短路径'疏干-回灌'水循环数值模拟及回灌研究

摘要

为保持露天煤矿区域地下水系统平衡,避免由疏干造成的水资源破坏及不良环境影响产生,缓解露天煤矿疏干和排水之间的矛盾,尝试在降落漏斗范围内同层回灌露天煤矿疏干水.在保障采矿安全的前提下,通过短路径"疏干-回灌"地下水循环,实现疏干水零排放.以水均衡为理论基础,依据短路径地下水循环疏干理论,以露天煤矿为研究对象,采用FEFLOW地下水数值模拟软件,构建疏干-回灌协同开采地质模型,对露天煤矿疏干和回灌同时运行条件下的地下水流进行模拟.分析疏干井和回灌井的井数、井距、流量与疏干效果的关系.对比分析降水孔疏干法和短路径地下水循环疏干法的疏干效果,验证短路径地下水循环疏干法.通过数学模型得出回灌完全补给疏干时,形成短路径地下水循环.给出疏干与回灌同步、疏干流量稳定、回灌量尽量接近疏干量、回灌井与疏干井距离短4个关键问题.模拟计算出形成短路径地下水循环的回灌井布设数量与疏干井为1∶1;回灌井距降水中心的最优距离段是2000～3000 m,并且距离越大疏干流量降幅越大,距离越短达到最大回灌流量的时间越短.突破地下水同层回灌以疏干降落漏斗为界限的限制条件,定义短路径地下水循环疏干;提出临时利用含水空间和水在含水层中循环的时间,换取采煤工作区安全开采的疏干思路,得出短路径地下水循环疏干理论.研究以露天煤矿地下水实现疏干目标为前提,模拟短路径"疏干-回灌"水循环疏干过程.得出单环型等距布设回灌井时,回灌与疏干井数相等;循环较好的回灌井与降水中心距离段;通过分析疏干流量、回灌流量、回灌井距离降水中心距离和疏干时间之间的关系,推算出距离降水中心最近的回灌井布设距离计算公式,并给出了该方法用于露天煤矿疏干排水的应用步骤.结合某矿疏干实例,在达到与降水孔疏干法相同的疏干效果时,短路径地下水循环疏干还具有保持疏干系统流量稳定、使疏干设备高效能稳定效率工作等优势,并可通过调整回灌井布设位置和调节回灌井井内水位,控制区域降落漏斗的范围和形态.通过实例模拟计算对比2种疏干方法,短路径"疏干-回灌"水循环使疏干井日出水量稳定在最大出水能力的82.5％以上,降低了疏干水外排量33％～ 98％.