巍山煤矿开采对地下水影响的数值模拟研究

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1、巍山煤矿开采对地下水影响的数值模拟研究第一章绪论1.1选题背景及研究意义中国属于采煤大国之一，煤炭产量为世界首位，在全国的一次性能源结构中的比例为70％多[1-2]。全国百分之二十五的原煤产量来自我国的的重要能源化工基地山西省，全省的大部分区域地下埋藏着丰富的煤炭资源，占了整个山西省面积的百分之四十左右，主要包括大同、宁武、西山、霍西、河东与沁水六大煤田[3-4]。然而，煤与水一起储存在相同的地质实体中，在自然状况下，都具备各自的变化情况和储存条件。因为采煤抽水打破地下含水层之前的自然状态，开采范围内各个含水层的水位等值线发生了较大的弯

2、曲，改变成类似漏斗一样的形状以开采范围为中心，同时地下各个含水层各自之间的补给、径流、排泄的关系发生了很大的改变，开采范围内各个含水层的水位下降较快，周边的各个含水层向开采范围中心附近含水层汇聚，各个含水层水流速度加快，整个周边的含水层水位下降，水资源储存量也随之减少，一部分承压含水层转变成无压含水层，最终导致煤层的上覆地下含水层遭受显毁坏，原先的含水层被迫变成透水层[5-6]。地下水必定会在新的环境中寻找新的平衡，在寻找新的平衡期间势必要对原有的生态环境发生改变，且产生一定的影响，如地面下沉、地面塌陷、地裂缝、地下水水质恶化、海水入侵

3、、荒漠化及沙化等[7-9]。近年来，全国各族人民在国民经济的快速发展的大好形势下，人们对环境保护的观念也随之增强，全国的学者们对采煤引起地下水的相关问题给予了高度的重视，分别从不同角度进行了研究，并取得了一定成果，山西省作为我国严重缺水的省份之一，增强采煤对地下水环境影响等评价的研究就显得相当必要[10-12]。巍山煤矿井田位于山西省晋中市榆次区城北直距约19km处，井田呈不规则多边形，设计产量为每年90.0万吨，允许开采石炭系太原组的13-15号煤层，服务时间为11.7年。本文采用GMS建立数学模型的方法，以13-15号煤层上覆基岩裂

4、隙含水层为主要研究对象，利用有限元法对数学模型进行求解，定量分析和预测了采煤后地下水流场的变化及其发展趋势，能够提供一定的科学依据在水资源应用与生态环保方面。1.2国内外研究现状在国外，斯图尔曼[13](R.azzia等学者指出了可以采用二维非线性动力学的控制方程式来计算含盐量比较大的地区地下水的运移模拟情况，用这种方法进行的数值模拟具有不错的效果[19]。Li.Shuguang等学者提出数学模型同时也会出现计算不了的情况，比如预测、预报等很多不能够肯定性条件的情况，但他创造性的解答出了平均值分布等难题的模拟模型，这个模拟模型就是一类随

5、机地下水流的模型[20]。.第二章研究区条件概况2.1项目概况山西省煤炭运销集团巍山煤业有限公司由原山西省巍山煤业有限公司（井田面积2.3448km2）与原山西省榆次云景山煤业有限公司（井田面积1.9411km2）组成。兼并重组后，批采煤层为13-15号煤层，生产规模为90万t/a，兼并重组后的井田呈不规则多边形，全矿井边界南北方向最长是4.10km，东西方向最宽是2.79km，矿井的总面积是6.6km2，其中允许开采面积是3.81km2，禁止开采面积是2.79km2，位于井田南部（如图2-1）。根据煤层赋存情况、开采技术条件以及通风安

6、全、生产能力、回收率等因素，13、15号煤层采用上下重叠布置，联合开采。13号煤层布置一个高档普采工作面，一次采全高，15号煤层布置一个综合开采工作面采综合开采放顶煤的方法。矿井的最大涌水量是3600m3/d，矿井水处理站处理规模设计值是150m3/h。2.2地理位置及交通山西煤炭运销集团巍山煤业有限公司在晋中市榆次区城北直距约为19km处，该矿南至榆次火车站约为19km，西至鸣里火车站约为20km，距离太原市约为23km。与晋中市北外环路，太榆路及307国道相连，南与太旧高速公路相接，北与京原线相接，交通便利（见交通位置图2-2）。2

7、.3气象与水文2.3.1气象本区天气属于暖温带大陆性季风气候，主要特征为四个季完全不同，春天温度回升很快，晴天比较多；夏天温度较高，属于降雨季节，阳光照射时间长；秋天温度缓慢降低，降雨量逐渐变少，晴天也比较多；冬天温度较低，天气较干燥且比较冷，降雨量很少，晴天与少云的天气普遍。根据榆次区气象站19912010年整编气候统计资料：多年气温平均是9.8℃，年极端天气的最高与最低气温分别是37.1℃与-21.2℃，多年加权平均降雨量是413.3mm，年均相对湿度是56%，年均蒸发量是2059.3mm。年日照时数2669.2h。年平均地面温度是

8、12.3℃，全年最大冻土深度是90cm。..第三章水文地质参数及试验......353.1水文地质试验....353.1.1抽水试验.........353.1.2收集抽水试验情况.........36第四