厚松散含水层排水的数值模拟

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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。1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

7、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

8、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。