东滩煤矿奥灰放水试验数值模拟_田广.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探 COALGEOLOOY Ordovician limestone; dewatering test; groundwater model; numerical simulation 我国华北型煤田下组煤（太原组）开采普遍受到 煤系地层基底奥灰承压含水层的威胁。焦作、峰峰、 淄博、肥城、淮北等矿区川进行下组煤开采已有四 十余年的历史，早期开采时，一般深度较小，奥灰 对开采工作面底板隔水层的水压一般都小于3MPa 随着开采深度的逐渐增大，奥灰的水压在逐渐增高， 矿井突水危险也在增大。目前我国应对奥灰水主要 有底板注浆加固和奥灰水疏降等技术，如何选取合 理、有效的水害防治方法成为了保证矿井安全开采 的重要工作。获取奥灰水文地质参数，对奥灰含水 层进行准确的定量评价，是奥灰水防治措施可行性 研究的重要依据。在没有进行下组煤开拓的建设阶 段，对煤田或井田内含水层进行大面积的抽水、放 水试验，然后建立含水层的地下水模型，获取水文 收稿日期2013-02-20 地质参数是现在普遍采取的先期评价手段。本文在 东滩井田前期水文地质补充勘探的基础上，进行下 组煤第二勘探区的奥灰放水试验。 1 研究区概况 东滩井田位于完州向斜核部和深部，地质构造 以宽缓的榴皱为主，属于石炭一二叠系全隐蔽型煤 田。含煤地层为石炭一二叠系，主采煤层为山西组3 煤和太原组16，.和17煤（合称下组煤）。下组煤埋深 大［2］，开采受底板水的潜在威胁。底板奥灰水压高 达7.20～l1.46 MPa.为究州煤田之最，在不考虑底 板受采动破坏 影响下，奥灰对17煤的突水系数 0.0780.152 MPa/m，最小值亦接近现有规程［3］标准 t限值（0.10MPa/m）。 作者简介回广（1988一），男，山东曲阜人，学士，助理工程师，从事矿井防治水及水文地质工作． ChaoXing 62 煤田地质与勘探第42卷 ／ 1 9 日 μ ／H S 补 / lAm d 飞2 剧 \ numM - 旷 ＼占川崎 － 8 3 仁um ～ 2 双 脚也 忘阴阳d＠ m 2 占川 仆飞机叫 － m BG 。 ． ＼ 11＠ 2 t D － ＼m叩锺 咐A 斗川 刘集p mJO D＼－2E飞h飞 OA町 、 0到 ；5 \ 2 lt D ＼ 0 X川 2 n叶 ’\ mMmWu - - 「 咀－0 。 1C EX OF 4 － nuF』VA qD - 旷O ho－ 叫．／ 们 。 调占 ／配 E ; 阳而／尔 q / ／ η - m 2 奥灰放水试验概况 放水试验工作向201l年6月14日1000开始， 至20川年8月3日1100结束、历时48d。放水孔 选用第二勘探区涌水量较大的202DX3,202DX4、 202DX5, 202DX6四个井下钻孔，观测孔则是第一 勘探区和第二勘探区已施工完的地面、井下钻孔及 相邻矿井的一些奥灰长观孔。本次奥灰放7.／（试验共 进行了4个阶段的放水，具体情况见表l。 表1各阶段放水钻孔稳定流量和累计放水量 Table I Stable flow and total discharge of boreholes in different phases 放水阶段放水钻孔 稳定流lJ /m3h 202DX3 16.1 第l阶段 20 2DX4 134.0 202DX5 110.0 20 2DX6 120.0 第l阶段稳定流量合计380.1 第2阶段202DX6 120.0 3阶段 202DX3 16.2 20 ,DXS 105.0 第3阶段稳定流坠合计121.2 20 2DX3 16.2 第4阶段202DX4 201.8 202DXS 103.8 第4阶段稳定流量合计321.8 织j-j－总、古文7Jillm3 阶段累计 时间／h, 放水量／mJ 145 52 252.18 121 14 814.00 97 12 650.94 121 38 942.30 118 659.42 占地而奥灰1见iIJ{ 。井下奥庆观iIJ{L 井Fl具灰放，）（-fl 在址边界 ｜喝水边界 阜， 。 O,DX5 商ln矿 3 地下水模型的建立 3.1 水文地质概念模型 根据以往地质资料知，东滩井田东及东北部 分别以峰山断层和滋阳断层为界，均为隔水断层。 南以皇甫断层为界与南屯矿为邻，西部和北部均 为人为边界，分别与鲍店煤矿和兴隆庄煤矿为邻 （图1）。 本次奥灰放水试验数值模拟范围为东滩煤矿下 组煤第H勘探区，为便于模拟计算和利用邻矿水文 地质资料，且群孔放水试验期间在东滩煤矿下组煤 第I勘探区、兴隆庄煤矿和鲍店煤矿也布置了观测 孔，故将本次模型的模拟范围适当扩展，即东北部 以滋阳断层为界，东部以峰山断层为界，南部以皇 甫断层即井田边界为界，西部和北部适当扩展到鲍 店井田和兴隆庄井田内。 根据区域地质资料，模拟区东北部为滋阳断层， 落差大于360m，区内为上升盘，将其概化为隔水 边界；东部为峰山断层，落差大于2000 m，区内为 下降盘，亦概化为隔水边界；南部皇甫断层为导水 断层，西部和北部为人为边界，均概化为流量边界。 模拟计算范围区，奥陶系灰岩含水层上段岩洛 裂隙较发育，属岩溶裂隙承压水。本次模拟将奥灰 含水层上段作为一个统一的含水系统，概化为厚度 100 m的单层结构。 // 。l2km 因l奥灰含水层水文地质概念模型示意图 Fig. I Hydrogeological conceptual model of Ordovician limestone aquifer ChaoXing 第3期回广等东滩煤矿奥灰放水试验的数值模拟 63 3.2 数学模型 依据上述水文地质概念模型，可得奥灰含水层 非均质各向异性二维非稳定承压地下水流数学模 型［4］，即 a aH a aH 一（汇一一）＋一（兀一一）＋WS一一位，y）εD,t二三O ax , ax。y司ya1 Hx,y,O H0x,y x,y）εD, t 0 。1HaH 乙a;cosn,x TY Bycosn,y qx,y,t, x,y）εr1 。H E丁一cosn,x）＋兀丁－cosn,y 0, x,y）εIz αX’。v 式中Tx、Ty为x和y方向的导水系数，m2/d;H 为渗流区内奥灰含水层的水头高度，m;W为含水 层的师、汇项，Lid;s为奥灰上段含水层贮水系数； t为渗流时间；D为渗流区域；Hox,y）为奥灰含水 层初始水位分布，m;qx, y, t）为皇甫断层和人为 边界上的单宽流量，m3/dn为隔水边界法线方向； r1和几为渗流区域的流量边界和断层隔水边界， 模型区域边界II1＋几。 3.3 参数分区 模拟计算时［5］采用VisualModflow地下水流数 值模拟模型软件闷，按100mxJOO m正方形网格将 全区剖分为141行、lI l列，共15651个网格，其中 有效单元10218个、无效单元5433个。参考井田下 组煤水文地质补充勘探中单孔抽水试验水文地质参 数，最终将模拟区分为10个水文地质参数区（图2）。 图2数值模拟参数分区图 Fig.2 Parameter zonation of numerical simulation 4 模型识别和检验 在初步建立奥灰含水层地下水数值模型之后， 需要对水文地质分区参数赋予初值；导水系数的初 始数值依据补勘阶段单孔抽水试验成果给出。在模 型识别校验过程［7］中对包括导水系数和贮水系数等 参数进行不断的调整，以使模拟计算的观测孔水位 与实际水位达到较高精度的吻合、使最大降深时计 算渗流场与实际放水最大降深流场基本一致。 初始流场选取放水试验第l阶段开始前时刻 201 l年6月14日1000前观测水位）的水位；模型 识别采用的拟合数据的时间段为20门年6月14日 1000至201l年6月25日1000，对应于放水试验第 l阶段，通过不断调整模型分区参数，对所有奥灰观 测孔的水位变化和放水试验最大降深时的流场进行 拟合，以达到与实际水位、流场高精度吻合的目标； 对通过识别后的数值模型进行校验，以检验数’值模型 在不同的放水情况下水位与流场是否能达到较高的精 度，模型校验数据的时间段为201l年7月25日1000 至201I年8月3日l100，对应于放水试验第4阶段。 实际水位与模拟水位等值线对比见图3。从图3 可以看出，第4阶段放水结束时流场总体拟合效果 较好。放水试验第4阶段部分水位拟合曲线见图4, 对比数值计算结果与第4阶段观测钻孔的实际水位 变化，误差较小，说明所建立的数值模型是符合实 际水文地质条件的模型［町，验证了其适用性。 ／如卢刚U，位 λ』’／模拟计算水位 NAm－－－－AE刑 入Vt tl AY ℃ I O I 2 km 」一＿＿，＿一－一」 图3放水试验第4阶段放水结束时观测水位一模拟水位 等值线对比图（单位m Fig.3 Comparison of observed and simulated water level isolines at the end of 4h water drainage phase ChaoXing 64 煤田地质与勘探第42卷 16.5 二；｜＼＼飞～ 一一观il11J7] {v. - -i十ITl,f.豆 14.5 16.0 15.5 E 主15.0 14.5 14.0 0 16 32 48 64 80 96 I 12 128 144 160 I 76 192 208 A t1 ,1Jfh a20,-DI 一一观i日lj水位 －一计算，11v. 0 16 32 48 64 80 96 1 12 128 144 160 I 76 192 208 H、t1i1Jfh b 20,-03 图4第4阶段202-Dl和202-03钻孔数值模拟曲线图 Fig.4 Numerical simulation curves of boreholes 202 D I and 20 2-0 3 in phase four 综上可以看出，水位变化和最大降深流场的验 证结果共同表明了应用VisualModflow软件建立的 渗流数值模型的水文地质参数符合岩洛水系统的水 文地质条件，可用于矿井涌水量及奥灰疏降水量的 预测，具体参数见表2o 表2东滩煤矿奥灰上段含水层数值模型分区参数数值解 Table 2 Numerical solution of numerical simulation model zonation in the upper section of Ordovician limestone aquifer in Dongtan mine 参数 渗透系数导水系数贮水系数 分区Kfmd 1 T/md-1 s110-5 7.78 1 778. J 16.97 2 3.466 346.6 14.15 3 4.328 432.8 34.50 4 15.63 l 563.0 2.574 5 2.59 1 259.1 12.20 6 4.325 432.5 1.110 7 3.116 311.6 1.560 8 8.647 864.7 1.778 9 6.483 648.3 1.274 10 4.327 432.7 1.092 5结论 a.东滩煤矿下组煤水文地质条件复杂，开采受 到底板奥灰强承压含水层的威胁。根据矿井的地质、 水文地质条件及奥灰放水试验建立了本矿的奥灰地 下水模型，并对奥灰模型进行了识别，得到了10个 分区的水文地质参数导水系数和贮水系数，计算 结果表明了奥灰含水不均一性和变化复杂性。奥灰 模型客观的反映了奥灰水的天然流场，可作为下组 煤矿井涌水量、奥灰疏降水量计算的依据，亦是矿 井目前进行下组煤防治水工作的可靠资料。 b.利用数值模拟计算出来的水文地质参数即 导水系数，和奥灰单孔抽水试验得出的数据相差较 大，出现这一现象的原因是单孔抽水试验的降深较 小，影响范围有限；而井下放水试验降深达几百米， 放水量大、影响范围大，岩体裂隙张开程度明显增 大，渗透系数和导水系数比单孔抽水时大，这一现 象是正常的。 参考文献 [I］郑世书，陈江中，刘汉湖，等专门水文地质学［MJ.徐州 中国矿业大学出版社，199873- 90. [2］陈香菱充州矿区下组煤开采底板突水危险性评价[J］。山东 科技大学学报自然科学版，20084I 0- 13. [3］国家安全生产监督管理总局煤矿防治水规定［SJ，北京煤炭 工业出版社，2009108一l11. [4］薛禹群地下水f;J力学原理［MJ.北京地质出版社.1986 28-46. [5］郝治福，康绍忠地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋 势［J］.水利水电科技进展，2006,26 77 81. [6］薛禹群，吴吉春面临21世纪的中国地下水模拟问题［J］.水 文地质工程地质，1999,26 5 3- 5. [7］曹丁涛．东滩矿下组煤奥灰疏降水量数值模拟［JJ.煤炭科学 技术，2011,392 98一102. [8］徐建国南屯煤矿奥灰放水试验的数值模拟研究[JJ.山东煤 炭科技，20091148-153 ChaoXing