论文部分内容阅读
摘要：地下水数值模拟系统在实际案例运用中可以有效地帮助解决各类水文地质问题，包括水流问题、溶质运移、地下水污染等问题。本文将以宝丰盛源煤业有限公司为例，阐述地下水数值模拟系统在矿井涌水量计算中的应用，并分析地下水数值模拟系统是否得以广泛运用。
关键词：地下水数值模拟系统、矿井涌水量计算、实际应用
中图分类号：TU991.11文献标识码： A
正文：
矿井涌水量的准确预测对于防止矿井突水、淹井等恶性突发事故有着重要的意义，同时也能大大降低生产成本，保障矿山的安全生产。【1】
一、地下水数值模拟系统
（一）概况
地下水数值模拟系统主要用来解决各类水文地质问题，并起到一定的预测作用，其模拟任务主要有四种，分别为地下水运移模拟、水流模拟、反应模拟以及反应运移模拟。在模拟模型的简历过程中，需要针对其中某一个目标，模型的建立步骤一般有这样几点：1、建立概念模型；2、选择数学模型；3将数学模型进行数值化；4、模型校正；5、校正灵敏度分析；6、模型验证；7、预测；8、预测灵敏度分析；9、给出模拟设计与结果；10、后续检查；11、模型再设计。
地下水数值模拟系统是随着计算机出现而发展起来的，以有限单元法为基本计算方法，在分割近似原理的指导下，将复杂的非线性问题简化为线性问题，从而避开了解析法求解微分方程时各种严格理想化的要求，使数值模拟系统更能灵活地适用于各种矿井涌水量的计算。【2】现目前常用的地下水数值模拟软件有美国开发的GMS（其中MODFLOW是世界上使用最广泛的三维地下水水流模型）、Visual MODFLOW、Visual Groundwater、PHREEQC、TNTmips等是运用较为广泛的软件。
二、实际应用
（一）郑煤盛源煤业有限公司概况
宝丰盛源煤业位于宝丰县大营镇宋坪村西南方，其由宝丰县大营镇宋坪村办煤矿和大營镇双鱼山二矿于2007年被郑煤集团整合而成,并于2010年加入中国有色金属工业集团。地处平顶山市宝丰县内，紧邻207国道，交通十分便利。矿井设计生产能力为30万吨每年，煤种为1/3焦，是优质的炼焦用煤。
1、可采煤层。
主要开采山西组下部的二1煤层以及一4煤层。
2、煤层标高。
二1煤层深埋280m~338m，煤层开采深度标高为-140m~0m;一4煤层深埋261m~400m，煤层开采深度地板标高为-160m~-30m。
（二）矿井的水文地质
该矿区的主要含水层有四个系层：寒武系上统崮山组，二又叠系下统山西组、下石盒子组，石炭系上统本溪组和太原组，第四系。
第一系层：寒武系上统崮山组含水层。白云质灰岩，厚59~131m，无泉水出露。
第二系层：二又叠系下统山西组、下石盒子组含水层。其中山西组是由二1煤层上部大占香碳砂岩段中的粗粒岩、砂岩段构成；下石盒子组是由下部中、粗粒砂岩组成，该层含砂岩裂痕承压水，富水性较差，不威胁煤矿开采。
第三系层：石炭系上统本溪组和太原组含水层，岩性为灰至深灰色结晶灰岩，含水层由L1~L8（L1灰岩厚为0.33~15.76m）薄层状灰岩和中粒砂岩组成。该岩层承压性较好，存储水量较多，水压较高，但其分布并不均匀。
第四系层：第四系含水层。由冲击岩、沙石岩组成，直接覆盖在下伏地层上，对矿井开采有一定的影响。
（三）模型的建立
概念模型的建立是一个极为复杂的过程，需要我们充分了解模拟地区的地质构造、水文地质、岩石矿物、气象、地形地貌、工农业利用等一切与地下水相关的关系点。【3】
在划分水文地质单元，确定模拟边界和范围之前，我们应该准备：地形地貌图、第四纪地质图、水文地质图、地下水等水位线及埋深图、模拟区遥感影像数据、有关的区域地下水方面的调查勘察研究报告及成果。
（四）模型的结构
首先应该对模拟区域的地质结构和水文地质条件加以概化，建立水文地质概念模型，然后构建相关数值模型。
1、有剖面线的位置的水文地质剖面图；
2、详细的钻孔、深孔资料（附有名称、坐标、孔标高、终孔深度、分层信息以及岩性描述等）；
3、以完整的水文地质单元作为模拟的区域范围，考虑到有些边界和范围过于偏远，应该考虑扩大模拟区的范围，适时可采用模型嵌套技术。
（五）模型的参数
1、潜水、承压含水层和弱透水层平、根据岩性和抽水试验分区的垂向渗透系数的分区图与数值；
2、承压水含水层存水率的分区和相关数值；
3、潜水含水层的导水程度的分区和数值；
4、弱透水层的存储率的分区图和数值；
5、各类渗水实验的资料和研究成果；
6、各层的有效钻孔的隙度。
（六）实际案例
1、确定一4煤层为计算区域，对计算区域进行三角分区和参数分区；
2、对一4煤层的含水系统内部进行概化，对其边界形态进行简化，对边界进水类型进行划分以及地下水的相关运动状态；
3、明确各分区的参数值，要详细了解一4煤层每个节点、每个分单元的信息，以及观察钻孔的水位信息和抽水孔水量信息，计算时段信息等。
在这个水文地质模型中将一4煤层共划分为20个分区，650个节点，分单元5512个，有效单元5082个，观测孔号5个。
表1 地下水位观测值拟合统计
其中我们选取了1号孔水位观测值进行研究，可得出：
表2 各分区参数计算
最后通过系统模拟可以计算出一4煤层的正常涌水量为222m²/h，最大涌水量为289m²/h。
（四）结语
近年来，随着科技的不断进步和发展，水文地质工作者们拥有了大量的科学决策和科学管理信息的方法。地下水数值模拟系统可以量化地下水的动态变化与人类开采活动的关系，可以比较不同开采方案并预测其对环境造成的影响。由此可见，地下水数值模拟系统在实践中是可以得到广泛运用的，它将在国家制定区域水政策以及各企事业单位开矿采矿事业中做出重大的贡献。由此可以预测，地下水数值模拟系统在矿井涌水量研究应用中的前景是无限广阔的，应该引起相关工作者的重视。
参考文献：
【1】魏军，《矿井涌水量的数值模拟研究》，2006年12月
【2】谢春红、薛禹群，《地下水数值模拟》，国家自然科学基金出版社，2007年
【3】宋殿军，《地下水对露天矿边坡稳定性的影响》，金属矿山，1981年10期
关键词：地下水数值模拟系统、矿井涌水量计算、实际应用
中图分类号：TU991.11文献标识码： A
正文：
矿井涌水量的准确预测对于防止矿井突水、淹井等恶性突发事故有着重要的意义，同时也能大大降低生产成本，保障矿山的安全生产。【1】
一、地下水数值模拟系统
（一）概况
地下水数值模拟系统主要用来解决各类水文地质问题，并起到一定的预测作用，其模拟任务主要有四种，分别为地下水运移模拟、水流模拟、反应模拟以及反应运移模拟。在模拟模型的简历过程中，需要针对其中某一个目标，模型的建立步骤一般有这样几点：1、建立概念模型；2、选择数学模型；3将数学模型进行数值化；4、模型校正；5、校正灵敏度分析；6、模型验证；7、预测；8、预测灵敏度分析；9、给出模拟设计与结果；10、后续检查；11、模型再设计。
地下水数值模拟系统是随着计算机出现而发展起来的，以有限单元法为基本计算方法，在分割近似原理的指导下，将复杂的非线性问题简化为线性问题，从而避开了解析法求解微分方程时各种严格理想化的要求，使数值模拟系统更能灵活地适用于各种矿井涌水量的计算。【2】现目前常用的地下水数值模拟软件有美国开发的GMS（其中MODFLOW是世界上使用最广泛的三维地下水水流模型）、Visual MODFLOW、Visual Groundwater、PHREEQC、TNTmips等是运用较为广泛的软件。
二、实际应用
（一）郑煤盛源煤业有限公司概况
宝丰盛源煤业位于宝丰县大营镇宋坪村西南方，其由宝丰县大营镇宋坪村办煤矿和大營镇双鱼山二矿于2007年被郑煤集团整合而成,并于2010年加入中国有色金属工业集团。地处平顶山市宝丰县内，紧邻207国道，交通十分便利。矿井设计生产能力为30万吨每年，煤种为1/3焦，是优质的炼焦用煤。
1、可采煤层。
主要开采山西组下部的二1煤层以及一4煤层。
2、煤层标高。
二1煤层深埋280m~338m，煤层开采深度标高为-140m~0m;一4煤层深埋261m~400m，煤层开采深度地板标高为-160m~-30m。
（二）矿井的水文地质
该矿区的主要含水层有四个系层：寒武系上统崮山组，二又叠系下统山西组、下石盒子组，石炭系上统本溪组和太原组，第四系。
第一系层：寒武系上统崮山组含水层。白云质灰岩，厚59~131m，无泉水出露。
第二系层：二又叠系下统山西组、下石盒子组含水层。其中山西组是由二1煤层上部大占香碳砂岩段中的粗粒岩、砂岩段构成；下石盒子组是由下部中、粗粒砂岩组成，该层含砂岩裂痕承压水，富水性较差，不威胁煤矿开采。
第三系层：石炭系上统本溪组和太原组含水层，岩性为灰至深灰色结晶灰岩，含水层由L1~L8（L1灰岩厚为0.33~15.76m）薄层状灰岩和中粒砂岩组成。该岩层承压性较好，存储水量较多，水压较高，但其分布并不均匀。
第四系层：第四系含水层。由冲击岩、沙石岩组成，直接覆盖在下伏地层上，对矿井开采有一定的影响。
（三）模型的建立
概念模型的建立是一个极为复杂的过程，需要我们充分了解模拟地区的地质构造、水文地质、岩石矿物、气象、地形地貌、工农业利用等一切与地下水相关的关系点。【3】
在划分水文地质单元，确定模拟边界和范围之前，我们应该准备：地形地貌图、第四纪地质图、水文地质图、地下水等水位线及埋深图、模拟区遥感影像数据、有关的区域地下水方面的调查勘察研究报告及成果。
（四）模型的结构
首先应该对模拟区域的地质结构和水文地质条件加以概化，建立水文地质概念模型，然后构建相关数值模型。
1、有剖面线的位置的水文地质剖面图；
2、详细的钻孔、深孔资料（附有名称、坐标、孔标高、终孔深度、分层信息以及岩性描述等）；
3、以完整的水文地质单元作为模拟的区域范围，考虑到有些边界和范围过于偏远，应该考虑扩大模拟区的范围，适时可采用模型嵌套技术。
（五）模型的参数
1、潜水、承压含水层和弱透水层平、根据岩性和抽水试验分区的垂向渗透系数的分区图与数值；
2、承压水含水层存水率的分区和相关数值；
3、潜水含水层的导水程度的分区和数值；
4、弱透水层的存储率的分区图和数值；
5、各类渗水实验的资料和研究成果；
6、各层的有效钻孔的隙度。
（六）实际案例
1、确定一4煤层为计算区域，对计算区域进行三角分区和参数分区；
2、对一4煤层的含水系统内部进行概化，对其边界形态进行简化，对边界进水类型进行划分以及地下水的相关运动状态；
3、明确各分区的参数值，要详细了解一4煤层每个节点、每个分单元的信息，以及观察钻孔的水位信息和抽水孔水量信息，计算时段信息等。
在这个水文地质模型中将一4煤层共划分为20个分区，650个节点，分单元5512个，有效单元5082个，观测孔号5个。
表1 地下水位观测值拟合统计
其中我们选取了1号孔水位观测值进行研究，可得出：
表2 各分区参数计算
最后通过系统模拟可以计算出一4煤层的正常涌水量为222m²/h，最大涌水量为289m²/h。
（四）结语
近年来，随着科技的不断进步和发展，水文地质工作者们拥有了大量的科学决策和科学管理信息的方法。地下水数值模拟系统可以量化地下水的动态变化与人类开采活动的关系，可以比较不同开采方案并预测其对环境造成的影响。由此可见，地下水数值模拟系统在实践中是可以得到广泛运用的，它将在国家制定区域水政策以及各企事业单位开矿采矿事业中做出重大的贡献。由此可以预测，地下水数值模拟系统在矿井涌水量研究应用中的前景是无限广阔的，应该引起相关工作者的重视。
参考文献：
【1】魏军，《矿井涌水量的数值模拟研究》，2006年12月
【2】谢春红、薛禹群，《地下水数值模拟》，国家自然科学基金出版社，2007年
【3】宋殿军，《地下水对露天矿边坡稳定性的影响》，金属矿山，1981年10期