)定非均質(zhì)的三維地下水流場[6-11]，數(shù)學(xué)模型的公式如下。

式中：kx、ky、kz為研究區(qū)滲透系數(shù)在各方向的分量，(m·d-1)；h為三維地下水流場水頭，m；n為研究區(qū)邊界的外部法線所指方向；q為研究區(qū)邊界流量大小，(m3·h-1)；w為研究區(qū)單位體積大小流量值,(m3·h-1)，用以表示流進或流出的水量大小值；μs為含水層的儲水率,m-1；h0為開始水頭數(shù)值，m；t為時間，d；D為研究區(qū)整個范圍；Γ為研究區(qū)邊界種類。

2.3 數(shù)值模擬

為了提高數(shù)值模擬精度[12-14]，考慮到礦井排水時的影響、含水層疏干過程的影響區(qū)域、礦井的實際勘探程度以及地下水徑流的排泄量、補給量確立情況難度較大，所以把范圍足夠大的四周自然邊界范圍作為模擬區(qū)域，確立新生界孔隙含水巖組上面的邊界為潛水水面類型邊界，研究區(qū)周圍自然邊界類型確定為零流量邊界，隔水邊界為2煤煤層巖組下部邊界，煤層開采后，將各煤層開采部分定為給定水頭邊界，研究區(qū)面積約為140km2。建立模型時，依據(jù)礦井水文地質(zhì)條件的概化情形，對礦區(qū)實行三維網(wǎng)格剖分，確定剖分7層在垂直方向上，研究區(qū)網(wǎng)格剖分如圖3所示。

(a)第80行在垂向剖分結(jié)果

2.4 模型識別

根據(jù)已有抽水試驗資料，概化抽水井有第四系的Y136孔，第三系的J2孔，白堊系上統(tǒng)(K1b3)的水文1號孔、水文2號孔。根據(jù)該礦井所應(yīng)用的數(shù)值模型，對研究區(qū)三維地下水系統(tǒng)進行模型識別工作，模型擬合結(jié)果如圖4所示，模型驗證結(jié)果如圖5所示。

(a)Y136孔抽水試驗水位擬合

(a)水文2號孔抽水試驗水位擬合

2.5 導(dǎo)通K1b2含水層時涌水量預(yù)測

導(dǎo)通k1b2含水層時，含水層隨著工作面的不斷開采持續(xù)疏干，按工作面依次工作情況計算每個工作面涌水量，部分工作面涌水量預(yù)測結(jié)果如表1所示，部分工作面開采一年末的地下水位流場情況如圖6所示。導(dǎo)通k1b2含水層時，只考慮煤層開采過程中冒落帶及裂隙帶波及到k1b2含水層時的涌水量，不考慮斷層活化導(dǎo)水及誘發(fā)的邊界側(cè)向和垂向補給，該含水層厚度較小，隨著工作面的開拓，涌水量呈遞減趨勢，地下水位不斷下降，地下水位降落漏斗持續(xù)擴大，隨著開采進程，采區(qū)中部含水層接近疏干狀態(tài)。

表1 導(dǎo)通k1b2含水層時部分工作面涌水量預(yù)測結(jié)果

(a)2104工作面開采一年末的地下水位流場

2.6 導(dǎo)通K1b3含水層時涌水量預(yù)測

導(dǎo)通K1b3強含水層時，含水層隨著工作面的不斷開采持續(xù)疏干，按工作面依次工作情況計算每個工作面涌水量，不考慮上覆第三系及第四系導(dǎo)通、和邊界補給和斷層活化導(dǎo)水。部分工作面涌水量預(yù)測結(jié)果如表2所示，部分工作面開采一年末地下水流場如圖7所示。K1b3含水層的富水性很強，裂隙發(fā)育，含水層厚度比較大，透水性強，且主采煤層又位于當(dāng)?shù)厍治g基準面以下， 局部斷層發(fā)育，盡管各含水層的富水性在水平和垂直方向上各向異性，但在開采條件下局部地段極易與上覆強富水含水層溝通，出現(xiàn)較大涌水量。

表2 導(dǎo)通K1b3強含水層時部分工作面涌水量預(yù)測結(jié)果

(a)2104工作面開采一年末地下水位流場

3 礦井涌水量穩(wěn)定性分析

3.1 用水指標分析

根據(jù)朝克烏拉礦井實際用水情況，礦井用水主要為工業(yè)場地生活用水、生產(chǎn)用水及井下消防灑水等。其中，礦井工業(yè)場地總用水量為3 323.37m3/d， 行政福利區(qū)用水量為329.5m3/d； 生產(chǎn)、 生活用水966.5m3/d； 工業(yè)場地綠化172.8m3/d； 電廠規(guī)劃容量為8×660MW， 若一期投入4臺機組， 電廠每小時平均用水量為330m3/h，該區(qū)域總用水量為606.6m3/h，總用水量統(tǒng)計表如表3所示。

表3 總用水量統(tǒng)計表 m3·h-1

3.2 礦井涌水量穩(wěn)定性分析

采用數(shù)值法計算各工作面k1b2含水層最小涌水量為14.095m3/h，各工作面的礦井涌水量均小于煤礦生產(chǎn)和電廠運轉(zhuǎn)日最大用水量606.6m3/h的要求。因此k1b2含水層涌水量不能滿足煤礦和電廠用水要求。

采用數(shù)值法計算各工作面K1b3含水層最小涌水量為227.911m3/h，各工作面的礦井涌水量均小于煤礦生產(chǎn)和電廠運轉(zhuǎn)日最大用水量606.6m3/h的要求，因此K1b3含水層涌水量對供給煤礦及電廠用水偏不穩(wěn)定。

由于數(shù)值法第二種情況計算的是K1b3強含水層，沒有考慮礦區(qū)周邊區(qū)域地下水側(cè)向徑流補給、上覆第三系及斷層的聯(lián)通性，對供水偏不利的情況下的涌水量，本研究選取此最不利供水情況各工作面累積涌水量過程進行水文頻率理解，礦井總涌水量經(jīng)驗點據(jù)和擬合頻率曲線如圖8所示。擬合均值Ex=641.0，變差系數(shù)Cv=0.18，偏態(tài)系數(shù)Cs=0.36。對于礦井最大日用水量606.6m3/h，兩含水層水量保證率為90%。從供水意義角度，水文年定義的“極其干旱”“干旱”“半干旱”“濕潤”條件下的概率分別為95%、80%、50%和20%。50%概率條件下的涌水量值作為礦井正常涌水量，因此能夠依據(jù)穩(wěn)定水平來對k1b2、K1b3含水層進行供水穩(wěn)定分類：95%、80%、50%，20%保證率下的礦井穩(wěn)定供水流量分別為ER1、ER2、ER3 和ER4。

ER1:QER1=Q95=460.420m3/h

ER2:QER2=Q80=540.26m3/h

ER3:QER3=Q50= 633.82m3/h

ER4:QER4=Q20= 737.406m3/h

圖8 礦井總涌水量經(jīng)驗點據(jù)和擬合頻率曲線

根據(jù)礦井情況，首采區(qū)的側(cè)向徑流補給量為312.97萬m3，降雨入滲補給量為66.91萬m3，總計379.88萬m3(433.65 m3/h)。將數(shù)值模擬法預(yù)測的最不利供水K1b3含水層的礦井涌水量疊加煤層開采、 k1b2含水層涌水量及首采區(qū)補給量， 最小供水量為888.763m3/h，大于礦井最大需水量606.6m3/h，因此，此區(qū)的水資源量可為礦井和電廠穩(wěn)定供水。

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用數(shù)值模擬方法，通過GMS軟件，不考慮礦井周圍方向補給和斷層裂隙導(dǎo)水條件下預(yù)測朝克烏拉礦井涌水量，得到導(dǎo)通k1b2、K1b3兩種不同條件下涌水量大小。

(2)數(shù)值法求解迭代30個工作面，在供水不利情況下k1b2、K1b3最小涌水量之和為455.113 m3/h，礦井涌水量小于煤礦生產(chǎn)日最大用水量606.6 m3/h的要求，礦井不能穩(wěn)定供水。

(3)將數(shù)值模擬法預(yù)測的最不利供水情況K1b3富含水層的礦井涌水量疊加k1b2含水層涌水量及首采區(qū)補給量，最小水量為888.763m3/h，大于礦井最大需水量606.6m3/h，此情況下可穩(wěn)定供水。