陜西榆林市杭來(lái)灣煤礦三維地下水?dāng)?shù)值模擬

陜西榆林市杭來(lái)灣煤礦三維地下水?dāng)?shù)值模擬

1海陽(yáng)大學(xué)井段預(yù)測(cè)頂板流量是一項(xiàng)相對(duì)復(fù)雜、困難的工作。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐中積累了幾種方法來(lái)提高礦山流量的精度和準(zhǔn)確性，但需要改進(jìn)的精度和準(zhǔn)確性。杭來(lái)灣煤礦位于陜西省榆林市北部，距榆林城北約20km。該礦可采儲(chǔ)量7.06億t，生產(chǎn)能力800萬(wàn)t/a，服務(wù)年限68a。礦井采用斜井多水平開(kāi)拓，分層大采高綜采。礦井按煤組設(shè)2個(gè)水平，其中，一水平開(kāi)采3、3-1、4-1和5號(hào)煤層，水平標(biāo)高+1010m，大巷沿3號(hào)煤層布置；二水平開(kāi)采7、8號(hào)煤層，水平標(biāo)高+860m，大巷沿8號(hào)煤層布置。礦井首采盤(pán)區(qū)為301盤(pán)區(qū)，首采煤層為3號(hào)煤層。2頂板冒落帶與第四系水害溝通根據(jù)井田水文地質(zhì)勘探資料顯示，井田地下水類型分為第四系松散層孔隙潛水和碎屑巖類裂隙水2類。通過(guò)實(shí)測(cè)裂采比計(jì)算3號(hào)煤層頂板冒落帶導(dǎo)水裂隙帶高度，當(dāng)采用分層開(kāi)采時(shí)，上分層累計(jì)采厚為4.80m，經(jīng)計(jì)算得到冒落帶高度為26.88m，導(dǎo)水裂隙帶高度為100.51m，而3號(hào)煤層上覆侏羅紀(jì)中統(tǒng)基巖厚度在67.51～211.13m，因此采空區(qū)冒裂隙帶一般不會(huì)與第四系潛水溝通；當(dāng)按煤層采全高計(jì)算3號(hào)煤層頂板冒落帶導(dǎo)水裂隙帶高度，礦井部分地段采空區(qū)冒裂隙帶將與第四系潛水溝通，存在第四系水害影響。杭來(lái)灣煤礦井下涌水量主要來(lái)源于3號(hào)煤層頂板砂巖含水層。據(jù)調(diào)查，在3號(hào)煤層回采工作面、各個(gè)聯(lián)絡(luò)巷、3處斜井及掘進(jìn)工作面等均有不同程度的淋水現(xiàn)象。依據(jù)井下涌水量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，礦井月平均涌水量總體呈逐月上升的趨勢(shì)。3預(yù)測(cè)開(kāi)采井的水量數(shù)值法預(yù)測(cè)礦井涌水量是采用三維地下水模擬軟件Modflow，該軟件是一款模塊化地下水模擬軟件，可進(jìn)行三維地下水流模擬。3.1地質(zhì)條件的概念模型和數(shù)學(xué)描述3.1.1第四系潛水含水層由于導(dǎo)水裂隙帶之上的松散層潛水越流進(jìn)入坑道，杭來(lái)灣煤礦先期開(kāi)采地段3號(hào)煤層的礦坑涌水量預(yù)測(cè)模型區(qū)在垂向上應(yīng)該包含3號(hào)煤層及其之上的巖土層（含水層和弱透水層），在平面上盡可能包含井田區(qū)松散層潛水較為完整的水文地質(zhì)單元。杭來(lái)灣井田分屬榆溪河流域，由于第四系潛水與地表水的分水嶺基本一致，所以地表水與松散層潛水均是按溝域形成、分布與運(yùn)移的。在區(qū)域上，第四系潛水含水層的主體為上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組砂層，其次為中上更新統(tǒng)黃土層。第四系潛水含水層的富水性具有西北部地區(qū)較強(qiáng)、東南部地區(qū)較弱的特點(diǎn)，而杭來(lái)灣井田位于中等富水性區(qū)域。綜合考慮區(qū)域水文地質(zhì)特征和溝域水文地質(zhì)單元的相對(duì)完整性以及井田邊界與模型邊界的適度距離（不宜太近與太遠(yuǎn)）等因素，確定將水源取水影響范圍作為數(shù)值模型有效區(qū)的范圍。3.1.2第四系黃土地下水流結(jié)構(gòu)根據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)條件、煤田開(kāi)采范圍以及周圍水環(huán)境特征等綜合分析，確定本次地下水資源評(píng)價(jià)范圍：在水平方向上，北以公里網(wǎng)4277000為界，南至4240000，西以19410000為界，東至19380000，平面面積1110km評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)被風(fēng)積沙所覆蓋，部分地段有第四系黃土。其自上而下為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組及黃土、侏羅系泥砂巖，組成2～3層結(jié)構(gòu)。為了便于地下水流數(shù)值模型計(jì)算，評(píng)價(jià)區(qū)垂向上統(tǒng)一為5層結(jié)構(gòu)，即第四系松散含水層、導(dǎo)水裂隙帶之上原基巖、導(dǎo)水冒裂帶、3號(hào)煤層采空區(qū)；水平方向包含井田所在的榆溪河流域區(qū)，從而構(gòu)建起模型區(qū)的5層結(jié)構(gòu)：第一結(jié)構(gòu)層，以上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組為主體的孔隙含水層，厚度在0～64.92m，成片分布于煤礦現(xiàn)代灘地，含水層主要由松散的粉細(xì)砂夾中粗砂組成，厚度較大，一般在20～50m，是區(qū)內(nèi)第四系潛水主要含水巖組；第二結(jié)構(gòu)層，在基巖承壓水與第四系上更新統(tǒng)潛水之間連續(xù)分布的離石組黃土，其富水性極弱，是本區(qū)潛水與承壓水間主要隔水層，厚度在9.80～120.49m，一般在40～80m；第三結(jié)構(gòu)層，分布于全區(qū)的侏羅系砂泥巖完整巖層，為本區(qū)含煤地層，厚度在15.04～69.10m，總體由北向南，地層厚度增大，且規(guī)律較明顯；第四結(jié)構(gòu)層，分布于全區(qū)的侏羅系砂泥巖層，是透水性較差的孔隙裂隙承壓水含水層，在煤田開(kāi)采區(qū)，是受開(kāi)采影響的導(dǎo)水冒裂帶，厚度在15～30m，冒裂帶由于受巖層大裂隙影響，完全導(dǎo)水；第五結(jié)構(gòu)層，概化的3號(hào)煤層采空區(qū)，厚度為4.8m。3.1.3概化類邊界處理模型區(qū)第四系潛水含水層（1層）頂部邊界為潛水面；潛水含水層四周的西南邊角概化為第一類定水頭邊界，西南邊界南段榆溪河河段概化為變流量邊界（即第三類變流量邊界，按泉集河處理），其余按零流量邊界處理。模型區(qū)第四系弱透水、弱含水的碎屑巖層（2、3、4、5層）周界及5層底界均概化為零流量邊界。3.1.4評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)地下水流數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)區(qū)地下水流數(shù)學(xué)模型如下：3.2預(yù)測(cè)開(kāi)采井的溢流量3.2.1分層開(kāi)采涌水量預(yù)測(cè)依據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)特征以及杭來(lái)灣煤礦先期開(kāi)采地段（301盤(pán)區(qū)及302盤(pán)區(qū)），本次3號(hào)煤層開(kāi)采涌水量預(yù)測(cè)共設(shè)置2種方案：第1預(yù)測(cè)方案：3號(hào)煤層首采區(qū)（301盤(pán)區(qū)及302盤(pán)區(qū)）分層開(kāi)采、平均開(kāi)采厚度4.8m工況下的礦坑涌水量預(yù)測(cè)。第2預(yù)測(cè)方案：3號(hào)煤層首采區(qū)（301盤(pán)區(qū)及302盤(pán)區(qū)）不分層開(kāi)采、平均開(kāi)采厚度8.0m工況下的礦坑涌水量預(yù)測(cè)。3.2.2計(jì)算區(qū)有限差分剖分網(wǎng)將各預(yù)測(cè)方案的大氣降水入滲補(bǔ)給量按面源加入模型，將地下水流模型識(shí)別得到的末流場(chǎng)作為方案預(yù)測(cè)的初始流場(chǎng)，計(jì)算區(qū)有限差分剖分網(wǎng)格如圖1所示。依據(jù)所建立的數(shù)值模型，計(jì)算得到各預(yù)測(cè)方案的末流場(chǎng)、末降深場(chǎng)、降深曲線、泉集河流量以及補(bǔ)排均衡量成果如圖2～5、表1、2所示。4煤層開(kāi)采對(duì)礦井總涌水量的影響(1）根據(jù)數(shù)值模型預(yù)測(cè)結(jié)果，杭來(lái)灣礦井采用分層開(kāi)采煤層時(shí)礦坑涌水量為30805m(2）杭來(lái)灣煤礦開(kāi)采煤層對(duì)地下水位的影響主要集中在開(kāi)采區(qū)及其附近，煤層開(kāi)采導(dǎo)致第四系松散層潛水位降深在0.5～2.5m、侏羅系碎屑巖層承壓水頭降深在3～25m