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刘基等:复杂水文地质条件下大型帷幕截流工程效果数值仿真分析

日期:2019-11-27 16:39 来源:资讯 作者:太阳城网络

  概化了朱仙庄煤矿多层、复杂接触、复合边界的水文地质条件以及大型帷幕截流墙;通过现场放水实验重新梳理了主要含水层之间的水力联系及参数分布特征;针对数值模型不收敛现象,提出了动态调整模型参数阻尼系数的方法控制了模型的收敛;综合帷幕墙建设期间、放水实验以及模拟最终疏降状态下帷幕墙残余水量、截流率等参数分析了大型帷幕截流墙的整体工程效果。

  1. 煤炭科学研究总院;2. 中煤科工集团西安研究院有限公司;3. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室

  淮北矿区朱仙庄煤矿地质及水文地质条件十分复杂,主采煤层8 号煤开采时受顶板侏罗系砾岩含水层—“五含”以及新生界松散含水层“四含”地下水的严重威胁。 866-1首采工作面开采时曾发生顶板“五含”溃水溃沙事故,造成巨大经济损失。 为防止同类事故再次发生,需要对顶板水害进行预先治理。

  目前,顶板水害治理主要采用疏水降压。由于该矿“五含”和“四含”分别与下伏石炭系太原组灰岩(以下简称“太灰”)及奥陶系灰岩(以下简称“奥灰”)有着极其密切的水力联系。太灰、奥灰与“五含”和“四含”呈现高角度不整合接触,太灰、奥灰地下水均通过隐伏露头补给“五含”和“四含”地下水,同时,“四含”通过与“五含”的角度不整合接触带补给“五含”。因此,作为8煤直接顶板的“五含”具有静储量大、水压高、补给条件好等特点,疏水降压不可行,因此,通过帷幕截流工程切断其水力联系再实施疏水降压工程,是朱仙庄煤矿实现8煤安全开采的必由之路,而复杂水文地质条件下大型帷幕截流工程效果评价对于工程质量控制具有重大意义。

  自20世纪60年代以来,地下水流数值仿真技术开始应用于地下水工程计算中,并开发了一系列地下水仿真软件,如Modflow,Feflow等软件。数值仿真技术具有方便灵活、适用性强的特点,目前,已广泛应用于地下水资源评价、地下水溶质运移以及地下水环境影响评价中,而将地下水流数值仿真分析技术应用于多层、复杂接触、复合边界的复杂水文地质条件下的大型帷幕截流工程整体效果评价中具有非常明显的优势。

  笔者针对大型帷幕截流工程复杂水文地质条件的概化、大型数值模型的建立以及模型收敛性的控制方法等关键问题,在井下放水试验的基础上,通过相关技术概化朱仙庄煤矿复杂的水文地质条件,建立水文地质概念模型和地下水流数值模型,通过动态调整算法阻尼因子控制数值模型计算的收敛性,预测计算地下水头疏降至目标值后帷幕截流墙的残余水量,定量评价整体注浆截流效果,为8煤安全开采提供了科学依据。

  朱仙庄煤矿水文地质条件复杂,其8煤开采受到奥灰和太灰强富水含水层的补给影响,严 重威胁煤矿的安全开采。 提出了建造大型帷幕截流墙、切断它们之间的水力联系、进行疏水降压的水害治理方法。

  针对前人单点局部检验帷幕效果的不足,为预测大型帷幕墙的整体截流效果,在井下开展了三阶段放水试验,以此为基础,开展了朱仙庄煤矿多层、复杂接触、复合边界的水文地质条件下大型帷幕截流工程数值仿真分析。结果表明:放水试验期间,帷幕墙内“五含”水位呈现“平盘式”下降现象,墙内外水位差明显,放水试验末期墙内外水位差约200m,“四含”水位变化出现“滞后”现象,判断了它们之间水力联系微弱,确定了“五含”和“四含”的参数分别为4个和2个分区。

  针对朱仙庄煤矿复杂的水文地质模型,通过将第2和第3层赋值为相同参数概化了“四含”和“五含”的高角度不整合接触关系,奥灰与“四含”的接触带概化为变水头边界,同时将太灰与“四含”,奥灰、太灰与“五含”的接触带概化为源汇补给项,建立了420行×260列×3层的大型帷幕截流工程的大型数值模型,运用MODFLOW软件的WHS求解器进行模型计算。由于研究区复杂的地层接触关系,数值模型在计算中容易出现不收敛现象,通过动态调整算法的阻尼系数在0.8~0.5可以很好地控制模型的收敛性。

  帷幕截流墙的数值仿真分析发现,帷幕截流墙整体渗透性能较差,整体渗透系数为0.6Lu(折合渗透系数为0.005m/d)。预测了“五含”水位疏降至安全水头-350m时的残余水量为91m3/h,截流率达95%以上,综合分析帷幕墙截流效果非常明显。本次计算方法和技术可为类似的复杂水文地质条件下大型数值模型的构建、计算及快速收敛提供参考,同时丰富了煤炭精准开采背景下的矿井地质保障技术。

  刘基,男,1985年12月4日出生,江西临川人,助理研究员,硕士研究生,毕业于长安大学,现就职于中煤科工集团西安研究院有限公司矿山灾害防治与环境治理技术研发中心,煤炭科学研究总院博士在读。主持国家重点研发计划子课题1项,作为主要执行人参与国家重点研发计划3项、国家及陕西省自然科学基金多项;发表学术论文20余篇,其中SCI/EI收录5篇。

  开展了蒙陕矿区深埋煤层顶板水害防治关键技术研究,分析了深埋煤层开采对浅层地下含水层的影响以及矿区地下水环境数值仿真分析。同时研究了榆神府矿区高强度开采对浅层含水层水资源量和水质的影响程度,提出了基于生态的分质保供水资源多目标优化配置方法,为干旱半干旱矿区地下水资源保护与可持续利用提供科学依据。研究背景

  刘基,靳德武,姬亚东,等. 复杂水文地质条件下大型帷幕截流工程效果数值仿真分析[J]. 煤炭学报,2019,44(8):2427-2436.