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1、第21卷第3期煤 炭 学 报Vol121No131996年 6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJune1996元宝山露天煤矿地下水疏干数值模拟薛禹群 吴吉春 谢春红 张志辉刘凤才(南京大学)(沈阳煤炭设计研究院) 摘要 元宝山露天矿水文地质条件复杂,矿坑疏干引起含水层疏干、边界移动、河流成了悬河1为评价疏干水量及疏干所引起的矿坑及其周围地区地下水位的降低情况,建立了一个适合露天矿排水疏干的二维水流模型,对疏干引起的上述特殊问题提出了相应的处理方法,模型计算值与实际观测值拟合良好,平均绝对误差为0133～0140m1关键词 数值模拟 含水层疏干 边界移动 露天矿中图
2、分类号 TD82416 元宝山露天煤矿位于内蒙古赤峰市东35km处,1990年10月开始剥离,预计1998年末达产1水43文地质条件复杂,疏干排水量大(约50×10m/d),水位降深大,一些含水层被疏干,疏干影响距离远,要进行数值模拟不仅难度大,而且模拟前必须首先克服由此带来的一些技术难题1以往的近10次模拟结果都不理想1这些难题有代表性,对其他矿区也有很大参考价值1本文提出了相应的数学模型及解决这些难题的方案11 水文地质概况计算区主要由老哈河、英金河的河漫滩及一、二级阶地组成(图1)1边缘为低山丘陵1区内主要含水层为全新统冲积相圆砾层,厚30～70m,分布于河漫滩及一级阶地内,砾石粒径
3、2～40mm,少数达100mm,常夹有少量砂及薄层粘土透镜体1在露天矿及其附近地区呈双层结构,上层为圆砾夹砂、卵石,下层为砂、砾砂1水的类型为潜水1在二级阶地上还分布有一个由上更新统砂砾石、中细砂组成的次要含水层,厚10余米至近100m不等1周边基岩中仅有极少量裂隙水1下伏基岩主要为白垩系砾岩夹泥岩和上侏罗系含煤地层1地下水和河水的关系有二种类型,一类是在枯水期地下水补给河水,丰水期河水补给地下水;另一类多见于地图1 计算区平面位置下水位大幅度下降、河流呈悬浮式通过的地区,地Fig11Planeviewofthelocationofthecalculatedarea表水通过包气带入渗补给地下
4、水1矿区采用114个43降水孔预先疏干1自1990208215正式排水至1992212231,实测平均排水量为46176×10m/d1 计算区根据自然条件除老哈河上、下游和英金河上游,以观测孔人为截取一段不受疏干影响的地段作为一类边界外,其余均以天然边界———山麓———为界(其中支沟按一类、二类边界处理,其余基岩段2简化作为隔水边界),面积400km1 收稿日期:1995211213256煤 炭 学 报1996年第21卷2 数学模型和数值方法考虑到二元结构上下层间没有隔水层,远离矿区双层结构又不明显,整个第四系含水层可作为一个[1]模拟层,用下式描述,即55H55H5H流的Kδ+K
5、δ对疏 +W+R=上述μ[(x,y)∈D,界移 t≥0],成了(1)5x5x5y5y5t式中,H为水头;K为渗透系数;δ为厚度,δ=H-h;h为底板标高;W为源汇项,包括降水入渗(αP)、农田灌溉水入渗(βQ)及渠道渗漏等,α为降水入渗系数,P为降水量,β为灌溉水补给系数,Q为单位时间、单位面积上的灌水量;R为河流补给地下水量;μ为给水度或饱和差;t为时间;(x,y)为坐标系;D为计算区1相应的初始条件和边界条件有H(x,y,0)=H0(x,y)[(x,y)∈D],(2)H(x,y,t)=φ(x,y,t)[(x,y)∈Γ1],(3)Γ15HK(H-h)=q(x,y,t)[(x,y)∈Γ2],
6、(4)5nΓ25HQjK(H-h)=-(j=1,2,⋯,v),(5)5nΓ2πrwjw式中,H0为初始水头;φ为第一类边界Γ1上给定的水头;q为第二类边界Γ2上单宽侧向补给流量,隔水边界则q=0;n为Γ2和井壁Γw的外法线方向;Qj和rwj分别为第j口井的流量和井径;v为井数1式(1)～(5)构成了刻划疏干条件下元宝山露天煤矿及其附近地区地下水流的数学模型1数值方法采用Galerkin有限元法,线性插值1由于含水层厚度δ也是未知的,依赖于H,方程(1)是非线性的,必须采用迭代方法来求解,可参阅文献[2,3]13 几个特殊问题的处理311 含水层疏干区的处理数值计算中,如何处理含水层疏干一直没
7、有解决,更未能从理论上阐明原委1通常或把它从计算区挖掉,或令疏干地段的含水层厚度或渗透系数为01这2种处理法都不好,前者不符合实际,当含水层重新含水时就难以恢复;后者从水文地质角度讲可以,但数学上不行,因当令δ或K为0时,方程退化,算出来的结果根本不反映地下水位逐渐降低的实际情况1以方程(1)为例(为简化起见,令R=0),当令δ=0或K=0时,二阶导数项消失,方程由原来的二阶偏微分方程退化为常微分方程μdH=
