浅析煤矿床涌水量计算方法的应用条件

王 帅

辽宁省能源地质勘查开发研究院有限责任公司 辽宁 沈阳 110041

1 前言

煤炭资源是世界上储量最多、分布最广的常规能源。巴基斯坦塔尔煤田是巴基斯坦迄今为止发现的最大规模煤矿区,面积15000 km2,煤炭总储量约1750亿吨,目前煤田已经进入全面开发阶段。据以往资料显示,该区地下水对于的采矿影响很大,因此准确预测矿井涌水量是矿区水文地质工作的核心问题。本文以塔尔煤田中部Ⅳ区块为例,讨论不同方法在矿床涌水量预测中的具体应用及其特点。

2 煤田水文地质概况

塔尔煤田为一走向NNE的向斜盆地,其南北走向长约150km,东西平均宽约100km,面积约15000km2,煤田所处构造位置为向斜盆地的南端西翼,为一东倾的单斜构造,煤田东部为巴印边界附近的断裂带,西部沉积边缘,南部为卡其沼泽断裂带,构成了相对完整的水文地质单元(图1)。Ⅳ区块面积为81.63km2,主采煤层C1煤层埋藏深度平均155m,平均煤厚20.45m,底板标高-90m。C2煤层埋藏深度平均231m,平均煤厚4.96m,底板标高平均-130m。影响露天开采的含水层主要有两个:(1)新近系上新统底部砂岩承压(煤层顶板)含水层,岩性为灰白色细砂岩及中、粗砂岩,含少量砾岩,以中粗砂岩为主。该含水层全区发育,厚度平均11.46m,底板标高-54m,水温33.4℃。(2)古近系古新—始新统底部砂岩承压(煤层底板)含水层:岩性主要为灰—灰白色中、粗砂岩,含少量细砾岩。胶结性差,易松散,成岩性较差。全区分布,发育稳定,平均厚度30.54m,顶板标高-140m,水温37.8～38.7℃。地下水径流方向由北东向南西。

3 矿区用水量预测

3.1 稳定流“大井”法 煤层顶板含水层选用“大井”法承压转无压公式:QⅡ=1.366K×[(2H-M)M-h2]/(lgR0-lgr0)=42395 m3/d;煤层底板含水层选用承压公式QⅢ=2.73KMS/(lgR0-lgr0)174091 m3/d。

3.2 非稳定流解析法 以首采区中心为起算点,将煤层顶、底板含水层所在的水文地质单元概化成东、西两面为隔水边界(q=0),南北两侧视为水平无边界含水层。垂向上将两个含水层概化为无越流补给的两个独立的含水层(图1)。涌水量计算采用非稳定流井群干扰理论公式。隔水边界附近的不稳定流通过反映法将它变为无界,利用势叠加原理求解(图2)。计算结果,拟设疏干排水期限3年,首采区周边煤层顶、底板含水层的水位分别降深72m和161m时的疏干排水量分别为:

图1 Ⅳ区块所处区域位于水文地质单元地下水径流区

图2 边界条件概化及开采井反映示意图

煤层顶板含水层设计疏干井20口,单井平均出水量约1182.5m3/d(49.3 m3/h),总排水量QⅡ=23650 m3/d;

煤层底板含水层设计疏干井39口,单井平均出水量约2848.2m3/d(116 m3/h),总排水量QⅢ=111080 m3/d。

图3 三维有限差分模型(垂向放大100倍)

3.3 数值法 数值法将两含水层东西两侧视为自然隔水边界(q=0);北部与南部则视作变流量补给和排泄边界。地下水流向由东北向东南,补给来源位于北部区外,垂向上无越流补给。建立地下水数值模型采用Visual MODFLOW软件。

数值法同样以3年为疏干排水期限,预测首采区及周边煤层顶板含水层和煤层底板含水层的水位分别降至-54m和-130m时的疏干排水量,预算结果如下:

煤层顶板含水层共设疏干井22口,总排水量26800m3/d,含水层类型设置为承压转无压,模型运行3年,各疏干井水位降深基本达到极限。

表1 涌水量计算参数表

煤层底板含水层:煤层底板含水层共设疏干井42口,总排水量118980m3/d,含水层类型设置为承压,模型运行3年,首采区水位最深降至标高-130m。

4 涌水量计算成果分析

稳定流“大井”法计算结果较非稳定流方法及数值法偏大近40%,原因在于“大井”法的假设条件为含水层为均质、各项同性、隔水底板水平的圆柱形含水层,“影响半径R”以外是“定水头”边界,中心一口完整抽水井,且渗流服从线性定律。这与矿区的实际水文地质条件是不符的。非稳定流解析法计算涌水量,则受边界条件和参数选择的影响极大,而且根据非稳定流理论公式所计算的涌水量全部来自无限范围承压含水层的弹性释放量。数值法计算的涌水量,虽然Visual MODFLOW软件所模拟的含水层范围有限,但软件同时考虑了抽取含水层中弹性存储量和激发的侧向补给增量,随着时间的推移模型范围内弹性存储量将逐渐耗尽,最终疏干排水量会以侧向补给量为主,模型中地下水将趋向于稳定流运动。

表2 涌水量预算成果表

5 结束语

矿区涌水量的预测一定要认真分析该区域的水文地质条件,之后才能采用相应的方法及相应的公式进行计算。稳定井流与非稳定井流是由客观存在的水文地质条件所决定的,非此即彼,二者必属其一,他们并不是可供任意选择的两种计算方法,更不能同时使用“加以对比”、“相互印证”。反之,任何公式也都有其相对应的水文地质条件,离开规定的条件去应用公式,也是本末倒置。因此以本区为例,应用稳定流“大井”法显然是不合理的,应该采用非稳定流方法或数值法。非稳定流解析法较稳定流理论更加完善,因为其中包含有时间变量和含水层自身的弹性储存量,能够更加真实合理描述疏干排水的过程。非稳定流理论依据其假设条件抽取的水量来自于整个无限含水层的弹性储存量,数值法模拟的疏干排水量则是同时考虑了有限范围内含水层的弹性储存量以及抽水整个过程变化的侧向补给增量,在有限的范围和时间内能够很好的模拟疏干排水过程,但是该方法要求对模拟区边界条件有较高的控制程度,并且掌握地下水开采过程中边界条件的变化,不断的验证和完善模型,才能达到更为理想的效果。