数值模拟在矿井涌水量预测中的应用

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大井法和比拟法在矿井涌水量预测中的应用

作者：吴霞 赵璇

来源：《科技创新与应用》2016年第16期

摘 要：矿井涌水量是确定矿床水文地质条件复杂程度的一个重要指标，还是矿山设计部门确定排水设备和制定防水措施的主要依据。因此，在矿井建设以及生产过程中，能够较为准确地预报矿井涌水量是非常重要的，它直接关系到煤矿的安全生产。文章选用大井法和地质水文比拟法对泉上煤矿三水平联合开采16、17两层煤时的矿井涌水量进行预测，以保证煤矿的安全生产。

关键词：大井法；水文地质比拟法；涌水量预测

引言

矿井涌水量指的是矿山建设以及生产过程中，单位时间内流入矿井（包括各种巷道和开采系统）的水量，它是评价矿井水文地质条件复杂程度重要的指标，因此，正确预测矿井的涌水量对于指导矿井排水设施建设以及保障煤矿的安全生产具有重要的意义[1，2]。

预测矿井涌水量的方法多种多样，包括确定性分析方法中的解析法、数值法、模拟法、水均衡法；非确定性分析方法中的水文地质比拟法、相关分析法、模糊数学模型、灰色系统法、时间序列分析法和BP神经网络法等[3]。文章选用大井法（解析法）和水文地质比拟法对泉上煤矿16、17煤开采时的矿井涌水量进行预测。

1 井田水文地质条件分析

1.1 矿井水文地质概况

文章所研究的泉上井田位于滕县煤田南部，含煤地层为上石炭统太原组，共含煤18层，其中可采及局部可采煤层共4层，即煤3下、煤12下、煤16、煤17。泉上煤矿目前主采煤层为12下、16、17煤层。

主要含水层有第四系上含水砂层段、下含水砂层段，上侏罗统砂砾岩层段，3下煤层顶板砂岩，石炭系太原组第三、五、八、十下层石灰岩，本溪组第十二、十四层石灰岩，中奥陶统石灰岩。

1.2 矿井充水因素分析

峰峰五矿东翼采区放水试验数值模拟和涌水量预测

【摘 要】本文利用峰峰五矿东翼采区的放水试验资料进行了矿区地下水数值模拟和矿井涌水量预测。首先，根据水文地质条件，建立了矿区地下水渗流的数学模型。然后，运用放水试验资料对模型进行检验，模型检验中各观测孔的实测水位与模拟水位拟合较好。最后，利用所建模型进行矿坑涌水量预测，结果表明，对大青灰岩含水层采取疏水降压措施来安全开采-100m水平以下山青煤是可行的。

【关键词】峰峰煤田；底板突水；数值模拟；矿坑涌水量；突水系数

峰峰煤田位于河北省南部，煤田以东为华北平原，以西为太行山地，煤田中部的鼓山将整个煤田分为东西两部分。研究区峰峰煤田五矿位于鼓山东麓的中部，地貌形态属于丘陵区。

井田内没有自然河流和较大的地表水体。据峰峰气象站资料，多年平均降水量为566mm，降水主要集中在7～9月。

1.井田水文地质特征

根据井田地质构造和水文地质特征，将井田划分为三个水文地质分区，分别为东翼区、西北区和中央区[1]。本文研究区为东翼区。

目前，对矿山开采有威胁的含水层主要是大青灰岩含水层（石炭系薄层灰岩）和奥陶系灰岩含水层[2]。

2.放水试验数值模拟

2.1 东翼区大青灰岩放水试验简介

放水时间为1996.4.15-1996.4.23，放水层位为大青灰岩含水层，放水量为1.2-1.6m3/min。放水孔两个：fd34孔、fd22孔。大青灰岩观测孔6个：fd16、fd21、fd23、fd20、fd32、fd33孔。奥灰观2.2东翼区水文地质条件概化

2.2.1 边界

东翼区位于五矿井田的东部，东至f12断层，西至f11断层，这两条断层在井田南北边界相交，使该区在平面上为一枣核状，面积1.2km2。

2.2.2 含水层

东翼区大青灰岩单孔出水量一般为0.1-0.3m3/min，最大为2.8m3/min（fd34）。东翼区断裂构造非常发育，受构造影响，下伏隔水层的隔水性能变弱，而下部又有高压奥灰承压水的顶托，因此具有形成奥灰水向上越流补给大青水的条件。大青含水层的补给来源为奥灰水。放水试验后，在fo8孔投放荧光黄3kg，fd34、fd16孔先后收到，也证明了这一点。因此，东翼区大青灰岩含水层可概化为非均质二维承压水越流系统模型。

例析煤矿水文地质特征及矿井涌水量预测

涌水量预测是对矿井充水条件的定量评价，也是对矿井需要排出水量的估计。矿井涌水量的大小是反映一定条件下，矿井充水程度的定量指标，是井田开采设计中制定防治水方案的依据。

本文以邹庄煤矿为例，分别采用解析法和比拟法两种方法对该煤矿矿井涌水量进行预测，并对两种预测结果进行综合分析，从而寻找较符合本矿井实际情况的矿井涌水量，为今后防治水措施的制定提供依据。

1 井田概况

邹庄井田位于淮北市濉溪县南坪镇、双堆集镇，北距濉溪县50km，东北距宿州市25km。

井田内地势平坦，地形简单，地貌类型单一，主要为河间平地。区域地层从老到新发育有太古界-元古界，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系，新生界第三、四系。

2 井田水文地质条件

2.1 井田水文地质概况

根据地层岩石的含水条件、含水赋存空间分布，井田内可划分为新生界松散层孔隙含水层（组）、二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层（段）、太原组及奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层（段）三类。

新生界松散孔隙含水层可细分为新生界第一、二、三、四共四个含水层组，除第四含水层组直接覆盖在煤系之上外。第一、二、三含水层（组）之间分别对应有第一、二、三隔水层（组）分布。它们主要由粘土、砂质粘土及钙质粘土组成，分布稳定，隔水性能较好。尤其是第三隔水层（组），以灰绿色粘土为主，单层厚度大，隔水性能良好，是区域内重要的隔水层。

二叠系砂岩裂隙含水层主要由泥岩、粉砂岩及砂岩组成，根据地层岩性组合特征及可采煤层赋存位置，该含水层可细分为：32煤顶底砂岩裂隙含水层，7、8煤顶底板砂岩裂隙含水层，10煤顶底板砂岩裂隙含水层三个含水层，对应各主采煤层砂岩裂隙含水层划分为四个隔水层：1～2煤隔水层段、4～6煤隔水层段、8煤下铝质泥岩隔水层段和10煤下海相泥岩隔水层段，它们隔水性能良好。 井田范围内，新生界第一含水层（潜水）以大气降水补给为主，水平径流补给次之，排泄方式为垂直蒸发、人工开采和河流排泄。第二、三含水层以层间径流为主，局部地方为越流补给。第四含水层及二叠系砂岩裂隙含水层、太原组及奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层均以层间径流补给为主。根据井田所在水文地质单元来看，井田潜水及深层地下水流向为西北-东南方向。

MODFLOW在矿坑涌水量预测中的应用

摘要：modflow——模块化三维有限差分地下水流动模型，在地下水模拟研究中应用比较广泛，本文针对南洺河铁矿具体水文地质条件，综合考虑各种影响因素，建立水文地质模型和数学模型，运用modflow软件对矿坑涌水量进行预测。

关键词：三维非稳定流，数值模型，矿坑涌水量

中图分类号：td742文献标识码： a 文章编号：

1 矿山概况

南洺河铁矿地处太行山东麓中段，地势自西向东倾斜，属邯刑地区岩溶地下水系统。矿床属接触交代型磁铁矿，矿体分布于奥陶系石灰岩含水层与下部闪长岩体之间，奥陶系上覆石炭～二叠系砂岩及薄层石灰岩。由于断裂构造发育，石炭～二叠系的砂岩及薄层石灰岩之间水力联系密切，形成一个统一含水岩组，断裂构造也是地下水自上而下运动的通道。南洺河为季节性河流，河床通过矿区，河床渗漏是矿坑涌水量的来源之一。

铁矿体自西向东延长2078.96m，延深达765m，平均宽度351m，赋存标高159.5～-535.6m，矿体走向ne，倾向se。矿山针对一期开采设计了±0m、-40m和-80m三个标高水平，目前主采区位于±0m水平，设计产量50万吨/年。

2 模型的建立

根据区域边界条件，界定模拟区范围为：西至南丛井、龙雾～活水断层，南至南洺河断层，东至鼓山鼓山～紫山断层，北至沿北洺河一带地下分水岭。

2.1 概念模型

模拟区西部、南、东部均为隔水断层，定为隔水边界；北部与西南部为地下分水岭边界。

地下水在接受补给后，水平方向上自西向东～东南径流，上覆石炭～二叠系地下水向下垂向运动，地下水运动具有三维流的特征。由于实际勘探中很难获得各含水层各向异性的参数，在宏观上忽略其各向异性差异，将含水层简化为均质各向同性含水层。因此，本区水文地质概念模型按均质各向同性三维非稳定流模型处理。

2.2 数学模型

在水文地质概念模型认识的基础上，建立三维非稳定流的数学模型，可表示为：

式中：