Question

水文地质条件分析与物理模型建立

Answer 1

(一)水文地质条件分析

矿井涌水量是评价矿井水文地质条件的重要定量指标，是设计和生产部门制定采掘方案、确定排水能力和防治措施的重要依据。预测矿井涌水量的方法很多，包括:相关比拟法、解析法、水均衡法、数值法、电模拟法等。由于数值法能很好地模拟渗流区域不规则的边界条件及含水层的非均质各向异性的特点，本次矿井涌水量预测以数值法为主，结合解析法综合评价确定(蔡振宇等，2003)。

根据井田岩体地质结构分析，林南仓矿14煤层开采直接充水水源是煤12-煤14、煤14-K₃两个砂岩裂隙含水层，间接充水含水层是奥灰含水层。对煤12-煤14含水层，从西一采区的开采情况看，其能够得到很好的疏干。目前，西一采区该含水层水位为－250m左右(仓生5，243m，2004年3月;1997年水位约为－150m)，此含水层对煤14层的开采影响较小。煤14-K₃含水层仅有局部揭露，目前，该含水层水位－89.40m左右(仓生4，2004年12月)。此含水层属中等富水的含水层，是煤14开采的直接充水含水层，故而将对煤14层安全开采造成一定的威胁。奥灰含水层与煤14底板之间的隔水层厚度118～148m，充水通道为垂向的导水断层、裂隙或陷落柱，在－400水平煤14层底板承受奥灰水压约4MPa。经计算，突水系数约为0.033MPa/m²，小于临界突水系数0.06MPa/m²，在不存在构造(包括陷落柱)导水的情况下，对煤14的开采是安全的。但是，由于奥灰含水层水量、水压都较大，回采中一旦突水就会造成重大水害，所以本次数值模拟以煤14K₃两个砂岩裂隙含水层和奥灰含水层为目的层。

(二)渗流场分析

如果观测孔空间网络布置合理，一次大型的天然或者人工水文地质试验完全可以揭示出多层充水含水层组立体结构的整体渗流场分布特征。矿区所做的人工水文地质试验一般是抽水试验。抽水试验是反映地下水深流场特征的一个重要手段，是以地下水井流理论为基础，在实际井孔中抽水和观测，从而研究井的涌水量与水位降深的关系，求得含水层的水文地质参数。天然水文地质试验一般是指矿井突水，在突水期间，通过观测各含水层水位观测孔的水位变化情况，可以对含水层的富水性及各含水层的相互补给关系作出定性分析。流场分布不仅可以反映出内、外边界的水力性质，而且可以揭示出同一充水含水层组不同块段的渗透能力差异和不同充水含水层之间水力联系的具体部位及密切程度。因此，渗流场研究对于正确建立矿井水文地质概念模型具有重要的实用价值。

林南仓矿的各含水层的抽(注)水试验均属于稳定流、单孔、分段进行抽(注)水试验。抽(注)水试验采用的计算公式如下

典型煤矿地下水运动及污染数值模拟:Feflow及Modflow应用

式中:k为渗透系数(m/d);Q为涌水量(m³/d);q为单位涌水量(L/s·m);M为含水层厚度(m);S为水位降深(m);R为影响半径(m)。

经过计算，奥灰含水层和煤14-K₃含水层的钻孔抽水结果见表5－12和表5－13。

表5－12 奥灰含水层5个钻孔抽水试验

表5－13 煤14-K₃含水层7个钻孔抽水试验

(三)历史突水资料分析

根据矿井实际资料，林南仓矿的历史突水资料见表5－14。

表5－14 研究区巷道主要突水点资料

研究区巷道主要突水点分布见图5－4。

图5－4 研究区巷道主要突水点分布图

(四)水文地质概念模型的建立

模型是系统的缩影，而系统是两个以上相互区别而又相互作用的要素(或子系统)之有机结合，具有特定功能且适应环境变化的综合体。水文地质概念模型是地下水系统(地质实体)的综合反映，更是建立地下水系统数学模型的基础和依据。数学模型是水文地质概念模型的逼真，其成败的关键在于水文地质概念模型概化地质实体的准确程度和精确程度，而概化不仅需要有正确的勘探方法，还要求有一定的勘探工程控制。数学模型、水文地质要领模型与水文地质勘探三者相互制约，并应统一在最佳的经济技术条件前提下。本次主要以林南仓矿以前的抽水试验作为水文地质概念模型、数学模型的建立以及矿井涌水量预测预报的基础。

林南仓矿区是一个典型的向斜构造，是一个独立的水文地质单元，与临近矿井无水力联系。补给水源主要为冲积层底部卵砾石层含水层和煤系基底奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层。由于冲积层底部卵砾石层含水层地下水的动、静储量十分丰富，与煤系各含水层均呈角度不整合接触，不仅能顺层正常补给各煤系含水层，而且也与奥灰含水层之间有着极为广阔互补关系，致使奥灰含水层通过第四系含水层入渗补给煤系含水层。此外，由于林南仓井田地质构造比较发育，造成奥灰含水层通过断层、侵入岩体等构造越流补给煤系含水层。为了保持系统的完整性，提高水文地质系统数值模拟和矿井涌水量计算的精度，把整个矿井看作一个完整的系统。

1.含水系统内部结构概化

煤14-K₃(Ⅱ)含水层以浅灰—深灰色细砂岩和中砂岩为主，其主要成分为石英和燧石。颗粒分选中等，磨圆度较好，多为泥质孔隙式胶结。岩石坚硬、致密、裂隙发育，有方解石脉，最大裂隙宽度可达200mm(付石门盲巷头见)。其次为鲕状粘土岩及浅灰色粉砂岩。岩性坚硬、致密，含大量黄铁矿结核及植物化石。段内发育两层石灰岩或钙质粉砂岩，含腕足类、海百合类及焦叶贝类化石。细砂岩占全段岩性的1/3以上，泥矽质胶结，岩石坚硬，裂隙发育，为主要含水段。本含水层属中等含水的含水层。

该段岩层裂隙发育，断裂构造复杂，使层间的连通性较好，可视为一个统一的含水系统，故将其概化为单层结构。由于模拟区构造条件、岩性结构和水动力条件有所变化，呈现出各向异性的特点。因此，区域含水层为非均质、各向异性含水层。

奥灰含水层上部为灰、灰白色石灰岩，质地不纯，为隐晶质结构，夹有白云质灰岩。中部为中厚层豹皮状灰岩、蠕虫状石灰岩及灰色纯石灰岩。下部以灰色纹带状叶斑状薄层灰岩为主，夹深灰色豹皮状石灰岩。底部为灰色同生角砾岩，总厚度600～800m。奥陶纪石灰岩在本区无出露，均为第四纪地层所覆盖，其埋藏深度为100～400m。从钻孔及水源井揭露情况看，该含水层在冲积层覆盖区，灰岩在100m段内岩溶裂隙较为发育，水量充沛。深部煤系地层下的灰岩岩溶裂隙不发育，即使有岩溶裂隙，大部分被粘土岩充填，水量较小。该含水层距最小可采煤层最大厚度为130m，隔水岩柱厚50m。上部以粉砂岩为主，岩性致密，高岭土胶结;中部以细、中砂岩为主，泥质基底式胶结;底部为铝土岩，岩石致密，厚度大，隔水性好。从水文动态观测资料分析，北翼为补给区，南翼为排泄区，含水层厚度50～80m，属含水丰富的承压含水层。

由于该段岩层裂隙发育、断裂构造复杂，使层间的连通性较好，奥灰含水层视为一个统一的含水系统，故将其概化为单层结构。由于模拟区构造条件、岩性结构和水动力条件有所变化，呈现出各向异性的特点，因此，区域含水层为非均质、各向异性含水层。

2.边界条件概化

为了保持本岩溶承压水系统的完整性，提高系统数值模拟的精度，选取系统的自然边界作为计算边界。北部边界作为冲积层入渗补给边界，南部为排泄边界。

3.输入、输出条件概化

本含水层系统的输入、输出条件主要表现为含水层隐伏露头区冲积层水下渗补给，南部边界及矿井排水构成自然排泄区。

4.裂隙水运动状态概化

自然界一切现象都是在三维空间里发生的。本区岩溶水的运动也不例外，假定本区岩溶水运动满足达西定律，则可采用连续渗流方程来描述岩溶水的运动。