分布式计算在闭坑矿井汇水过程的应用

杨 岗

(中国煤炭地质总局勘查研究总院, 北京 100039)

0 引言

目前，随着国家煤炭资源的战略整合和产能替换，大量小型煤矿逐渐退出历史舞台，开展闭坑矿井对矿区地下水系统产生的安全威胁和地下水环境影响研究是做好“绿水青山”的重要保障。采矿活动不仅改变了矿区原生地下水系统、区域地下水的补径排条件，还在矿井废弃后持续影响着含水介质、地下水动力场及水循环系统的演化等。地下水在逐渐充满地下采掘空间的过程中，使得矿区地下水位回升，并伴随多种环境地质问题，甚至形成地质灾害。因此，研究废弃矿井地下水流场及其演化规律，对保护地下水环境具有十分重要的意义。

国内外针对废弃矿井的研究主要集中于对地下水质演变、污染规律分析和资源再利用等方面，众多学者提出了多种基础理论、治理方法和关键技术，但针对水位回弹的公开研究成果相对较少。P.L.Younger教授从1993年起关注矿井从闭坑、废弃引起的地质环境影响和地下水位回弹数值模拟预测等问题，通过若干研究矿区的实测水位数据揭示了大型矿井区域地下水位回升的时间可持续几个月至几十年，并基于实际的研究案例，将井巷系统中的高渗透性含水空间作为紊流管道区，采空区和裂隙发育区含水介质作为高渗透性层流区，将其它围岩含水空间作为中低渗透性层流区，构建了地下空间体积和水位之间的数学关系模型[1-4]。国外，闭坑矿井地下水回弹的模型主要有VSS-NET模型(简称变饱和地下网络模型)、GRAM模型(简称闭坑矿井巷道地下水回升模型)和CDGWFM模型(简称为传统达西地下水流模型)以及David Banks的MIFIM模型(矿井水充填模型)[5]。GRAM数值模型被广泛应用于废弃矿井地下水位回弹的研究[6-7]，并利用相似模型预测了废弃矿井水位回弹速度。其他学者针对废弃矿井地下水位回弹和水质演变进行了研究[8-11]。

国内开展闭坑矿井地下水回弹过程模拟研究起步晚。2004年，张壮路提出利用水均衡原理模拟了闭坑后井下积水的过程，获得了积水高度随时间变化曲线和地下水水最终动态平衡历时时间[12]。2008年，周建军等根据闭坑矿井地下水含水介质空间特性，利用FEFLOW建立地下水流离散裂隙网络与等效连续介质耦合数学模型，模拟了矿井水回升过程，确定了不同充水介质在充水淹没过程中水流和水位回弹特征[13]。冯美生等利用三重介质(储水介质、导水介质和控水介质)特征及各种介质之间联系，刻画了闭坑后含水介质的地下水运动，反映了巷道及采动区域的水体运动形态[14]。2010年，虎维岳等在分析研究闭坑后导水与含水介质结构特征和地下水运动循环、水文地球化学与水动力学基本特征的基础上，分析了闭坑后地下水位淹没回弹机理[15]。2018年，毕尧山等在回采空间法与积水空间法类比的基础上[16]，选择回采空间法分煤层、分水平分析了淮北濉萧矿区岱河煤矿闭坑后矿区积水过程，揭示了煤矿闭坑后积水高度初始阶段随时间增加初始阶段上升较快，中、后期趋于平缓，与翟晓荣等利用Visual MODFLOW软件模拟的闭坑后水位动态回升过程[17]类似，并揭示了区域地下水径流场对矿井水位回升具有明显的影响。

1 研究区地质及水文地质条件

庞庄矿为一不对称的复式向斜构造，包括2个背斜、3个向斜，并发育大、中型断裂，已揭露大中型断层13条，是较为理想的储水向斜构造。区内各承压含水层组主要在井田东南露头区接受大气降水和第四系底砾孔隙水的补给，其径流方向从东南向西北并通过导水断裂带、陷落柱、封闭不良钻孔及人工采掘活动产生的冒落、导裂带引起各含水层组相互越流补给。矿井充突水主要水源是二叠系煤系砂岩裂隙水，也是矿井涌水量的主要来源。

庞庄矿主采下石盒子组1、2煤时，主要充水含水层为下石盒子组砂岩裂隙含水层，为灰白色中-细粒石英砂岩；主采山西组7、9煤时，直接充水含水层是上覆山西组砂岩含水层，该含水层在井田内稳定沉积，含水层组有砂岩1～6层，砂岩总厚度平均为35.64m，单层砂岩最小仅0.79m，多为灰色细-中粒砂岩。9煤开采时对底板破坏深度为14.7～16.2m，主要水源为山西组砂岩裂隙含水层。

2 研究区开采情况及存在问题

庞庄矿于1965年5月生产，截至2013年8月闭坑，年产能力为45万t，1983年以前主采下石盒子组1、2煤，1983年后主采山西组7、9煤，煤层倾角5°～10°，浅部或露头出露区倾角可达60°以上，煤层均厚分别为0.95、1.80、3.08和2.24m，采煤方法以走向长壁和综合机械化为主，累计总产量为13217万t。主采煤层顶板覆岩强度为中硬，采用自然冒落法管理，所形成的导水裂隙带发育高度为19.03～46.69m，裂采比为14.6～45.7。由于煤层开采充分，采空区分布范围广且具有多层重复采动的典型特征，局部地段为1、2、7、9煤单层或双层采空区外，其它多以三层或四层采空区为主。因此，1、2号煤采空区多形成于矿井早期，7、9煤采空区形成于矿井中后期(1986年后)，导致煤矿地下水各采空区水平不同、补给径流条件具有差异性，故而本文拟采用分布式计算方法开展采空储水空间水位回弹的系统性分析与研究。

3 研究思路

本文以江苏徐州市庞庄煤矿为研究区，庞庄矿于2013年8月关闭，闭坑后，矿井停止抽排地下水，但井下仍有持续不断的渗水，导致井下空间内的水位持续上升。为了探究闭坑矿井水位回弹过程中与含水层系统的相互影响关系，需要对闭坑矿井老空水水位回弹情况进行分析和预测。

矿井闭坑前正常涌水量为93m2/h，闭坑后，井下不断积蓄地下水，可作为地下空间的补给水量。因此，对矿井积水后地下水流场演化的过程进行动态分析:矿井闭坑后，井下形成一个巨大的积水空间。由于井下各采空区水平不一，且渗水位置不一，积水的时间空间需要逐步分析。因此，根据矿井闭坑之前井下出水点的位置，对矿区进行分区。对每个分区进行分析，再融合为一个整体进行系统分析，从而获得闭坑矿井地下水的时空分布流向及总体流向。

根据矿区水文地质资料分析，矿井涌水量主要来源为浅部矿井的采空区积水和煤层顶板砂岩含水层，主要导水通道为裂隙。随着矿井关井后老空水水位的回弹，受到威胁最大的是相邻的生产矿井。相邻生产矿井在浅部，但由于越层越界开采，矿井之间的防隔水煤柱已经遭到严重破坏，形成复杂的水文地质条件。结合相邻生产矿井生产系统最低标高在-380m。因此，从安全的角度出发，应将老空水水位控制在-380m，以减少对相邻生产矿井的安全威胁。

4 汇水水源和水量分析

矿井闭坑后，抽排水系统功能失效，但井下仍以93m2/h的涌水量向老空区汇集。当老空水汇集到一定程度的时候，矿井与相邻矿井的边界煤(岩)柱可能会遭到破坏，引起老空水涌入相邻矿井。在区域地下水达到新的平衡之前，由于矿井采空区地势标高的不同，地下水补径排关系、流场发生变化，与相邻矿井发生复杂的地下水交替作用，使得闭坑矿井水位的定量模拟预测更为复杂。因此，本文重点分析庞庄矿井采空区的积水分布、不同标高采空区之间的汇水联系、水位回弹及淹没范围计算。

4.1 矿井闭坑后老空水水源

矿井关闭后，井下涌水出水按水平有：-370、-520、-620m。其中-370m出水18 m3/h，-520m出水26 m3/h，-620m出水49 m3/h。水源的出水形式主要为煤层顶板出水。山西组砂岩裂隙承压含水层为7、9煤充水含水层。故将采空区积水量和采空区面积概化为线性关系，即将水平涌水量按采空区面积分配到各采空区。因为-370m在浅部，积水流向深部，且-520m和-620m面积相当，故将-370m涌水量平均分向-520m和-620m。各采区日积水量见表1。

表1 老空区各采区日积水量

4.2 采空区可容纳水量分析

积水线按照等高线每隔20m划定(两个汇水区域连通时的标高单独划定)，根据《采矿工程设计手册》，可按下式初步估算采空区可容纳水量：

Q=KFMcos-1α

(1)

式中：Q—采空区可容纳水量，m2;

K—积水系数，与采煤方法、回采率、煤层倾角、煤层顶底板岩性及其碎胀程度、采后间隔时间、巷道成巷时间及其维修状况有关，采空区通常取0.25～0.5，本研究从偏安全考虑，取0.25；

M—采煤厚，m;

F—采空区水平投影面积，m2;

α—煤层倾角，(°)。

5 汇水过程分析

根据井下矿区标高不同，将井下汇水区域分为4个汇水区域：-370m采区，-520m采区，-620m采区，-850m采区。各个汇水区域相对位置如图1所示：

图1 矿井井下汇水区域示意Figure 1 Schematic diagram of mine undergroundwater confluence areas

将这四个汇水区域概化为相互连通的系统，按照各汇水区域的汇水过程分析采空区流场演化过程，各汇水区域汇水过程如下：

5.1 -370m采区汇水区域

由于-370m采区汇水区域在浅部，所以-370m汇水区域的积水直接补给给-520m和-620m汇水区域。

5.2 -520m采区汇水区域

本汇水区域包括：-520m西翼采区、-520m东翼采区(-520m东翼采区和-520m小湖系采区)。充水水源多为顶板来水，现已形成积水-550 ～-490 m，出于安全考虑，将已形成的积水水位定为-490m。

5.2.1 第一阶段

积水达到-490 m之前，根据区内构造、采空区布置等情况，-520m西翼采区和东翼采区分别各自积水。

1)-520m西翼采区：采区内仅有7煤采空区，积水沿7414溜子道进入-520m西翼采空区核部，以旋涡状向外逐渐积水。

2)-520m东翼采区：采空区内有7煤和9煤采空区，7煤和9煤仅相差20 m，根据导裂高度的计算，9煤的导裂高度至少为26 m，因此，9煤的开采裂隙会连通7煤。积水沿9403溜子道和726放水道进入-520m东翼采空区核部，以旋涡状向外逐渐积水。

区域内各水平可容纳水量见表2。

表2 -490 ～-520m 水平采区可容纳水量

5.2.2 第二阶段

积水积到-490 m以上，-450 m以下时，-520m西翼采区和-520m东翼采区相通，水流按底板标高由高向低汇流。

区域内各水平可容纳水量见表3。

表3 -490 ～-450 m水平采区可容纳水量

5.2.3 第三阶段

当积水达到-450 m时，-520m采区与-620m采区相通。-520m采区积水暂时维持在-450 m处，当-620m采区积水达到-450 m时，-520m采区和-620m采区同时积水。当积水在-520m采区位于-450 ～-380 m时，水按底板标高由高向低汇流。

区域内各水平可容纳水量见表4。

表4 -450 ～-380 m水平采区可容纳的水量

5.3 -620m采区汇水区域

本汇水区域包括：-620m西翼采区汇水区域，-620m中央采区汇水区域。汇水区内包括了7、9号煤采空区，7煤和9煤相隔20 m，开采9煤的采动裂隙导致两层煤连通。汇水过程共分三个阶段：

5.3.1 第一阶段

积水-600 m之前，-620m西翼采区和中央采区各自单独积水。

1)-620m西翼采空区：根据区内向斜影响，结合采空区分布情况及其地形情况，区域内汇水过程从采空区低处按等高线由低到高进行。目前积水标高-640 ～-670 m，出于安全考虑将已形成积水水位定为-640 m。位于-620 m西二采区深部水平，处于9541工作面切附近，充水水源为7煤顶板砂岩裂隙水。

2)-620m中央采区：根据区内向斜影响，结合采空区分布情况，区内积水首先向7507工作面聚积。目前积水标高-620～-650 m，出于安全考虑将已形成的积水水位定为-620m。积水区位于-620m中央采区汇水区域位于北翼向斜轴附近，处于7507工作面附近，充水水源为7煤顶板砂岩裂隙水。

-660～-600m水平区域内各水平可容纳水量见表5。

表5 -620m西翼采区和中央采区可容纳的水量

5.3.2 第二阶段

积水达到-600 m时，-620m西翼和中央采区相通，积水按底板标高由高向低汇流。当积水达到-580 m时，积水-620m西翼采区和-850m采区的连通巷道进入-850m采区，-620m采区水位维持在-580 m，直到-850m采区被积水充满，-620m采区继续积水。当-520m采区水位提升至-450 m时，-620m采区接受-520m采区补给，直到两采区达到平衡。

水位在-600～-450m时区域内各水平可容纳水量见表6。

表6 -620m总采区可容纳水量

5.3.3 第三阶段

-620m采区水位抬升到-450 m后，-620m采区和-520m采区连通，-620m采区积水按底板标高由高向低汇流。

水位抬升到-450～-380m时,区域内各水平可容纳水量见表7。

表7 -620m总采区可容纳的水量

5.4 -850m采区汇水区域

主要为-850m采区，开采7煤，目前积水区位于-850 m采区深部水平，处于7601工作面切附近，积水标高-790～-840 m，充水水源为7煤顶板砂岩裂隙水，-850m采区与-620m西翼采区以断层相隔，通过下山巷道连通。当积水抬升到-580m时，两个采区积水贯通。-850m采区面积大约为15 805 m2，可容纳水量为117 417 m3。

6 水位回升及淹没范围分析

由于-520m东翼采区和西翼采区先期积水已达到-490 m，两采区合并成一个汇水区域，即初始水位为-490 m，以840 m3/d流量涌入-520m采区。-620m中央采区初始水位为-620m，以670 m3/d流量涌入-620m中央采区。-620m西翼采区初始水位为-640 m，以722 m3/d流量涌入-620m西翼采区。直到各采区水位抬升至同一水平时，整个老空区成为一个汇水区域。出于对相邻生产矿井安全的考虑，将水位回升上限定为-380 m。

如图2所示，-520m采区初始积水水位达到-490 m，此时-520m东西翼采区已连通。积水在-520m采区按底板标高由高到低汇流，812d时达到-450 m，之后-520m采区积水补给-620m采区。

-620m中央采空区初始积水水位为-640 m，128d水位达到-600 m后补给-620m西翼采区，此时-620m西翼采区水位达到-629 m，386d时-620m中央采区水位达到-600 m，此时-620m西翼采区和中央采区连通。

612d时-620m采区水位为-580 m，-620m采区和-850采区在-580 m处以巷道连通，-850m采区在深部，此时，-620m采区积水补给-850m采区，-850m采区初始积水水位为-790 m，66d后-850m采区蓄满，即678d时-620m采区和-850m采区连通，积水按底板标高由高到低汇流。812d时-520m采区水位达到-450 m，-620m采区水位达到-566 m，此时，-520m采区积水开始补给-620m采区。1 086d时，-620m采区水位达到-450 m。

1 086d前，-620m采区和-520m采区分别汇水，1 086d后，两采区形成一个汇水区域，此时整个采区成为一个汇水区域，水流按底板标高由高到低汇流。

1 726d即5a左右，老空区水位达到-380 m。如下图2所示。

图2 闭坑后老空区汇水过程Figure 2 Worked-out area water confluence process after mine closed

7 结论

1)在没有观测资料的前提下，结合矿区地形及积水位置的不同，利用采空区积水量与矿井涌水量结合的解析法，对即将闭坑的矿井水位回弹情况进行定性与半定量预测。

2)经过分析发现，从各个分区进行积水，到整个采空区形成一个大的汇水区域，并抬升至-380m需历时要五年的时间。结果表明，该矿井闭坑停止抽水的五年后，对相邻生产矿井产生安全威胁。此时应加强对老空水水位水压的观测，同时启动预留潜水泵。经过近年来对闭坑后深部矿井汇水过程的有效监测和评估，庞庄矿地下水储水空间巨大，已成为城市地下水库应急水源地备选之一。

3)矿柱浸水后稳定性明显降低会促使各水平地下水循环-交换-流动更为复杂，不确定性增加。

4)7、9煤层的间接充水含水层为底板太原组四灰含水层，含水层水位-360.98m；直接充水含水层为煤层顶板砂岩水，以净储量为主，补给量十分微弱；所以经过长时间闭坑汇水，矿井最高汇水水位应与四灰含水层水位持平，最终恢复到未开采前天然状态，与区域地下水补径排趋势吻合。