基于VisualModFlow的礦井涌水量計(jì)算

1、中國(guó)科技論文在線- PAGE 7 - FORMTEXT 基于Visual ModFlow的礦井涌水量計(jì)算 FORMTEXT 張則友作者簡(jiǎn)介：張則友（1963-），男，現(xiàn)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向：煤礦水害防治. E-mail: SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET bkCompanyEN The School of Resource and Earth Science CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY, XuZhou JiangSu 221116 * MERGEFORMATTh

2、e School of Resource and Earth Science CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY, XuZhou JiangSu 221116SET bkCompanyCHN 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116 * MERGEFORMAT中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116SET bkPostcode 221116 * MERGEFORMAT221116SET bkMobile* MERGEFORMAET bkTelphone 1391345

3、3528 * MERGEFORMAET bkAddress 江蘇徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)研二樓二單元501 * MERGEFORMAT江蘇徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)研二樓二單元501SET bkEmail * MERGEFORMATSET bkIntroduction 張則友（1963-），男，現(xiàn)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向：煤礦水害防治 * MERGEFORMAT張則友（1963-），男，現(xiàn)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向：煤礦水害防治SET bkAuthorCHN 張則友 * MERGEFORMAT張則友S

4、ET bkAuthorEN ZHANG Zeyou * MERGEFORMATZHANG ZeyouSET bkContact 張則友 * MERGEFORMAT張則友SET bkFund * MERGEFORMAT SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.

5、5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET bkReferencesInfo 1*|*期刊*|*王慶永,賈忠華,劉曉峰等.Visual ModFlow及其在地下水模擬當(dāng)中的應(yīng)用J.水資源與水工程學(xué)報(bào).2007,18(5):90912*|*期刊*|*王佳武，王釗.Visual ModFlow在在第四系松散層地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用J.陜西地質(zhì).2007,25(2):733*|*期刊*|*劉永良，潘國(guó)營(yíng).基于Visual ModFlow的巖溶水疏降流場(chǎng)模擬和涌水量預(yù)測(cè)J.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào).2009,28(1):52534*|*期刊*|*武強(qiáng)，董東林，武鋼等.水資源評(píng)價(jià)的

6、可視化專業(yè)軟件（Visual ModFlow）與應(yīng)用潛力J.水文地質(zhì)工程地質(zhì).1999,(5):21235*|*期刊*|*武強(qiáng)，董東林，石占華，金玉潔，劉金韜，田寶霖，錢增江.可視化地下水模擬評(píng)價(jià)新型軟件系統(tǒng)（Visual ModFlow）與礦井防治水J.煤炭科學(xué)技術(shù).2000,(2):17196*|*期刊*|*魏軍. 礦井涌水量的數(shù)值模擬研究D.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2006.7*|*期刊*|*陳崇希. 地下水流動(dòng)問題數(shù)值方法M.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1990 * MERGEFORMAT1*|*期刊*|*王慶永,賈忠華,劉曉峰等.Visual ModFlow及其在地下水模擬當(dāng)中的應(yīng)用J

7、.水資源與水工程學(xué)報(bào).2007,18(5):90912*|*期刊*|*王佳武，王釗.Visual ModFlow在在第四系松散層地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用J.陜西地質(zhì).2007,25(2):733*|*期刊*|*劉永良，潘國(guó)營(yíng).基于Visual ModFlow的巖溶水疏降流場(chǎng)模擬和涌水量預(yù)測(cè)J.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào).2009,28(1):52534*|*期刊*|*武強(qiáng)，董東林，武鋼等.水資源評(píng)價(jià)的可視化專業(yè)軟件（Visual ModFlow）與應(yīng)用潛力J.水文地質(zhì)工程地質(zhì).1999,(5):21235*|*期刊*|*武強(qiáng)，董東林，石占華，金玉潔，劉金韜，田寶霖，錢增江.可視化地下水模擬評(píng)價(jià)新型軟件系統(tǒng)

8、（Visual ModFlow）與礦井防治水J.煤炭科學(xué)技術(shù).2000,(2):17196*|*期刊*|*魏軍. 礦井涌水量的數(shù)值模擬研究D.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2006.7*|*期刊*|*陳崇希. 地下水流動(dòng)問題數(shù)值方法M.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1990SET bkAuthorsInfo *|1|張則友|ZHANG Zeyou|中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116|The School of Resource and Earth Science CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY, XuZhou JiangSu 221

9、116|張則友（1963-），男，現(xiàn)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向：煤礦水害防治|江蘇徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)研二樓二單元501|22111613913453528 * MERGEFORMAT*|1|張則友|ZHANG Zeyou|中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116|The School of Resource and Earth Science CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY, XuZhou JiangSu 221116|張則友（1963-），男，現(xiàn)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資

10、源學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向：煤礦水害防治|江蘇徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)研二樓二單元501|22111613913453528SET bkTitleInfo 基于Visual ModFlow的礦井涌水量計(jì)算|Calculation of mine inflow with Visual ModFow| * MERGEFORMAT基于Visual ModFlow的礦井涌水量計(jì)算|Calculation of mine inflow with Visual ModFow|（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116）SET bkTitleInfo

11、 * MERGEFORMAT SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT 摘要： FORMTEXT 基于太原西山白家莊礦奧陶系峰峰組含水層的空間分布資料、8號(hào)煤底板含隔水層資料及相應(yīng)的放水孔觀測(cè)孔資料，運(yùn)用Visual ModFlow軟件成功模擬了開采條件下所形成的滲流場(chǎng)，并對(duì)白家莊礦某采區(qū)進(jìn)行涌水量計(jì)算，建立了研究區(qū)水文地質(zhì)模型，為受奧灰承壓水威脅的下組煤的安全合理開采及礦井排水能力設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞： FORMTEXT Visual ModFlow；滲流場(chǎng)模擬；涌水量計(jì)算中圖分類號(hào)： FORMTEXT 請(qǐng)查閱中國(guó)圖書館分類法SET bkAuthorsInfo *

12、 MERGEFORMAT SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT FORMTEXT Calculation of mine inflow with Visual ModFow FORMTEXT ZHANG Zeyou(The School of Resource and Earth Science CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY, XuZhou JiangSu 221116)Abstract: FORMTEXT IIn this pape,based on the Ordovician Baijiazhuang mine

13、of Taiyuan Xishan peak group spatial distribution of aquifer materials, including No. 8 coal seam floor impermeable layer data and the corresponding drain hole observation well data, Using Visual ModFlow software successfully simulated the formation of mining under the seepage field, and calculated

14、Baijiazhuang mine water inflow in a mining area, Hydrogeological model in study area was established for the confined water under the threat of Ordovician limestone of the lower coal mining and mine drainage safe and reasonable capacity to provide a scientific basis for the design.Key words: FORMTEX

15、T Visual ModFlow; groungwater flow simulation;calculation of water inflow引言礦井涌水量是采掘過程中單位時(shí)間流入礦井內(nèi)的所有水量（包括工作面和巷道等）。涌水量的大小是確定開采方案、排水設(shè)備和制定防治水措施的主要依據(jù)。所以準(zhǔn)確的計(jì)算涌水量就顯得極其重要，依據(jù)其計(jì)算結(jié)果可以較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)礦井排水能力，這樣既可以減少因排水能力不足而導(dǎo)致水害事故發(fā)生，也可以防止排水能力過盛造成排水設(shè)備浪費(fèi)。目前白家莊礦所開采8號(hào)煤層全部位于奧灰承壓水頭之下，為保證礦井安全生產(chǎn)，需預(yù)計(jì)煤層回采底板破壞以后涌水量的具體數(shù)值，確定是否有必要增加排水設(shè)備。

16、本文基于白家莊礦抽放水試驗(yàn)取得的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立了奧灰?guī)r溶水?dāng)?shù)值模擬模型，運(yùn)用Visual Modflow軟件模擬了奧灰水滲流場(chǎng)，較準(zhǔn)確（誤差范圍內(nèi)）預(yù)測(cè)了某采區(qū)的涌水量。Visual ModFlow軟件介紹ModFlow(“the modular three-dimensional finite-difference ground waterflow model”的簡(jiǎn)稱)是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(U.S.Geological Survey)的Mc-Donald和Harbaugh于80年代開發(fā)的一套地下水三維有限差分法數(shù)值模擬軟件1。Visual Modflow是由加拿大滑鐵盧（Waterloo）

17、水文地質(zhì)公司在Modflow軟件的基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)開發(fā)研制而成的，它將水流模型、水質(zhì)模型和地下水流線方程等耦合在一起，并集成了強(qiáng)大的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)工具便于對(duì)模型校驗(yàn)和計(jì)算過程進(jìn)行深入分析2。目前，Visual ModFlow軟件已經(jīng)成為國(guó)際上最為流行且被各國(guó)同行一致認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)。軟件界面包括三大彼此聯(lián)系但又相對(duì)獨(dú)立的模塊，即前處理模塊、運(yùn)行模塊和后處理模塊。前處理模塊允許用戶賦值所有必要的幾何參數(shù)、水文地質(zhì)參數(shù)、計(jì)算方法參數(shù)和邊界條件等信息。運(yùn)行模塊允許用戶修改各類參數(shù)與數(shù)值，包括初始估計(jì)值、各種計(jì)算方法的控制參數(shù)和設(shè)計(jì)輸出控制參數(shù)等。后處理模

18、塊允許用戶以三種方式展示模擬結(jié)果：在屏幕上彩色顯示模擬結(jié)果；在打印機(jī)上輸出模擬結(jié)果的表格和圖件；以圖形或文本文件格式輸出模擬結(jié)果3。水文地質(zhì)背景白家莊礦主采煤層為石炭系太原組8#煤，平均煤厚3.95m。8#煤底板至奧灰頂面間距平均56m，其間為鋁土巖、厚層砂巖、泥巖、灰?guī)r組成，具有良好的隔水性能。正常情況下，可以阻隔奧灰含水層與太灰含水層之間的水力聯(lián)系。奧陶系峰峰組上段（O2f2）巖溶裂隙含水巖組為8#煤底板間接含水層，平均厚60m，巖性為純灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性強(qiáng)。但富水性在整個(gè)區(qū)域上有差異。峰峰組下段（O2f1）巖性主要為裂隙中充填次生石膏纖維的泥灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r，平均厚

19、70m。本組地層巖芯較完整，裂隙不發(fā)育，隔水性能良好，一般可視為隔水層，正常情況下，可以阻隔O2f含水層與O2s含水層之間的水力聯(lián)系（見圖1）。圖1 8號(hào)煤底板充水含水層示意圖Fig.1 Seam floor diagram of water-filled aquifer of 8#Coal涌水量計(jì)算水文地質(zhì)模型西山巖溶水系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，但白家莊礦沒有自然邊界，為減少人為因素、提高計(jì)算精度，模型邊界擴(kuò)大到西山系統(tǒng)的自然邊界。西山巖溶地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給源主要來自西北部汾河滲漏和汾河以北灰?guī)r裸露區(qū)的入滲，因此汾河可作模型的西北邊界，并按第一類邊界條件處理。西山巖溶水系統(tǒng)與北山巖溶水系統(tǒng)

20、之間的地下分水嶺可作模型的東北邊界。在東部和東南部杜兒坪斷層，晉祠和清交邊山斷層為排泄邊界，白家莊礦和西峪煤礦東部為單斜深埋區(qū)，地下水逕流變?nèi)?。因此，東部和東南部可按第二類邊界條件處理。在西部，馬蘭向斜軸部奧灰埋藏較深，為西山巖溶水系統(tǒng)的滯流帶，在模型西部為第二類邊界。在垂向上，與煤層開采條件相關(guān)的奧灰峰峰組含水層是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的含水層，其頂?shù)装宥加懈嗷規(guī)r作為隔水層，其內(nèi)發(fā)育的斷層裂隙也都充填較好，基本不導(dǎo)水，所以與其它含水層基本沒有垂向水力交換，可以認(rèn)為是二維水流模型。數(shù)學(xué)模型建立02f2的承壓水二維數(shù)學(xué)模型： （1） Kxxx方向的滲透系數(shù) Kyyy方向的滲透系數(shù) Ss含水層的儲(chǔ)水率 第

21、一類邊界，給定水頭邊界 第二類邊界，給定流量邊界45模型的輸入模擬區(qū)域底圖圖2為整個(gè)西山礦區(qū)的礦界圖，東部為白家莊礦區(qū)。圖2 模型底圖及計(jì)算區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖Fig.2 Model Calculation of the base map and the hydrogeological parameters of regional zoning map研究區(qū)剖分把圖2導(dǎo)入到Visual ModFlow軟件當(dāng)中，特別注意坐標(biāo)的變換，要把底圖的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成實(shí)測(cè)的投影平面坐標(biāo)值，以便于在圖中確定鉆孔的具體位置。用矩形網(wǎng)格對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行剖分處理，在水文地質(zhì)條件復(fù)雜和水文地質(zhì)參數(shù)變化較大的地區(qū)進(jìn)行加密

22、剖分，ModFlow軟件提供了Edit Grid命令，用于對(duì)剖分區(qū)域進(jìn)行加密處理。對(duì)白家莊礦所在位置進(jìn)行加密剖分，提高計(jì)算準(zhǔn)確性。參數(shù)賦值根據(jù)滲透系數(shù)的不同把本區(qū)分為十個(gè)單元，滲透系數(shù)Kx和Ky及儲(chǔ)水率Ss詳見表1。前人已經(jīng)對(duì)本區(qū)的參數(shù)進(jìn)行了擬合調(diào)參，所以本文直接應(yīng)用其結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算。井田區(qū)域內(nèi)有水文長(zhǎng)觀孔六個(gè)，分別為g1，g2，g3，g4，g5，g6，均打穿02f2含水層。加上三個(gè)放水孔f1，f2，f3的資料，可以得到含水層的頂?shù)装鍢?biāo)高表 1 參數(shù)分區(qū)及賦值表Tab.1 Parameter partition and assignment sheet參數(shù)分區(qū)kxkySs10.8074770

23、.8074770.00007220.8332050.8332050.00008130.6570640.6570640.00003740.6253990.6253990.00003850.4571740.4571740.00002760.4116550.2256180.00002270.5026940.5026940.00003480.0949970.0554150.0000190.0771850.0771850.000083100.021770.021776.1E-06以及這幾點(diǎn)的水頭值。所得資料見表2、3所示：表2 觀測(cè)孔位置及水頭標(biāo)高Tab 2 Position and head elev

24、ation observation wells井編號(hào)井口標(biāo)高觀測(cè)時(shí)間水頭標(biāo)高g11037.4590920.0g21037.2250820.0g31059.3510802.0g4933.4510900.3g51019.6030907.3g6986.0640860.7f1665.6000918.3f2658.5300860.2f3664.5100905.6邊界賦值模型北邊界為第一類水頭邊界，其余均為第二類流量邊界。經(jīng)過汾河上游水文站的觀測(cè)，汾河年平均流量18.6m3/s，最高水位標(biāo)高962.0m，最低水位標(biāo)高958.4m，把以上資料輸入模型當(dāng)中。表3 鉆孔揭示的含水層頂?shù)装鍢?biāo)高Tab 3 Dril

25、ling revealed the elevation of aquifer top and bottom井編號(hào)頂板標(biāo)高底板標(biāo)高g1463.339437.139g2490.375437.495g3530.701472.561g4441.641393.241g5476.423421.193g6452.884401.624f1543.15497.09f2521.71464.13f3525.01466.01模型的輸出Visual ModFlow計(jì)算的原理是： 把已知條件代入二維顯式有限差分方程7 （2）計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水頭值，畫出等水頭線。由等水頭線可以確定區(qū)域上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水頭值，進(jìn)而得出區(qū)域滲流場(chǎng)

26、的具體情況，其為計(jì)算涌水量的基礎(chǔ)。由達(dá)西定律： (3)計(jì)算出每一個(gè)區(qū)域的水量。公式3中參數(shù)意義如下：A計(jì)算區(qū)斷面橫截面積J：水力梯度K：含水層滲透系數(shù)：L距離上的水頭變化量繪制研究區(qū)峰峰組等水頭線，可以清楚的看出區(qū)域地下水流的滲流場(chǎng)。由繪制出的等水頭線可知區(qū)域的地下水流基本上是由西北向東南方向流動(dòng)。這與前期的水文地質(zhì)勘探得到的結(jié)果是吻合的。利用Visual ModFlow軟件提供的計(jì)算指定區(qū)域涌水量的功能，計(jì)算白家莊礦某采區(qū)的涌水量。Visual ModFlow計(jì)算原理是通過計(jì)算指定區(qū)域的水均衡來等效計(jì)算其涌水量，也就是要算出某一時(shí)刻流入和流出該區(qū)域的水量之差即為涌水量。利用軟件的zbud命令畫出一個(gè)指定的水均衡計(jì)算區(qū)域即白家莊礦某采區(qū)的范圍，該區(qū)域?yàn)槟巢蓞^(qū)回采后底板裂隙擴(kuò)展范圍。然后通過加載zone budget模塊來實(shí)現(xiàn)指定區(qū)域涌水量的計(jì)算。所得結(jié)果見圖3。圖3中的Zone 2 to 1表示流入該采區(qū)的水量，及為整個(gè)采區(qū)的涌水量。模擬計(jì)算得到的涌水量結(jié)果為1663.6m3/d 。（實(shí)測(cè)值1920 m3/d）圖3 指定區(qū)域涌水量計(jì)算圖Fig 3 Discharge calculation chart designated areas結(jié)論（1）運(yùn)用Visual ModFlow軟件對(duì)白家莊礦進(jìn)行模型的離散。所建立的模型垂向上分為三層：第一層為8號(hào)煤底板到奧灰頂