摘要
数值模拟法在模拟矿井涌水量随采掘变化方面具有较高的准确性。本文在构建邵寨井田 5# 煤层顶板至洛河组的三维地下水流数值模型的基础上，根据矿井涌水量台账反算开采后工作面上覆岩层的渗透系数，通过不断调整工作面上覆岩层渗透系数使得模型计算的工作面涌水量与实际工作面涌水量接近，使得模型的渗透系数更符合受扰动后上覆岩层的渗透系数，且能够确定导水裂隙带发育的层位，反算结果表明开采5# 煤层形成的导水裂隙带并未导通洛河组，因此，矿井涌水量偏小。回采1202工作面时矿井涌水量预测为88 m³/h；回采1503工作面时矿井涌水量预测为121 m³/h；回采2501工作面时矿井涌水量预测为 137 m³/h；回采 1505 工作面时矿井涌水量预测为 157 m³/h；回采 1203 工作面时矿井涌水量预测为 179 m³/h；回采2503工作面时矿井涌水量预测为187 m³/h。
Abstract
The numerical simulation method has high accuracy in simulating the variation of mine water inflow with excavation. On the basis of constructing a three-dimensional numerical model of groundwater flow from the roof of the 5 # coal seam to the Luohe Formation in the Shaozhai mine field， the permeability coefficient of the overlying strata on the mining face is calculated based on the mine water inflow ledger. By continuously adjusting the permeability coefficient of the overlying strata on the working face， the calculated water inflow of the working face is close to the actual water inflow of the working face， making the permeability coefficient of the model more in line with the permeability coefficient of the disturbed overlying strata， And it is possible to determine the development layer of the water conducting fracture zone. The back calculation results indicate that the water conducting fracture zone formed by mining the 5 # coal seam did not lead to the Luohe Formation， therefore， the water inflow of the mine is relatively small. The predicted water inflow of the mine during mining face 1202 is 88 m³/h； The predicted water inflow of the mine during the mining of 1503 working face is 121 m³/h； The predicted water inflow of the mine during the extraction of the 2501 working face is 137 m³/h； The predicted water inflow of the mine during the mining of 1505 working face is 157 m³/h； The predicted water inflow of the mine during the mining of 1203 working face is 179 m³/h； The predicted water inflow of the mine during the extraction of the 2503 working face is 187 m³/h.
0 引言
涌水量是矿井水害防治工作中重要的基础数据（刘慧等，2023），伴随着矿井的整个生产周期，是矿井水害防治技术方案和技术路线选择的重要依据（贺晓浪等，2020）。矿井涌水量预测方法大致分为确定性的数学模型法和统计分析法（陈酩知等， 2009），对于第一类来说，水文地质条件是否清晰、水文条件是否概化准确都将影响预测结果的准确； 第二类方法只适用于水文地质条件相似的矿井，不具有普遍性（张莉丽等，2017）。马青山和骆祖江 （2015）对内蒙古巴彦淖井田涌水量分别使用解析法和数值法进行预测，结果显示数值法具有较高精度。陈时磊等（2014）建立三维地下水水流数值模型，将复杂的地质体与地下水渗流联系在一起，准确描述了疏降工程的降水过程，充分保证了矿井的安全生产。高瑞忠等（2021）利用物探数据精细刻画地层结构、构建矿区井田三维地质模型，更准确描绘矿区地下水运动规律，提高矿井涌水量精度。随着开采的不断进行，冒裂面积逐渐扩大，工作面涌水量也会随之变化，吴铁卫等（2023）针对鄂尔多斯盆地南部煤矿区矿井涌水量的“阶梯型”增大特征，采用动态比拟法、构建动态比拟预测模型，对矿井涌水量进行预测。王晓蕾（2020）将矿区涌水量作为一个系统，从时空序列中提取地下水变化特征，为涌水量的预测提供支撑，并通过大数据分析预测矿井涌水量。宫厚健等（2018）基于 Visual Modflow 并考虑采掘顺序的矿井涌水量数值模拟结果比较接近实测涌水量。
工作面回采后直接充水含水层的地下水会进入采空区，直接充水含水层水位下降后间接充水含水层的水在水头差作用下会越流补给直接充水含水层，而解析法无法准确刻画间接充水含水层的越流量，而数值模拟法可以对越流量进行动态模拟计算，因此，本文使用Visual MODFLOW软件对邵寨井田5# 煤层开采时的矿井涌水量进行模拟。
1 矿井水文地质
邵寨煤矿位于陕甘交界的甘肃省灵台县城东南，地理坐标（西安 80坐标系）为东经 107°47'29″～107°51'23″，北纬34°58'13″～35°02'18″，地处陇东黄土高原南部，属黄土丘陵塬区，区内沟壑纵横，海拔为920~1300 m。矿井地层自下而上依次出露：上三叠统延长组（T3y）、下侏罗统富县组（J1f）、中侏罗统延安组（J2y）、直罗组（J2z）和安定组（J2a）、下白垩统宜君组（K1y）、洛河组（K1l）和环河组（K1h）、新近系甘肃群（Ng）及第四系（Q）。井田内含煤地层为中侏罗统延安组，从上至下编号为2煤、5煤、8煤，2煤和 5煤位于延安组二段，8煤位于延安组一段。井田内岩层按其含水性、含水类型及水力特征，可划分为5 个含水层组和 3 个隔水层。含水层从上到下分别为：第四系黄土层孔隙潜水含水层、新近系上中新统甘肃群孔隙—裂隙含水岩组、下白垩统志丹群洛河组—宜君组砂砾岩孔隙—裂隙承压水含水层、中侏罗统直罗组—延安组砂岩裂隙承压水含水层组，隔水层从上到下分别为下白垩统志丹群环河组细碎屑岩隔水层、中侏罗统安定组细碎屑岩隔水层、下侏罗统富县组和上三叠统延长群上部隔水层。
2 地下水流数数值模型的建立
2.1 水文地质概念模型
研究区第四系和新近系含水层受环河组隔水层的阻隔，与洛河组含水层水力联系微弱，因此，水文地质概念模型未考虑洛河组以上地层；宜君组砾岩由于胶结程度较好，可视为隔水层；安定组泥岩含量较高，可视为弱透水层；直罗组和延安组是煤层开采的直接充水含水层，且均为砂泥岩互层结构，无明显隔水层，因此将直罗组和5# 煤层顶板以上延安组地层概化为一层；矿井边界为人为划定边界，无自然水文地质边界，因此具体边界条件需要根据含水层的水位特征及水位长期监测数据来不断调整；矿井未来 10 年主要开采 5# 煤层，因此模型底部以5# 煤层底板为界。
2.2 数学模型
根据水文地质概念模型，建立三维非稳定流模型：
(1)
初始条件：
(2)
第三类边界条件：
(3)
式（1~3）中：H 为含水层水位（m）；x、y、z为笛卡尔坐标；Kxx、Kyy、Kzz为坐标轴方向的3个主渗透系数 （m/d）；α和 β为已知函数；t为时间（d）；H0为初始水头（m）；μs为为弹性储水率（1/d）；W为单位体积井流量（m3 /d），抽水时取负号。
2.3 数值模型
运用 Visual Modflow 建立地下水系统数值模型 （图1），用剖分网格对模拟区域进行空间离散化（高启凤等，2023）。
本文采用 SK1、SK2、SK3 和 SK4 长期水位观测孔的水位数据对模型中的渗透系数进行校正，限于篇幅仅给出 SK1和 SK3的拟合曲线（图2、图3）。采用已开采工作面的涌水量监测台账对采后煤层顶板岩层的渗透系数进行校正，通过不断调整渗透系数和水头边界（GHB）的位置、水头以及导水性，使得模型计算结果与实际涌水量相近，以获得采后煤层顶板岩层的渗透系数值，结果表明煤层开采后顶板岩层的垂向渗透系数增大了10~20倍，直罗组、延安组含水层垂向渗透系数接近 0. 05 m/d，安定组垂向渗透系数接近0. 005 m/d，宜君组垂向渗透系数与开采前基本一致，且导水裂隙带没有发育到洛河组。
图1邵寨井田三维地质模型图
图2SK1孔计算水位与观测水位拟合曲线
对模型进行识别和校正后，可以认为数值模型比较接近研究区真实的水文地质条件，可以采用模型进行下一步的涌水量预测。
3 涌水量预测
涌水量的预测采用模型中的 Drain 子模块和 Zone budget子模块联合进行。依据采掘进度，确定工作面开采模拟期，并在该工作面设置排水沟 （Drain），将排水沟疏降水位设置到一定的高程并添加均衡区，同时将开采工作结束的工作面的排水沟周期延长模拟采空区涌水量。运行模型，在输出的水均衡模块中读取工作面涌水量，将其相加作为该时段的矿井涌水量。结果表明开采1202工作面时，矿井涌水量为 88 m3 /h；开采 1503 工作面时，矿井涌水量为121 m3 /h；开采2501工作面时，矿井涌水量为 137 m3 /h；开采1505工作面时，矿井涌水量为157 m3 / h；开采1203工作面时，矿井涌水量为179 m3 /h；开采 2503工作面时，矿井涌水量为183 m3 /h。
图3SK3孔计算水位与观测水位拟合曲线
4 结论
（1）采用已回采工作面涌水量台账对回采工作面导水裂隙带范围内岩层的渗透系数进行了反算，认为导水裂隙带并未发育到洛河组，导水裂隙带主要位于直罗组和延安组、安定组，反算结果表明直罗组、延安组含水层垂向渗透系数接近0. 05 m/d，安定组垂向渗透系数接近0. 005 m/d，宜君组垂向渗透系数与未扰动时基本一致。
（2）回采 1202 工作面时涌水量预测为 88 m³/h； 回采 1503 工作面时涌水量预测为 121 m³/h；回采 2501工作面时涌水量预测为 137 m³/h；回采 1505工作面时涌水量预测为 157 m³/h；回采 1203 工作面时涌水量预测为 179 m³/h；回采 2503 工作面时涌水量预测为187 m³/h。