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【摘 要】本文利用峰峰五矿东翼采区的放水试验资料进行了矿区地下水数值模拟和矿井涌水量预测。首先，根据水文地质条件，建立了矿区地下水渗流的数学模型。然后，运用放水试验资料对模型进行检验，模型检验中各观测孔的实测水位与模拟水位拟合较好。最后，利用所建模型进行矿坑涌水量预测，结果表明，对大青灰岩含水层采取疏水降压措施来安全开采-100m水平以下山青煤是可行的。
【关键词】峰峰煤田；底板突水；数值模拟；矿坑涌水量；突水系数
峰峰煤田位于河北省南部，煤田以东为华北平原，以西为太行山地，煤田中部的鼓山将整个煤田分为东西两部分。研究区峰峰煤田五矿位于鼓山东麓的中部，地貌形态属于丘陵区。
井田内没有自然河流和较大的地表水体。据峰峰气象站资料，多年平均降水量为566mm，降水主要集中在7～9月。
1.井田水文地质特征
根据井田地质构造和水文地质特征，将井田划分为三个水文地质分区，分别为东翼区、西北区和中央区[1]。本文研究区为东翼区。
目前，对矿山开采有威胁的含水层主要是大青灰岩含水层（石炭系薄层灰岩）和奥陶系灰岩含水层[2]。
2.放水试验数值模拟
2.1 东翼区大青灰岩放水试验简介
放水时间为1996.4.15-1996.4.23，放水层位为大青灰岩含水层，放水量为1.2-1.6m3/min。放水孔两个：FD34孔、FD22孔。大青灰岩观测孔6个：FD16、FD21、FD23、FD20、FD32、FD33孔。奥灰观2.2东翼区水文地质条件概化
2.2.1 边界
东翼区位于五矿井田的东部，东至F12断层，西至F11断层，这两条断层在井田南北边界相交，使该区在平面上为一枣核状，面积1.2km2。
2.2.2 含水层
东翼区大青灰岩单孔出水量一般为0.1-0.3m3/min，最大为2.8m3/min（FD34）。东翼区断裂构造非常发育，受构造影响，下伏隔水层的隔水性能变弱，而下部又有高压奥灰承压水的顶托，因此具有形成奥灰水向上越流补给大青水的条件。大青含水层的补给来源为奥灰水。放水试验后，在FO8孔投放荧光黄3kg，FD34、FD16孔先后收到，也证明了这一点。因此，东翼区大青灰岩含水层可概化为非均质二维承压水越流系统模型。
2.3 数学模型
大青灰岩含水层水文地质模型可用下列数学模型描述：
根据水量均衡原理和达西定律可建立三角网格剖分的差分方程[3～6]。方程如下：
系数矩阵A是一个具有对角线优势的高度稀疏的对称正定矩阵[7～8]，对于大型稀疏矩阵利用迭代法求解是合适的[9]。本文采用逐次超松弛迭代方法（SOR）求解。
2.4 模型识别与调试
东翼区剖分结果：三角形单元数142个（编号2，3，……，143），结点数87个（编号2，3，……，88），其中边界结点数30个（为二类边界结点）（见图1）。抽水井结点2个，选择拟合的大青灰岩含水层观测孔4个。
用东翼区大青灰岩放水试验资料对模型进行识别，模拟时间为11500分钟（1996.4.15—1996.4.23），共43个时段（n t=43）。时间步长Dt=10-500分钟，为变步长，放水初期水位降深快，使用小步长Dt=10分钟，以后逐渐增大步长，水位相对稳定后使用大步长Dt=500分钟。初始水位为放水前的实测水位（见表1）。参数初值的确定，根据放水试验资料和水位恢复资料用地下水动力学求参公式计算给出，分别利用水位降深曲线和水位恢复曲线计算给出参数初值。
通过不断地调整参数使模拟的水位动态曲线与实测的水位动态曲线达到了较好的拟合，模拟11500分钟时的水位见图2，这里选择了4个观测孔的拟合曲线见图3。
经过模型的识别，东翼区大青灰岩含水层参数分为3个区（见图4），各区参数的大小见表1。
本次数值模拟，水位经历了大幅度的下降与上升过程这对模型的识别是非常重要的，利用这种大的变化可以更好地检验所建模型。用来验证模型的观测孔的覆盖面相对较大，既有南部的也有北部的，并且各观测孔计算与实测的水位变化过程拟合较好。所以说所建模型是正确的，数值方法是可行的，达到了数值仿真的效果，可以利用所建模型进行有关水文地质方面的预测。
3.开采-100m水平以下山青煤疏降水量预测
由于大青灰岩含水层水位高，水头压力大，要保证-100m水平以下山青煤的安全开采，就必须对下伏大青灰岩含水层实施疏水降压。预测范围：为-100～-170m山青煤层等高线所圈定的范围（见图4中粗线框圈定的范围）。隔水层厚度的确定：由东翼区钻孔资料，山青煤底板至大青灰岩顶面间距34-50m，平均厚度为40m.。
安全水头的计算，根据突水系数公式[10～12]：
预测时首先由突水系数公式，计算理论安全水头压力=2.4Mpa，然后换算出不同开采水平的安全水位。本文取c=0.06进行回采工作面安全水压的计算。通过计算-120m水平安全水位为80m，即要保证-120m水平山青煤的安全回采，大青水位不能超过80m，否则将导致突水事故的发生，-150m水平安全水位为50m，-170m水平安全水位为30m。
下面分三个水平进行预测，①-120m水平、②-150m水平、③-170m水平。从东翼区大青灰岩含水层单孔涌水量来看，一般为0.1-0.3m3/min，最大达2.8m3/min，所以预测时各结点水量一般设置为0.5-1.5m3/min，疏水降压孔的位置布置在FD34孔附近。不同水平疏降水量预测为2-5m3/min（见表2）。
4.结论
从放水试验到数值模拟的预测结果来看，东翼区大青灰岩含水层具有水压大、水量小、易于疏降的特点，只要措施得当，充分做好预防奥灰水突入的工作，通过对大青灰岩含水层采取疏水降压措施来安全开采-100m水平以下山青煤是可行的。
参考文献：
[1]刘唐生，邵爱军. 峰局五矿下组煤带压开采的可行性与建议[J]. 北京地质，2001（1）：16-20.
[2]杨新安，程军，杨喜增. 峰峰矿区矿井突水分类及发生机理研究[J]. 地质灾害与环境保护，1999，10（2）：24-29.
[3]邵爱军，陈玉霞，杨建勋，等. 内蒙古乌海热电厂水源地地下水资源评价[J]. 自然资源学报，2008，23（1）：127 -135.
[4]邵爱军，彭建萍，陈华辰，等. 河北省栾城县地下水数值模拟[J]. 中国农村水利水电，2004，12：51-56.
[5]张蔚榛. 地下水与土壤水动力学[M]. 北京：中国水利水电出版社，1996.
[6]薛禹群，谢春红. 地下水数值模拟[M]. 北京：科学出版社，2007.
[7]邵爱军，张发旺，邵太升，等. 煤矿地下水[M]. 北京：地质出版社，2005.
[8]李俊亭. 地下水流数值模拟[M]. 北京：地质出版社，1989.
[9]李庆扬，王能超，易大义. 数值分析[M]. 武汉：华中理工大学出版社，1991.
[10]房佩贤. 专门水文地质学[M]. 北京：地质出版社，1996.
[11]邵爱军，刘唐生，邵太升，等. 煤矿地下水与底板突水[M]. 北京：地震出版社，2001.
[12]马培智. 华北型煤田下组煤带压开采突水判别模型与防治水对策[J]. 煤炭学报，2005，30（5）：608-612.
基金项目：
国家自然科学基金资助项目（40672163）；河北省自然科学基金资助项目（D2004000480）
【关键词】峰峰煤田；底板突水；数值模拟；矿坑涌水量；突水系数
峰峰煤田位于河北省南部，煤田以东为华北平原，以西为太行山地，煤田中部的鼓山将整个煤田分为东西两部分。研究区峰峰煤田五矿位于鼓山东麓的中部，地貌形态属于丘陵区。
井田内没有自然河流和较大的地表水体。据峰峰气象站资料，多年平均降水量为566mm，降水主要集中在7～9月。
1.井田水文地质特征
根据井田地质构造和水文地质特征，将井田划分为三个水文地质分区，分别为东翼区、西北区和中央区[1]。本文研究区为东翼区。
目前，对矿山开采有威胁的含水层主要是大青灰岩含水层（石炭系薄层灰岩）和奥陶系灰岩含水层[2]。
2.放水试验数值模拟
2.1 东翼区大青灰岩放水试验简介
放水时间为1996.4.15-1996.4.23，放水层位为大青灰岩含水层，放水量为1.2-1.6m3/min。放水孔两个：FD34孔、FD22孔。大青灰岩观测孔6个：FD16、FD21、FD23、FD20、FD32、FD33孔。奥灰观2.2东翼区水文地质条件概化
2.2.1 边界
东翼区位于五矿井田的东部，东至F12断层，西至F11断层，这两条断层在井田南北边界相交，使该区在平面上为一枣核状，面积1.2km2。
2.2.2 含水层
东翼区大青灰岩单孔出水量一般为0.1-0.3m3/min，最大为2.8m3/min（FD34）。东翼区断裂构造非常发育，受构造影响，下伏隔水层的隔水性能变弱，而下部又有高压奥灰承压水的顶托，因此具有形成奥灰水向上越流补给大青水的条件。大青含水层的补给来源为奥灰水。放水试验后，在FO8孔投放荧光黄3kg，FD34、FD16孔先后收到，也证明了这一点。因此，东翼区大青灰岩含水层可概化为非均质二维承压水越流系统模型。
2.3 数学模型
大青灰岩含水层水文地质模型可用下列数学模型描述：
根据水量均衡原理和达西定律可建立三角网格剖分的差分方程[3～6]。方程如下：
系数矩阵A是一个具有对角线优势的高度稀疏的对称正定矩阵[7～8]，对于大型稀疏矩阵利用迭代法求解是合适的[9]。本文采用逐次超松弛迭代方法（SOR）求解。
2.4 模型识别与调试
东翼区剖分结果：三角形单元数142个（编号2，3，……，143），结点数87个（编号2，3，……，88），其中边界结点数30个（为二类边界结点）（见图1）。抽水井结点2个，选择拟合的大青灰岩含水层观测孔4个。
用东翼区大青灰岩放水试验资料对模型进行识别，模拟时间为11500分钟（1996.4.15—1996.4.23），共43个时段（n t=43）。时间步长Dt=10-500分钟，为变步长，放水初期水位降深快，使用小步长Dt=10分钟，以后逐渐增大步长，水位相对稳定后使用大步长Dt=500分钟。初始水位为放水前的实测水位（见表1）。参数初值的确定，根据放水试验资料和水位恢复资料用地下水动力学求参公式计算给出，分别利用水位降深曲线和水位恢复曲线计算给出参数初值。
通过不断地调整参数使模拟的水位动态曲线与实测的水位动态曲线达到了较好的拟合，模拟11500分钟时的水位见图2，这里选择了4个观测孔的拟合曲线见图3。
经过模型的识别，东翼区大青灰岩含水层参数分为3个区（见图4），各区参数的大小见表1。
本次数值模拟，水位经历了大幅度的下降与上升过程这对模型的识别是非常重要的，利用这种大的变化可以更好地检验所建模型。用来验证模型的观测孔的覆盖面相对较大，既有南部的也有北部的，并且各观测孔计算与实测的水位变化过程拟合较好。所以说所建模型是正确的，数值方法是可行的，达到了数值仿真的效果，可以利用所建模型进行有关水文地质方面的预测。
3.开采-100m水平以下山青煤疏降水量预测
由于大青灰岩含水层水位高，水头压力大，要保证-100m水平以下山青煤的安全开采，就必须对下伏大青灰岩含水层实施疏水降压。预测范围：为-100～-170m山青煤层等高线所圈定的范围（见图4中粗线框圈定的范围）。隔水层厚度的确定：由东翼区钻孔资料，山青煤底板至大青灰岩顶面间距34-50m，平均厚度为40m.。
安全水头的计算，根据突水系数公式[10～12]：
预测时首先由突水系数公式，计算理论安全水头压力=2.4Mpa，然后换算出不同开采水平的安全水位。本文取c=0.06进行回采工作面安全水压的计算。通过计算-120m水平安全水位为80m，即要保证-120m水平山青煤的安全回采，大青水位不能超过80m，否则将导致突水事故的发生，-150m水平安全水位为50m，-170m水平安全水位为30m。
下面分三个水平进行预测，①-120m水平、②-150m水平、③-170m水平。从东翼区大青灰岩含水层单孔涌水量来看，一般为0.1-0.3m3/min，最大达2.8m3/min，所以预测时各结点水量一般设置为0.5-1.5m3/min，疏水降压孔的位置布置在FD34孔附近。不同水平疏降水量预测为2-5m3/min（见表2）。
4.结论
从放水试验到数值模拟的预测结果来看，东翼区大青灰岩含水层具有水压大、水量小、易于疏降的特点，只要措施得当，充分做好预防奥灰水突入的工作，通过对大青灰岩含水层采取疏水降压措施来安全开采-100m水平以下山青煤是可行的。
参考文献：
[1]刘唐生，邵爱军. 峰局五矿下组煤带压开采的可行性与建议[J]. 北京地质，2001（1）：16-20.
[2]杨新安，程军，杨喜增. 峰峰矿区矿井突水分类及发生机理研究[J]. 地质灾害与环境保护，1999，10（2）：24-29.
[3]邵爱军，陈玉霞，杨建勋，等. 内蒙古乌海热电厂水源地地下水资源评价[J]. 自然资源学报，2008，23（1）：127 -135.
[4]邵爱军，彭建萍，陈华辰，等. 河北省栾城县地下水数值模拟[J]. 中国农村水利水电，2004，12：51-56.
[5]张蔚榛. 地下水与土壤水动力学[M]. 北京：中国水利水电出版社，1996.
[6]薛禹群，谢春红. 地下水数值模拟[M]. 北京：科学出版社，2007.
[7]邵爱军，张发旺，邵太升，等. 煤矿地下水[M]. 北京：地质出版社，2005.
[8]李俊亭. 地下水流数值模拟[M]. 北京：地质出版社，1989.
[9]李庆扬，王能超，易大义. 数值分析[M]. 武汉：华中理工大学出版社，1991.
[10]房佩贤. 专门水文地质学[M]. 北京：地质出版社，1996.
[11]邵爱军，刘唐生，邵太升，等. 煤矿地下水与底板突水[M]. 北京：地震出版社，2001.
[12]马培智. 华北型煤田下组煤带压开采突水判别模型与防治水对策[J]. 煤炭学报，2005，30（5）：608-612.
基金项目：
国家自然科学基金资助项目（40672163）；河北省自然科学基金资助项目（D2004000480）