（地质工程专业论文）基于visual+modflow煤层底板灰岩水疏放性研究——以卧龙湖煤矿首采区为例.pdf

摘要 摘要 本文研究区为卧龙湖煤矿首采区，其总面积约3 4 8 k m 2 。首采位于山西组中 部的1 0 煤。首采区范围内1 0 煤下方约5 0 m 以下为太原群多层灰岩岩溶含水层， 其岩溶发育。经计算10 煤层底板灰岩水水压在0 2 4 m p a - - - 5 6 m p a 之间；太原组 灰岩项水压在2 8 m p a - - - 6 0 m p a 之间：首采区1 0 煤层底板灰岩水突水系数在 0 0 6 m p a m 一- 0 1 6 m p a m 之间，大于0 0 6 m p a m 。得出太灰水是1 0 煤开采时矿井 充水的重要水害。针对首采区开采1 0 煤层时底板太原组灰岩水害，为实现1 0 煤 层安全开采，本文开展了煤层底板灰岩水疏放性研究。 由于研究区未开展灰岩水的放水试验，本文完成了基于v i s u a lm o d f l o w 软件 的研究区井下钻孔放水的数值模拟及结果分析，得到了水位降深分布规律，为1 0 煤开采过程中太灰水放水降压提供理论依据。 本论文建立在卧龙湖煤矿已有地质、水文地质资料的基础上。通过分析研究 区水文地质特征，地下水动态特征，概化了岩溶含水介质系统，建立了卧龙湖煤 矿首采区的水文地质概念模型即均质各向异性的双层结构承压含水层三维非稳定 流模型。并在此基础上，进一步建立了符合实际情况的三维地下水流数学模型。 采用了国际先进的v i s u a lm o d f l o w 软件对该区进行了地下水流数值运算，模拟了 地下水流场的变化规律。此外还在数值模型上进行了井下疏放研究，模拟了在不 同的放水量和放水时间情况下的水位降深分布。根据数值模拟结果，设计了首采 区放水孔的位置、数量及所需放水时间的方案：卧龙湖煤矿首采区岩巷中设计三 i = 1 井，最大抽放量为1 3 2 0 m 3 d ，在3 0 - 9 0 天中水位降深变化为2 0 - - 1 3 5 m ，效果 显著。评价了首采区太灰水疏放方案，能够达到首采区疏放水降压的预期目标， 表明在研究区可以进行疏水降压防治措施。对疏放方案的验证结果，表明所建模 型能够较好地反映本区的实际水文地质条件。 综上所述，本论文探索出适合本研究区的地下水流数值模型，把v i s u a l m o d f l o w 软件应用到底板灰岩水的防治技术和方法当中，为煤矿安全开采选择合 适的防治措施，合理布置放水降压孔的位置，准确地计算放水量，达到安全高效 开采提供了重要依据。 图3 5 表2 1 参8 5 关键词：v i s u a lm o d f l o w ；数值模拟：灰岩水；疏放；模型 分类号：t d 7 4 1 a b s t r a c t t h es t u d ya r e ao ft h i sp a p e ri st h ef i r s tm i n i n gd i s t r i c to fw o l o n g h uc o a lm i n e w h i c hc o v e r s3 8 4 k m 2 t h ef i r s tm i n i n gc o a l b e di sc o a l b e dn o 10i nt h em i d d l eo ft h e s h a n x if o r m a t i o n t h et a i y u a nf o r m a t i o nl i m e s t o n ea q u i f e ra b o u n d sk a r s t , w h i c h b e l o w5 0m e t e r su n d e rc o a l b e dn o 1oi nt h ef i r s tm i n i n gd i s t r i c t t h el i m e s t o n ew a t e r p r e s s u r eo fc o a l b e dn o 10f l o o rw a sc a l c u l a t e d , w h i c hi sb e t w e e n0 2 4 m p aa n d 5 6 m p aw h i l et h ew a t e r - p r e s s u r eo ft h et a i y u a nf o r m a t i o nl i m e s t o n er o o fi sb e t w e e n 2 8 m p aa n d6 0 m p a t h ew a t e rb u r s t i n gc o e f f i c i e n to fc o a l b e dn o 10f l o o ro ft h ef i r s t m i n i n gd i s t r i c ti sb e t w e e n0 0 6 m p a ma n do 16 m p a m , w h i c he x c e e d s0 0 6 m p a m s o t h et a i y u a nf o r m a t i o nl i m e s t o n ew a t e ri st h em o s ti m p o r t a n tw a t e rh a z a r di nw o l o n g h u c o a lm i n ed u r i n gm i n i n gc o a l b e dn o 10 i nt h i sp a p e r , m i n i n gs a f e t yw a si m p l e m e n t e d d u r i n gm i n i n gc o a l b e dn o 1o ，a g a i n s tl i m e s t o n ew a t e rh a z a r do ft h ef h 苫tm i n i n g d i s t r i c to fw o l o n g h uc o a lm i n eu n d e rc o a l b e dn o 1of l o o r s ot h es t u d yo fd r a i n a g e l i m e s t o n ew a t e ru n d e rc o a l b e dn 0 1of l o o rw a sc a r r i e do u t b e c a u s eo ft h ep u m p i n gt e s to fl i m e s t o n ew a t e ri sn o tc a r r i e do u tf o rt h es t u d y a r e a ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fu n d e r g r o u n db o r i n g sd r a i n a g ec o u r s ef o rt h es t u d y a r e ai sc a r r i e do nb yu s eo fv i s u a lm o d f l o wi nt h i sa r t i c l e ，t h er e s u l t sa r ca l s oa n a l y z e d i nt h i sa r t i c l e t h ed r a w d o w nd i s t r i b u t i o no fw a t e rl e v e la r eo b t a i n e d , w h i c hc a ns u p p l y t h et h e o r yg i s tf o rp u m p i n ga n dd e p r e s s u r i z i n go ft a i y u a nf o r m a t i o n sl i m e s t o n ew a t e r i nt h ep r o c e s so fm i n i n gc o a l b e dn o 10 b a s e do nt h ea n a l y s i so fg e o l o g i c a la n dh y d r o l o g i c a ld a t ao fw o l o n g h uc o a l m i n e , k a r s tw a t e r - b e a r i n gm e d i as y s t e mw a sg e n e r a l i z e da n dt h eh y d r o g e o l o g i c a lc o n c e p t u a l m o d e lo ft h ef i r s tm i n i n gd i s t r i c to fw o l o n g h uc o a lm i n ew a ss e tu pb ya 叫y z a n gt h e h y d r o g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d w a t e ro ft h e s t u d ya r e a t h em o d e li s h o m o g e n e o u sa n i s o t r o p y ，d o u b l e - d e c k e ra n dc o n f i n e do f3 d u n s t e a d y f l u i df l o wm o d e l f u r t h e r m o r e ，am o r ed e p e n d a b l e3 dg r o u n d w a t e r m a t h e m a t i c a lm o d e lw a ss e t u po nt h i s m o d e l t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f g r o u n d w a t e rw a sr e s e a r c h e db yt h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dv i s u a lm o d f l o w s o f t w a r e a n ds i m u l a t e sg r o u n d w a t e rf l o wf i e l dc h a n g i n gr e g u l a r i t i e s m o r e o v e r ，t h es t u d yo f u n d e r g r o u n dd r a i n a g er e s e a r c hw a sp r o c e e di nt h es i m u l a t i o nm o d e l t h ed r a w d o w n d i s t r i b u t i o no fw a t e rl e v e lu n d e rd i f f e r e n td r a i n a g ec a p a c i t ya n dt i m ea r es i m u l a t e d , 安徽理工大学硕十学位论文 a c c o r d i n gt ot h en u m e d 跚m o d e l i n gr e s u l t s ，t h es c h e m eo fd e w a t e r i n go r i f i c e s p o s i t i o n , q u a n t i t ya n dr e q u i r e dd r a i n a g et i m ea r ed e s i g n e d ：w h e nd i s p o s e t h r e e d e w a t e r i n go r i f i c e s i nt h er o c kd r i f to ft h ef i r s tm i n i n gd i s t r i c t , a n dt h em a x i m a d r a i n a g ec a p a c i t yi s13 2 0 m 3 d , a t3 0 - - 9 0d a y st h ew a t e rl e v e ld r a w d o w nv a r i e dc a l l a t t a i nt o2 0 - 13 5 m , o f w h i c ht h ee f f e c ti sv e r s u sp r o m i n e n c e 1 1 1 ed r a i n a g ep r o g r a mo f t a i y u a nf o r m a t i o nl i m e s t o n ew a t e ro ft h es t u d yr l - o ai sa p p r a i s e di nt h i sa r t i c l e ；i tc a l l r e a c ht h cd e s i r e dr a t e so f d r a i n a g ed e p r e s s u r i z i n gf o rt h es t u d ya r e a , a n di n d i c a t et h a ti t i sa p p r o v a b l et oc a r r yo nt h ed r a i n a g ed e p r e s s u r i z i n gp r e v e n t i o na n dc u r ew a t e r m e a s u r e a f t e rv e r i f i c a t i o no ft h ed r a i n a g ep r o g r a m , t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n i n d i c a t e dt h a tt h em o d e la c c o r d e dw i t ht h el o c a la c t u a lh y d r o g e o l o g i c a lv e r yw e l l a b o v ea l l ，t h eg r o u n d w a t e rn u m e r i c a lm o d e lw h i c hf i tt h es t u d ya r e aw a s e x p l o r e da n da p p l i c a t i o n o fv i s u a lm o d f l o ws o r w a r et ot h ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g i e so f t h ec o a lf l o o rl i m e s t o n ew a t e r i no r d e rt op r e v e n tt h ec o a lf l o o rw a t e rb u r s t i n gd u r i n g m i n i n gc o a l b e dn o 10a n dr e a l i z es a f e l ya n de f f i c i e n t l yp r o d u c t i o n , t h ep r o p e r t yo f d r e d g i n go ft h ec o a lf l o o rl i m e s t o n ew a t e rw a ss t u d i e d , t h el o c a t i o no fd e p r e s s i n gb o r e w a ss u g g e s t e d , s u i t a b l ec o n t r o lm e a s u r e sw e r es e l e c t e da n dd r d i n a g eq u a n t i t yw a s c a l c u l a t e d f i g u r e3 5t a b l e2 1 r e f e r e n c e8 5 k e y w o r d s ：v i s u a lm o d f l o w ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， m o d e l c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 7 41 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学乎论文作者签名：兰龛塑赴日期：立雩年j 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀垄王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：徐笱誊氽 签字日期：押年占月，日 导师签名：南d 雷辅 签字日期：哆年月日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源 本论文来源于卧龙湖煤矿与安徽理工大学合作开展的科研课题项目：“卧龙湖 煤矿1 0 煤层底板灰岩水突水危险性综合评价及防治技术研究 。 1 2 研究背景 我国的煤炭资源丰富，煤炭资源的开发利用是我国国民经济发展的重要组成 部分。然而，在我国煤炭资源的开发受水害的威胁严重，其中受底板岩溶承压水 威胁的煤炭总量占全国煤炭总量的1 1 0 ，尤其是随着开采深度、开采速度、开采 规模的增加，来自底部高承压水的危害日趋加剧。煤矿突水事故频繁发生，淹井 事故严重，严重地威胁着煤炭的安全开采，并已造成了巨大的经济损失，所以底 板岩溶承压水突水的预测和防范，一直是矿井地质工程中的攻关问题。 我国许多煤田的水文地质条件十分复杂，在煤层开采过程中受到多种水体的 威胁，煤矿防治水问题是煤矿生产及科研中的一大技术难题。据初步统计【l j ，全 国重点煤矿中受水害威胁的矿井占4 7 5 ，受水害威胁的煤炭储量达2 5 0 亿t 。在 过去的2 0 多年里，有2 5 0 多个矿井被水淹没，死亡1 7 0 0 多人，经济损失高达3 5 0 多亿元。可以说，在8 0 年代中期，是我国煤矿水害最为严重的时期，当时在开滦、 肥城、焦作等矿区连续发生了多期灾难性突水淹井事故。近年来煤矿突水事故仍 频繁发生，特别是2 0 0 2 年至2 0 0 3 年突水淹井事故有上升的趋势，各地发生特大 突水事故1 4 起。因此，如果不能解放这些受水害威胁的煤炭储量，将会影响煤矿 的产量，甚至会迫使一些老矿井提前关井。 我国煤矿区受到水害威胁的主要有三类| 2 1 。第一类是巨厚强含水层对其下伏 煤层开采的威胁；第二类是具有强含水层或地表水体补给的太原群岩溶灰岩含水 层，对其上下煤层的威胁；第三类是厚层灰岩岩溶强含水层对上覆煤层开采的威 胁。我国北方型煤田为石炭二叠纪煤田，主要受煤系底部巨厚层奥陶系及太原群 岩溶含水层的威胁。此类煤田有河北的井径、临城、邢台、邯郸、峰峰、开滦， 河南的安阳、鹤壁、焦作、平顶山、新密、豫西，山东的淄博、肥城、莱芜、新 汉、枣庄，江苏的徐州、大屯，安徽的淮南、淮北，山西的霍州、轩岗、潞安， 陕西的渭北，辽宁的本溪、南票，吉林的通化等3 0 多个煤田。我国南方型煤田以 晚二叠纪煤田为主，煤层与其底板的厚层茅口灰岩之间的隔水层厚仅数米，开采 中经常发生底板突水，例如湖南的涟邵、煤炭坝、韶山、资兴，四川的南桐、中 安徽理工大学硕士学位论文 梁山、松藻、永荣，广西的合山，江西的丰城、八景，浙江的长广等数1 0 个煤田 【3 】 o 据我国解放以来的统计资料显示【3 】，在突水次数和突水量方面，8 0 年代与5 0 年代相比，煤层底板突水频率增长了2 5 7 倍，一次突水量也由3 0 0 - - 1 2 0 0 m 3 h 增 至3 0 0 0 - - 1 4 4 0 0 m 3 h ，开滦范各庄矿1 9 8 4 年的突水淹井事故最大涌水量甚至高达 1 2 3 1 8 0 m 3 h t 4 1 。近年来有着加剧的趋势，1 9 8 8 年的淮北杨庄矿发生的特大突水灾 割5 1 ，瞬时突水量高达3 1 5 3 m s h ，造成二水平全部被淹，经济损失高达1 5 亿元。 1 9 9 6 年皖北任楼煤矿发生重大底板突水淹井事故1 6 ，最大突水量达3 0 0 0 0m h 。 1 9 9 7 年淮北桃园煤矿发生底板奥灰突水 7 1 ，淹没采区，同时造成5 人死亡的事故。 2 0 0 2 年山西省太原古交市屯川联营煤矿发生一起特大透水事故，死亡1 4 人，直 接经济损失3 9 1 3 1 万元。2 0 0 3 年9 月河南省伊川县奋进煤矿黄村分矿l o i l l 工作 面流水巷发生底板寒武系灰岩水突水事故，2 0 分钟内突水量达9 8 0 0 m s ，造成1 6 人死亡，直接经济损失初步估算为1 2 3 4 1 万元。2 0 0 5 年广东梅州市大兴煤矿发生 了特别重大透水事故。可以看出，煤层底板突水是煤矿安全生产中亟待解决的实 际问题。 卧龙湖煤矿位于安徽省濉溪县铁佛、岳集境内。本课题的研究区为卧龙湖煤 矿首采区，其总面积约3 4 8 k m 2 。开采水平为5 0 0 m 水平，开采煤层为位于山西组 中部1 0 煤层，平均厚度约2 6 m ，属稳定煤层。首采区范围内1 0 煤层底板灰岩水 水压在0 2 4 - - 5 6 m p a 之间；太原组灰岩顶水压在2 8 - - 6 o m p a 之间。首采区1 0 煤层底板灰岩水突水系数在0 0 6 - - 0 1 6 m p a m 之间，大于o 0 6 m p a m 。1 0 煤底至 太原组一灰正常间距4 5 1 0 - 6 4 1 0 m ，平均为5 1 9 0 m 。太原组灰岩含水层平均厚 度2 2 9 m ，其静止水位标高1 6 6 5 m ，在一般情况下太灰水与1 0 煤上、下砂岩含 水层地下水之间不会发生直接的水力联系，而刘桥一矿长期生产使得太灰水位达 - - 2 5 0 m 以下，这说明在开采条件下，太灰水通过露头与煤系含水层之间存在一 定的水力联系。故太灰水是1 0 煤开采时矿坑充水的重要隐患之一。 1 3 研究目的和意义 本论文研究目的是由于卧龙湖煤矿1 0 煤下方约5 0 m 以下为太原组多层灰岩 岩溶含水层，部分地段岩溶发育，该含水层与奥陶系灰岩含水层有一定的联系， 并在淮北煤田的部分井田造成突水灾害。针对本矿井首采区开采1 0 煤层时底板灰 岩水的威胁较大的问题，开展基于v i s u a lm o d f l o w 煤层底板灰岩水疏放性研究， 为煤矿开采选择合适的防治措施，合理布置放水降压孔的位置，准确地计算排水 2 i 绪论 量，以达到安全高效开采具有的重要意义。 1 4 国内外研究动态及存在问题 煤矿水害防治问题在当今地质界中仍是个难题。长期以来，广大矿井地质 工作者与地下水害进行了不懈的斗争，总结了大量的经验、教训，现简明扼要的 介绍如下。 1 4 1 防治水概况 国外煤矿底板水的研究已有一百多年的历史，其防治水技术有了很大发展【矾。 在水文地质条件综合探查方面，采用地面物探和钻探相结合的方法，对矿井 水文地质条件综合探查。 在疏水降压开采方面，含水层预先疏干降压方法逐渐代替了被动排水，在矿 井防治水中占有主导地位，围绕疏下降压的防治水方法，发展了相应的排水新技 术，如潜水泵的扬程可以达到3 5 - - - 1 0 0 0 m ，排水量可以达到5 2 5 - 2 0 8 m 3 h 。 在带水压安全开采方面，其基本理论采用“v ( 突水系数倒数) 评价保护层 的方法【们。 在注浆堵水方面，前苏联以及德、意等国发展很快，特别是在注浆材料的研 究方面有较大的进展。 在排供结合方面，一些国家为解决供水问题提出了地下水管理模型，其后在 理论上日趋完善。由于矿井排水成本越来越高，一些国家开始试用疏水截流的防 治水措施，发展最迅速的是国外矿井疏干工作正在逐渐采用计算机自动控制，这 使疏干技术的水平大大提高了一步【1 0 1 。 自2 0 世纪7 0 年代以来，国内煤矿防治水主要遵循防治结合的原则，以查清 水文地质条件为基础，因地制宜，针对不同的水文地质问题，采取不同的防治措 施。防治水方法多种多样，有疏有堵，在一定条件下可疏、堵结合。疏水降压方 面有地表疏降，也有井下疏降，也有井上、下联合疏降。在注浆堵水方面，既有 矿山局部工程处理和淹井事故处理，也有大型防渗帷幕工程。在钻探技术方面， 人工受控定向导斜钻进技术的应用，提高了地面注浆堵水技术的适应性。根据近 几年研究成果【n 】，排水、供水、环境保护三位一体结合不仅可以解决排、供、环 保三者之间日益严重的矛盾和冲突，而且也是一项十分有效的矿井防治水技术。 在底板高压水防治方面，对煤层底板隔水层性能进行了详细研究，采用“五图双 系数法 为安全带压开采提供了判别途径1 2 1 。在水文地质条件综合探查方面，采 3 安徽理工大学硕士学位论文 用综合立体勘探，从井上到井下，从单一手段到综合配套，为探查孤立、隐伏的 导水地质体及水位异常区提供了技术方法。近年来一些探测新技术新方法在煤矿 防治水方面得到较为广泛的应用，如高分辨率三维地震勘探技术、槽波地震探测 技术、层析成像探测技术、瑞利波勘探技术、高分辩自动电阻率探测系统、矿井 高密度电法、电法c t 测试与成像分析、原位应力探测技术、雷达与孔中雷达技 术等。这些技术与方法的应用为矿井底板水的防治的定量化研究提供了有利的技 术支持，为防治煤矿底板水害起到了积极的指导作用。煤矿防治水技术理论有了 深入的研究，“岩水应力关系说、“导升递进说 以及岩体破裂延展机理、强渗透 通道诱发突水理论等方面的研究都有了较大的进展，计算机技术在煤矿防治水领 域的应用及各类软件的开发，对定量研究煤矿突水条件起到了重要作用【1 3 1 6 1 。 1 防治水技术研究现状 矿井防治水技术与方法有疏水降压、注浆堵水、突水预测、探放水和留设防 水煤柱等 3 1 。 疏水降压是对于底板水补给源有限或疏水时水位降幅较快于开采推进速度的 底板灰岩水，水量和水压较大，通常采用疏水降压法，以减轻水压对煤层底板隔 水层的压力，消除灾害性突水或灾害性流砂、黄泥溃入井巷，从而保证矿井掘进 工作面或采区的安全。大量实践经验证明，疏水降压法是避免矿坑突水的积极有 效的措施，也是世界各国广泛应用于消除矿床水患的方法。西班牙费尔南德斯认 为：这一方法对于构造式喀斯特地带以及缺少保护层或保护层不稳定的矿床更为 有效。美国学者斯里伯克称疏水降压是对顶板和煤层本身含水层的疏干及底板含 水层的降压。国外大水矿床近年来多采用大流量大降深疏水降压法来保证矿床的 安全开采，相应地设计出适应大流量高扬程的潜水泵。有的国家疏干工作逐渐采 用电子计算机自动控制。 岩溶类煤矿床的充水性主要取决于含水层层数、厚度、岩溶裂隙发育程度、 补给水源丰度以及构造特征和水力联系状况等。对于含水层来说，导水系数( 丁) 和贮水系数( s ) 直接反映其疏干的可能性。疏干降压是我国矿井防治水害的主要 技术措施。从我国煤矿床疏水降压实施情况看，对于薄层灰岩含水层或者部分厚 层灰岩含水层，多采用井下揭露含水层，排水系统建于井下的地下流水方式。如 河北峰峰、井陉、邯郸和河南鹤壁、新密、平顶山等矿的太原组薄层灰岩，以及 山东淄博、肥城、枣庄等矿的徐家庄薄层灰岩含水层的疏干均是如此。又如华北 地区多采用逐层分水平疏水的方法疏干太原组灰岩含水层，以安全开采太原组的 诸煤层；湖南省煤炭坝矿，疏干后由于改善了作业条件，产量由每年1 5 万t 逐渐 4 i 绪论 提高到9 0 万t ：8 0 年代初，淮南矿区也总体研究了太原群灰岩水的疏干问题。 2 底板水研究方法研究现状 目前所用的方法主要有：水文地质比拟法、水均衡法、随机模拟法、解析法 和数值法。 1 )水文地质比拟法 水文地质比拟法是利用于该矿井地质和水文地质条件相似、开采方法基本相 同的生产矿井( 采区或工作面) 的排水或涌水量观测资料，来预测该矿井涌水量。 该方法应用前提是预测矿井( 采区或工作面) 与被预测矿井( 采区或工作面) 的 条件应基本相似，而且被预测矿井要有长期的水量观测资料，以保证涌水量与各 影响因素之间数学表达式的可靠性。但是，在实际生产中水文地质条件完全相似 的矿井比较少，再加上开采条件的差异，因此该方法只是一种近似的计算方法， 只适用于条件比较简单、充水岩层的透水性比较均一的空隙或裂隙充水矿床，特 别适用于已有多年生产历史的矿井。此方法简单，但结果较粗糙，精度较低【1 7 】。 2 )水均衡法 水均衡法是通过研究某一时期( 均衡期) 矿区地下水各收支项之间的关系， 建立地下水均衡方程，从而计算矿井涌水量。水均衡法能给出任意条件下进入开 采地段总的可能涌水量，但不能用来计算单独井巷的涌水量。其优点是能在查明 有保证的补给来源的情况下，确定矿床充水的极限涌水量，缺点是矿井处于开采 条件时均衡式的建立及均衡要素的测定均有一定的困难【埔 2 0 】。 3 )随机模型 在确定性模型中，为了能够求解，方程式中的变量不能考虑太多，常常人为 地把某些因素加以简化或去除。有时由于认识上的错误，还会把主要因素遗漏掉， 这势必会给确定性模型的应用带来一定的局限性。特别在一些研究程度较低，地 质、水文地质条件尚未得到全面了解的矿区，要建立预测涌水量的确定性模型非 常困难。在这种情况下，可以运用概率统计的方法对矿井涌水量的影响因素进行 分析，以区别主要影响因素与非主要影响因素，由此建立的随机模型比勉强建立 的确定性模型更切合实际情况。以下为前人努力的结果：布鲁克斯( b r o o k s ，1 9 6 1 ) 和辛 s i n g h ，1 9 6 9 ) 推导出特定非线性问题的解析解。库珀( c o o p e r ，1 9 6 3 ) 与 r o r a b a u g h ( 1 9 6 3 ) ；格洛弗( g l o v e r ，1 9 6 7 ) ；v e n e t i s ( 1 9 7 1 ) ；霍尔( h a l l ，1 9 7 2 ) 与m o e n e h ( 19 7 2 ) 通过对方程式的线性化求得随机模型的确定性解具有代表性 方法。辛( s i u g h ，1 9 6 9 ) ；h o r b e g r e r ( 1 9 7 0 ) 等在他们的著作中论述了几种非线 性裘布依方程的数值解法。然而，在某些情况下，含水层性质的空间变化在含水 - 5 - 安徽理工大学硕士学位论文 层对各种输入的响应方面具有重要影响。布耶维奇等人( b u y v e i h c ，e ta l ，1 9 6 9 ) 分析了多孔介质中的渗流与随机变化的孔隙度的关系问题，埃里克逊( 1 9 7 0 ) 和 杰克逊等人( j a c k s o n ，e ta l ，1 9 7 3 ) 将谱分析用于地下水水位、降水量和温度等 时间序列的定性解释方面【2 。 随机模型经过国内外学者近二、三十年的发展，取得了很大的成果。自从 g e p b x o 和g m j e n k i n 于1 9 7 0 年写了 t u n es e r i e sa n a l y s i s ：f o r e c a s t i n ga n d c o n t r 0 1 ) ) 一书后1 2 2 1 ，时间序列分析就逐渐应用于电信、水电、气象、水文等系统， 以后h i p e l 、m e l e d o 、s a a l 、a k i k c 等人对模型识别、参数估计、诊断检验等方面 的研究进一步完善了时间序列分析。由中国学者邓聚龙在1 9 8 2 年首创的灰色系统 理论田】，在科学上有了突破，受到国内外许多权威学者的重视。灰色系统理论是 指部分信息清楚、部分信息不清楚的系统，相对于黑色和白色系统而言，它更加 真实地更为广泛地反映了自然和人类社会的现象，已在工程控制领域取得了可喜 的成就。在水文地质界内，有人尝试将灰色系统理论应用在矿床水文地质及涌水 量预报方面，并取得了令人满意的成果 2 4 1 。 4 )解析法 解析法是运用地下水动力学原理，以数学分析的方法，对一定边界条件和初 始条件下的地下水流动问题建立定解公式，然后应用这些公式预测矿井涌水量。 早在1 8 5 6 年，达西通过长期实验得出了著名的d a r c y 定律。1 9 3 5 年，美国学者 泰斯又在理想条件下建立了承压水非稳定流计算公式，并得出著名t h e i s 公式。 m u s k a t ( 1 9 3 7 ) 首次利用解析法解出了地下水流问题的一系列解析解。后来由 h a n t u s h 及j a c o b ( 1 9 5 5 ) 扩展了解析法的概念用来处理从弱透水层越流补给入含 水层的水量。而后p o l u b a r n i o v a k o c h i n a ( 1 9 6 2 ) 及h a n t u s h ( 1 9 6 4 ) 等人也分别 在自己的著作中论述了该方法。c e a r s l a w 及j a e g e r ( 1 9 5 9 ) 的著作中收编了大量 用于热流的表达式，这些方法可以在大多数情况下直接应用于求解矿井涌水量。 宋恩宝等人利用解析法预测了通化矿务局矿井涌水量。此后解析法得到了长足的 发展，如用解析法预测涌水量、求解水文地质参数、进行地下水资源评价以及含 水层的井流计算等。用解析法进行计算时，通常要基于一些假设条件，如均质各 向同性、隔水底板水平、无限侧向延伸等，但是实际的水文地质条件比解析法所 假设的条件要复杂的多，因此解析法对于大范围的含水层系统不是很适用【孤2 6 1 。 5 )数值法 由于解析法难以描述非均质含水层中和复杂条件下的地下水运动规律，而数 值法则能考虑较多的影响因素，解决较复杂的问题，且具有较高的精度，加之电 6 1 绪论 子计算机的出现和广泛的应用，2 0 世纪6 0 年代，数值法开始得到水文界人士的 青睐。数值法的出现，使非稳定流解析法计算中难以解决的复杂条件下的水文地 质计算问题得以解决。 水流方程的有限差分法是数值法计算的基础。外国学者索思韦尔( 1 9 4 6 ) ，艾 伦( a l l e n ，1 9 5 4 ) ，c r a n k ( 1 9 5 6 ) ，托德( 1 9 6 2 ) ，s a u g y e v ( 1 9 6 4 ) ，v o l y n s k i c 及 b u l d l r n a n ( 1 9 6 5 ) 和r i c h t m e y e r 与m o r t o n ( 1 9 6 7 ) 等在他们的著作中都充分的论 述了这一计算方法。然而在实践中，有限差分法要求的算术运算数量太大，在计 算机还未得到广泛应用时解一个非常简单的问题所需要的时间也是惊人的。 t e r w i l l i g e r ( 1 9 5 1 ) 首次尝试了用数字方法及穿孔片设备求解孔隙水流问题。布鲁 斯等人( 1 9 5 3 ) 研究了通过孔隙介质的线性和径向非稳定气流，并采用了由i h 托马斯所发明的“交替方向法一解决非线性偏微分方程。这一方法的优点是既能 减少运算次数，又能减少计算机内存的占用，后来这一方法被引用到有抛物线型 偏微分方程的其它学科中去( p e a c e m a n 及r a c h f o r d ，1 9 5 5 ；d o u g l a sa n dp e a e e m a n ， 1 9 5 5 ；d o u g l a sa n dr a c h f o r d ，1 9 6 6 ) 。直到1 9 6 5 年数值方法才由斯托尔曼( 1 9 5 6 ) 引入地下水水文学，并提出了一种用对承压水进行数值分析以确定含水层渗透系 数的方法。另外，f s y e r s 及s h e l d o n ( 1 9 6 2 ) 也对地质盆地地下水动力学进行了研 究，他们考虑了在一个地质盆地范围内的含水层系统中定量评价稳定流大小及方 向的问题。f r e e z e ( 1 9 5 5 ) 对二维稳定流区域水流问题数值方法研究。k l u t e ( 1 9 6 5 ) 等人用一种迭代数值方法以解非线性水流方程。l i a k o p o u l o s ( 1 9 6 5 ) 把隐式交替 方向法用于同时通过孔隙介质的水和空气一维流问题，并假定与流体压强和含水 量相关的函数以及渗透系数和压强相关的函数是已经确定的，使问题大为简化。 鲁宾( 1 9 6 8 ) 将迭代交替方向法用于水平入渗及渠道渗漏研究中的非稳定状态不 饱和水流。f i e r i n g ( 1 9 6 4 ) 首次利用数值法计算地下水含水层对抽水的反应，他 采用了迭代隐式方法及从质量平衡推导出来的有限差分近似方程组。e s h e t t 及 l o n f f e n b a u g h ( 1 9 6 5 ) 采用高斯消去法解出一个均质各向同性含水层中水流的基 本二维非线性三阶偏微分方程的有限差分近似解。该模型可以用来处理具有不透 水侧向边界或者诸如河流式的定水头边界的潜水含水层。比廷杰等人( 1 9 6 7 ) 简 要地描述了数值模型的数学原理以及用来解产生的代数方程的各种计算方式，并 描述了可能遇到的各种边界条件【2 7 1 。 8 0 年代，随着地下水流动问题数值方法的专著的出版，数值方法在水文地质 中得到了快速的发展，但主要为一维流和二维流。数值方法在实际应用中也得到 了发展和完善。数值法从最初的有限差分法( f d m ) 和有限单元法( f e m ) ，发 7 安徽理工大学硕士学位论文 展到后来的有限差分法( f d m ) 、有限单元法( f e m ) 、边界单元法( b e m ) 和有 限分析法( f 枷) 等多种方法。而且每一种数值法本身也在不断的发展，例如从 有限单元法中派生出的混合有限元法( h f e m ) 、特征有限元法( c f e m ) 以及随 机有限元法( s f e m ) 等等。 数值方法应用在水文地质计算的开始阶段只限于含水介质为孔隙介质的含水 层中。随着人类社会的发展，不可避免的要将工程项目建设与裂隙含水介质相关 联起来，所以必须把地下水运动方程推广到裂隙介质中去，例如在岩溶地区进行 的所有工程活动。1 9 8 3 年朱学愚等人采用有限单元法成功地计算了湖南斗笠山煤 矿裂隙岩溶水矿井涌水量【硼。1 9 8 8 年赵永贵等人成功的应用有限单元和边界元交 连耦合法反演出了太原岩溶裂隙含水层中的水文地质参数。1 9 8 8 年崔光中等人成 功的模拟出了北山矿区开采疏干式通道的最大过洪量。1 9 9 5 年陈崇希等人成功的 对广西北山岩溶管道一裂隙一孔隙一地下水进行了数值模拟，该裂隙介质数值模 拟技术达到了国际先进水平 2 9 - 3 。此外赵永贵、朱远峰、朱学愚等人认为岩溶裂 隙介质的发育虽然极不均匀，但地下水流仍然具有统一的地下水面，也就是说地 下水的运动规律是符合d a r c y 定律，可以近似的用多空介质理论模型、双重裂隙 介质模型或者多重裂隙介质模型进行地下水数值模拟1 3 2 - 3 4 。 3 地下水流软件发展现状 9 0 年代，国内外对三维流的探讨和研究逐渐增多。在国外，三维流发展迅速， 并开发研制了很多应用系统软件，可分为基于美国地质调查局开发的m o d f l o w 三维矩形有限差分核心程序的可视化软件和水流模拟的有限元软件两大类。如 g m s ( g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 、v i s u a lm o d f l o w 、v i s u a lg r o u n d w a t e r 、 p r o c e s s i n gm o d f l o w 、f e f l o w ( f i n i t ee l e m e n ts u b s u r f a c ef l o ws y s t e m ) 、 p m w i n ( p r o c e e d i n gm o d f l o w f o rw m d o w ) 等。其中v i s u a lm o d f l o w 主要 采用的是有限差分法原理，在国外应用己相当普及，主要涉及的内容包括建立地 下水模型，预测地下水水位、水质变化以及污染物溶质运移方面，建立地下水与 地面沉降耦合模型，预测地面沉降方面。国内，虽然起步较晚，但运用也较多， 主要用来预测水位的变化情况。近几年，v i s u a lm o d f l o w 也用于矿区地下水的 模拟，但目前运用于煤层顶板、底板突水以及新生界底部含水层模拟计算较少， 武强曾运用v i s u a lm o d f l o w 对回采工作面涌水量以及采前预疏放方案进行了 预测1 3 5 3 7 1 。 差分软件：典型的软件包括v i s u a lm o d f l o w 、p r o c e s s i n gm o d f l o w 、t o u g h 2 等， 其中v i s u a lm o d f l o w 发展到4 2 版( 包括3 de x p l o r e r ) ，这些软件基本m o d f l o w 8 1 绪论 核心程序的可视化包装。 有限元软件：