潘北矿A组煤层底板高承压水数值模拟及疏水量预报_赵雨晴.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.3 Jun. 2014 COAL GEOLOGY 2.安徽理工大学，安徽淮南232001; 3.淮南矿业集团潘北煤矿，安徽淮南232088 摘要建立高承压含水层数学模型，识别其参数特征，是预报不同开采方案下该合水层水量合理疏 放大小的依据．在分析潘北煤矿地质及水文地质条件基础上，利用-490m水平4个阶段放水试验成 果资料，利用Modflow建立了A纽煤层底板灰岩水渗流水文地质模型及其数千直模型，经识别和验证 后，获得了太原纽灰岩含水层水文地质参数，并结合“交水系数”，分别预报了-490m和650m 水平 在确保A纽煤层安全开禾下的疏放量，其计算结果，给太原纽灰岩水的防治提供了决策依据。 关键词潘北煤矿；放水试验；数值模拟；交水系数；疏水量预测 中图分类号P641;TD74 l 文献标识码ADOI I 0.3969/j.issn.l001-1986.2014.03.013 Numerical simulation of high pressure confined water in the floor of seams group A and prediction of dewatering volume in Panbei coal mine .3 2 ZHAO Yuqing12, XU Guangquan2, SHI Ancai , LIU Lihong , ZHANG Haitao2, YI Weigong 2 I. Nanjing Uniνersity, Nanjing 210093, China; 2. Anhui Uniνersity of Science and Technolog;ιHuainan 232001, Ch11w, 3. Panbei Mine, Huainan Mining Group, Huaina月232088,China Abstract Based on analyzing the hydrogeological conditions and the data from discharge test of different stages at --490 m level, numerical simulation model and hydrogeological conceptual model have been built about limestone aquifer discharge under the bottom of seams group A through software Visual Modflow. After identification and verification, hydrogeological parameters of limestone aquifer in Taiyuan ation were obtained, and in com- bination with coefficient of inrush water, dewatering volume at level --490 111 and - 650 111 was calculated respec- tively under the condition of assuring mining safely. Mining production indicates that the calculation results con- to actual situation and also provide reference for control of li111estone water inrush. Key words Panbei coal mine; discharge test; numerical simulation; coefficient of inrush water prediction of dewatering volume 高承压水上采煤的安全问题一直是煤矿防治水 重点研究内容［I］，尤其是我国华北型煤田，在下部 煤层开采过程中受到石炭系太原组灰岩水、奥陶系 灰岩水直接威胁。除常规地面勘探于段之外，利用 矿井下放水试验来进一步查明其水文地质条件［2-71, 并结合数值模拟计算，预报安全水压下的不同开采 水平疏放量［8-10），是确保煤层安全开采一项重要保 障措施。 安徽淮南潘北煤矿的可采煤层隐伏于巨厚松散 层之下，掩覆于太原组、奥陶系地层之上，是新生界 松散砂层孔隙水与岩溶水充水类型的多种突水水源 的复杂型矿井。为此，在该矿-490m水平上施工了 一条近东、西走向的放水试验巷道，实施井下放水工 程，获得了翔实的基础资料，为进一步分析矿井水文 收稿日期2013-01-25 基金项目国家自然科学基金项目（41201017 地质条件，预测疏放水量提供了重要的前提条件。 1 矿井水文地质特征 1.1 地质概况 潘北煤矿位于淮南煤田中部水文地质单元区， 在潘集背斜北翼及局部转折端处，地层向上而下依 次为新生界松散含、隔水层，二叠系、石炭系、 奥陶系、寒武系地层等。其中，二叠系的山西组和 上、下石盒子组均为含煤地层。整个矿井为单斜构 造，区内有Fl、F70、F66、F69和F72共5条断层。 其中，Fl和F70断层在本次放水试验研究区范围内。 由于受榴皱和矿区断层控制，井回内还发育了多条 中、小断层，如DF13、DF9、Fa-I、OF、DFl-1 和WFl断层等（阳1、罔2）。 作者简介赵雨晴（1988一），女，安徽宿州人，博上研究生，从事7.]文和水资源研究e ChaoXing 56 煤田地质与勘探第42卷 E二二二二二3 0 200 400m l - 3 C 西 十二1 - 匀，．－，l I - IIJ GEC 十十一十 . 图l潘北煤矿放水试验场地布置及构造图 Fig. I Site of discharge test and geological structure in Panbe1 」21... 21.60 I S 」止一___QJ_主一 口「21..6021.73 ,,,.-- SI 7。15’19”EN17。15’””E飞＼ 1王1l_l-「 川5对于一哇导 Q 0 200 400 m 罔2潘集背斜构造剖面罔 Fig.2 Cross-section of Panji anticline 1.2 矿井水文地质条件 根据矿井上、下综合水文勘查成果及构造控水 分析，将矿井以DFl断层为界，分为东翼和西翼两 个块断。其中，东翼位于Fl、石炭系露头及DFl 断层之间，其富水性相对较差，涌水量15～20m3/h。 西翼位于石炭系露头及DFl断层之间，其富水性相 对较好，涌水量160-200旷／h。 目前，对A组煤层开采有直接影响的为太原组 C31石灰岩含水层，间接影响的为奥陶系和寒武系灰 岩含水层。 a.太原组灰岩含水层该层分为12～13层，总 体上富水性较弱，但在潘集背斜露头区富水性中等． 其中第3、4两层灰岩距离煤层近，总厚度约为12m。 裂隙较为发育，渗透系数为0.02340.697 mid，单 位涌水量0.00386-0.306 L/s 时，富水性弱一中等， 矿化度为2010- 3 400 mg/L，水化学类型多为 Cl-Na型，少数为S04CI-Na型。在疏放下通过 不同尺度的断层和裂隙，接受灰岩露头区本层灰岩 及下部奥陶系和寒武系灰岩含水层的补给。 b.奥陶系灰岩含水层厚度为99.92～109.33m, 主要为灰质白云岩，以及泥质灰岩，少数为钙质泥 岩、铝质泥岩，偶见角砾状灰岩。单位涌水量为 0.034- 0.769 L/sm），富水性为弱至中等。矿化度为 2 431.52 910 mg/L，水化学类型为Cl-Na型，pH 为7.52～8.29。 c.寒武系灰岩含水层总厚965.50m，单位涌 水量为0001 50.866 L/sm）。 以上3个含水层在潘集背斜露头区，岩溶裂隙 较发育，富水性较强。 1.3 -490 m 水平灰岩巷道放水试验 为查明A组煤层底板下灰岩的水文地质条件， 利用一490m 水平灰岩巷道东翼的12个钻场、2个石 ChaoXing 第3期赵雨晴等潘北矿A组煤层底板高承压水数值模拟及疏水量预报 57 门（ESI、ES2）以及西翼9个钻窝、l个石门（WSl 的放水及观测孔（图I），在东翼保持正常放水条件 下，对西翼进行放水试验，试验经过了总恢复阶段、 WSI石门东侧钻孔放水一恢复阶段、WSI石门西侧 钻孔放水一恢复阶段以及西翼总放水阶段等4个阶 段。通过试验，不仅初步查明了区内不同断层的导 水、隔水性，同时也获得了大量阶段性试验数据， 为数值模拟计算提供了基础资料。 2 灰岩放水试验数值模拟 2.1 水文地质概念模型 模拟计算目的层为太原组C3I组灰岩，包括4个薄 层灰岩，厚度为33.22m，其岩榕裂隙发育，富7j性弱 至中等。采用等效概化方法，将其视为等效含水层。 由于C3l组灰岩露头覆盖厚层新生界茹土隔水 层，它不与上覆松散含水层发生水力联系，其含水 层补给主要来自于灰岩露头区侧向补给，以及通过断 层来自下部奥陶系灰岩及寒武系灰岩含水层补给。因 此，研究区边界性质为C3I组灰岩顶部露头区为隔 水边界，底部为弱补给边界，东部和南部Fl断层到 灰岩露头处均为隔水边界，西部灰岩隐伏露头区为补 给边界；北部－750m开采水平等值线边界为水头边 界。据此，将C3I组含水层概化为顶部隔水，底部弱 透水，四周为流量边界、中间通过断层控制的非均质、 各向异性的二维承压非稳定流地下水流模型。 2.2 数学模型 由以上通过对A组煤层底板C3l灰岩水文地质 条件分析，要建立与之适应的水文地质概念模型相 对应的二维非稳定流数学模型，即 a aH a aHι8H 一（T一）＋一（T一）＋〉启＝＊－－；－ ax ax司yay ax Hxι0 H0x,y x,y）εQ Hx,y,t I「1Hx,yx,y）εr, I T孚｜「2qx,y,t （盯）εr2 on 式中T为导水系数，m2/d;H0、H分别为太灰的 初始水位和计算水位，m;Q为钻孔放水量，m3/d; i为放水钻孔的数量；μ＊为贮水系数；M为含水层 厚度，m;t为时间，h; r，、r2为一、二类边界； Q为计算区域。 整个模型计算采用基于有限差分方法的MOD FLOW进行求解。 2.3 模型识别与验证 2.3.1 模型建立 a.模型剖分依灰岩含水层的厚度变化特征 以及含水层内部结构特点，并考虑其水位动态变化， 对研究区进行了二维剖分。其南北长I700 m，东西 宽6400 m，平面｜二音lj分为300行，300列，共计 90 000个单元。 b.初始条件利用201l年9月6日900各观 测孔的水位作为初始水位，采用插值法绘出区内地 下水初始流场。 c.模拟时段选定选取放水试验的第一阶段作 为模型的识别期，即201i年9月6日90017 lJ 600, 历时lI d，共分为78个山力期；选取放水试验第4 个阶段作为验证期，即201l年10月31日900一门 月15日900，历时’16d，分为86个应力期。 2.3.2 棋i型识别与验i正 识别阶段采用的观测孔共有12个，分别为补 KZIO孔、八西线Cr孔、补KZI4孔、补水IC31孔、 WSIC／飞l孔、WSC/-5孔、WSIC／飞4、WSIC／飞 2、WSIC/F-2补孔、WSI C/1-2孔、十四C3l -I 孔、十C3I -2孔。 验证阶段采用的观测孔共6个，分别为补 KZ I O孔、八西线Crl孔、WSIC／下－5孔、十四C3I -2 孔、十西C3I -1孔、补KZ14孔。 采用标准化残差均方根计算其准确性，其计算 公式为 RMS 2 x晰）盯1 其中RMS为误差均方根，其计算公式为 RMS＝.／工艺（XcalX阳23 n 式中X叫为地下水位计算值，m;X白为水位.则值，m。 通过计算发现大部分拟合结果较为理想（阁3）。 但在补7.Kl C31孔、DFI及DF70断层附近的拟合精 度不高，计算和观测孔水位之差在5～10m。 通过识别和验证期12个和6个长观数据的模拟 计算结果，整个模拟期内标准化残差均方根为 l.7.3，绝大多数对比点落在95置信区间内（罔4）。 2.4 含水层参数分区 利用识别与验证两个阶段资料，反复模拟认识研 究区边界条件和含水层内部结构及调整含水层参数， 并结合放水试验中一些结果，采用反演方法l川］，确定 了参数合理分区，其平面分区如罔5，参数值如表l。 3 两水平安全开采涌水量预报 3.1 突水系数 为准确评价煤层底板突水危险性程度，采用突 水系数法预报煤层底部灰岩含水层突水的可能性， 其计算公式为 ChaoXing 第42卷 寸N∞l 煤田地质与勘探 －v∞咀l 58 100 U才ruJI h b WSIC33下－2fL 200 口WiWIJf在 ＋计算但 －y∞由－l ＝＼判｝u专 口W测f在 ＋计算值 100 时＇aJI h a WSIC33下－4孔 200 －vN∞一l E＼叶 －TUA一飞 ＋计算值 ‘r、 的－o－lm－CN｜ ε＼升｝ V争气 - A U m - o ml 口Ww11J值 ＋计算值 － vh∞ 寸严∞ 一l FFE ＼叫 于υ『飞 寸hh∞Nl L一一」 200 时间／h 100 200 U才fujI h 100 。 c WSIC33上－UL 图3部分观测孔水位拟合曲线 Fitting curves of water level of partial observation wells c WSIC33下－2fL Fig.3 表1C31组灰岩含水层参数值 Hydrogeological parameters of confined limestone aquifer in Group C31 Table I 10 9 8 7 6 5 4 3 2 分区编号 0.2 0.005 0.02 0. 1 0.01 0.001 0.001 0.001 0.0001 0.005 渗透系数／（rnd-1 117｝（系数IIo- 0.06 4 0.02 0.2 2 0.2 0.02 10 6 10 19 18 17 16 15 14 13 12 II 分区编号 渗透系数／（rnd-1 贮JJ系数IIO 4 0.001 0.02 0.1 2 0.04 2 0.05 0.2 0.5 0.02 0.6 0.02 0.2 0.04 0.2 哩。ml 2 。l 95置信区间 一－95区间 咀 eon －－ 图5试验区水文地质参数分区 Zonation of hydrogeological parameters of dewatering 全水压，MPa；几为临界突水系数，MPa/m。 依据煤矿防治水规定［12］，结合潘北煤矿灰 岩水文地质条件，本次只值选取为0.05MPa/m。针 对目前情况，未满足安全突水系数条件，未来煤层 开采需要进行疏水降压。 疏水降压设计 为实现承压水上安全开采，本次设计分两个水 平阶段进行，并使得T0.05 MPa/m。因现有突水 系数均大于Ts，需对底板太原组灰岩含水层实施疏 水降压。依公式（4）计算在-490m 水平，C3I组灰 二二二3 0 300 600 m Fig.5 唱OmN l 咀Omm － E＼NUV 有林立 3.2 -30.6 图4计算水位与实测水位关系阁 Relation between the calculated water level and the meas1』redwater level -230.6 -130.6 观自由l水位Irn -330.6 4 m; p为安 Fig.4 P＝ζM 式中M为煤层底板至灰岩顶板的距离， ChaoXing 第3期赵雨晴等潘北矿A组煤层底板高承压水数值模拟及疏水量预报 59 岩水位疏降最低至--420m时满足要求；--490←650m 水平C3I组灰岩水位最低疏降至－570m时满足要 求。为此，按照工作面设计分别在两巷道内增设放 水孔（图6一图9）。 等水位线 放水巷道 斗乙放水钻场 －＝二＝二3 0 300 600m 图6--490 m 水平放水下C31组灰岩含水层等水位线（放水至第180天） N 单位m Fig.6 Contour of water level of limestone aquifer of Group C31 at level -490 m during dewatering test 180 days -./0.2叫突水系数 －－」 0 200 400 rn 一一一一－等水位线 一一放水巷道 丛乙放水钻场 －二三二三3 0 300 600m 6551 安全刀采范Ir.I 图7--490 m水平A组煤层安全开采区（放水至第180天） Fig. 7 Safe mining area of seams group A at -490 m 180 days 图8-650 m 水平放水下C31组灰岩含水层等水位线（放水至第180天） N 单位m Fig.8 Contour of water level of limestone aquifer of Group C31 at level - 650 m during dewatering test 180 days -./0.2〔交；.k系数 －一－一－－寸 0 200 400 rn E主2 支斗tJF采范韦｜ 图9-650 m 水平A组煤层安全开采区（放水至第190天） Fig.9 Safe mining area of seams group A at - 650 m 190 days ChaoXing 60 煤田地质与勘探第42卷 3.3 疏放水量预报 3.3.l -490 m水平C31纽灰岩疏放水量 利用以上识别模型，初始水位为模型验证阶段结 束时C31组灰岩水位，井下Jffi[放水量由ll月15日的 152.34 m3月1（东翼19.13m3/h.国翼133.21m3/h），增至 419.92m3月1（东翼19.13m3角，西翼400.79m3/h）。 经模型计算当疏放至第180天时．490 m水 平东、西翼A组煤层绝大部分处于安全水压之下， 如罔6、图7所示，满足承压水下安全开采条件。 但在背斜转折端，尚没有满足安全开采要求条 件，突水系数T均大于0.05MPa/m。 3.3.2 - 650 m 水平C31组灰岩疏放水量 该水平放水孔设计及疏放量是基于-490m水平 疏放之上。模拟初始水位为490m 水平的疏放结束 时水位，因此，除-490m水平巷道放水外，在-650m水 平巷道新增疏放量为176.67m3/h。其中，东翼17.92m3剧， 西翼158.75旷／h。 利用识别模型模拟发现，当放至第190天时， - 650 m水平A组煤层下部除局部地段外，多数处于安 全水斥，之下（图8一图坷，其突水系数T，，三0.05MPa/m。 4结语 利用井下放水试验不仅查明了区内东翼和西翼宏 观水文地质条件，识别校正的模型，结合安全突水系数， 更重要的是预报了2个水平保障安全开采下所需的疏 放水茧，与实际较为符合，且为下一步太原组灰岩水防 泊提供重要决策依据。通过模拟计算发现该矿因受构 造控水影响，在局部块断仍然处于非安全水斥之下。因 此，实施局部疏水降斥，是最有效措施之一。此外，该 （上接第54页） 代大气降水的补给，地下热水滞留时间长，7.K岩反应强 烈，水交替异常缓慢；华阴地区位于秦岭山前洪积扇上， 断层切割深达基底，导通了地下热水与外界的联系，长 期大气降水的入渗淋滤，该处地热水为沉积水和古溶滤 水的昆合水，TDS非常高（33733.0 mg/L），接近海水， 指示华阴地下热水，滞留时间最长，水岩反应剧烈，7_ 交替异常缓慢，为热储环境非常封闭的地下水，更新能 力比较弱，应限制其开采量。 参考文献 川陕西省地质调查院．陕西省关中盆地地热资源、调查评价fR］.西 去．陕西省环境监测总站.2008 [2］权新昌，拍形世关中盆地消南城区地热资源、分布规律与开发 建议［J］.中国煤田地质，2004.166 19 21 [3] ＝［佟.f气莹陕西渭河盆地地热资源赋J了’特征研究［J］.西安科 矿东、西翼水文地质条件相差悬殊，西翼灰岩含水层富 水性强一中等，补给、径流条件好，建议下一步在西翼， 采用地面与井下相结合，物探与钻探相结合，抽水与放 水相结合，再进一步查明该区段水文地质条件，采用疏 放与注浆改造底板含水层相结合的防治水措施。 参考文献 [I］邵爱军，如l唐生，召II太升，等．煤矿地下水与底板突水［M］北 京地震出版社，2001 [2］杨小刚，日十勇，因茂虎，放水试验在岱庄煤矿下组煤水害防治 中的应用［月．西部探矿工程，2007,1911 92- 95. [3］谢绍颖，李承军，魏大勇，恒源煤矿深部开采放水试验及防治 水方案［几煤矿安全，2010,3110 54-56. [4］李振华，李见波，徐高明五阳煤矿煤层底板突水评价及防治 技术［J］.煤炭科学技术，2009,373 96 99 [5］邵太生，邵爱军．彭建平峰峰五矿底板突7数值模拟及涌7 量预测（J］.水文地质工程地质，2009,364 27-31 [6］滋国营，王佩璐基于群孔大型放水试验的寒灰水疏放可行性 研究[J］.河南理工大学学报，20门，306674-678. [7］许光泉，桂和荣．矿井大型放水试验及其意义[JJ.地下水． 2002 , 94 200-201 [8］杨兰合，杨国勇邢台煤矿－320m水平矿井涌水量预计’［JJ.中 国煤lfl地质，1995,72 59- 64. [9］张迎秋．魏久传．王敏，等杨村煤矿二、四采区奥灰水放1.k试验 及数值模拟分析[J］.水文地质工程地质，2009.53 I 65---68. [10］李建忠，魏久传南屯煤矿群孔奥陶系石灰岩放水试验及数值 模拟分析［J］.水文地质℃程地质.2010, 372 17-19. [II］李竞生，姚磊华含水层参数识别方法［M］.北京地质出版社， 2003. [12］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局，煤矿防治 水规定［SJ.北京煤炭工业出版社，2009. 技学院学报，2004182 85. [4］马致远，范基娇陕西渭北东部岩溶地下水中硫酸盐的形成 川煤田地质与勘探.2005. 333 45-48 [5］马致远，牛光亮，女I］方陕西消北东部岩溶地下水强径流带的 环境同位素证据及其可更新性评价［汀地质通报，2006,256 756-761. [6］王大纯，张人权．史毅虹，等水文地质学基础（MJ.北京地 质出版社，199555-62. [7］钱会，马致远。水文地球化学［M］。北京地质出版社，2005. [8］沈照理．水文地球化学基础［M］。北京地质出版社，1986. [9］马致远，余娟．关中盆地地下热水环境同位素分布特征及其水 文地质意义［月地球科学与环境学报，2008,304 396-401. [10］马致远，钱会环境同位素地下水文学［M].西安陕西科学技 术出版社.2004. [11] MAZh阴阳，YUJuan, SU Yan, et al. 1i180 shifts of geothermal waterss in the central of Weihe Basin NW China［呵，Environmental Earth Sciences. 2010, 595 995- 1008. ChaoXing