基于數(shù)值法的控礦構(gòu)造帶礦坑涌水量預(yù)測研究

韓忠 劉樂軍 袁星芳 王文瑾 曲洪飛

摘? 要：焦家斷裂帶金礦密集，相鄰礦山開采相互干擾明顯，單一礦坑的涌水量研究工作已經(jīng)不能滿足礦山生產(chǎn)需求。通過建立多礦山聯(lián)合開采的焦家控礦構(gòu)造帶地下水流數(shù)值模型，模擬預(yù)測干擾開采條件下不同開采中段的礦坑涌水量及隨時間的變化規(guī)律，為礦山開采制定防治水方案提供依據(jù)。模型中采用barrier障礙邊界模擬控礦構(gòu)造阻水帶對地下水水平流的阻礙作用，在傳統(tǒng)水位及觀測孔擬合的基礎(chǔ)上，進(jìn)行礦坑涌水量擬合校正，進(jìn)一步提高模型模擬精度。

關(guān)鍵詞：焦家斷裂;數(shù)值模擬;礦坑涌水;礦山聯(lián)合開采;GMS

中圖分類號：P641.4+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）11-0117-03

Abstract： The gold deposits in Jiaojia fault zone are dense， and the mining of adjacent mines interferes with each other obviously. The research work of water inrush from a single mine can no longer meet the needs of mine production. By establishing a numerical model of groundwater flow in Jiaojia ore-controlling structural zone of multi-mine joint mining， the water inflow of pits in different mining sections under disturbed mining conditions and its variation with time are simulated and predicted. It provides the basis for the formulation of water prevention and control scheme in mining. In the model， the barrier boundary is used to simulate the hindrance of the ore-controlling structural water blocking zone to the horizontal flow of groundwater. On the basis of the traditional water level and observation hole fitting， the mine water inflow is fitted and corrected， and the simulation accuracy of the model is further improved.

Keywords： Jiaojia fault; numerical simulation; mine water gushing; combined mining; GMS

1 研究背景

礦坑涌水是困擾礦山開采的重要隱患[1]，礦坑涌水量預(yù)測是礦山開采的先行步驟和必要環(huán)節(jié)，可為礦山開采設(shè)計中制定防、治水方案提供重要依據(jù)[2]。

對于開采條件較簡單的單個礦區(qū)，涌水量預(yù)測多采用水文地質(zhì)比擬法[3]、大井法[4]、水均衡法[5]、涌水量曲線方程法[6]、基于裘布依穩(wěn)定井流理論的解析法以及數(shù)值法[7]。本文采用數(shù)值法進(jìn)行焦家控礦構(gòu)造帶礦坑水模擬研究。采用國際通用的可視化軟件GMS（Groundwater Modeling System）[8]，建立焦家控礦構(gòu)造帶地下水流數(shù)值模型，預(yù)測礦山聯(lián)合開采條件下不同時段、不同開采深度的礦坑涌水量，為后期礦山開采提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 研究區(qū)概況

焦家斷裂帶位于煙臺萊州市境內(nèi)，南鄰青島，東接威海。大地構(gòu)造位置位于沂沭斷裂帶北段東側(cè)，膠北隆起西緣，南接膠萊凹陷。焦家斷裂帶屬壓扭性斷裂帶，走向10°～30°，傾向北西，傾角29°～56°，規(guī)模較大，影響范圍較廣，不僅控制著金礦體的分布與埋藏，同時也控制著地下水的富集、運移及水力特性。

斷裂帶中間部位分布連續(xù)的斷層泥和兩側(cè)的碎裂巖具有良好的隔水性。斷裂帶兩側(cè)受構(gòu)造影響，構(gòu)造裂隙發(fā)育，是地下水賦存和運動的有利場所，是較好的富水部位。下盤的基巖構(gòu)造裂隙含水層（帶）是礦坑充水的直接含水層，也是金礦體的主要賦存部位。頂部為分布比較連續(xù)的隔水帶，下部是以二長花崗巖為主體的隔水底板，與其它含水層之間的水力聯(lián)系較弱。

3 水文地質(zhì)概念模型

3.1 模型范圍及邊界條件

根據(jù)斷裂帶及附近區(qū)域的水文地質(zhì)條件，確定模型范圍及邊界條件：北部邊界為海岸線，設(shè)為定水頭邊界。南部邊界為米山-金華山形成的天然地下水分水嶺，設(shè)定為流量邊界。東西部邊界分別為諸流河和朱橋河，設(shè)為定水頭邊界。

3.2 斷裂帶水力性質(zhì)概化

在模擬區(qū)中部地區(qū)北東-西南向斷裂發(fā)育，主斷裂中心發(fā)育有連續(xù)穩(wěn)定主裂面，兩側(cè)為碎裂巖，該部位導(dǎo)水性和富水性很差，阻水性強，對地下水流具有控制和阻礙作用。采用MODFLOW模塊下的barrier障礙邊界對斷層進(jìn)行處理。

3.3 地下水流動系統(tǒng)概化

礦坑地下水流從空間上看是以垂向運動為主、水平運動為輔，地下水為三維地下水流。地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時間、空間變化，地下水系統(tǒng)為非穩(wěn)定的分布參數(shù)系統(tǒng)。地下水系統(tǒng)參數(shù)、補排項隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，所以參數(shù)概化為非均質(zhì)各向同性。

綜上所述，將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化成非均質(zhì)各向同性、空間雙層結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定流三維地下水流系統(tǒng)。

4 地下水流數(shù)值模型

4.1 數(shù)學(xué)模型

對研究區(qū)的地下水系統(tǒng)進(jìn)行抽象概化，在建立水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型。根據(jù)Darcy定律、質(zhì)量守恒定律以及能量守恒定律，并且不考慮水密度變化的情況下，得到地下水流動偏微分方程：

式中：Kxx，Kyy，Kzz-滲透系數(shù)在x，y，z方向上的分量，我們假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標(biāo)軸的方向一致，量綱為（LT-1）;h-含水層的水位標(biāo)高（L）;W-單位體積流量（T-1），用以代表流進(jìn)匯或來自源的水量;Ss-對非承壓含水層為給水度，對承壓含水層為貯水率（L-1）;t-時間（T）。

4.2 地下水流模擬

4.2.1 空間剖分

根據(jù)研究區(qū)域大小及計算精度要求，在平面上將研究區(qū)剖分為60行×60列，垂向上分為第四系含水層和構(gòu)造裂隙含水層兩層。其中第一層第四系含水層有效單元642個，第二層構(gòu)造基巖裂隙含水層有效單元1641個。

4.2.2 時間離散和初始條件的確定

模擬期確定為2015年1月1日～2016年12月30日，將每個自然月作為一個應(yīng)力期，共24個應(yīng)力期。在建立擬合期初始流場時采用各含水層水井水位標(biāo)高及各長觀孔的初始水位標(biāo)高，然后值賦給模型參與迭代計算。

4.2.3 源匯項的處理

對源匯項的處理，主要包括兩大類。一類是以含水層面狀補給率的形式給出，如降水入滲補給;另一類是以點井的形式給出，如礦坑排水、山前側(cè)向徑流、河流滲流補給等。這兩類源匯項均分配在活動單元格上參與計算。

4.3 模型的識別與驗證

4.3.1 觀測孔擬合

通過反復(fù)調(diào)整參數(shù)和均衡量，識別水文地質(zhì)條件，確定模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)和均衡要素。選取有代表性的觀測點進(jìn)行擬合，計算各擬合點計算水位與觀測水位的絕對誤差在0.2～0.4之間。

長觀孔擬合曲線圖中圓點為預(yù)測值，倒三角為長觀孔的實際值。由擬合結(jié)果可知，大部分?jǐn)M合點的平均絕對誤差小于0.5m，所建立的模型滿足模擬精度要求。

4.3.2 礦坑涌水量擬合

為進(jìn)一步提高模型可靠性，提高礦坑涌水量預(yù)測精度，本次通過以往大量的涌水量觀測數(shù)據(jù)，對礦區(qū)開拓巷道水平的實際涌水量與預(yù)測涌水量進(jìn)行擬合對比（表1）。由擬合結(jié)果可知，礦坑涌水量計算值相對誤差小于1.7%，擬合效果較為理想。

表1 各礦區(qū)涌水量擬合對比表（單位m3/d）

綜上所述，所建立的地下水流數(shù)值模型符合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，基本反映了地下水系統(tǒng)的動態(tài)及涌水量變化特征，故可利用模型進(jìn)行地下水水位、水量的預(yù)測預(yù)報。

5 礦坑涌水量預(yù)測

5.1 涌水量預(yù)測模型

本次礦坑涌水量預(yù)測分為兩部分：一是不同開采中段涌水量預(yù)測;二是各個開采中段涌水量隨時間的動態(tài)變化趨勢預(yù)測。針對以上兩種需求，將源匯項中的礦坑涌水量用排水溝的形式表達(dá)，排水底板標(biāo)高設(shè)置為要預(yù)測涌水量的開采水平，模擬礦井隨開采深度的增加涌水量動態(tài)變化趨勢。

5.2 不同開采中段涌水量預(yù)測

在當(dāng)前礦井開采深度的基礎(chǔ)上，考慮未來開采深度不斷加大條件下，預(yù)測不同開采中段礦坑涌水量（圖2）。預(yù)測成果表明，隨著開采深度的增加，各礦區(qū)涌水量隨之增加，增幅有差異。開采至-2000中段，新城礦區(qū)、焦家礦區(qū)、寺莊礦區(qū)及望兒山礦區(qū)涌水量分別達(dá)到4565m3/d、29034m3/d、21140m3/d、45803m3/d，其中望兒山礦區(qū)的涌水量最大，新城礦區(qū)的涌水量最小，增加幅度也最小。

圖2 各礦區(qū)不同開采中段預(yù)測涌水量曲線

可見，隨著金礦的開采，礦坑涌水量將成為制約礦山開采的重要因素。礦山生產(chǎn)過程中宜根據(jù)不同開采中段的涌水量制定相應(yīng)的防、治水措施，確保安全生產(chǎn)。

5.3 涌水量動態(tài)變化預(yù)測

假定5年開采一個水平中段，20年可以開采4個水平中段，利用上述地下水流數(shù)值模型對焦家成礦帶開展未來20年開采這4個水平的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，圖3為焦家礦區(qū)最后一個中段涌水量動態(tài)預(yù)測結(jié)果。

由涌水量預(yù)測動態(tài)曲線圖可見，各礦區(qū)的涌水量季節(jié)性變化明顯，總體夏季呈上升趨勢，冬季呈下降趨勢。涌水量總體在某一固定值附近波動，最后趨于水平，說明隨著開采的進(jìn)行涌水量最終趨于穩(wěn)定值。

6 結(jié)論

（1）聯(lián)合開采條件下，焦家控礦構(gòu)造帶礦坑涌水量開采至-2000中段，新城金礦、焦家金礦、寺莊金礦、望兒山金礦礦坑涌水量將分別達(dá)到4565m3/d、29034m3/d、21140m3/d、45803m3/d。

（2）受河流通過導(dǎo)水?dāng)嗔褜ΦV坑水的補給作用影響，寺莊礦坑涌水量隨季節(jié)性變化不明顯，涌水量較為穩(wěn)定。其它礦區(qū)礦坑涌水量具有明顯的季節(jié)變化特征，隨著礦山的開采，需根據(jù)涌水量變化特征及時調(diào)整疏干排水方案。

（3）barrier障礙邊界在處理控礦構(gòu)造阻水帶對地下水水平流的阻礙作用方面，模擬效果良好。通過礦坑涌水量擬合校正，提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。

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