CN113255164B - 一种开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法 - Google Patents

一种开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开采扰动条件下煤矿地下水流‑水质耦合模拟方法，包括以下：在模拟计算过程中，根据煤矿开采进度划分若干应力期，在单个应力期内，首先根据工作面开采范围和采空区导水裂隙发育情况更新模型初始条件、边界条件、含水层参数设置，其次计算当期地下水流场，然后根据流场计算结果进一步计算污染物运移，直到完成所有应力期计算。本发明在对采煤动态过程及扰动效应进行合理概化的基础上，开展采动影响下矿区地下水流‑水质耦合模拟，从而准确合理地评估采煤活动对地下水环境的影响。

Description

一种开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法
技术领域
本发明属于矿井水文地质领域，具体涉及一种开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法。
背景技术
煤矿开采对区域地下水资源、环境生态产生严重影响，煤矿排水导致的区域地下水资源衰减，开采还会诱发地质灾害、水资源衰减、水质、地表生态环境恶化等系列问题，最终影响区域生态自然修复能力。以煤矿井工开采模式为例，煤层的采空会导致上覆岩层发生破断、位移和形变等对地质结构的扰动，在诱发地质灾害的同时也改变了区域地下水的赋存、循环条件。工作面围岩破碎产生的导水裂隙成为了地下水涌入矿井的通道，直接威胁采煤安全的同时，矿井排水也对区域地下水资源产生严重影响。此外，在采煤驱动下，地下水中的污染物还会发生复杂的迁移转化行为。煤矿开采会对地质结构和区域地下水***会发生复杂的扰动影响。
因此，煤-水协调开发和生态保护已成为我国煤炭开发的重大战略需求。其中，合理评估采煤活动对区域地下水环境的影响是实施煤-水资源保护性开发的重要环节。在考虑采煤扰动效应的基础上，科学、合理地预测煤矿涌水量以及评估采煤活动对区域地下水环境的影响成为重要的科研和实践需求。
物理模型和数学模型是地下水研究中常用的模型方法。物理模型具备实际***的物理或几何相似特征，可再现实际物理过程。数学模型以模型和原型物理规律在数学形式上的相似为基础，利用一组数学关系式抽象描述实际***物理过程，数学模型除了用于地下水流模拟，还可描述模拟溶质、热量运移等过程。根据数学模型求解方法的不同，又分为解析法和数值法。得益于灵活的方程、参数设置用于处理矿区复杂的水文地质条件，数值法在矿区地下水模拟领域具有广泛的适用性，随着研究区资料的丰富和对水文地质条件认识的深入，数值法逐渐成为矿井地下水相关领域的主要研究手段。
已有的区域地下水流场和污染运移模拟技术方案主要以地下水流数学模型和污染物运移数学模型为基础，在数值求解时，先计算地下水流场，得到空间中各点的地下水头高度和渗流速度，再计算污染物运移，得到空间中的污染物浓度分布。但是，已有技术在进行采煤过程中地下水流场动态模拟时，未能考虑含水层参数和工作面边界条件随煤层开采的动态变化，导致模型未能合理地反映采动条件下的地下水***动态变化特征，在此基础上进行的污染物运移模拟结果缺乏可信度。以井工矿开采模式为例，采动诱发的导水裂隙会增强煤层顶板含水层间的水力联系，形成采煤驱动下的水动力场，使得污染物在地下水中的反应运移过程变得复杂。因此，需要在考虑采煤扰动效应的基础上进行地下水流场和污染物运移模拟，从而准确合理地评估采煤活动对地下水环境的影响。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种能够准确合理地评估采煤活动对地下水环境影响的开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法。
技术方案：本发明的开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法，包括以下步骤：
(1)建立矿区地下水流数值模型，利用煤矿开采前的地下水位观测数据进行模型校正；
(2)分析矿区地下水污染现状，建立矿区地下水污染物运移数值模型；
(3)整理煤矿开采方案资料，将整个模拟期划分为若干计算应力期，对应煤矿的不同开采阶段；
(4)在单个应力期内，首先更新当前应力期地下水流模型的初始条件，其次根据当期煤矿开采范围，同时更新地下水流模型中的工作面排水边界条件和含水层参数设置，然后计算当期地下水流场和矿井涌水量；
(5)更新污染物运移模型中污染物空间分布初始条件、污染源设置，根据当期地下水流场计算结果，进一步计算污染物运移；
(6)重复步骤(4)和(5)直到步骤(3)中划分的应力期计算完成。
步骤(1)中，所述建立矿区地下水流数值模型，利用煤矿开采前的地下水位观测数据进行模型校正，包括以下步骤：
(1.1)分析矿区水文地质、地理、气象资料，确定模型范围、边界条件；
(1.2)基于钻孔资料建立研究区三维地层模型，并根据地层岩性和厚度对煤层顶板的含隔水层结构进行精细刻画；
(1.3)以水文地质条件为基础，结合抽水试验同时参考特征岩性的水力参数经验值，对含水层参数进行分区设置；
(1.4)在不设置矿井排水边界条件的基础上，计算研究区地下水渗流场；
(1.5)利用煤矿开采前的地下水位观测资料对模型的结构、边界条件和含水层参数进行校正。
步骤(2)中，所述分析矿区地下水污染现状，建立矿区地下水污染物运移数值模型，包括以下步骤：
(2.1)调查矿区地下水污染现状，确定污染源和特征污染物；
(2.2)根据污染源分布位置、污染物泄露强度、地下水中污染物浓度分布、污染物迁移转化特征，建立矿区地下水污染物运移数值模型。
步骤(3)中，所述煤矿开采方案资料包括开采范围、开采时长、工作面数量、单个工作面开采进度。
所述步骤(4)中，在单个应力期内，首先更新当前应力期地下水流模型的初始条件，其次根据当期煤矿开采范围，同时更新地下水流模型中的工作面排水边界条件和含水层参数设置，然后计算当期地下水流场和矿井涌水量，具体包括以下步骤：
(4.1)在单个应力期内，首先读取上一应力期地下水流场计算结果，作为当前应力期地下水流数值模型的初始流场；
(4.2)根据当期煤矿开采范围、工作面展布情况，调整模型中工作面排水边界点的分布范围和各节点疏排地下水的目标高度；
(4.3)根据采煤扰动诱发的导水裂隙的分布范围和裂隙带内岩层导水性能的变化情况，在模型中调整含水层参数设置；
(4.4)调用求解程序计算当前应力期地下水流场和矿井涌水量，保存计算结果。
步骤(5)中，所述更新污染物运移模型中污染物空间分布初始条件、污染源设置，根据当期地下水流场计算结果，进一步计算污染物运移，具体包括以下步骤：
(5.1)在单个应力期内，首先读取上一应力期污染物运移计算结果，作为当前应力期污染物运移数值模型的初始浓度场；
(5.2)根据当前应力期污染源变化特征，更新污染物运移模型中污染源设置，包括污染源位置、污染源释放强度；
(5.3)读取步骤(4)中当前应力期的地下水流场计算结果；
(5.4)调用求解程序计算当前应力期的污染物运移，保存计算结果。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：在对采煤动态过程及扰动效应的合理概化的基础上实现采动影响下矿区地下水流场-污染物运移耦合模拟，得到煤矿不同开采阶段的地下水流场、矿井涌水量和污染物浓度分布，从而准确合理地评估采煤活动对地下水环境的影响。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明实施例中理想算例三维结构及剖面位置图；
图3为本发明实施例中理想算例x-z方向剖面及污染源设置示意图；
图4为本发明实施例中井工矿开采范围及扰动区设置示意图；
图5为本发明实施例中井工矿开采条件下流场计算结果x-z剖面图；
图6为本发明实施例中理想算例涌水量计算结果；
图7为本发明实施例中井工矿开采条件下污染物运移计算结果x-z剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍。
如图1所示，本发明的开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法，包括以下步骤：
(1)建立矿区地下水流数值模型，利用煤矿开采前的地下水位观测数据进行模型校正；具体分为以下步骤：
(1.1)分析矿区水文地质、地理、气象资料，确定模型范围、边界条件；
(1.2)基于钻孔资料建立研究区三维地层模型，其中根据地层岩性和厚度对煤层顶板的含隔水层结构进行精细刻画；
(1.3)以水文地质条件为基础，结合抽水试验同时参考特征岩性的水力参数经验值，对含水层参数进行分区设置；
(1.4)在不设置矿井排水边界条件的基础上，计算研究区地下水渗流场；
(1.5)利用煤矿开采前的地下水位观测资料对模型的结构、边界条件和含水层参数进行校正。
(2)分析矿区地下水污染现状，建立矿区地下水污染物运移数值模型；具体分为以下步骤：
(2.1)矿区地下水污染现状调查，确定污染源和特征污染物；
(2.2)根据污染源分布位置、污染物泄露强度、地下水中污染物浓度分布、污染物迁移转化特征，建立矿区地下水污染物运移数值模型。
(3)整理煤矿开采方案资料，将整个模拟期划分为若干计算应力期，对应煤矿的不同开采阶段；具体分为以下步骤：
(3.1)整理煤矿开采方案资料，包括开采范围、开采时长、工作面数量、单个工作面开采进度；
(3.2)根据模拟预测目标，例如模拟的时间精度、开采范围精度等，将整个模拟期划分为若干计算应力期，对应煤矿的不同开采阶段。
(4)在单个应力期内，首先更新当前应力期地下水流模型的初始条件，其次根据当期煤矿开采范围，同时更新地下水流模型中的工作面排水边界条件和含水层参数设置，然后计算当期地下水流场和矿井涌水量；具体分为以下步骤：
(4.1)在单个应力期内，首先读取上一应力期地下水流场计算结果，作为当前应力期地下水流数值模型的初始流场；
(4.2)根据当期煤矿开采范围、工作面展布情况，调整模型中工作面排水边界点的分布范围和各节点疏排地下水的目标高度，该目标高度应等于煤层底板标高；
(4.3)根据采煤扰动诱发的导水裂隙的分布范围和裂隙带内岩层导水性能的变化情况，在模型中调整含水层参数设置，采煤扰动诱发的导水裂隙的分布范围可通过现场探测或室内相似试验结果进行判断，裂隙带内岩层导水性能的变化情况可通过现场抽水试验或数值模拟手段进行分析；
(4.4)调用求解程序计算当前应力期地下水流场和矿井涌水量，保存计算结果。
(5)更新污染物运移模型中污染物空间分布初始条件、污染源设置，根据当期地下水流场计算结果，进一步计算污染物运移；具体分为以下步骤：
(5.1)在单个应力期内，首先读取上一应力期污染物运移计算结果，作为当前应力期污染物运移数值模型的初始浓度场；
(5.2)根据当前应力期污染源变化特征，更新污染物运移模型中污染源设置，包括污染源位置、污染源释放强度；
(5.3)读取步骤(4)中当前应力期的地下水流场计算结果；
(5.4)调用求解程序计算当前应力期的污染物运移，保存计算结果。
(6)重复步骤(4)和(5)直到步骤(3)中划分的应力期计算完成；具体分为以下步骤：
(6.1)重复步骤(4)和(5)直到步骤(3)中划分的所有应力期计算完成；
(6.2)计算结果的分析和可视化展示。
下面通过理想算例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。理想算例模拟了煤矿井工开采的情景。
步骤1.建立天然状态下的矿区地下水流模型。三维模型尺度500×300×200m，包括3个含水层和2个弱透水层，各层水力参数设置如表1所示。各含水层东西两侧均为给定水头边界，水头设置如图2所示，南北两侧为隔水边界。因为设置了理想算例，此处不进行参数校准。
表1理想算例水流模型参数设置
步骤2.建立矿区地下水污染物运移数值模型。算例中，在工作面左侧设置污染源(如图3所示)，模拟采煤驱动下前期采空区高浓度的老窖水在含水层中的迁移过程，污染源设置为恒定浓度污染源。污染物的纵向弥散度设置为10m，横向弥散度为1m，垂向弥散度为0.1m，不考虑迁移过程中的化学反应。
步骤3.整理煤矿开采方案资料，将整个模拟期划分为若干计算应力期，对应煤矿的不同开采阶段。算例中第二弱透水层为目标煤层，煤层中部为开采工作面，开采面积70×40m，分7个开采期，每期1个月。
步骤4.在单个应力期内，1)首先读取上一应力期地下水流场计算结果，作为当前应力期地下水流数值模型的初始流场；2)根据当期煤矿开采范围、工作面展布情况，调整模型中工作面排水边界点的分布范围和各节点疏排地下水的目标高度，该目标高度应等于煤层底板标高，本例中设置为95m；3)根据采煤扰动诱发的导水裂隙的分布范围和裂隙带内岩层导水性能的变化情况，在模型中调整含水层参数设置，本例中导水裂隙动态发育特征如图4所示，导水裂隙随着煤层的开采逐渐向上发育，最后导通第一弱透水层。导水裂隙带渗透系数增大为原始值的10倍；4)调用求解程序MODFLOW计算当前应力期地下水流场和矿井涌水量，保存计算结果。
步骤5.在单个应力期内，完成水流模型计算后，1)首先读取上一应力期污染物运移计算结果，作为当前应力期污染物运移数值模型的初始浓度场；2)根据当前应力期污染源变化特征，更新污染物运移模型中污染源设置，包括污染源位置、污染源释放强度，本例中污染源位置固定，污染源设置为恒定浓度的污染源；3)读取步骤4中当前应力期的地下水流场计算结果；4)调用求解程序MT3D计算当前应力期的污染物运移，保存计算结果。
步骤6.重复步骤4-5直到步骤3中划分的7个应力期计算完成；计算结果的分析和可视化展示。地下水流场计算结果如图5所示，图中水头最低的区域为煤矿工作面区域，其范围随着煤矿开采逐渐增加。含水层中形成了以工作面为中心的水位降落漏斗，在导水裂隙带发育至第一弱透水层之前，降落漏斗集中煤层顶板含水层中，如图5(a)(b)所示。随着煤矿开采，当导水裂隙发育至第一弱透水层后，两个含水子***间的水力联系增大，水位降落漏斗也延伸至第一含水层中，如图5(c)所示。
涌水量计算结果如图6所示。其中Kr为导水裂隙带渗透系数，K0为天热状态下含水层渗透系数。计算结果表明，考虑采动效应对渗透系数的影响，所预测的涌水量大于渗透系数不变的情景，尤其是当第6开采期导水裂隙发育到第一弱透水层以后，两个含水层产生了更强的水力联系，涌水量出现突然增大的现象。
污染物运移计算结果如图7所示，在采煤排水驱动下，位于工作面左侧的污染物在含水层中发生横向迁移，污染源羽逐渐扩散至正在开采的工作面区域。

Claims (4)

1.一种开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）建立矿区地下水流数值模型，利用煤矿开采前的地下水位观测数据进行模型校正；
（2）分析矿区地下水污染现状，建立矿区地下水污染物运移数值模型；
（3）整理煤矿开采方案资料，将整个模拟期划分为若干计算应力期，对应煤矿的不同开采阶段；
（4）在单个应力期内，首先更新当前应力期地下水流模型的初始条件，其次根据当期煤矿开采范围，同时更新地下水流模型中的工作面排水边界条件和含水层参数设置，然后计算当期地下水流场和矿井涌水量；
（5）更新污染物运移模型中污染物空间分布初始条件、污染源设置，根据当期地下水流场计算结果，进一步计算污染物运移；
（6）重复步骤（4）和（5）直到步骤（3）中划分的应力期计算完成；
所述步骤（4）中，在单个应力期内，首先更新当前应力期地下水流模型的初始条件，其次根据当期煤矿开采范围，同时更新地下水流模型中的工作面排水边界条件和含水层参数设置，然后计算当期地下水流场和矿井涌水量，具体包括以下步骤：
（4.1）在单个应力期内，首先读取上一应力期地下水流场计算结果，作为当前应力期地下水流数值模型的初始流场；
（4.2）根据当期煤矿开采范围、工作面展布情况，调整模型中工作面排水边界点的分布范围和各节点疏排地下水的目标高度；
（4.3）根据采煤扰动诱发的导水裂隙的分布范围和裂隙带内岩层导水性能的变化情况，在模型中调整含水层参数设置；
（4.4）调用求解程序计算当前应力期地下水流场和矿井涌水量，保存计算结果；
步骤（5）中，所述更新污染物运移模型中污染物空间分布初始条件、污染源设置，根据当期地下水流场计算结果，进一步计算污染物运移，具体包括以下步骤：
（5.1）在单个应力期内，首先读取上一应力期污染物运移计算结果，作为当前应力期污染物运移数值模型的初始浓度场；
（5.2）根据当前应力期污染源变化特征，更新污染物运移模型中污染源设置，包括污染源位置、污染源释放强度；
（5.3）读取步骤（4）中当前应力期的地下水流场计算结果；
（5.4）调用求解程序计算当前应力期的污染物运移，保存计算结果。
2.根据权利要求1所述开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法，其特征在于，步骤（1）中，所述建立矿区地下水流数值模型，利用煤矿开采前的地下水位观测数据进行模型校正，包括以下步骤：
（1.1）分析矿区水文地质、地理、气象资料，确定模型范围、边界条件；
（1.2）基于钻孔资料建立研究区三维地层模型，并根据地层岩性和厚度对煤层顶板的含隔水层结构进行精细刻画；
（1.3）以水文地质条件为基础，结合抽水试验同时参考特征岩性的水力参数经验值，对含水层参数进行分区设置；
（1.4）在不设置矿井排水边界条件的基础上，计算研究区地下水渗流场；
（1.5）利用煤矿开采前的地下水位观测资料对模型的结构、边界条件和含水层参数进行校正。
3.根据权利要求1所述开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法，其特征在于，步骤（2）中，所述分析矿区地下水污染现状，建立矿区地下水污染物运移数值模型，包括以下步骤：
（2.1）调查矿区地下水污染现状，确定污染源和特征污染物；
（2.2）根据污染源分布位置、污染物泄露强度、地下水中污染物浓度分布、污染物迁移转化特征，建立矿区地下水污染物运移数值模型。
4.根据权利要求1所述开采扰动条件下煤矿地下水流-水质耦合模拟方法，其特征在于，步骤（3）中，所述煤矿开采方案资料包括开采范围、开采时长、工作面数量、单个工作面开采进度。
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基于TOUGH2-FLAC~(3D)耦合的三维地面沉降数值模拟及控制策略研究;熊小锋;罗跃;施小清;吴剑锋;吴吉春;;高校地质学报(第01期);174-182 *
徐州东部废弃矿井地下水流场演化模拟研究;潘;刘勇;曾献奎;吴吉春;;水文地质工程地质(第02期);58-62 *
煤层覆岩采动裂隙应力-渗流耦合模型及涌水量预测;程香港;乔伟;李路;江传文;倪磊;;煤炭学报(第08期);204-214 *
采煤活动对地下水水质的影响概述;张逸阳;;科学咨询(决策管理)(第04期);54 *

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