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贵州大学硕士学位论文 1 贵 州 大 学 2017 届硕士研究生学位论文 贵州复杂岩溶充水矿床涌水量 预测-以青龙煤矿为例 学科专业 地质工程 研究方向水文地质与工程地质 导 师 丁坚平 研 究 生 丁航航 中国﹒﹒贵州﹒﹒贵阳 2017 年 3 月 分 类 号 P641.41 论文编号 2014021277 密 级 公开 万方数据 贵州大学硕士学位论文 2 目录目录 摘要摘要 ............................................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................................. II 第一章第一章 绪论绪论 .............................................................................................................................. 4 1.1 研究目的及意义 ................................................................................................................... 4 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................... 5 1.3 研究内容、关键问题及技术路线........................................................................................ 6 1.3.1 研究的主要内容及方案 ............................................................................................... 6 1.3.2 技术路线 ....................................................................................................................... 8 第二章第二章 研究区概况研究区概况 .................................................................................................................. 9 2.1 位置与交通 ........................................................................................................................... 9 2.1.1 矿井位置、范围............................................................................................................ 9 2.2 自然地理 ............................................................................................................................... 9 2.2.1 地貌水系 ....................................................................................................................... 9 2.2.2 气象及地震 ................................................................................................................. 10 2.3 老窑、岩溶陷落范围及分布情况 ................................................................................... 10 2.3.1 老窑分布情况 ............................................................................................................. 10 2.3.2 岩溶陷落范围及分布情况 .......................................................................................... 11 2.4 环境水文地质 ................................................................................................................... 11 第三章第三章 井田地质构造特征井田地质构造特征 ................................................................................................... 12 3.1 区域构造 ........................................................................................................................... 12 3.1.1 区域构造概况 ............................................................................................................. 12 3.2 井田构造 ........................................................................................................................... 13 3.2.1 褶 曲 ......................................................................................................................... 13 3.2.2 断 层 ......................................................................................................................... 14 3.2.3 矿区内构造规律的初步分析 ...................................................................................... 15 3.3 岩浆活动 ........................................................................................................................... 17 万方数据 贵州大学硕士学位论文 3 3.5 地层、煤层及煤质特征 ..................................................................................................... 17 3.5.1 地 层 ...................................................................................................................... 17 3.5.2 煤系地层 .................................................................................................................. 22 3.5.3 开采技术方法与煤层顶、底板工程地质条件 ....................................................... 25 3.6 构造对水文地质的影响 ..................................................................................................... 30 第四章第四章 水文地质水文地质 .................................................................................................................. 32 4.1 区域水文地质概况 ........................................................................................................... 32 4.1.1 地形、降水及地表水 .................................................................................................. 32 4.1.2 含水层 ........................................................................................................................ 33 4.1.3 隔水层 ........................................................................................................................ 35 4.2 矿井水文地质条件 ........................................................................................................... 35 4.2.1 矿井水文地质类型 ...................................................................................................... 35 4.2.2 含、隔水层与矿床充水关系 ...................................................................................... 35 4.2.3 地下水补给、迳流、排泄特征分析 .......................................................................... 39 4.3 本矿井充水因素 ................................................................................................................. 39 4.3.1 矿井充水水源 ............................................................................................................ 40 4.3.2 矿井充水通道 ............................................................................................................ 41 第五章第五章 矿井涌水量预测矿井涌水量预测 ......................................................................................................... 45 5.1 数值法 ................................................................................................................................. 45 5.1.1 Visual MODFLOW 概述 ................................................................................................ 45 5.1.2 建模步骤 .................................................................................................................... 45 5.1.3 水文地质概念模型 ..................................................................................................... 46 5.1.4 模型结构 .................................................................................................................... 48 5.1.5 模型的识别与检验 ..................................................................................................... 53 5.1.6 涌水量预测 ................................................................................................................ 56 5.2 解析法 ................................................................................................................................. 57 5.2.1 直接充水含水层矿井涌水量测算 ............................................................................. 57 5.2.2 间接顶板含水层涌水量估算 ..................................................................................... 62 万方数据 贵州大学硕士学位论文 4 5.3 预算结果评价 ..................................................................................................................... 63 第六章第六章 结论及展望结论及展望 ................................................................................................................ 64 6.2 结论..................................................................................................................................... 64 6.2 展望..................................................................................................................................... 65 致致 谢谢 ................................................................................................................................... 66 参考文献参考文献 .................................................................................................................................. 67 附录附录 ......................................................................................................................................... 71 万方数据 贵州大学硕士学位论文 I 摘要摘要 矿床水文地质是把地下水作为需要防治和排除的对象而加以研究的。因此， 加强矿床水文地质工作，不仅能够保证能源与矿产开发的安全，还能相对提高我 国的能源与矿产资源的产量，意义十分重大。 本文以贵州黔西青龙煤矿为研究对象， 通过对涌水量预测方法的学习和了解， 在收集有关资料的基础上，分析了矿区的地质条件和水文地质条件，包括矿区地 质构造特征和水文地质概况。在此基础上选择数值法、大井法和水文地质比拟法 作为涌水量预测方法，取得了以下研究成果 1）本文在对区域和矿区地质条件、水文地质条件分析的基础上，初步分析 了矿区内构造发育规律，确定了构造对水文地质的影响，以及煤层顶底 板工程地质条件。 2）根据矿井目前开采情况，确定了主要开采煤层有 16、17、18 煤层，现阶 段开采以二叠系上统组 16 煤层为主。 3）在水文地质分析的基础上分析了其主要含、隔水层的岩性和水文地质特 征，确定了含、隔水层与矿床充水的关系。以及矿井的充水水源和充水 通道。 4）在矿区地质条件和水文地质条件基础上，确定了矿区东南边界为隔水边 界，西北边界为隔水边界，西北边界为变水头边界，东北边界为排泄边 界。 5）本文在对含水层结构分析的基础上，将茅草铺组及上部第四系概化为第 一层潜水含水层，夜郎组概化为第二层承压含水层；将长兴岩溶裂隙承 压含水层和龙潭岩溶裂隙含水层概化为第三层灰岩承压含水层。利用 Visual Modflow 软件建立相应的地下水三维水流模型。 6）利用建立好的模型用来预测矿井涌水量，并与解析法计算结果进行对比 分析。预测结果可为矿区开采的排水设计提供可靠的依据。 关键词关键词涌水量预测；岩溶充水矿床；解析法；Visual modflow；青龙煤矿 万方数据 贵州大学硕士学位论文 II Abstract The hydrogeology of the deposit is the study of groundwater as an object of need for prevention and removal. Therefore, to strengthen the mineral hydrogeological work, not only to ensure the safety of energy and mineral development, but also a relatively increase in Chinas energy and mineral resources reserves. This paper takes Qinglong Coal Mine as the research object, through the s for forecasting water inflow of learning and understanding, on the basis of the ination collected, analyzed the geological conditions and hydrogeological conditions, including geological structure and hydrogeological characteristics. On the basis of numerical , well and hydrogeological analogy as the prediction of water inflow, get some results 1 Based on the analysis of regional and geological conditions, hydrogeological conditions, a preliminary analysis of the development rules of structure in the area, to determine the effect of structure on the hydrogeological and engineering geological conditions of coal seam roof and floor. 2 According to the present mining situation of the mine, it is determined that the main coal seam has 16, 17 and 18 coal seams. At present, the 16 coal seam of the upper Permian ation of Permian is the main coal seam. 3 On the basis of hydrogeological analysis, the lithology and hydrogeological characteristics of the main aquifers and aquicludes are analyzed, and the relation between the aquifer and the water filling of the deposit is determined. And the filling water source and the water filling channel of the mine. 4 Based on the geological conditions and hydrogeological conditions, the southeast boundary of the mining area is divided into the water separation boundary. The northwest boundary is the water separation boundary. The northwest boundary is the variable water head boundary, and the Northeast boundary is the drainage boundary. 万方数据 贵州大学硕士学位论文 III 5 Based on the aquifer structure analysis, the maocaopu Quaternary ation and upper generalized as the first layer of phreatic aquifer, Yelang group are generalized into second confined aquifer; Changxin karst fissure aquifer and Longtan karst fractured into third aquifers bearing limestone aquifer. A three- dimensional groundwater flow model is established by using Visual Modflow software. 6 The model is used to predict the water inflow of mines, and the results are compared with those calculated by the analytical . The prediction results can provide a reliable basis for drainage design of mining area. Key words Water inflow forecast; Karst water filling deposit; Analytical ; Visual mudflow; Qinglong Colliery 万方数据 贵州大学硕士学位论文 4 第一章 绪论 1.1 研究目的及意义 矿井突水是煤矿重大危害之一，我国有许多矿山受到矿井水害的威胁，煤矿 生产常常是在与矿井水作复杂斗争中进行的。由于水文地质条件复杂，造成有些 矿井，由于水大，不仅大大增加了生产成本，而且也在不同程度上威胁着矿山的 安全生产（虎维岳等，2016） 。贵州是我国矿产资源开发的重要省份之一，随着 贵州经济发展，对矿产资源的需求日益增加。因此，新矿区的开发逐渐增加，老 矿区开采深度加深。特别是由于复杂的矿区岩溶水文地质条件相对复杂，导致对 矿坑涌水量的预测准确度不高，预测精度达不到要求。 这就导致了矿坑涌水量的 预测值与实际值偏差太大， 从而影响矿石的正常开采，严重时导致矿井水事故的 发生（彭辉才等，2013；曾牡丹等，2013） 。矿井涌水造成的事故在贵州矿产开 采地区也是时长发生。 例如， 2004 年贵州思南天池煤矿发生特别重大涌水事故， 造成不同程度的人员死亡和失踪，经济损失 783 万元。2008 年贵州省安顺市柏 秧林煤矿发生一起涌水事故，多民矿工被困井下。结果造成 1 人死亡的事故。 2011 年贵州省平塘县牛棚煤矿发生突水事故等。 在矿井建设和生产过程中， 矿井涌水量是矿山防水措施和排水设计的主要依 据， 以便根据矿井的具体条件制定出合理的措施。但是矿井涌水造成的事故却时 长发生，造成不可估计损失（陈酩知等，2009；崔杰，2009； ） 。其主要原因是对 矿区水文地质条件调查和分析不充分，而且受到矿井采矿活动的影响，破坏自然 的水文地质条件，导致原本复杂的水文地质条件发生变化，同时更为复杂和具有 动态变化的特征，导致矿井涌水量的预测误差大，尤其是超深开采，对矿坑涌水 量的预测精度变低（杜敏铭等，2009；毛邦燕，2005） 。为了减少矿井涌水事故 的发生， 如何预测矿井涌水量还需要进一步展开深入的研究。以往传统方法由于 受限于本身数学语言能力刻画的限制， 无法精确的对复杂岩溶充水矿床涌水量进 行预测，同时数值法本身对于资料的精度要求很高计算量很大，所以本文将采取 解析法和数值法，两种方法进行涌水量预测对比，提高涌水量的预测精度。本论 文选择贵州岩溶充水矿床青龙煤矿为例， 在分析涌水量预测方法的基础上对该 万方数据 贵州大学硕士学位论文 5 矿水文地质条件进行分析，预测涌水量。在理论上有一定的指导意义，同时具有 有一定的实用价值。 1.2 国内外研究现状 在我国矿井相关预测方法大致可以分两类一类为确定性的数学法，其中代 表性的为水均衡法、解析法（华解明，2009） 、数值法（韩玉杰，2014；马青山 等，2015） ；另一类为非确定性预测法（统计分析方法） ，如水文地质比拟法（傅 大庆，2016） 、模糊数学模型（梁冰等，2009；凌成鹏，2007） 、回归（相关）分 析法、时间序列分析法（高召宁等，2010） 、灰色系统理论（姚有利等，2012； 张宏刚，2012）等。目前在矿井涌水量预测方面较为迅速发展的是数值模拟和模 糊数学模型。 国外相对我国而言，在预测矿井涌水量时，方法多、资料全、分析得较细、 水文参数较准。在预测方法上，欧美多采用非稳定流解析法，他们不仅考虑井筒 排水时地下水不稳定状态， 还考虑了井筒开挖过程中裸露段高及裸露时间的长短。 而前苏联仍以稳定流解析法为主，根据实际情况，部分地区也用非稳定流解析法 进行预测。在稳定流解析法时采用了层流和紊流公式，完整井和井底进水的不完 整井公式（马秀媛等，2011；郑琳等，2014） 。 然而，矿井涌水量使用不同的方法都存在一定的预测误差，误差的存在是多 方面的冯书顺等，2016。例如解析法需要将实际条件进行理想化概化后才进行 计算， 预测精度不高；人工神经网络法在矿井涌水量预测方面因其特有的方法限 制有的地方还需进一步研究;水文地质比拟法等需要在以往研究基础上进行统计 计算的方法对实际涌水量数据的真实性要求严格， 且影响矿井涌水量因素的地质 关系复杂，用数学语言刻画较为困难；另一方面，矿井水文地质条件的与开采范 围和进度有关。随着开采的进行，开采深度加深，水文地质情况也会改变。之前 使用的预测方法， 已不能客观的反映水文地质状况 （施龙青等， 2016； 骆祖江等， 2015） 。 数值模拟是利用计算机作为媒介与有限元相结合应用于地质学的方法， 能够 形象的客观地反映模拟区的地质特征，刻画复杂的边界情况， 模拟研究区边界性 质与水力特征，模拟矿区水文地质情况，刻画出一个与矿区相似的数值模型（陈 万方数据 贵州大学硕士学位论文 6 凯等，2013；冯更辰等，2011） 。数值法用微分方程和近似分割原理去描述矿区 条件， 在此基础上弥补了传统预测方法的在描述地质条件时过于理想化所带来的 不足与限制，使预测矿井涌水量更精确。数值法因为其较高的预测精度和适用范 围，现如今成为矿井涌水量的主要使用方法之一。但其也有一定的缺点，数值在 模拟过程中对矿区的水文地质情况和水文参数要求很高， 对原始数据的要求很多。 利用 Viasual Modflow 进行涌水量预测是利用了其在建立数值模型的基础上，设 置抽水井模拟抽水，疏干含水层达到模拟矿区开采抽水的情况，从而进行模拟预 测（冯书顺等，2016；郭小铭等，2013；骆祖江等，2010） 。 煤矿采掘方案和排水能力设计的合理性依赖于矿井涌水量预测的准确性， 同 时决定了煤矿是否能安全生产或减少生产过程中涌突水， 所以精确越策矿井涌水 量至关重要。 但是， 由于地域差异性， 不同地区的地质条件不尽相同且复杂多样， 导致影响预测因素很多。 同时随着开采的进行， 地质条件发生着不同程度的改变， 使得自然条件下的影响因素也随着地表和地下环境条件的改变而处在不断动态 变化之中，也随着开采的进行发生着不同程度的改变（刘国等，2007） 。所以， 对于一个新煤田还是老矿区， 矿井涌水量的预测是需要不断持续进行的一个复杂 工作。目前，在大多数以往煤田预测中，发现使用常规预测方法预测出的涌水量 与实际发生涌水量误差很大， 甚至有十几倍的误差，从而导致矿井突水事故频繁 发生，对矿工生命和矿井的生产安全造成严重威胁。 通过对比传统方法之间的使 用条件认识到矿井涌水量预测影响因素大致可以划分为两个方面①实际水文地 质条件复杂且呈动态变化难以用有限的勘探技术手段充分认识②为了计算需求， 水文地质条件概化过于理想化，结果导致水文地质参数不具有代表性，有时确是 对方法了解不充分，使用预测方法的选择不恰当。因此，对于新煤田，在加强对 地质条件的勘探工作充分认识矿区地质的基础上如果前期在采用常规的矿井涌 水量预测方法的基础上， 通过使用计算机模拟的方式研究提高其预测精度的改进 方法，提高涌水量预测精度，对指导煤矿的安全生产具