开滦蔚县矿区地下水流数学建模.pdf

2 0l 4年 1 2月 第 4 3卷第 6期 中国矿 山工 程 Ch i n a Mi n e En g i n e e r i n g 4 9 开滦蔚县矿 区地下水流数学建模 Ma t h e ma t i c a l mo d e l i n g o f u n d e r g r o u n d wa t e r flo w i n Ka i l u a n Yu x i a n mi n i n g a r e a 王剑 峻 ( 河 北开 滦 ( 集团 ) 蔚 州 矿 业 公 司 北阳 庄 矿， 河 北蔚 县0 7 5 7 0 0 ) 摘 要 ： 通过对 开滦蔚县矿 区水文地质条件概化和分析 ， 建立矿 区地 下水流数 学模 型 ， 应 用 于矿 井涌水量 和疏 降水量的分析 、 计 算 ， 为 矿 井 防 治 水 害 和 疏 水 降 压 工 程 提 供 理 论 依 据 。 关键词 ： 矿 区；水流 ； 数 学建模 Abs t r a ct ： Thr o u g h t he g e n e r a l i z a t i o n a nd a na l y s i s o f h y dr o g e o l o g i c co n di t i o ns o f Yu x i a n mi n i n g a r e a i n Ka i l u a n，t h e ma t h e ma t i ca l mo de l o f u nd e r g r o u n d wa t e r flo w wa s e s t a b l i s he d， a n d t h e mo d e l wa s u s e d t o a n a l y z e a n d ca l cu l a t e mi n e i n flo w g r o wt h a n d wa t e r di s cha r g e qu a nt i t y I t pr ov i d e d t h e o r e t i ca lu n da t i o n f o r t he p r o t e ct i o n a nd co nt r o l o f wa t e r di s a s t e r s，a n d d e wa t e r i n g a nd r e l i e v i n g o f pr es s ur e e n g i n e e r i n g K e y wor ds： m i ni n g a r e a；wa t e r flo w ；m a t h e m a t i c a l mo de l i ng 1 前言 河 北省 张 家 口地 区蔚 县 盆地 按构 造格 架及 水 文地质 条 件 的差异 ， 可将 该 水文 地 质单元 划 分为 5个块 段 ： 蔚县 南 山断层 以南 块 段 (I) 、 蔚 县 南 山 断层 以北 、 壶 流 河 断 层 以南 块 段 ( ) 、 暖泉一 大湾 断 层 以西 、 壶 流 河 断层 以 北 块段 ( I I I ) 、 松 枝 口一 右 所 堡 断层 以东 块 段 ( I V) 、 壶 流 河 断层 以北 、 暖泉一 大 湾断 层 以东 ， 松 枝 口一 右所 堡断层 以西 、 阳原南山断层 以南块段 ( V) 。其中第 V块段位于 蔚 县 盆地 中北 部 ， 为煤 田分 布 区。 开滦 蔚 县 矿 区位 于 该 块 段 中南 部 ， 包 括 崔家 寨 、 单 侯 、 南 留庄 、 北 阳 庄 、 德 胜 庄 等井 田。蔚 县 矿 区煤 系基 底 为 华 北 型 奥 陶 系 灰 岩 ， 主 采 煤层 开采 普遍 受到 奥 灰 水威 胁 ， 矿 区地 下 水 流 数 学 建 模 是 防治奥 灰水 害 ( 包 括 疏 水 降 压 等 ) 的 理 论 依 据 和 前 提 条件 。 2 水 文地质 条件概化 2 1计算 范 围及 边界 条件 概化 V i s u a l Mo d fl c， W软件 是 一 套 用 于 空 隙 介 质 中的 地 下 水流 动 数 值 模 拟 的软 件 ， 该 系 统 建 立 了 合 理 的 Wi n d o w s 菜单 界 面与 可视化 功 能 ， 增 强 了模 型数 值模 拟能 力 、 简化 了三维建 模 的复 杂性 ， 尤 其 在 实 现 水 文 地质 结 构 三 维 可 视化 方 面具 有优 势 。蔚县 矿 区岩溶 地 下水 系统 属于蔚 县 盆地 水文 地 质单元 第 V块 段 ， 计 算 区 域尽 可 能 以天 然 边 界 为界 ， 减小 模 型计算 的误 差 。 因此 ， 其 范 围北起 基 岩灰 岩露头及地层隔水边界 ， 南至壶流河断层 ； 东部边界为松 枝 口一右 所 堡断层 ， 西部边 界 北起 灰岩 露头 ， 沿 F 1 断 层 ， 至大湾一 暖泉与壶流河断层的交汇处 ， 模 拟计算 区域面 积 为 6 8 5 2 6 k m ， 见图 1 。 第6 期 王 剑 峻 ： 开滦蔚县矿 区地下水流数学建模 5 1 f 一 _1 ， 4 E 士 ：j ； _= 北 阳 庄 田 厂 ， f L 一 I 单 侯 井 睡 ? 、 q 、 I 2 曩 、 ， 一 f 1 l 。 、 r | U 、-一 ， ， 图 2主 径 流 分 析 图 个 断 面 的侧 向量按 下式 计算 ： Q =0 1 KI B MAT 式 中 ： Q 地 下水 侧 向量 ， 正 为流 人 量 ， 负 为 流 出 量 ， m a； K 断面 附近 的含 水层 渗透 系数 ， m d ； ， 垂 直 于断 面 的水力 坡度 ； 曰 断面 宽度 ， k m； 含 水层 厚度 ， m； 计算 时 间 ， d 。 根据矿 区大型抽水试验确定的奥灰边界和渗透 性 分 区 图 ， 计 算 出露 头 区补 给量 。 ( 2 ) 北 阳庄 井 田疏 水 降压 前 补 给 量 的 确定 。 由 水 文地 质 条件 可 知 ， 北 阳庄 井 田在 蔚 县 盆 地 的径 流 区 ， 该 矿 区的补 给项 以同层 含水层 的侧 向补 给为 主 。 经 过 计 算 得 出蔚 县 矿 区 奥 灰 含 水 层 补 给 量 为 l 7 2 3 6 41 0 m a ， 北 阳 庄 井 田 的 侧 向 补 给 为 45 5 X 1 04 m a 。 ( 3 ) 北 阳庄 疏水 降 压 情况 下补 给 量 的 确定 。北 阳庄 矿 区在煤 层开 采前 的疏 水 降压 使得 整个 区域 的 源 汇 项改 变 ， 水 位 整 体 下 降 ， 并 形 成 新 的 漏 斗 ， 疏 水 降压 完成 形成 地 下水 流场 新 的均 衡 ， 北 阳庄 井 田 目 前 以 1 4 9 1 m h的疏 水 量 进 行 疏 水 降压 ， 引 起 该 矿 区 的水力 梯度 增 大和补 给量 的大幅 增加 。新 的均 衡 形 成 补给 排泄 项 变化 ， 补 给项 主要 为侧 向补 给 ， 蔚 县 煤 田西北 部 奥 灰 含 水 层 露 头 边 界 补 给 和西 部 边 界 ( 北段 ) 的暖 泉一 大湾 断层 边 界 流 入 ； 原 有 的侧 向排 泄 已不再是主要排泄项 ， 主要的排泄项为疏水降压 的人 工排 泄 。经过 计算 得 出北 阳庄 井 田疏水 降压 情 况 下 的侧 向补 给 为 1 8 8 31 0 m a 。 4数学模型建立及软件 系统转化 4 1数学模 型 建 立 根据 研 究 区水 文地 质 条 件 ， 北 阳庄 井 田地 下 水 系统水 文地 质概 念模 型 相对 应 的三维 非稳 定 流数学 模 型如 下 ： O x( ) + ( ， ) + 3 (、 K O H ) + W = ( ， 。 ) ， 0S Y t L ， ， J ， H( ， Y ， ， t )l ： 0 =H 0 ( ， Y ， z ) ( ， Y ， z ， t ) ( =日 1 ( ， Y ， ， t ) l ： g ( ， ) a I ( ， Y， z )B2 式 中 ： 日 含水 层水 位 ， i n ； ： 刀 始 水位 ， i n ； 日 各含 水层 层边 界水 位 ， 13 3 ； K K 、 、 Y 、 方 向 的渗 透 系数 ， m d ； s 承压 水储 水 系数 ， 无 量 纲 ； q 第二类边界上的单宽流量 ， m d ； 汇 源项强 度 ， m d ； 日 、 曰 一 一 分 别为 水头 边界 、 流 量边 界 ； 渗 流 区域 ， 1 3 1 ； 时 问 ， d 。 4 2模 型 结构 ( 1 ) 计 算 区 域 剖 分 ( 空 间 离 散 ) 。根 据 V is u a l M o d flo w 4 2的要 求 ， 在 一定 剖分 原 则基 础上 对 计算 区域进行网格 剖分 。计算 时在 、 y方 向上先等距 剖 分 1 0 01 0 0个 网格 ， 然后 再将 蔚 县矿 区范 围进 行 加 密 ， 最 终 网格 为 1 3 91 5 5 ， 总 网格 共 计 2 1 5 4 5 个 。 其 中将模拟范围外 的网格设 为不活动单元格 ( 即不 参 与模 型 计算 ) 。 ( 2 ) 模 拟期 的确 定 。衡 量 一 个模 型是 否 正 确可 靠 、 能 否用 来预 测地 下水 系 统 的动态 变化 特征 ， 取决 于两个 方 面 的因素 。一 方 面模 型 的识 别要 符 合地 下 水系 统 的结构 与 功能特 征 ， 另一 方面 模 型要 收敛 、 稳 定 。为 了描述地 下 水 系统 的数学 模 型收 敛 、 稳 定 ， 本 次模型识别计算 时期 为 2 0 0 9年 4月至 2 0 1 1年 1 2 月 ， 满 足一 个 水文 年 要 求 。 为 了使 模 型 能 反 映 地 下 水变化规律 ， 并考虑