曾一凡，孟世豪，呂 揚(yáng)，武 強(qiáng)，華照來(lái)，于 超，龐 凱，程 易

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京 100083；2.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；3.北礦大(南京)新能源環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210005)

我國(guó)煤炭資源和水資源呈逆向分布，按照我國(guó)煤炭資源“井”字形分布格局，“井”字形東部地區(qū)，探明煤炭資源量?jī)H占全國(guó)的11.6%，而水資源量約占全國(guó)的50.2%，“井”字形中、西部地區(qū)，雖然探明煤炭資源量占全國(guó)的75.6%和13.1%，而水資源量卻只占全國(guó)的25.5%和24.3%。隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)西移，截至2021年僅內(nèi)蒙古、陜西和新疆3省產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的50.6%，西部侏羅紀(jì)煤田開(kāi)采普遍面臨頂板水威脅，目前采取的主要防治水措施就是利用鉆孔對(duì)主要充水含水層進(jìn)行超前預(yù)疏放。而此類超前疏放水技術(shù)，主要以保證礦井生產(chǎn)安全為出發(fā)點(diǎn)，以將主要充水含水層水位疏降至含水層底板為標(biāo)準(zhǔn)，以將目標(biāo)區(qū)域主要充水含水層疏干為目標(biāo)。那么在水資源本就稀缺的西北煤炭產(chǎn)區(qū)，目前此種粗放式的超前疏放方式，一方面對(duì)水資源開(kāi)發(fā)存在浪費(fèi)、污染嚴(yán)重及缺乏科學(xué)管理等問(wèn)題，另一方面會(huì)打破本地區(qū)脆弱的水資源平衡，直接影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

針對(duì)頂板含水層超前疏放這一現(xiàn)狀，武強(qiáng)等通過(guò)多源地理信息融合，基于變權(quán)理論和層次分析法對(duì)頂板含水層富水性分布特征進(jìn)行研究，為預(yù)疏放水提供參考依據(jù)。劉基等構(gòu)建了含水層-鉆孔系統(tǒng)耦合模型對(duì)疏放水規(guī)律進(jìn)行研究，充分考慮了疏放水過(guò)程中層流和紊流特征。靳德武等通過(guò)研究不同疏放水工況下第四系含水層漏失量變化規(guī)律，提出了預(yù)疏放水結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。趙春虎等基于數(shù)值模擬研究，提出了不同水文地質(zhì)特征和不同疏降鉆孔參數(shù)下的涌水規(guī)律變化。上述疏放水工程與研究中，往往對(duì)單一疏放孔進(jìn)行研究，沒(méi)有充分結(jié)合疏放水區(qū)域富水性特征和涌水特征，更未能有效提出疏降鉆孔布置、疏水量大小和疏水時(shí)間的綜合疏降水管理方案。疏放鉆孔布設(shè)過(guò)多無(wú)疑降低了疏放效率，疏降標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低，且不考慮充水含水層動(dòng)靜儲(chǔ)量的比例，會(huì)過(guò)度疏放水量，激發(fā)第四系間接充水含水層的越流量，導(dǎo)致水資源大量浪費(fèi)，增加排水負(fù)擔(dān)，破壞礦區(qū)生態(tài)。實(shí)際上，礦井安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高效疏降水等多個(gè)目標(biāo)相互矛盾，如何在各目標(biāo)之間尋求最優(yōu)解是當(dāng)前西北生態(tài)脆弱區(qū)超前疏放水技術(shù)的瓶頸。

多目標(biāo)規(guī)劃法(Multi Objective Programming Approach)是運(yùn)籌學(xué)中的一個(gè)重要分支，它是為解決多目標(biāo)決策問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的一種科學(xué)管理的數(shù)學(xué)方法。在地下水?dāng)?shù)值模擬模型基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等約束，從而構(gòu)建地下水資源管理模型，結(jié)合最優(yōu)化方法求解得到地下水可持續(xù)利用等規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。之后眾多學(xué)者通過(guò)結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型、多目標(biāo)進(jìn)化算法、遺傳算法等優(yōu)化求解過(guò)程，快速得到復(fù)雜模擬下多目標(biāo)精細(xì)化管理模型的最優(yōu)解。礦山水文多目標(biāo)管理研究較少，武強(qiáng)等從宏觀上提出了排水、供水和環(huán)境保護(hù)三位一體的礦井涌水處理優(yōu)化方案，之后逐步完善形成礦井水控制、處理、利用、回灌與生態(tài)保護(hù)五位一體優(yōu)化管理模式。

因此，筆者基于煤層頂板充水含水層地下水系統(tǒng)的特征參數(shù)來(lái)確定決策變量，以疏降水成本和地下水流數(shù)值模擬模型疏降條件下礦井涌水量、間接含水層垂向越流補(bǔ)給量響應(yīng)關(guān)系設(shè)置約束條件，建立礦山生產(chǎn)安全、生態(tài)水資源保護(hù)和高效疏降水的多目標(biāo)地下水管理模型，求解得到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解集，實(shí)現(xiàn)礦井的疏放水執(zhí)行方案的構(gòu)建。基于該執(zhí)行方案，進(jìn)行礦井的超前疏放鉆孔布置、疏放水量及疏放時(shí)間的綜合管理，從而有效解決生態(tài)水資源保護(hù)與礦井安全開(kāi)采之間的矛盾，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)脆弱區(qū)礦-水雙資源開(kāi)采提供新的疏放水管理技術(shù)。

1 多目標(biāo)下的超前疏放水技術(shù)方法

本方法以系統(tǒng)工程和多目標(biāo)規(guī)劃為基礎(chǔ)，基于煤層頂板充水含水層地下水系統(tǒng)的特征參數(shù)來(lái)確定決策變量，并根據(jù)礦山生產(chǎn)安全設(shè)置涌水量約束目標(biāo)、根據(jù)生態(tài)環(huán)境安全設(shè)置第四系含水層越流補(bǔ)給量約束目標(biāo)、根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益設(shè)置鉆孔和疏排水成本約束目標(biāo)，構(gòu)建多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，然后構(gòu)建多約束條件下的分布參數(shù)地下水管理模型，并通過(guò)線性目標(biāo)規(guī)劃算法對(duì)分布參數(shù)地下水管理模型進(jìn)行求解，得到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解集，實(shí)現(xiàn)礦井的疏放水執(zhí)行方案的構(gòu)建?；谠搱?zhí)行方案，進(jìn)行礦井的超前疏放鉆孔布置、疏放水量及疏放時(shí)間的綜合管理，從而有效解決生態(tài)水資源保護(hù)與礦井安全開(kāi)采之間的矛盾，在減少礦區(qū)疏放水成本、保證煤炭資源持續(xù)高效開(kāi)采的同時(shí)，評(píng)估了研究區(qū)控水疏降的臨界值，防止整個(gè)地下水系統(tǒng)內(nèi)的水資源浪費(fèi)，避免了對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境的破壞，為生態(tài)脆弱性地區(qū)地下水資源的管理與礦井安全低碳開(kāi)采提供了科學(xué)依據(jù)。多目標(biāo)管理超前疏放水技術(shù)流程如圖1所示，具體包括：

圖1 多目標(biāo)管理超前疏放水技術(shù)流程示意

(1)地下水系統(tǒng)特征分析。通過(guò)對(duì)地下水系統(tǒng)的地質(zhì)特征、滲流場(chǎng)特征、水化學(xué)場(chǎng)特征和涌水特征進(jìn)行綜合分析，評(píng)價(jià)充水含水層富水性，定性評(píng)價(jià)地下水系統(tǒng)的涌水組成和初步刻畫涌水過(guò)程，確定疏降水多目標(biāo)管理模型的決策變量。

(2)礦區(qū)分布參數(shù)地下水流模型建立。根據(jù)含水層各參數(shù)分區(qū)、初始水位、邊界條件、源匯項(xiàng)信息和涌水特征建立礦區(qū)涌水水文地質(zhì)概念模型，并基于地下水流及邊界控制方程(式(1))建立三維非穩(wěn)定流模型，最后依據(jù)實(shí)際水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和涌水量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行擬合驗(yàn)證。通過(guò)建立礦區(qū)地下水流數(shù)值模擬模型，刻畫工作面的真實(shí)涌水過(guò)程，在此基礎(chǔ)上利用響應(yīng)矩陣法得到疏水量與含水層水位和礦井涌水量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

(1)

式中,,分別為水平、垂向滲透系數(shù)，m/d；為含水層的水位標(biāo)高，m；為含水層的源匯項(xiàng)，d；為含水介質(zhì)的貯水率，m；為滲流區(qū)域；為數(shù)值模擬時(shí)間；為含水層的初始水位分布，m；為邊界面法向方向上的滲透系數(shù)，m/d；為Γ邊界的流量，流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0，m/d；為邊界面的法線方向。

(3)多目標(biāo)地下水管理模型建立。在直接充水含水層等間距設(shè)置疏降水控制結(jié)點(diǎn)個(gè)，通過(guò)響應(yīng)矩陣將地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化情況作為約束條件耦合進(jìn)管理模型當(dāng)中，根據(jù)地下水系統(tǒng)中管理時(shí)間內(nèi)補(bǔ)給量變化和礦井生產(chǎn)安全要求管理不同時(shí)間每個(gè)疏降水結(jié)點(diǎn)的疏水量大小，同時(shí)通過(guò)經(jīng)濟(jì)約束目標(biāo)剔除疏水效率過(guò)低的疏放水結(jié)點(diǎn)，剩余結(jié)點(diǎn)集合形成井位分布設(shè)置方案。在求解計(jì)算過(guò)程中，引入偏差變量，通過(guò)設(shè)置軟約束條件，消除主觀愿望和實(shí)際條件中的矛盾，盡可能達(dá)到限制礦井涌水量、控制第四系越流量和高效疏降水多約束下的最優(yōu)方案設(shè)計(jì)，具體包括：

① 決策變量。

② 目標(biāo)約束。

目標(biāo)1：煤礦開(kāi)采安全——涌水量約束。

(2)

本研究的管理模型采用多目標(biāo)規(guī)劃求解，在常規(guī)約束中加入正偏差和負(fù)偏差變量，來(lái)使各目標(biāo)均能接近理想值。目標(biāo)函數(shù)則可表示為由各類偏差變量求極小值問(wèn)題。此目標(biāo)要求工作面涌水量盡可能低，甚至沒(méi)有涌水，從而保證礦井高效生產(chǎn)，即目標(biāo)函數(shù)為

min=

(3)

目標(biāo)2：生態(tài)水資源保護(hù)——資源約束。

(4)

此項(xiàng)中區(qū)域補(bǔ)給量會(huì)根據(jù)年度變化分為4個(gè)分區(qū)，從而控制疏水量會(huì)隨降雨等補(bǔ)給大小的變化而變化。保證疏降水過(guò)程激發(fā)的第四系間接充水含水層垂向越流量盡量接近區(qū)域補(bǔ)給量，則目標(biāo)函數(shù)為

min=+

(5)

目標(biāo)3：高效疏降水——經(jīng)濟(jì)約束。

(6)

式中，為疏降單位水量成本；為造孔成本；，為目標(biāo)三偏差變量；為疏水總成本。

此目標(biāo)要求疏降水總成本最小，則目標(biāo)函數(shù)為

min=

(7)

同時(shí)還應(yīng)滿足礦井最大涌水量小于巷道排水能力，直接充水含水層疏降后水位不低于含水層底板和單孔疏水能力約束：

(8)

(9)

(10)

=1或0

(11)

式中，(,,)為單位脈沖響應(yīng)函數(shù)，表示在時(shí)間第個(gè)結(jié)點(diǎn)疏降單位脈沖水量在第個(gè)控制節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的降深；為初始水位；′為單孔最大疏水能力。

由式(2)～(11)的約束條件及目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成了疏放水多目標(biāo)管理模型，運(yùn)用目標(biāo)規(guī)劃求解，得出最優(yōu)疏水位置、疏水量及疏水時(shí)間。

2 實(shí)例分析——以曹家灘煤礦為例

通過(guò)分析曹家灘煤礦頂板地下水系統(tǒng)特征，建立曹家灘煤礦地下水?dāng)?shù)值模擬模型?；谧R(shí)別驗(yàn)證后的模型求出地下水系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)，建立礦井生產(chǎn)安全、生態(tài)水資源保護(hù)和高效疏降水的多目標(biāo)管理模型。

2.1 地下水系統(tǒng)特征分析

(1)地質(zhì)特征。陜西省榆林市曹家灘井田煤礦位于榆神礦區(qū)I期規(guī)劃區(qū)內(nèi)西中部，井田總面積108.49 km。按照含水介質(zhì)的不同，自2-2煤層以上含水層可分為3類。第1類為第四系孔隙潛水含水層，主要由薩拉烏蘇組含水層及離石組弱含水層組成，極易接受降雨補(bǔ)給，側(cè)向補(bǔ)給充分。第2類為風(fēng)化基巖孔隙裂隙含水層，含水層節(jié)理裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)，孔隙大，該含水層是主要威脅礦井安全生產(chǎn)的直接充水含水層。第3類為基巖裂隙含水層，主要由延安組和直羅組組成，結(jié)構(gòu)致密，裂隙不發(fā)育，富水性差。隔水層主要為新近系保德組紅土，最厚可達(dá)134 m，礦區(qū)西翼紅土逐漸減小，在礦區(qū)西部邊界存在紅土剝蝕缺失區(qū)，累計(jì)面積達(dá)1.31 km(圖2)。

圖2 曹家灘礦區(qū)位置和礦區(qū)紅土厚度分布

(2)涌水特征。12盤區(qū)東翼122108工作面涌水量(圖3)隨開(kāi)采過(guò)程逐步增大至487 m/h，于2022年3月回采完畢，目前涌水量回降穩(wěn)定在350 m/h左右。根據(jù)“兩帶”實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，此工作面導(dǎo)水裂隙帶已發(fā)育至風(fēng)化基巖，同時(shí)東翼紅土隔水層較厚，由此可知,東翼涌水過(guò)程較為簡(jiǎn)單，即開(kāi)采過(guò)程中涌水量主要由基巖含水層靜儲(chǔ)量和風(fēng)化基巖含水層靜動(dòng)儲(chǔ)量組成，回采完畢后，涌水量主要來(lái)自風(fēng)化基巖含水層動(dòng)儲(chǔ)量。

圖3 曹家灘煤礦多工作面涌水量歷時(shí)曲線

12盤區(qū)西翼122109工作面2021年7月回采完畢，當(dāng)前涌水量穩(wěn)定在650 m/h，122107工作面自2021年7月開(kāi)始回采，涌水量持續(xù)增大，當(dāng)前涌水量已達(dá)700 m/h。12盤區(qū)西翼涌水過(guò)程復(fù)雜，從工作面典型剖面(圖4)來(lái)看，根據(jù)“兩帶”實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，風(fēng)化基巖含水層為直接充水含水層，但此處第四系潛水含水層厚度大，且存在紅土缺失區(qū)，存在第四系潛水含水層越流垂向補(bǔ)給風(fēng)化基巖的情況。

圖4 A—A′典型剖面

(3)滲流場(chǎng)特征。從滲流場(chǎng)來(lái)看，對(duì)比2021-12-31和2022-02-20兩期風(fēng)化基巖含水層流場(chǎng)分布(圖5)，可以看出風(fēng)化基巖含水層內(nèi)已形成2個(gè)水位漏斗，其中122109工作面水位漏斗已經(jīng)穩(wěn)定，而122107工作面水位漏斗范圍向煤層開(kāi)采方向擴(kuò)大。第四系潛水含水層水位降幅相對(duì)較小，整體流場(chǎng)基本沒(méi)有變化，但根據(jù)第四系潛水含水層水位長(zhǎng)觀孔水位下降幅度生成的降落漏斗分布(圖6)，可以看出第四系潛水含水層已形成以紅土薄弱區(qū)為主，122107，122109工作面為中心的降落漏斗，20 d內(nèi)最大降幅達(dá)0.21 m。綜上可知，122109工作面已回采完畢，形成穩(wěn)定涌水，來(lái)源主要以第四系潛水含水層越流補(bǔ)給和風(fēng)化基巖含水層側(cè)向補(bǔ)給為主；122107工作面正在回采當(dāng)中，來(lái)源主要以風(fēng)化基巖含水層靜儲(chǔ)量和側(cè)向補(bǔ)給為主，存在第四系潛水含水層越流補(bǔ)給。

圖5 風(fēng)化基巖含水層流場(chǎng)分布

圖6 第四系含水層水位降幅分布

2.2 基于MODFLOW-USG涌水模型的建立

本次模擬采用 MODFLOW-USG 程序包建立地下水流數(shù)值模型。該程序包是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)2013年發(fā)布的新的MODFLOW版本，其在網(wǎng)格剖分方面非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有更強(qiáng)的靈活性。利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格靈活加密的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層開(kāi)采區(qū)域網(wǎng)格的精細(xì)刻畫，同時(shí)也因其在局部加密過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)效網(wǎng)格數(shù)量較少，可以在反應(yīng)區(qū)域流場(chǎng)變化的同時(shí)，大幅降低模型計(jì)算負(fù)荷。同時(shí)在垂向分層中，USG非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分可精準(zhǔn)模擬紅土層的尖滅，對(duì)紅土缺失區(qū)的模擬更加準(zhǔn)確。

在綜合分析曹家灘煤礦的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，垂向上分為5層，分別為第四系潛水含水層、保德組紅土隔水層、風(fēng)化基巖承壓含水層、基巖含水層和煤層。5層模型均按非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行剖分，水平上曹家灘礦區(qū)整體區(qū)域?yàn)?00 m×200 m網(wǎng)格，12盤區(qū)東西兩翼內(nèi)為100 m×100 m網(wǎng)格，開(kāi)采工作面內(nèi)為50 m×50 m網(wǎng)格，垂向上第2層紅土隔水層在12盤區(qū)西翼部分地區(qū)缺失，其余各層均正常分布。

模型邊界條件根據(jù)實(shí)際水文地質(zhì)條件得出，根據(jù)分水嶺特性，將第1層分水嶺設(shè)為隔水邊界；由于其他邊界為非自然邊界，為了降低邊界條件對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果的影響，在水平方向上將模型其他邊界作為通用水頭邊界處理。在垂向上以潛水含水層自由水面作為系統(tǒng)的上邊界，接受大氣降水補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄等，模型底界為隔水邊界，作為整個(gè)模型的底部邊界。在煤層工作面采空區(qū)概化設(shè)置Drain邊界，通過(guò)均衡計(jì)算流入排水溝流量統(tǒng)計(jì)模擬涌水量大小。通過(guò)擬合區(qū)域流場(chǎng)分布和水位長(zhǎng)觀孔數(shù)據(jù)(圖7)，識(shí)別邊界條件和水文地質(zhì)參數(shù)，建立能夠準(zhǔn)確刻畫研究區(qū)地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值模擬模型。

圖7 模型識(shí)別驗(yàn)證

研究區(qū)內(nèi)第四系潛水含水層的水位變化幅度遠(yuǎn)小于其含水層厚度，假定其含水層飽和厚度保持不變，進(jìn)而求得多含水層系統(tǒng)中控制結(jié)點(diǎn)的單位脈沖響應(yīng)矩陣。

2.3 多目標(biāo)管理模型

多目標(biāo)管理模型以122107工作面疏放水量、疏放鉆孔位置和疏放時(shí)間優(yōu)化設(shè)置為目的，限制礦井涌水量以保證生產(chǎn)安全，同時(shí)控制第四系潛水含水層越流補(bǔ)給，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。管理時(shí)間根據(jù)煤層回采至距開(kāi)切眼2 000 m位置，設(shè)置為2021年3月至2022年3月，3個(gè)月為1個(gè)管理階段，共分為4個(gè)管理階段。在直接充水含水層等間距設(shè)置疏降水控制結(jié)點(diǎn)20個(gè)，最終疏降鉆孔數(shù)量個(gè)，通過(guò)0-1整數(shù)規(guī)劃進(jìn)行疏降鉆孔方案設(shè)計(jì)，結(jié)合單位脈沖響應(yīng)矩陣設(shè)置涌水量約束和越流量約束，通過(guò)疏降鉆孔成本設(shè)置經(jīng)濟(jì)約束，從而構(gòu)建超前疏放水多目標(biāo)管理模型，其數(shù)學(xué)模型如下：

(12)

3 結(jié)果分析討論

3.1 涌水過(guò)程定量分析

在122109工作面穩(wěn)定涌水基礎(chǔ)上，模擬122107工作面開(kāi)采至開(kāi)切眼2 000 m位置的涌水過(guò)程，通過(guò)識(shí)別驗(yàn)證后模型的12盤區(qū)西翼均衡計(jì)算(表1)可以發(fā)現(xiàn)，第四系潛水含水層直接通過(guò)紅土缺失區(qū)直接越流補(bǔ)給風(fēng)化基巖含水層346.12 m/h，通過(guò)紅土隔水層越流間接補(bǔ)給風(fēng)化基巖含水層197.93 m/h。第四系潛水含水層、風(fēng)化基巖含水層和基巖含水層分別占12盤區(qū)西翼涌水量的42.32%，38.80%，18.87%；通過(guò)劃分122107工作面為單獨(dú)均衡區(qū)計(jì)算可得，3個(gè)含水層所占122107工作面涌水量的19.16%，68.45%，12.39%。

表1 12盤區(qū)西翼地下水均衡計(jì)算結(jié)果

3.2 疏降過(guò)程規(guī)律分析

在模型的單個(gè)疏降水結(jié)點(diǎn)設(shè)置脈沖疏水量，計(jì)算導(dǎo)出一系列反應(yīng)地下水系統(tǒng)特征的單位響應(yīng)函數(shù)，依次重復(fù)每個(gè)疏降水結(jié)點(diǎn)，形成脈沖響應(yīng)矩陣。通過(guò)挑選位于紅土缺失區(qū)中心位置(=1)、紅土缺失區(qū)邊緣位置(=2)、1.5 m紅土厚度位置(=3)、2.6 m紅土厚度位置(=4)和3.7 m紅土厚度位置(=5)的5個(gè)疏降水結(jié)點(diǎn)，分別設(shè)置10，20，30，40，50 m/h疏水量，對(duì)比動(dòng)態(tài)特征，進(jìn)行疏降過(guò)程規(guī)律分析。

疏降水結(jié)點(diǎn)能更好地接受第四系含水層的越流補(bǔ)給，在相同10 m/h疏降水量下，其穩(wěn)定降深最小，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間最快；隨著紅土厚度增大，可疏降水位逐步增大，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間逐步減慢。隨著疏水量的增大，最終穩(wěn)定水位降深(8(b))、第四系含水層越流增加量(8(c))和122107工作面涌水減少量(8(d))均呈線性增大，同時(shí)隨著紅土厚度的增大，其線性增大幅度也隨之加大。另外，第四系含水層越流補(bǔ)給增大總量由經(jīng)過(guò)紅土缺失區(qū)直接補(bǔ)給增大量和經(jīng)過(guò)紅土層間接補(bǔ)給增大量2個(gè)部分組成，其比例在疏水量增大過(guò)程中并未明顯改變，但隨紅土厚度增大，間接補(bǔ)給增大量所占比例分別為7.79%，8.68%，13.26%，26.84%，30.67%。

綜上研究，相同疏水量的情況下，在紅土較厚的地區(qū)進(jìn)行疏降水會(huì)產(chǎn)生更大的疏降水位和減少更多的涌水量，但同時(shí)也會(huì)造成更多的第四系越流補(bǔ)給，將其線性關(guān)系耦合到多目標(biāo)管理模型當(dāng)中，進(jìn)行最優(yōu)化求解。

3.3 疏降方案對(duì)比分析

根據(jù)122109工作面前期疏降水工作，設(shè)置122107工作面單孔疏放水量為30 m/h，等間距布設(shè)疏降水鉆孔20個(gè)，多孔共同疏水作為傳統(tǒng)對(duì)比方案，與多目標(biāo)管理模型優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比(表2)，可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案相比傳統(tǒng)方案疏放孔數(shù)量減少50%(圖9)，單孔平均疏降水量略微增加，單位時(shí)間平均總疏降水量減少42.60%，平均涌水減少量減少10.35%，平均越流量增加量減少52.09%。即在優(yōu)化方案中，疏放鉆孔與疏放水量均減半的情況下，平均涌水減少量基本持平，而大幅減少了越流量增加量。

圖8 疏降水規(guī)律分析

表2 疏降方案對(duì)比分析

圖9 疏降鉆孔布置

4 結(jié) 論

(1)基于充分刻畫地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的數(shù)值模擬模型，結(jié)合礦井生產(chǎn)安全、生態(tài)水資源保護(hù)和高效疏降水等多目標(biāo)約束建立地下水管理模型，經(jīng)目標(biāo)規(guī)劃求解得到疏降鉆孔位置、疏降水量與時(shí)間分布的最優(yōu)疏降方案。

(2)通過(guò)從模擬模型中導(dǎo)出地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的過(guò)程中，總結(jié)疏降水規(guī)律發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在間接含水層越流補(bǔ)給條件時(shí)，補(bǔ)給條件越強(qiáng)，同一疏水量下疏降水位降深越小，達(dá)到疏水穩(wěn)定時(shí)間越快，越流補(bǔ)給增加量和涌水減少量也隨之降低；同時(shí)疏降水位、越流補(bǔ)給增加量和涌水減少量均隨疏水量增大而線性增大，補(bǔ)給條件越弱，增大幅度越高。

(3)通過(guò)曹家灘礦井的地質(zhì)特征和涌水特征分析，定性確定122107工作面涌水由第四系含水層、風(fēng)化基巖含水層和基巖含水層組成，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算定量確定各層所占涌水量比例為19.16%，68.45%，12.39%。

(4)優(yōu)化方案相比傳統(tǒng)等間距疏放方案，考慮了第四系含水層接受降雨補(bǔ)給的時(shí)間關(guān)系，在疏放鉆孔與疏放水量大致減半的情況下，平均涌水減少量基本持平，而大幅減 少了越流量增加量。此方法可為生態(tài)脆弱區(qū)頂板充水含水層超前疏放水提供新的管理模式。