厚松散含水層排水的數(shù)值模擬

1、厚松散含水層排水的數(shù)值模擬杭遠(yuǎn)，張改玲，楊國勇煤炭資源和煤礦安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國礦業(yè)大學(xué)，資源與地球科學(xué)學(xué)院，中國江蘇省徐州市221008摘要：隨著松散含水層下煤炭開采上限的增加，對第四系底部含水層的排水已成為一個避免突水突砂發(fā)生的重要方法。位于山東省西南部的太平煤礦第八區(qū)，第四系的底部含水層的產(chǎn)水能力屬于中等水平。在石炭、二疊系的隱伏煤田中，煤層上方的基巖非常薄。因此，一個來自地面工作人員和專家小組的全面的降水方案是建議降低地下水位，以確保煤礦安全生產(chǎn)。根據(jù)第八區(qū)的水文地質(zhì)條件，我們建立了一個數(shù)值模型，以使我們能夠模擬地下水流的排水過程。通過使用反向建模法，利用過去的數(shù)據(jù)，得到了我們想要

2、的仿真參數(shù)，比如平均滲透系數(shù)12m/d和彈性儲水系數(shù)0.002。同理，我們預(yù)測了地下水的運(yùn)動方向和水位變量并且排水工程取得了顯著的效果。盡管在開采過程中覆巖被破壞，但是由于底部含水層中的地下水水位被降低到安全水平，因此沒有發(fā)生潰水或潰沙現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：水下采煤；突水突砂；松散含水層；排水；數(shù)值模擬1 介紹近年來，在我國東部，北部和西北部地區(qū)，隨著開采上限的增加，大量煤炭是從位于松散含水層之下?lián)碛胁煌a(chǎn)水能力的地下煤礦中開采出來的。在一些淺層煤田中，采掘引起的斷裂隙往往貫穿上覆的薄地層，同時連接上松散含水層的頂、底板，導(dǎo)致突水與突沙現(xiàn)象的發(fā)生。分析大量的事故表明，在開采之前對含水層進(jìn)行排水可以成為

3、防止水和沙涌入的重要方法。地質(zhì)和水文條件的復(fù)雜多變，造成了松散含水層毗鄰煤層開采過程中往往被干擾。排水速率，地下水水位的升降和有效半徑在排水過程中會隨時間不斷變化。因此，當(dāng)務(wù)之急是設(shè)計排水工程時計算這一動態(tài)數(shù)據(jù)并且精確評估排水的影響。一些研究人員構(gòu)建的啟東煤礦和桃源煤礦第四紀(jì)松散含水層的三維模型利用有限差分法模擬地下水排水過程。他們的研究成果為我們?nèi)绾卫眠@種有限元方法進(jìn)行排水模擬研究提供了參考。我們把太平煤礦作為研究對象，分析了研究區(qū)第四紀(jì)松散含水層底部的水文地質(zhì)條件后構(gòu)建了一個三維數(shù)值模型。在進(jìn)行反向建模后，得到了平均滲透系數(shù)，我們預(yù)測了排水過程中地下水水位的變化。與此同時，實(shí)現(xiàn)了可視化漏

4、斗并且提出了以可靠性和可視性為基礎(chǔ)的方案評估與優(yōu)化設(shè)計。最終，通過對厚松散含水層底部和上覆薄基巖的排水保證了礦區(qū)8309工作面的安全生產(chǎn)。2 水文地質(zhì)條件作為一個石炭、二疊系模糊不明的煤田，太平煤礦位于山東省兗州煤田西南部。主要煤層是3號煤層，厚度8.38至9.6米。大約2000萬噸的地質(zhì)儲量位于含水層以下。主要含水層包括第四系的松散砂和礫石，侏羅系的砂巖、砂礫石，煤層中的砂巖和灰?guī)r以及寒武系和奧陶系灰?guī)r。在這些含水層中，頂部的砂巖和已風(fēng)化煤層薄弱并且在采掘過程中會被逐漸排干，所以他們很少影響煤炭開采。寒武系和奧陶系的石灰?guī)r含水層距3號煤層有一段距離，因此從底板到工作面沒有突水威脅。此外，在太

5、平煤礦中還有幾個小斷層，由于他們是短期運(yùn)動并且屬于封閉結(jié)構(gòu)，因此很少危及煤礦生產(chǎn)安全。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，厚的第四紀(jì)松散地層分為三組。頂部是一層富含水層，其比容量從1.411L/(S . M)至2.022L/(S . M)。中部是一層隔水層。底部是一層含水量中度至良好的含水層，其比容量從0.0636L/(S . M)到0.634L/(S . M)。由于中間隔水層巨大的厚度，有效地切斷了上、下含水層之間的水力聯(lián)系。因此，底部含水層對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成了最大威脅。在底部含水層中存在廣泛的粘土層，其厚度從0.35到11.7米不等。在當(dāng)?shù)氐膭兾g帶中，如果粘土太薄，底部含水層和風(fēng)化帶之間的水力聯(lián)系會變得很微弱。

6、土壤的性質(zhì)，如塑性指數(shù)、粘土含量和粒度分布，證明了這層粘土基本上是個不透水層并且在一定程度上可以阻礙上、下含水層之間的水力聯(lián)系。3 水文地質(zhì)概念模型太平煤礦第八區(qū)，其第四系的底部含水層，主要由中-粗砂組成，其次是細(xì)-粉砂，總粘土含量較低。開采之前，由于底部含水層既沒有向上與頂部含水層的水力聯(lián)系，也沒有向下與砂巖頂部和煤層風(fēng)化帶的聯(lián)系，所以它常被認(rèn)為是一種承壓含水層。此外，一層粘土隔水層位于含水層之下。底部含水層的厚度從27.60至45.98米不等，所以我們總結(jié)出了在排水過程中地下水流的三維非穩(wěn)定流動狀態(tài)?？紤]到含水層介質(zhì)是均勻的整體并且滲透性在不同的方向上沒有明顯的差異，我們簡化了含水層的假設(shè)

7、，假定它是均勻和各向同性的沉積物。同一含水層的水文地質(zhì)條件，在周邊煤礦沒有被損壞。一旦太平煤礦第八區(qū)的底部含水層開始排水，排水漏斗將會出現(xiàn)并且周邊地區(qū)豐富的地下水將會大量流入。所以，我們定義的邊界是一個擁有穩(wěn)定通量的補(bǔ)給邊界。為了提高排水效率，我們計劃在第八區(qū)中從地面和井下工作面同時進(jìn)行全面地排水。首先，我們在東大巷8303排水巷和8309工作面中設(shè)計了多個排水孔以確保8301、8303和8305工作面的采礦安全。從二零零一年十月三十日起，所有這些排水孔開始排出底部含水層中的水。根據(jù)對礦區(qū)內(nèi)四個鉆孔長期觀測得到的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，各個鉆孔的初始水位約相當(dāng)于排水前水位，因此水孔水位被確定為一個與平

8、均海拔62.0米相當(dāng)?shù)乃矫妗ｋm然有大量的排水孔，但是單孔排水量很小。為了簡化計算，我們結(jié)合小排放鉆孔，在合適的地點(diǎn)創(chuàng)建了組合鉆孔（如圖一）。主要的研究區(qū)域，8309工作面，計劃是在二零零五年一月至八月采掘，但是由于其薄的覆蓋層基巖，在開采時突水隱患將會更大。二零零四年十二月以來，在采掘開始前約一個月，我們在地面另外設(shè)置了5個抽水孔，并計劃抽取地下水，以確保8309工作面大面積開采的安全。由于隨著時間的推移改變了底部含水層的設(shè)計總排水量，我們在模型中把內(nèi)部邊界定義為變化的排水邊界。圖一 第八區(qū)的排水方案示意圖4 脫水模擬模型4.1數(shù)學(xué)模型在前面所討論的水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建的數(shù)學(xué)模

9、型如下：其中，滲透系數(shù)K(L/T)，彈性儲水率s，地下水水位H(L)，排水孔數(shù)量mp，第i個孔的排水量Qi(L/T)，第i個孔的坐標(biāo)(xi,yi)(L,L)，第i個孔的二維狄拉克函數(shù)值(xi,yi)，模擬區(qū)，模擬區(qū)的初始水位H0(L)，模擬區(qū)的第二類邊界條件2，外法線方向n和模擬區(qū)在第二類邊界條件下的通量q(L/T)。我們利用克里格有限元方法通過FEFLOW5.1仿真軟件計算出了該數(shù)學(xué)模型。4.2單元剖分考慮到所需的計算精度，我們把模擬區(qū)細(xì)分為含有2114個節(jié)點(diǎn)的2005個三角形單元（如圖二）。由于8309工作面對于研究區(qū)域十分重要，所以我們特別注意對其三角形單元的正確精煉。此外，為了獲得準(zhǔn)確

10、的數(shù)據(jù)，所有的鉆孔都放在了節(jié)點(diǎn)上，如排水孔、抽水孔和觀察孔。圖二 有限元網(wǎng)格4.3驗(yàn)證和分析為了驗(yàn)證仿真模型，我們引用了以前的數(shù)據(jù)和模擬地下水系統(tǒng)。經(jīng)過對模擬和觀測結(jié)果的對比并且一次又一次地修改參數(shù)后，模擬結(jié)果良好的匹配了觀測數(shù)據(jù)。通過比較排水初始階段兩個長期觀察孔的模擬水位和觀測水位來驗(yàn)證該模型。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整參數(shù)，我們得到的滲透系數(shù)為12m/d和彈性儲水系數(shù)為0.002，這是符合水文地質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時保證了預(yù)測的可靠性。5 地下水水位預(yù)測仿真模型驗(yàn)證后，我們開始對第八區(qū)在排水條件下的地下水徑流的預(yù)測，預(yù)測期從二零零三年六月一日至二零零六年二月。然后，在運(yùn)行模型后，我們記錄了不同時期的大量地

11、下水水位。根據(jù)地下水水位等值線圖，當(dāng)含水層中的地下水被抽出時，地下水從初始水位開始下降，并逐漸形成了一個漏斗。最終，我們預(yù)測，最低水位高程是108.6米，位于漏斗中心的錐頭高程是46.6米。二零零五年二月十五日、五月十五日和八月十五日的地下水水位等值線圖如圖三所示。它表明了8309工作面在開采過程中排出地下水的動態(tài)。初始水位高程為81至102 米。完成采礦時，水位高程下降到86至108米之間，地表基巖以上的承壓水頭從10-31下降到4-26米。換句話說，基巖以上的最大承壓水頭為31米。 圖三 8309工作面地下水水位等值線圖流沙的臨界滲流梯度的實(shí)驗(yàn)研究表明，在地下工作中初始水位是控制流沙的可能

12、性的關(guān)鍵因素。理論估計和開采實(shí)踐證明，太平煤礦基巖之上的安全承壓水頭為32至38米，低于這一水位時，水沙災(zāi)害就不會發(fā)生。因此，它表明，排水工程可以降低地下水位，使其保持在一個安全的水平同時避免了突水突砂。6 開采實(shí)踐排水工程按計劃進(jìn)行。我們在工作面上鉆了177個地下排水孔并形成了三個最大排水量316m3/h的排水渠。從地面依次鉆了五個抽水孔，從二零零四年十二月開始抽取地下水直到二零零五年九月。長期的水位觀測顯示，在8309工作面采掘期間，所有觀測孔中的底部含水層的地下水水位于二零零五年八月十六日下降到最低（如圖四）。經(jīng)過我們的計算，我們得到了8309工作面的最大承壓水頭為31米，這一數(shù)值符合我們的模擬結(jié)果，并且低于安全水位。圖四 觀測孔的地下水水位此外，位于第四系底部的粘土在一定程度上可以承受水壓。最終，太平煤礦第八區(qū)的315多萬噸煤炭資源被安全開采，期間沒有任何突水突砂事故發(fā)生。7 總結(jié)1）在對山東省太平煤礦第八礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，建立了一個在厚松散含水層之下采煤的三維水文地質(zhì)數(shù)值模型來模擬一個地面和工作面同時進(jìn)行的全面的排水工程。2）根據(jù)初始排水階段的觀測數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進(jìn)行了核實(shí)和檢查。利用反向建模從以往的數(shù)據(jù)中計算出滲透系數(shù)和彈性儲水系數(shù)。數(shù)值模型成功地預(yù)測了8309工作面在排水