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Vo l . 53 No . 5 Ma y 2022 第30卷第3期 2022年05月 黑龙江科技大学学报 Jo u r n a l o f Heil o n g jia n g Un iv er sit y o f Sc ien c e w a t ea l e v d; r e c h a r a e ； n n mCc o l simu l a t io n; w o r a in o fa c o 收稿日期收稿日期2226 -23 -35 基金项目基金项目国家重点研发计划项目2637YFC0824126 作者简介作者简介穆鹏飞1984 -,男，陕西省蓝田人，助理研究员，硕士，研究方向矿井水害防治,E-ma il 286315104q q . 20mo 220黑龙江科技大学学报第30卷 煤矿采煤工作面的回采,使煤层顶板岩体原始 应力状态遭到破坏，引起应力重新分布，从而使围岩 产生变形及破坏，逐渐形成顶板导水裂隙带［0,并 沟通煤层顶板上覆含水层水体，地下水沿裂隙带涌 入矿坑，而导水裂隙带未波及到的含水层地下水，由 于直接充水含水层涌入矿坑中地下水的疏排，水位 降低，矿井含水层水力梯度的变化导致裂缝带未波 及到的含水层地下水的水位下降和越流向下补给排 泄水量的增加⑵，为了研究矿井采煤对含水层地下 水的影响，采用Visu a l Mo dfl o w数值模拟软件预测 采煤工 采 水裂隙带未波及 的 水层地下水的动态变化规律⑶。 1水文地质概况与导水裂隙带 1.3水文地质概况水文地质概况 井田位于山西省太行山西麓，属于华北型煤田, 矿井规划开采石炭系上统太原组C3t的O号煤 层，顶板上覆主要含水层为太原组1〈2、1〈3、【〈4灰岩 含水层，单位涌水量0.008 6 0.24 L/s m；山 西组IJ砂岩含水层，单位涌水量0401 0 Ls m；下石盒子组K8砂岩含水层，单位涌水量 0.107 L m;上石盒子组IK。砂岩含水层含水 层十5,单位涌水量0.107 Ls m0含水层富水 性划分为弱富水性g W0. 1 Ls m,中等富水性 0. 1 gW1.0 L/s m o 13导水裂隙带导水裂隙带 O号煤层平均厚度5.67 m,顶板主要由砂质泥 岩、细砂岩和石灰岩组成，岩体抗压强度为12. 2〜 99.9 Mpa,煤层开采后导水裂隙带发育高度依据 煤矿防治水细则⑷，按中-坚硬岩石考虑，计算 公式如下 100 0 1.2 y d2.0 d---煤层厚度,m; 根据井田内地质水文钻孔资料，计算得到煤 层开采后顶板导水裂缝带发育高度为65. 72〜 90 39 m, 般高度72.64 m,如表1所示，而10号 煤层顶板至太原组IKIKK灰岩含水层底板平均 距离分别为17.66 m、35.45 m和52.94 m,至山西 组K砂岩含水层底板平均距离93. 11 m,至下石盒 子组K砂岩含水层底板平均距离104. 72 m,至上石 盒子组IK。砂岩含水层底板平均距离282.64 m,如 表2所示。 经煤层顶板导水裂隙带发育高度与煤层顶板含 水层位置关系对比分析,1号煤层开采后顶板导水 裂隙带未发育至下石盒子组K砂岩和上石盒子组 IK。砂岩含水层。 表1部分钻孔导水裂缝带计算结果 Ta bir 1 Ca l c o l a t io n r esel t s o f pa r t ia i bo r eh o l e dr ein a g e fr ec t u r e zo n e 孔号高度/m孔号高度/m孔号高度/m K-11265.72K-06175.94K-10723.42 K-03666.12K-11975.94K-10223.55 K-09266.92K-9975.94K-02124.46 K-03262.30K-08375.12K-06624.46 K-04662.70S-475.32K-03924.22 K-10362.90K-05475.73K-03324.32 K-OSl62.33K-10275.73L-7524.94 K-02462.42K-11375.73L-3425.72 K-1126 2.4 2K-11975.73K-05725.39 S-269.42L-3276.75K-26290.39 表2煤层与含水层距离 Ta bie 2 Dist a n t bet w een c o a t seem a n d a q u ifer 层位关系最小距离/m最大距离/m平均距离/m 11号煤层至K10.352. 7707766 1号煤层至K29. 3043.393.7.. 1号煤层至K42.146673052.94 1号煤层至K60307119.0193700 15号煤层至K4023307209.77164.71 11号煤层至K］。274.24323.4222276. 2地下水数值模拟 建立水文地质概念模型,运用地下水动态模拟 软件Visu a l Mo dfl o w建立模拟区地下水流数值模 型切，利用矿井实测水位,绘制实测流场，校正数值 模拟参数及模型，最后利用校正后的数值模型来预 测采煤对含水层水位及越流排泄水量的影响。 2.3含水层概化含水层概化 根据矿井地层沉积厚度、岩性类型、含水层孔隙 特征、水文地质参数、水力联系以及导水裂缝导通情 况等，在垂向上将模拟区含水层概化为第一层为上 第3期穆鹏飞采煤对含水层地下水水位和水量的影响261 石盒子组;第二层为下石盒子组;第三层为山西组； 第四层为太原组。 盒子组为砂泥岩互层的复合含水岩组,砂 岩含水层与泥岩隔水层互层分布，垂向 层隔水 性能良好， 将 化为各向异性地层,通过降 低垂向渗透系数将其表征为隔水层。山西组IJ砂 岩含水层和太原组12、13、］4灰岩含水层为煤层开 采 水裂隙带沟通的含水层,两层共用相同 水头。 2.2模型范围和边界条件概化 将水库的 外扩1.5 km的矩形区域 水 , 西长8 km,南北 宽 10.2 km,面积 81.6 km2。 下石盒子组砂岩和上石盒子组IJ。砂岩含 水层初始水位流场及 研究区边界类 如图 1所示,其中西-2边界、北2 -3边界、南4 - 边界 外含水层 水向 内［径 流补给，概化为补给流量边界;东3 -4边界 ， 区内含水层 水向 外 流排泄，概化 排泄流量边界； 中 水库, 内含 水层地下水的主要补给 ，概化 水头边界;模 边界 覆盖层 露 直 受 大气降雨的入渗补给和蒸发排泄； 的 边 界为1号煤层，可概化为隔水边界⑻。 曰井田边界；曰模拟边界；宓等水位线 旦规划采区；□水库范围；陞陆域范围 图1石盒子组含水层初始流场及边界类型 Fig . 1 In it ia l fl o w fiel d a n d bo u n da r y t ype o f Sh it ezn r o r ma t io n a q u ifer 太原组K2.K3.K4灰岩含水层和山西组砂岩 水层 始 水 流场及 边 界类 如 图 2 所6,其中西1-2边界、东3-4边界与含水层的 水位等值线基本垂直， 内外含水层互补非常微 ，概化为零流量边界⑼；北2 -3边界 内含 水层 水向 外 流排泄， 化 排泄流 量边界;南4-1边界 外含水层地下水向模拟 内 流补给， 化 补给流量边界。 32「 876 n880 8 896 曰井田边界 圄规划采区 ;曰模拟边界 ;□水库范围 ;匝等水位线; ;芯陆域范围 图2太原组和山西组含水层初始流场及边界类型 Fif. 2 In it ia d fl o w fiel d a n d bo u n da r y t ype o f Ta iyu a n fo r ma t io n a n d Sh a n x t fo r ma t io n a q u ifer 22地下水流数学模型 根据研究区内煤层顶板分布的含隔水层厚 度、岩性、水文参数等特征， 一个非均 质、各向异性、空间立 、非稳定流的水文地 a -1］,其数学模型表达式如下 d / / dh \ 3 “ dh \ 3 “ dh \ 誌5 h 5 花心花莊二 Ssh’d,,,〉0, 「0 \,,, ,eQ, IT 二\4,y,z, ,0, ,,,,〉0, h 小 0,〉0, 式中h地下水位标高,m; Q---边界上的单位渗流量,m3/d ； \----初始流场,m; \1 一定水头边界水头高度,m; n边界外法线方向； K渗透系数,m/d； r水头边界； 厂2-------流量边界； 262黑龙江科技大学学报第30卷 厂3---------隔水边界； Q计算域； 莊一潜水 的垂向补给或排泄强度,L/d ； S含水层的储水率,L/m； 心、心、心---含水层渗透系数冲々； t---时间，d。 3模拟结果与分析 3.2地下水流模型结构地下水流模型结构 3.1. 2空间离散及含水层结构数据 采用等间距有限 的离 水 自动 , 元的行x列x层按 102 x 80 x 4划分，各沉积地层顶、底板高程数据（等 值线）根 钻孔资料统计 。 3.1.2边界条件 内的水库概化为水头边界（r边界）；上 石盒子组和下石盒子组地层的东、南、北、西边界，山 西组和太原组地层的南、北边界均概化为流量边界 （r边界），模型通过流量边界与外界进行水量交 ；山西组和太原组东、西部边界以及 边界 化为隔水边界（r边界）；模型中 排水采用 WEL孔井流子 包实现，孔井的抽水量 表 示抽水，抽水量为矿井涌水量，约为68 m3/h。 3.1.3 初始条件 含水层 水的初始流场以2013年9月井田 内所有目标含水层水文孔实测的 水水 「基 , 合 水文 条件、参 合考 虑，各含水层地下水初始流场口2,如图1和图2 所6。 3.2模型校正模型校正 研究 流场拟合来校正 ，进 一步深化 研究区内的水文 条件，确定出能 水流系统实际情况的水文 参数，进 水水 水量变化的 预 [13 一 ⑷。 由于下石盒组K和上石盒组IK。砂岩含水层 压含水层，地下水水 化受外界 ，地 水动态变化 ，可将 一个 水文年内 流场 相同的含水层，故丰水期与枯水期流场 相似。 以2013年9月（枯水期）统测的流场 始流 场,运行 计算2018年10月（丰水期）流场,2013 年10月计算流场与实测流场拟合情况如图3所6, 从图3可以看出，仁者 形态拟合效果较好。 2 3 三井田边界；匝实测流场；□计算流场; 三模拟边界；□水库范围；□陆域范围 图3流场拟合 Fig . 3 Fl o w Oel d Ot t in g 3.2水文地质参数水文地质参数 参数，模型校正后得到预 的水文 参数见表3 ,参数分区如图4所6。 表3模型参数 Ta bl e 3 Mo del pa r a met er 名称心/m-d-1 心/m - d-1 KJm - d“S/o m-i 上石盒子组①分区055850.58505005858 x 10_5 上石盒子组②分区053570.35705003575 x l 0- 5 上石盒子组③分区057870.78705007873 x l 0- 5 上石盒子组④分区0.4420.4420.204 425 x l 0_ 5 下石盒子组0.3420.3420.001 715 x l 0- 6 山西组0.2120.2120.221 226 x l 0- 5 太原组0.1390.1390.013 906 x l 0- 5 2 3 曰井田边界；曰模拟边界；二参数分区 同规划采区；□水库范围；□陆域范围 图4上石盒子组参数分区 Fig . 4 g r r n p pa r a met er pa r t it io n 第3期穆鹏飞采煤对含水层地下水水位和水量的影响263 3.3地下水水位和水量的预测 15号煤层工 采所形成的导水裂隙带直 接沟通太原组KKK.灰岩和山西组K砂岩含 水层 水, 水层的 及 水的疏排，推 采工 覆含水层及 采区周边 水影响半 内的含水层水位逐渐出 度的降 低[⑸，从而引起1号煤层 水裂隙带未沟通 的下石盒子组K和上石盒子组IK。砂岩含水层的 水力梯度发生变化，改变了原有水力平衡，使K砂 IK。砂 水层 水垂直向下越流排泄，进 引起含水层的水 水量发生变化。 根 采煤 ，研究区内逐 成北、中、 3个 工 的开采，根 工 的开 采 采 进行了预测“，各 采 ,15号煤层 水裂隙带未沟通的 盒 子组K 盒子组K10含水层 水最大水位 降深为0.25 m,结合含水层水文 参 ，换算导水裂隙带直接沟 水层越流排泄水 量 145 m3/d,水位降深 如图5所示。 2 3 4 耳井田边界；曰模拟边界；西水位降深 旨规划采区；□水库范围；□陆域范围 图5含水层水位降深 Fig . 5r edu c t io n o f a q u ifer 4结束语 研究 1号煤层开采后, 水裂隙 带的形成，直接沟通太原组KKK.灰岩和山西 组K砂 水层 水,使其成 直接充水水 源;未沟通的 盒子组K砂 盒子组Ku 砂 水层，成 的 充水水源, 防治 水安全够成潜在的影响,通过地下水流三维动态数 ， 预 内煤层 采 盒 子组K砂 盒子组K]0砂 水层地下水 的流场动态变化 ，其中含水层2和K10 水受采煤的 ，最大水位降深为0.25 m,预计垂 向向下进 的越流排泄量为145 m3/d,该研究 未来开采及水文 条件相 疏排水 工 重要的 。 参考文献 [0]谭 毅，郭文兵，杨达明，等非充分采动下浅埋坚硬顶板 “两带”高度分析[J].采矿与安全工程学报，2017, 345 245 -250. 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