陕西榆林市杭来湾煤矿三维地下水数值模拟

陕西榆林市杭来湾煤矿三维地下水数值模拟

1海阳大学井段预测顶板流量是一项相对复杂、困难的工作。国内外生产实践中积累了几种方法来提高矿山流量的精度和准确性，但需要改进的精度和准确性。杭来湾煤矿位于陕西省榆林市北部，距榆林城北约20km。该矿可采储量7.06亿t，生产能力800万t/a，服务年限68a。矿井采用斜井多水平开拓，分层大采高综采。矿井按煤组设2个水平，其中，一水平开采3、3-1、4-1和5号煤层，水平标高+1010m，大巷沿3号煤层布置；二水平开采7、8号煤层，水平标高+860m，大巷沿8号煤层布置。矿井首采盘区为301盘区，首采煤层为3号煤层。2顶板冒落带与第四系水害沟通根据井田水文地质勘探资料显示，井田地下水类型分为第四系松散层孔隙潜水和碎屑岩类裂隙水2类。通过实测裂采比计算3号煤层顶板冒落带导水裂隙带高度，当采用分层开采时，上分层累计采厚为4.80m，经计算得到冒落带高度为26.88m，导水裂隙带高度为100.51m，而3号煤层上覆侏罗纪中统基岩厚度在67.51～211.13m，因此采空区冒裂隙带一般不会与第四系潜水沟通；当按煤层采全高计算3号煤层顶板冒落带导水裂隙带高度，矿井部分地段采空区冒裂隙带将与第四系潜水沟通，存在第四系水害影响。杭来湾煤矿井下涌水量主要来源于3号煤层顶板砂岩含水层。据调查，在3号煤层回采工作面、各个联络巷、3处斜井及掘进工作面等均有不同程度的淋水现象。依据井下涌水量实测数据，矿井月平均涌水量总体呈逐月上升的趋势。3预测开采井的水量数值法预测矿井涌水量是采用三维地下水模拟软件Modflow，该软件是一款模块化地下水模拟软件，可进行三维地下水流模拟。3.1地质条件的概念模型和数学描述3.1.1第四系潜水含水层由于导水裂隙带之上的松散层潜水越流进入坑道，杭来湾煤矿先期开采地段3号煤层的矿坑涌水量预测模型区在垂向上应该包含3号煤层及其之上的岩土层（含水层和弱透水层），在平面上尽可能包含井田区松散层潜水较为完整的水文地质单元。杭来湾井田分属榆溪河流域，由于第四系潜水与地表水的分水岭基本一致，所以地表水与松散层潜水均是按沟域形成、分布与运移的。在区域上，第四系潜水含水层的主体为上更新统萨拉乌苏组砂层，其次为中上更新统黄土层。第四系潜水含水层的富水性具有西北部地区较强、东南部地区较弱的特点，而杭来湾井田位于中等富水性区域。综合考虑区域水文地质特征和沟域水文地质单元的相对完整性以及井田边界与模型边界的适度距离（不宜太近与太远）等因素，确定将水源取水影响范围作为数值模型有效区的范围。3.1.2第四系黄土地下水流结构根据对评价区水文地质条件、煤田开采范围以及周围水环境特征等综合分析，确定本次地下水资源评价范围：在水平方向上，北以公里网4277000为界，南至4240000，西以19410000为界，东至19380000，平面面积1110km评价区内大部分地区被风积沙所覆盖，部分地段有第四系黄土。其自上而下为第四系上更新统萨拉乌苏组及黄土、侏罗系泥砂岩，组成2～3层结构。为了便于地下水流数值模型计算，评价区垂向上统一为5层结构，即第四系松散含水层、导水裂隙带之上原基岩、导水冒裂带、3号煤层采空区；水平方向包含井田所在的榆溪河流域区，从而构建起模型区的5层结构：第一结构层，以上更新统萨拉乌苏组为主体的孔隙含水层，厚度在0～64.92m，成片分布于煤矿现代滩地，含水层主要由松散的粉细砂夹中粗砂组成，厚度较大，一般在20～50m，是区内第四系潜水主要含水岩组；第二结构层，在基岩承压水与第四系上更新统潜水之间连续分布的离石组黄土，其富水性极弱，是本区潜水与承压水间主要隔水层，厚度在9.80～120.49m，一般在40～80m；第三结构层，分布于全区的侏罗系砂泥岩完整岩层，为本区含煤地层，厚度在15.04～69.10m，总体由北向南，地层厚度增大，且规律较明显；第四结构层，分布于全区的侏罗系砂泥岩层，是透水性较差的孔隙裂隙承压水含水层，在煤田开采区，是受开采影响的导水冒裂带，厚度在15～30m，冒裂带由于受岩层大裂隙影响，完全导水；第五结构层，概化的3号煤层采空区，厚度为4.8m。3.1.3概化类边界处理模型区第四系潜水含水层（1层）顶部边界为潜水面；潜水含水层四周的西南边角概化为第一类定水头边界，西南边界南段榆溪河河段概化为变流量边界（即第三类变流量边界，按泉集河处理），其余按零流量边界处理。模型区第四系弱透水、弱含水的碎屑岩层（2、3、4、5层）周界及5层底界均概化为零流量边界。3.1.4评价区域内地下水流数学模型评价区地下水流数学模型如下：3.2预测开采井的溢流量3.2.1分层开采涌水量预测依据区内水文地质特征以及杭来湾煤矿先期开采地段（301盘区及302盘区），本次3号煤层开采涌水量预测共设置2种方案：第1预测方案：3号煤层首采区（301盘区及302盘区）分层开采、平均开采厚度4.8m工况下的矿坑涌水量预测。第2预测方案：3号煤层首采区（301盘区及302盘区）不分层开采、平均开采厚度8.0m工况下的矿坑涌水量预测。3.2.2计算区有限差分剖分网将各预测方案的大气降水入渗补给量按面源加入模型，将地下水流模型识别得到的末流场作为方案预测的初始流场，计算区有限差分剖分网格如图1所示。依据所建立的数值模型，计算得到各预测方案的末流场、末降深场、降深曲线、泉集河流量以及补排均衡量成果如图2～5、表1、2所示。4煤层开采对矿井总涌水量的影响(1）根据数值模型预测结果，杭来湾矿井采用分层开采煤层时矿坑涌水量为30805m(2）杭来湾煤矿开采煤层对地下水位的影响主要集中在开采区及其附近，煤层开采导致第四系松散层潜水位降深在0.5～2.5m、侏罗系碎屑岩层承压水头降深在3～25m