厚松散含水层排水的数值模拟.docx

厚松散含水层排水的数值模拟杭远，张改玲，杨国勇煤炭资源和煤矿安全国家重点实验室，中国矿业大学，资源与地球科学学院，中国江苏省徐州市221008摘要：随着松散含水层下煤炭开采上限的增加，对第四系底部含水层的排水已成为一个避免突水突砂发生的重要方法。位于山东省西南部的太平煤矿第八区，第四系的底部含水层的产水能力属于中等水平。在石炭、二叠系的隐伏煤田中，煤层上方的基岩非常薄。因此，一个来自地面工作人员和专家小组的全面的降水方案是建议降低地下水位，以确保煤矿安全生产。根据第八区的水文地质条件，我们建立了一个数值模型，以使我们能够模拟地下水流的排水过程。通过使用反向建模法，利用过去的数据，得到了我们想要的仿真参数，比如平均渗透系数12m/d和弹性储水系数0.002。同理，我们预测了地下水的运动方向和水位变量并且排水工程取得了显著的效果。尽管在开采过程中覆岩被破坏，但是由于底部含水层中的地下水水位被降低到安全水平，因此没有发生溃水或溃沙现象。关键词：水下采煤；突水突砂；松散含水层；排水；数值模拟1 介绍近年来，在我国东部，北部和西北部地区，随着开采上限的增加，大量煤炭是从位于松散含水层之下拥有不同产水能力的地下煤矿中开采出来的。在一些浅层煤田中，采掘引起的断裂隙往往贯穿上覆的薄地层，同时连接上松散含水层的顶、底板，导致突水与突沙现象的发生。分析大量的事故表明，在开采之前对含水层进行排水可以成为防止水和沙涌入的重要方法。地质和水文条件的复杂多变，造成了松散含水层毗邻煤层开采过程中往往被干扰。排水速率，地下水水位的升降和有效半径在排水过程中会随时间不断变化。因此，当务之急是设计排水工程时计算这一动态数据并且精确评估排水的影响。一些研究人员构建的启东煤矿和桃源煤矿第四纪松散含水层的三维模型利用有限差分法模拟地下水排水过程。他们的研究成果为我们如何利用这种有限元方法进行排水模拟研究提供了参考。我们把太平煤矿作为研究对象，分析了研究区第四纪松散含水层底部的水文地质条件后构建了一个三维数值模型。在进行反向建模后，得到了平均渗透系数，我们预测了排水过程中地下水水位的变化。与此同时，实现了可视化漏斗并且提出了以可靠性和可视性为基础的方案评估与优化设计。最终，通过对厚松散含水层底部和上覆薄基岩的排水保证了矿区8309工作面的安全生产。2 水文地质条件作为一个石炭、二叠系模糊不明的煤田，太平煤矿位于山东省兖州煤田西南部。主要煤层是3号煤层，厚度8.38至9.6米。大约2000万吨的地质储量位于含水层以下。主要含水层包括第四系的松散砂和砾石，侏罗系的砂岩、砂砾石，煤层中的砂岩和灰岩以及寒武系和奥陶系灰岩。在这些含水层中，顶部的砂岩和已风化煤层薄弱并且在采掘过程中会被逐渐排干，所以他们很少影响煤炭开采。寒武系和奥陶系的石灰岩含水层距3号煤层有一段距离，因此从底板到工作面没有突水威胁。此外，在太平煤矿中还有几个小断层，由于他们是短期运动并且属于封闭结构，因此很少危及煤矿生产安全。根据钻孔数据，厚的第四纪松散地层分为三组。顶部是一层富含水层，其比容量从1.411L/(S . M)至2.022L/(S . M)。中部是一层隔水层。底部是一层含水量中度至良好的含水层，其比容量从0.0636L/(S . M)到0.634L/(S . M)。由于中间隔水层巨大的厚度，有效地切断了上、下含水层之间的水力联系。因此，底部含水层对矿井安全生产构成了最大威胁。在底部含水层中存在广泛的粘土层，其厚度从0.35到11.7米不等。在当地的剥蚀带中，如果粘土太薄，底部含水层和风化带之间的水力联系会变得很微弱。土壤的性质，如塑性指数、粘土含量和粒度分布，证明了这层粘土基本上是个不透水层并且在一定程度上可以阻碍上、下含水层之间的水力联系。3 水文地质概念模型太平煤矿第八区，其第四系的底部含水层，主要由中-粗砂组成，其次是细-粉砂，总粘土含量较低。开采之前，由于底部含水层既没有向上与顶部含水层的水力联系，也没有向下与砂岩顶部和煤层风化带的联系，所以它常被认为是一种承压含水层。此外，一层粘土隔水层位于含水层之下。底部含水层的厚度从27.60至45.98米不等，所以我们总结出了在排水过程中地下水流的三维非稳定流动状态。考虑到含水层介质是均匀的整体并且渗透性在不同的方向上没有明显的差异，我们简化了含水层的假设，假定它是均匀和各向同性的沉积物。同一含水层的水文地质条件，在周边煤矿没有被损坏。一旦太平煤矿第八区的底部含水层开始排水，排水漏斗将会出现并且周边地区丰富的地下水将会大量流入。所以，我们定义的边界是一个拥有稳定通量的补给边界。为了提高排水效率，我们计划在第八区中从地面和井下工作面同时进行全面地排水。首先，我们在东大巷8303排水巷和8309工作面中设计了多个排水孔以确保8301、8303和8305工作面的采矿安全。从二零零一年十月三十日起，所有这些排水孔开始排出底部含水层中的水。根据对矿区内四个钻孔长期观测得到的数据，我们发现，各个钻孔的初始水位约相当于排水前水位，因此水孔水位被确定为一个与平均海拔62.0米相当的水平面。虽然有大量的排水孔，但是单孔排水量很小。为了简化计算，我们结合小排放钻孔，在合适的地点创建了组合钻孔（如图一）。主要的研究区域，8309工作面，计划是在二零零五年一月至八月采掘，但是由于其薄的覆盖层基岩，在开采时突水隐患将会更大。二零零四年十二月以来，在采掘开始前约一个月，我们在地面另外设置了5个抽水孔，并计划抽取地下水，以确保8309工作面大面积开采的安全。由于随着时间的推移改变了底部含水层的设计总排水量，我们在模型中把内部边界定义为变化的排水边界。图一 第八区的排水方案示意图4 脱水模拟模型4.1数学模型在前面所讨论的水文地质概念模型的基础上，我们构建的数学模型如下：其中，渗透系数K(L/T)，弹性储水率s，地下水水位H(L)，排水孔数量mp，第i个孔的排水量Qi(L/T)，第i个孔的坐标(xi,yi)(L,L)，第i个孔的二维狄拉克函数值(xi,yi)，模拟区，模拟区的初始水位H0(L)，模拟区的第二类边界条件2，外法线方向n和模拟区在第二类边界条件下的通量q(L/T)。我们利用克里格有限元方法通过FEFLOW5.1仿真软件计算出了该数学模型。4.2单元剖分考虑到所需的计算精度，我们把模拟区细分为含有2114个节点的2005个三角形单元（如图二）。由于8309工作面对于研究区域十分重要，所以我们特别注意对其三角形单元的正确精炼。此外，为了获得准确的数据，所有的钻孔都放在了节点上，如排水孔、抽水孔和观察孔。图二 有限元网格4.3验证和分析为了验证仿真模型，我们引用了以前的数据和模拟地下水系统。经过对模拟和观测结果的对比并且一次又一次地修改参数后，模拟结果良好的匹配了观测数据。通过比较排水初始阶段两个长期观察孔的模拟水位和观测水位来验证该模型。经过反复调整参数，我们得到的渗透系数为12m/d和弹性储水系数为0.002，这是符合水文地质的试验数据，同时保证了预测的可靠性。5 地下水水位预测仿真模型验证后，我们开始对第八区在排水条件下的地下水径流的预测，预测期从二零零三年六月一日至二零零六年二月。然后，在运行模型后，我们记录了不同时期的大量地下水水位。根据地下水水位等值线图，当含水层中的地下水被抽出时，地下水从初始水位开始下降，并逐渐形成了一个漏斗。最终，我们预测，最低水位高程是108.6米，位于漏斗中心的锥头高程是46.6米。二零零五年二月十五日、五月十五日和八月十五日的地下水水位等值线图如图三所示。它表明了8309工作面在开采过程中排出地下水的动态。初始水位高程为81至102 米。完成采矿时，水位高程下降到86至108米之间，地表基岩以上的承压水头从10-31下降到4-26米。换句话说，基岩以上的最大承压水头为31米。 图三 8309工作面地下水水位等值线图流沙的临界渗流梯度的实验研究表明，在地下工作中初始水位是控制流沙的可能性的关键因素。理论估计和开采实践证明，太平煤矿基岩之上的安全承压水头为32至38米，低于这一水位时，水沙灾害就不会发生。因此，它表明，排水工程可以降低地下水位，使其保持在一个安全的水平同时避免了突水突砂。6 开采实践排水工程按计划进行。我们在工作面上钻了177个地下排水孔并形成了三个最大排水量316m3/h的排水渠。从地面依次钻了五个抽水孔，从二零零四年十二月开始抽取地下水直到二零零五年九月。长期的水位观测显示，在8309工作面采掘期间，所有观测孔中的底部含水层的地下水水位于二零零五年八月十六日下降到最低（如图四）。经过我们的计算，我们得到了8309工作面的最大承压水头为31米，这一数值符合我们的模拟结果，并且低于安全水位。图四 观测孔的地下水水位此外，位于第四系底部的粘土在一定程度上可以承受水压。最终，太平煤矿第八区的315多万吨煤炭资源被安全开采，期间没有任何突水突砂事故发生。7 总结1）在对山东省太平煤矿第八矿区水文地质条件分析的基础上，建立了一个在厚松散含水层之下采煤的三维水文地质数值模型来模拟一个地面和工作面同时进行的全面的排水工程。2）根据初始排水阶段的观测数据对数值模型进行了核实和检查。利用反向建模从以往的数据中计算出渗透系数和弹性储水系数。数值模型成功地预测了8309工作面在排水