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      非連續(xù)流方法在礦坑涌水量預測的應(yīng)用
      ——以安徽省和縣龍?zhí)裂罔F礦為例

      2019-01-08 01:55:32蔣玲徐振盧春麗陳馨怡剛丹
      關(guān)鍵詞:連續(xù)流礦坑涌水量

      蔣玲,徐振,盧春麗,陳馨怡,剛丹

      (1.安徽職業(yè)技術(shù)學院,安徽 合肥,230000;2.安徽省水利水電勘測設(shè)計院,安徽 合肥,230000)

      礦坑涌水量是影響礦山開采和安全的重要因素,其預測結(jié)果意義重大。但由于地下礦產(chǎn)水文地質(zhì)條件的復雜性,往往存在預測模型不夠精確,參數(shù)選取不恰當?shù)惹闆r,致使目前常用的一些計算方法,如:比擬法、大井法、指數(shù)平滑法等確定性數(shù)值模型所得預測結(jié)果,差距較大。這些方法均基于連續(xù)流理論來進行礦坑涌水量預測[1-8],然而在礦床實際開采過程中,往往會存在非連續(xù)流的情況。此時,以連續(xù)流理論預測所得結(jié)果就不夠準確。文章結(jié)合實例,使用非連續(xù)流和傳統(tǒng)連續(xù)流兩種理論方法建立模型,對礦坑涌水量進行對比預測,并在實際工程中監(jiān)測水量數(shù)據(jù),以驗證模型的可靠性,為礦區(qū)開采提供參考。

      1 研究區(qū)概況

      研究區(qū)位于安徽省和縣十四連圩,屬亞熱帶季風性濕潤氣候,地勢較為平坦,略有東高西低、北高南低的特點。該區(qū)域處于寧蕪繁兩個中生代火山盆地接壤部位西緣,區(qū)域構(gòu)造線方向為北東,北北東向。

      白堊系下統(tǒng)姑山組,礦區(qū)內(nèi)較發(fā)育,分布于第四系沖積層之下,厚170~320m,巖性主要為(輝石)安山巖、安山質(zhì)角礫巖、角礫熔巖、晶屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖。

      侏羅系上統(tǒng)大王山組,主要分布于礦區(qū)以南,厚138~251m,巖性有角閃安山巖、安山質(zhì)凝灰角礫巖、角礫熔巖、凝灰質(zhì)粉砂巖等。

      侏羅系下統(tǒng)磨山組,分布零星,巖性主要為石英長石砂巖,砂巖、細砂巖。

      三疊系中統(tǒng)黃馬青組,區(qū)內(nèi)分布較廣,厚度可達490m,主要巖石類型為灰色細砂巖、紫紅色粉砂質(zhì)、粉砂質(zhì)頁巖,頁巖、泥質(zhì)粉砂巖。研究區(qū)鐵礦即包裹于該層中。

      2 模型的建立與識別

      2.1 水文地質(zhì)概念模型

      依據(jù)勘查成果,礦床所分布的研究區(qū)范圍內(nèi),地層自上而下分為四層:

      第一層為第四系中等至強含水層,主要為松散孔隙水,含水量充足。

      第二層為侏羅系黃馬青組弱含水層,該層位裂隙不發(fā)育,含水量較少,可視作隔水層。

      第三層為三疊系中徐家山組中等至強含水層,層位較穩(wěn)定,厚度較大,礦床即位于該層位。

      4.2.6 散裝食品銷售要求。散裝食品不應(yīng)著地堆放。應(yīng)保留原散裝食品的標外包裝簽,直至食品銷售完畢。銷售貯存散裝直接入口食品應(yīng)當遵守下列要求:a)散裝直接入口食品應(yīng)設(shè)置隔離設(shè)施,由專人使用清潔的專用售貨工具(如專用夾取工具)提供銷售服務(wù);b)熱食展示柜的溫度應(yīng)≥60℃,并做好溫度監(jiān)控記錄。

      第四層為以閃長巖為主的侵入巖弱含水層,巖性細密完整,裂隙少,且多被方解石充填,可視為隔水層。又由于其在研究區(qū)東西邊界出露,因此可作為零流量邊界,將南北設(shè)定為一類水頭邊界。

      2.2 數(shù)學模型的建立

      根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型,可建立研究區(qū)的地下水流數(shù)學模型[9-10]如下:

      式中:K為含水層滲透系數(shù),m/d;H為地下水水位,m;M為承壓含水層厚度,m;W為單位體積流量,用以代表流進源或流出匯的水量,m3;μ*為彈性釋水系數(shù);H0為地下水初始水位,m;H1為模擬期邊界處的地下水水位,m;t為時間,d;D為模擬區(qū)范圍;Γ1為第一類水頭邊界;Γ2為第二類流量邊界。

      2.3 數(shù)值模型的建立與識別

      依據(jù)上述的數(shù)學模型,采用Visual MODFLOW軟件采用等間距有限差分法[10]建立三維模型,按照地層由上而下順序,如圖1。

      圖1 研究區(qū)地質(zhì)模型圖Fig.1 Geological model map of the study area

      在對水文地質(zhì)參數(shù)賦值時,依據(jù)水文地質(zhì)勘察中的抽水試驗資料,采用由Waterloo Hydrogeologic Inc.開發(fā)的Aquifer Test軟件,計算相關(guān)參數(shù)值。結(jié)合抽水試驗采集的兩個觀測孔的地下水水位數(shù)據(jù),對水文地質(zhì)參數(shù)進行擬合。由圖2和圖3的水位擬合結(jié)果可知,調(diào)試后的數(shù)學模型效果良好,可用于進一步的預測工作。

      圖2 觀測孔1擬合結(jié)果Fig.2 Fitting results of Observation Hole 1

      圖3 觀測孔2擬合結(jié)果Fig.3 Fitting results of Observation Hole 2

      3 不同礦坑涌水量預測結(jié)果及對比

      研究區(qū)的龍?zhí)裂罔F礦包括東埂和金龍兩個相互獨立的礦區(qū),且包含多個開采水平。現(xiàn)以東梗-180米水平礦體為例。使用上述調(diào)試識別好的模型,將研究區(qū)礦體分布區(qū)內(nèi),布置相應(yīng)的抽水井。在模型中調(diào)整和設(shè)定各抽水井的抽水量,以該礦區(qū)實際開采方案中的年數(shù)為抽水時間段,使開采區(qū)的水位降至-180m,地下水漏斗擴展如圖4。當水位降至臨界水位時,各抽水井的抽水量總和,即為所需的礦坑涌水量預測值。使用同樣的方法,對金龍礦區(qū)-360m的礦體進行預測。根據(jù)模型的運行結(jié)果,兩次礦坑涌水量的結(jié)果見表1中的連續(xù)流預測值。

      圖4 抽水降至-180米地下水位等值圖Fig.3 The contour of groundwater level when pumping water to-180 meters

      在上述傳統(tǒng)預測方法中,可以發(fā)現(xiàn),模型的設(shè)定,是認為地下水的流場是連續(xù)的。而在實際情況下,由于人工干擾或其他環(huán)境條件的改變,地下水在一個流量連續(xù)的運動場中,不再連續(xù)傳遞靜水壓力,出現(xiàn)了兩個耦合的流場,即連續(xù)介質(zhì)中發(fā)生非連續(xù)流現(xiàn)象[11]。

      究其原因,在實際地下開采過程中,巷道的開挖使得巖體本身的自然應(yīng)力平衡受到破壞,卸荷作用使采空區(qū)[12]應(yīng)力發(fā)生變化,甚至山體巖石開裂。裂紋深度分布于10~100m不等[13]。而這種開裂情況,將導致礦床周邊水文地質(zhì)條件發(fā)生變化,有研究表明,巷道開挖完成后周圍巖體滲透系數(shù)將增大 1~2 個數(shù)量級[14],而遠離礦床的巖體滲透性影響較小。如此,便出現(xiàn)了連續(xù)流中上下耦合的兩個流場。

      結(jié)合礦床分布和開采方案,如圖5巷道開采平面圖所示,對該水平從南向北分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期分別預測。依據(jù)以上思路,結(jié)合礦區(qū)實際開采方案,將原有連續(xù)流數(shù)值模型的礦床頂部含水層加以細化,并調(diào)整水文參數(shù)值。以-180m Ⅰ期2.5年的礦區(qū)涌水量為例。在模型中,在礦體賦存組下方的不活動層中,將東梗一期的礦體范圍單獨設(shè)置為一個活動區(qū)域,單獨設(shè)置相應(yīng)的水文參數(shù)。將這個區(qū)域,設(shè)定為符合實際礦體開采形狀和位置的類似于“盆”的結(jié)構(gòu),模擬在礦產(chǎn)開采過程中,水流向下滲漏進入巷道的一個過程。用流入“盆”中的水量,來預測相應(yīng)開采時段的礦坑涌水量。在這個過程中,水流的流量是連續(xù)的,而壓力是不連續(xù)的,即為非連續(xù)流。模型平面圖見調(diào)整后的預測模型平面圖如圖6。

      圖5 東梗礦區(qū)巷道開采平面圖Fig.5 Roadway layout of Donggeng mining area

      圖6 預測模型巷道層平面圖Fig.6 Roadway floor layout of prediction model

      采用同樣的方法,對東梗礦區(qū)-180m Ⅱ、Ⅲ期,以及金龍礦區(qū)-360m分別進行涌水量計算。并相應(yīng)的用連續(xù)流方法預測不同開采水平下的礦坑涌水量,結(jié)果如下表1。

      表1 兩礦區(qū)水量預測結(jié)果 (m3/d)

      由表1可知,兩種方法計算得出的涌水量差別較大,可見模型中是否考慮非連續(xù)流情況,對預測影響較大。該礦區(qū)目前已投產(chǎn)數(shù)年,通過對礦區(qū)涌水情況的監(jiān)測與統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)實際礦坑涌水量與非連續(xù)流預測結(jié)果非常接近。

      4 結(jié)論

      1)本次預測過程中,對東梗礦區(qū)-180m礦段采用的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期,金龍礦區(qū)-360mⅠ、Ⅱ期情況進行預測??紤]到采礦是一個循序漸進的過程,如果能把預測分期更加細致,則模型更加符合實際情況,預測的水量將更加準確。

      2)在地下水流場中,由于天然或者人為(如礦產(chǎn)的開采)因素,使連續(xù)流場中出現(xiàn)了流量連續(xù)而壓力不連續(xù)的非連續(xù)流,是切合水文地質(zhì)實際情況的。在礦坑涌水量預測中,應(yīng)結(jié)合礦產(chǎn)開采方案,建立更符合水文地質(zhì)條件的模型,為礦山開采提供更加可靠的依據(jù)。

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