含水层导通下朝克乌拉矿井涌水量稳定性研究

刘丽红，温永帅

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

目前，采用数值法和解析法对矿井涌水量预测比较成熟，尤其数值法因能很好地刻画研究区真实的三维地质情况而被广泛应用。文献[1]用GMS软件对新疆北部某煤矿进行矿井涌水量动态预测，发现考虑工作进度预测的涌水量能更真实反映情况；文献[2]将基于GIS的富水性分区模型结果应用到数值模拟涌水量预测中，提高了预测的涌水量的精确度；文献[3]提到在煤矿开采过程矿井涌水量预测的各方法中数值法与回采工作面工作情况结合起来，预测的矿井涌水量能够反映其真实情况。矿井水及其利用问题是近年来党和政府及专家学者共同关注的热点问题，2015a国务院发布的“水十条”中明确提出“推进矿井水综合利用，煤炭矿区的补充用水、周边地区生产和生态用水应优先使用矿井水，加强洗煤废水循环利用。文献[4]提出将矿井水用于洗煤、灌溉及生活饮用等，既提高了水资源利用率又缓解了矿区水资源短缺的问题。本文通过朝克乌拉矿井开采过程中不同导通条件下涌水量的预测，结合该矿井用水需要，对矿井涌水量稳定性进行研究，对涌水量动态预测、节约水资源有一定意义。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

朝克乌拉矿井位于内蒙古自治区锡林郭勒盟巴彦宝力格矿区，行政隶属锡林浩特市阿尔善镇管辖。矿区内地形为平缓态的侵蚀积累的大部平原，地表遍生牧草，表现出自然草原景色。井田南距锡林浩特市50km，集通铁路支线(桑根达来～锡林浩特)从井田南部锡林浩特市通过。锡林浩特市至呼和浩特市、张家口市、赤峰市、阿尔善镇及东乌珠穆沁旗均有沥青公路相通，另外，井田南部有沥青公路通过，交通方便。

1.2 水文地质类型

矿井地处河谷平原区，由地层岩性的埋藏条件和地下水赋存特征得知[5]，矿井内对煤层开采有威胁的含水层为白垩系下统巴彦花组上段(K1b3)的砂砾岩承压裂隙含水层，富水性强；巴彦花组中段(K1b2)煤系承压裂隙含水层，富水性弱；巴彦花组下段(K1b3)裂隙承压含水层。由于矿区内煤层上覆的间接充水含水层的富水性强，厚度大，裂隙发育，透水性强，且主采煤层又位于当地侵蚀基准面以下，局部断层发育，将矿区水文地质类型确定为复杂的裂隙充水矿床。

2 矿井涌水量数值模拟模型

预测矿井涌水量时，含水层随着工作面的不断开采持续疏干，按工作面依次工作情况，预测各个工作面涌水量，通过每个工作面疏水1年分别计算导通煤层上覆K1b2含水层、K1b3强含水层两种条件下的每个工作面矿井涌水量，判断水量能否满足矿井稳定供水。

2.1 水文地质概念模型

根据区域水文地质资料，考虑到矿井排水时的影响、含水层疏干过程的影响区域，确定南部以F01号断层范围为界、北部以F04号断层范围为界，向外扩2km确定为研究区范围，概化为5个含水岩组，分别为2煤煤层含水岩组、2煤上部(K1b2)含水岩组、白垩系下统(K1b3)砂砾岩含水组、第三系孔隙承压含水岩组和第四系孔隙潜水含水岩组。2煤顶板和白垩系下统(K1b3)砂砾岩含水组中间存在比较稳定的隔水岩组。研究区三维效果如图1所示，概化后研究区平面图如图2所示。

图1 研究区三维效果

图2 研究区范围

2.2 数学模型

根据矿井水文地质条件及建立的概念模型，考虑水力性质等因素，把研究区概化为各项异性的，且为非稳定非均质的三维地下水流场[6-11]，数学模型的公式如下。

式中：kx、ky、kz为研究区渗透系数在各方向的分量，(m·d-1)；h为三维地下水流场水头，m；n为研究区边界的外部法线所指方向；q为研究区边界流量大小，(m3·h-1)；w为研究区单位体积大小流量值,(m3·h-1)，用以表示流进或流出的水量大小值；μs为含水层的储水率,m-1；h0为开始水头数值，m；t为时间，d；D为研究区整个范围；Γ为研究区边界种类。

2.3 数值模拟

为了提高数值模拟精度[12-14]，考虑到矿井排水时的影响、含水层疏干过程的影响区域、矿井的实际勘探程度以及地下水径流的排泄量、补给量确立情况难度较大，所以把范围足够大的四周自然边界范围作为模拟区域，确立新生界孔隙含水岩组上面的边界为潜水水面类型边界，研究区周围自然边界类型确定为零流量边界，隔水边界为2煤煤层岩组下部边界，煤层开采后，将各煤层开采部分定为给定水头边界，研究区面积约为140km2。建立模型时，依据矿井水文地质条件的概化情形，对矿区实行三维网格剖分，确定剖分7层在垂直方向上，研究区网格剖分如图3所示。

(a)第80行在垂向剖分结果

2.4 模型识别

根据已有抽水试验资料，概化抽水井有第四系的Y136孔，第三系的J2孔，白垩系上统(K1b3)的水文1号孔、水文2号孔。根据该矿井所应用的数值模型，对研究区三维地下水系统进行模型识别工作，模型拟合结果如图4所示，模型验证结果如图5所示。

(a)Y136孔抽水试验水位拟合

(a)水文2号孔抽水试验水位拟合

2.5 导通K1b2含水层时涌水量预测

导通k1b2含水层时，含水层随着工作面的不断开采持续疏干，按工作面依次工作情况计算每个工作面涌水量，部分工作面涌水量预测结果如表1所示，部分工作面开采一年末的地下水位流场情况如图6所示。导通k1b2含水层时，只考虑煤层开采过程中冒落带及裂隙带波及到k1b2含水层时的涌水量，不考虑断层活化导水及诱发的边界侧向和垂向补给，该含水层厚度较小，随着工作面的开拓，涌水量呈递减趋势，地下水位不断下降，地下水位降落漏斗持续扩大，随着开采进程，采区中部含水层接近疏干状态。

表1 导通k1b2含水层时部分工作面涌水量预测结果

(a)2104工作面开采一年末的地下水位流场

2.6 导通K1b3含水层时涌水量预测

导通K1b3强含水层时，含水层随着工作面的不断开采持续疏干，按工作面依次工作情况计算每个工作面涌水量，不考虑上覆第三系及第四系导通、和边界补给和断层活化导水。部分工作面涌水量预测结果如表2所示，部分工作面开采一年末地下水流场如图7所示。K1b3含水层的富水性很强，裂隙发育，含水层厚度比较大，透水性强，且主采煤层又位于当地侵蚀基准面以下， 局部断层发育，尽管各含水层的富水性在水平和垂直方向上各向异性，但在开采条件下局部地段极易与上覆强富水含水层沟通，出现较大涌水量。

表2 导通K1b3强含水层时部分工作面涌水量预测结果

(a)2104工作面开采一年末地下水位流场

3 矿井涌水量稳定性分析

3.1 用水指标分析

根据朝克乌拉矿井实际用水情况，矿井用水主要为工业场地生活用水、生产用水及井下消防洒水等。其中，矿井工业场地总用水量为3 323.37m3/d， 行政福利区用水量为329.5m3/d； 生产、 生活用水966.5m3/d； 工业场地绿化172.8m3/d； 电厂规划容量为8×660MW， 若一期投入4台机组， 电厂每小时平均用水量为330m3/h，该区域总用水量为606.6m3/h，总用水量统计表如表3所示。

表3 总用水量统计表 m3·h-1

3.2 矿井涌水量稳定性分析

采用数值法计算各工作面k1b2含水层最小涌水量为14.095m3/h，各工作面的矿井涌水量均小于煤矿生产和电厂运转日最大用水量606.6m3/h的要求。因此k1b2含水层涌水量不能满足煤矿和电厂用水要求。

采用数值法计算各工作面K1b3含水层最小涌水量为227.911m3/h，各工作面的矿井涌水量均小于煤矿生产和电厂运转日最大用水量606.6m3/h的要求，因此K1b3含水层涌水量对供给煤矿及电厂用水偏不稳定。

由于数值法第二种情况计算的是K1b3强含水层，没有考虑矿区周边区域地下水侧向径流补给、上覆第三系及断层的联通性，对供水偏不利的情况下的涌水量，本研究选取此最不利供水情况各工作面累积涌水量过程进行水文频率理解，矿井总涌水量经验点据和拟合频率曲线如图8所示。拟合均值Ex=641.0，变差系数Cv=0.18，偏态系数Cs=0.36。对于矿井最大日用水量606.6m3/h，两含水层水量保证率为90%。从供水意义角度，水文年定义的“极其干旱”“干旱”“半干旱”“湿润”条件下的概率分别为95%、80%、50%和20%。50%概率条件下的涌水量值作为矿井正常涌水量，因此能够依据稳定水平来对k1b2、K1b3含水层进行供水稳定分类：95%、80%、50%，20%保证率下的矿井稳定供水流量分别为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

图8 矿井总涌水量经验点据和拟合频率曲线

根据矿井情况，首采区的侧向径流补给量为312.97万m3，降雨入渗补给量为66.91万m3，总计379.88万m3(433.65 m3/h)。将数值模拟法预测的最不利供水K1b3含水层的矿井涌水量叠加煤层开采、 k1b2含水层涌水量及首采区补给量， 最小供水量为888.763m3/h，大于矿井最大需水量606.6m3/h，因此，此区的水资源量可为矿井和电厂稳定供水。

4 结论

(1)应用数值模拟方法，通过GMS软件，不考虑矿井周围方向补给和断层裂隙导水条件下预测朝克乌拉矿井涌水量，得到导通k1b2、K1b3两种不同条件下涌水量大小。

(2)数值法求解迭代30个工作面，在供水不利情况下k1b2、K1b3最小涌水量之和为455.113 m3/h，矿井涌水量小于煤矿生产日最大用水量606.6 m3/h的要求，矿井不能稳定供水。

(3)将数值模拟法预测的最不利供水情况K1b3富含水层的矿井涌水量叠加k1b2含水层涌水量及首采区补给量，最小水量为888.763m3/h，大于矿井最大需水量606.6m3/h，此情况下可稳定供水。