[發明專利]一種開采擾動條件下煤礦地下水流-水質耦合模擬方法

有效

• 申請號: 202110704936.2
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113255164B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 施小清;張小茅;徐紅霞
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 沈丹

本發明公開了一種開采擾動條件下煤礦地下水流?水質耦合模擬方法，包括以下：在模擬計算過程中，根據煤礦開采進度劃分若干應力期，在單個應力期內，首先根據工作面開采范圍和采空區導水裂隙發育情況更新模型初始條件、邊界條件、含水層參數設置，其次計算當期地下水流場，然后根據流場計算結果進一步計算污染物運移，直到完成所有應力期計算。本發明在對采煤動態過程及擾動效應進行合理概化的基礎上，開展采動影響下礦區地下水流?水質耦合模擬，從而準確合理地評估采煤活動對地下水環境的影響。

技術領域

本發明屬于礦井水文地質領域，具體涉及一種開采擾動條件下煤礦地下水流-水質耦合模擬方法。

背景技術

煤礦開采對區域地下水資源、環境生態產生嚴重影響，煤礦排水導致的區域地下水資源衰減，開采還會誘發地質災害、水資源衰減、水質、地表生態環境惡化等系列問題，最終影響區域生態自然修復能力。以煤礦井工開采模式為例，煤層的采空會導致上覆巖層發生破斷、位移和形變等對地質結構的擾動，在誘發地質災害的同時也改變了區域地下水的賦存、循環條件。工作面圍巖破碎產生的導水裂隙成為了地下水涌入礦井的通道，直接威脅采煤安全的同時，礦井排水也對區域地下水資源產生嚴重影響。此外，在采煤驅動下，地下水中的污染物還會發生復雜的遷移轉化行為。煤礦開采會對地質結構和區域地下水系統會發生復雜的擾動影響。

因此，煤-水協調開發和生態保護已成為我國煤炭開發的重大戰略需求。其中，合理評估采煤活動對區域地下水環境的影響是實施煤-水資源保護性開發的重要環節。在考慮采煤擾動效應的基礎上，科學、合理地預測煤礦涌水量以及評估采煤活動對區域地下水環境的影響成為重要的科研和實踐需求。

物理模型和數學模型是地下水研究中常用的模型方法。物理模型具備實際系統的物理或幾何相似特征，可再現實際物理過程。數學模型以模型和原型物理規律在數學形式上的相似為基礎，利用一組數學關系式抽象描述實際系統物理過程，數學模型除了用于地下水流模擬，還可描述模擬溶質、熱量運移等過程。根據數學模型求解方法的不同，又分為解析法和數值法。得益于靈活的方程、參數設置用于處理礦區復雜的水文地質條件，數值法在礦區地下水模擬領域具有廣泛的適用性，隨著研究區資料的豐富和對水文地質條件認識的深入，數值法逐漸成為礦井地下水相關領域的主要研究手段。

已有的區域地下水流場和污染運移模擬技術方案主要以地下水流數學模型和污染物運移數學模型為基礎，在數值求解時，先計算地下水流場，得到空間中各點的地下水頭高度和滲流速度，再計算污染物運移，得到空間中的污染物濃度分布。但是，已有技術在進行采煤過程中地下水流場動態模擬時，未能考慮含水層參數和工作面邊界條件隨煤層開采的動態變化，導致模型未能合理地反映采動條件下的地下水系統動態變化特征，在此基礎上進行的污染物運移模擬結果缺乏可信度。以井工礦開采模式為例，采動誘發的導水裂隙會增強煤層頂板含水層間的水力聯系，形成采煤驅動下的水動力場，使得污染物在地下水中的反應運移過程變得復雜。因此，需要在考慮采煤擾動效應的基礎上進行地下水流場和污染物運移模擬，從而準確合理地評估采煤活動對地下水環境的影響。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于提供一種能夠準確合理地評估采煤活動對地下水環境影響的開采擾動條件下煤礦地下水流-水質耦合模擬方法。

技術方案：本發明的開采擾動條件下煤礦地下水流-水質耦合模擬方法，包括以下步驟：

(1)建立礦區地下水流數值模型，利用煤礦開采前的地下水位觀測數據進行模型校正；

(2)分析礦區地下水污染現狀，建立礦區地下水污染物運移數值模型；

(3)整理煤礦開采方案資料，將整個模擬期劃分為若干計算應力期，對應煤礦的不同開采階段；

(4)在單個應力期內，首先更新當前應力期地下水流模型的初始條件，其次根據當期煤礦開采范圍，同時更新地下水流模型中的工作面排水邊界條件和含水層參數設置，然后計算當期地下水流場和礦井涌水量；