復雜巖溶大水礦山礦坑涌水量預測數(shù)值模擬研究

劉大金 賀 文

(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021;2.河北省礦山地下水安全技術創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050021;3.天地科技股份有限公司,北京 100013;4.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013)

孔莫隴鉛鋅礦所處水文地質單元侵蝕基準面標高為4 620 m,主要礦體位于當?shù)厍治g基準面以下。礦床主要充水含水層為碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層,呈條帶狀東西向分布,巖溶發(fā)育且厚度大,垂向呈現(xiàn)上強下弱趨勢,富水性極強—中等;平面上挾持于CF1、F2兩斷層之間,在東部受阻水斷層阻擋,在西部被巖體阻斷了與區(qū)域巖溶含水層的聯(lián)系;區(qū)內發(fā)育多條近南北向斷裂,構造破碎帶寬度大,具有導水、儲水作用,是地表水與地下水連接的重要通道;為碳酸鹽巖溶蝕裂隙直接充水的水文地質條件復雜型巖溶充水礦床。礦床充水含水層空間分布極不均一,各向異性且具多層結構,邊界條件和含水結構復雜,如何準確地預測礦坑涌水量是擺在礦山建設面前的重大難題。傳統(tǒng)的預測方法如解析法、水文地質比擬法等難以刻畫如此復雜的水文地質結構特征,導致計算結果存在較大偏差。隨著計算機技術的發(fā)展,用數(shù)值法預測礦井涌水量開始獲得廣泛應用,許多學者在該領域開展相關研究,并取得了不錯的效果[1-3]。為提高礦坑涌水量預測的精度,指導礦山下一步開發(fā)及防治水工作,本文借助Visual MODFLOW 軟件,進行了礦區(qū)地下水流的三維數(shù)值模擬。

1 研究區(qū)概況

孔莫隴鉛鋅礦地處青藏高原腹地唐古拉山北坡、三江源頭的長江沱沱河流域,屬于青海地界西藏管轄。研究區(qū)總體地勢南西高北東低,山勢總體呈北西向展布,區(qū)內海拔4 620～5 300 m,相對高差近700 m,區(qū)內地貌類型主要為高海拔山地地貌和高海拔平原地貌兩種類型。研究區(qū)屬高原大陸性過渡氣候類型,受海洋性風系影響較弱,受高空西風帶控制,氣候干旱、多風少雨、天氣多變,具典型的內陸高原氣候特征,無四季之分,僅有干濕兩季,一般10月份至翌年4月份為干季,5～9月份為濕季。工作區(qū)河流屬于沱沱河水系,流程短,除東側支流6外,其他支流均為季節(jié)性河流,只在每年4～11月為有水期,以大氣降水、冰雪融水及地下水作為主要補給水源,屬于小型河流,為樹枝狀水系。河流調蓄能力弱,局部暴雨使地表迅速匯流,易形成短暫的尖瘦型洪峰。

礦區(qū)含(隔)水層可劃分為松散巖類孔隙含水層、碎屑巖(巖漿巖)風化裂隙含水層、碳酸鹽巖溶裂隙含水層。

松散巖類凍結層為季節(jié)性含水層,分布于溝谷區(qū)、山麓一帶,主要為第四系沖洪積及坡洪積物,含水層巖性主要為沖積砂卵礫石、殘坡積碎石,地下水類型以松散巖類凍結層上水為主。

碎屑巖、基巖風化裂隙含水層厚度薄,地下水富水性較差,除部分進入深部循環(huán)外,多經過短暫的徑流在地形低洼處以泉水的形式泄出,單泉流量Q＜1.0 L/s,富水性弱。

碳酸鹽巖類凍結層下含水層為礦床主要充水含水層,巖性為二疊系九十道班組下巖段、上巖段層狀灰?guī)r,其空間展布及其水文地質特征受控于背斜構造。該含水層挾持于CF1、F2 兩斷層之間,呈條帶狀沿東西向分布,在東部受斷層阻擋,在西部被巖體阻隔。由于青藏高原隆起抬升,區(qū)內斷裂構造發(fā)育,礦區(qū)巖溶發(fā)育受構造控制明顯,在斷層破碎帶、裂隙發(fā)育密集帶,巖溶極其發(fā)育,尤其是大規(guī)模連續(xù)性強的溶洞的發(fā)育有利于地下水賦存,為地下水儲存提供了空間。該含水層分布面積較廣、厚度較大,富水性、透水性不均一且上強下弱(地表標高為4 750 m,4 700 m 標高至4 400 m標高富水性強),位于礦體的直接頂板或底板,對礦坑直接充水。此外,礦化體底部4 200 m標高以下為含碳質灰?guī)r及砂質灰?guī)r,并具有微變質,巖溶裂隙不發(fā)育—極不發(fā)育。

天然條件下,碳酸鹽巖溶裂隙水通過構造破碎帶、凍土融區(qū)等接受大氣降水、冰雪融水、地表水及凍結層上水的補給,自西南向東北運移,在礦區(qū)東部受斷層阻擋涌溢成泉,呈線狀排泄于河流。

在開采條件下,礦區(qū)地下水運動發(fā)生改變,形成新的地下水疏干流場,引起四周基巖地下水向礦坑排水點匯集排泄。隨著地下水位持續(xù)下降導致東部泉群斷流,進而引發(fā)河水反向補給礦坑地下水。礦床直接充水含水層,南北兩側受斷層挾持,東部受斷層阻擋、西部被巖體阻隔。在礦床地下水接受區(qū)域,地下水側向補給水量有限,以垂向補給為主。此外,隨著東部Ftd斷層東、西兩側水位差持續(xù)增加,斷層東側將有一定的側向滲流補給量。礦坑排水系統(tǒng)置于深部,巷道排水使深部巖溶裂隙水壓力釋放,上部松散巖類凍結層上水以垂向滲流形式向排水點匯聚,形成以疏干巷道為中心的空間流場。

2 地下水流數(shù)值模擬模型

2.1 水文地質概念模型

根據(jù)區(qū)域水文地質條件,模型南部以孔莫隴山一級分水嶺為界,為零通量邊界;北部以CF1斷層為界,斷層北側為沱沱河組泥巖地層,該地層透水性差,將斷層概化為零通量邊界;西部以加阿切山西側巖漿巖巖體群為界,為巖體隔水邊界;東部以南北向斷層Ftd為界,處理為混合邊界。上邊界為大氣降水入滲補給的自由面邊界;下邊界劃到4 200 m,以下為含碳質灰?guī)r及砂質灰?guī)r,巖溶裂隙等極少發(fā)育、富水性及透水性弱,作為隔水邊界處理。模擬面積為36.77 km2,模擬范圍及 邊界條件見圖1。

圖1 模擬范圍及邊界條件

礦區(qū)主要含水層為二疊系九十道班組巖溶裂含水層,該含水層分布面積較廣、厚度較大,富水性、透水性不均一。在開采條件下,礦坑排水系統(tǒng)置于深部,巷道排水使深部巖溶裂隙水壓力釋放,上部大氣降水及地表水以空間滲流形式向排水點匯聚。地下水疏干流場呈三維特征,地下水運動垂向分量不可忽略。因此,將含水系統(tǒng)概化為非均質各向異性含水系統(tǒng),地下水流系統(tǒng)概化為三維非穩(wěn)定流[4]。

2.2 數(shù)值模型

2.2.1 空間離散

采用矩形有限差分的離散方法對研究區(qū)進行剖分(見圖2和圖3),每個平面剖分32 868個單元格,每個平面有效單元格為23 124個;垂向剖分11層,總共剖分單元格為361 548個,有效單元格為254 364個[5]。

圖2 模型平面剖分

圖3 模型垂向剖分

2.2.2 水文地質參數(shù)的選取

根據(jù)已有研究區(qū)滲透系數(shù)及給水度、降雨入滲系數(shù)等方面的資料,將模擬區(qū)進行參數(shù)初步分區(qū)并賦值,待模型識別時再最終確定[6]。

2.2.3 源匯項的處理

降雨入滲補給:降雨入滲作為上邊界處理,根據(jù)礦區(qū)的原始資料及現(xiàn)階段的地形地貌特征等在空間上對模型降雨入滲條件進行平面上分區(qū)并賦初值。降雨量則是依據(jù)當?shù)貧庀缶值慕涤瓯O(jiān)測資料。

側向補給:側向補給量來自東部邊界,在未來大降深情況下,邊界性質可能發(fā)生一定的改變,由于本次采用混合邊界處理,該側向補給量依靠模型的自動調節(jié)功能給出。

地表水入滲補給:模型范圍內有6條沱沱河支流,支1到支5為季節(jié)性河流,支6為常年性河流,由南向北徑流。根據(jù)河流斷面觀測資料,河水對地下水有滲漏補給。補給水量與河床底部含水層結構及其透水性、水力梯度有關,在模型建立時,根據(jù)觀測資料給出滲漏水量,待模型識別時最終確定[7]。

泉排泄:在模型范圍內,地下水徑流自西南向東北,在東部受斷層阻擋上升成泉,呈近南北走向的帶狀泉群排泄。泉水排泄是模型區(qū)內地下水的主要排泄方式之一。排泄水量根據(jù)區(qū)域調查資料給出初值,待模型識別時最終確定。

潛水蒸發(fā)排泄:是區(qū)內地下水的排泄方式之一,在模型中處理為面排泄。利用蒸發(fā)蒸騰程序包對其進行刻畫。

2.2.4 初始流場

礦區(qū)前期水文資料較少,流場基本未受人為影響,因此,以群孔抽水試驗前的地下水流場作為模型識別的初始流場。根據(jù)礦區(qū)各地下水位觀測孔的觀測資料和調查數(shù)據(jù),利用克里格法進行插值,得到研究區(qū)的初始等水位線,并將其屬性值提取出來后作為初始水頭賦給模型的各個單元,作為非穩(wěn)定流模擬的初始值(見圖4)。

圖4 初始流場

2.2.5 模型識別

本次模擬選擇礦區(qū)6個灰?guī)r含水層地下水位觀測孔的實測水位曲線進行擬合,共分兩個階段,第一階段為抽水試驗前自2020-08-10至2021-10-10,第二階段利用群孔抽水試驗所獲取的資料對模型進行進一步識別。

第一階段利用天然地下水動態(tài)資料進行模型識別。擬合期為2020-08-10 至2021-10-10,共426 d,將模擬時間進行離散,時間步長設為1 d,共426個時段,擬合曲線見圖5。

圖5 MJ01水位擬合曲線

第二階段利用抽水試驗動態(tài)資料進行模型識別。擬合期為2021-10-10至2021-12-23抽水試驗階段,歷時75 d。將模擬時間進行離散,時間步長取為1 d,讓模型運行75個時段,擬合曲線見圖6和圖7[8-9]。

圖6 SZK02水位擬合曲線

圖7 SZK03水位擬合曲線

由模擬結果可知,所建立的數(shù)值模擬可靠,可以用于后續(xù)礦坑涌水量預測中。模擬區(qū)水文地質參數(shù)分區(qū)見圖8,參數(shù)取值見表1;降雨入滲系數(shù)分區(qū)見圖9,取值見表2。

圖8 第5層參數(shù)分區(qū)

表1 模型參數(shù)識別結果

圖9 降雨入滲系數(shù)分區(qū)

表2 降雨入滲系數(shù)識別結果

2.3 水均衡分析

根據(jù)模型識別結果進行模擬期內水均衡分析,均衡期為2020-08-10至2021-12-23,均衡量見表3?？梢娋馄趦鹊叵滤到y(tǒng)為負均衡,均衡差為26.17萬m3。

表3 地下水系統(tǒng)均衡量

3 礦坑涌水量預測

根據(jù)礦床賦存條件及建設需要,利用所建模型預測4 500 m、4 400 m開采水平礦坑的涌水量。

模型預測時,水文地質參數(shù)及分區(qū)保持不變,降雨、河流滲漏等各源匯項依據(jù)現(xiàn)有資料按月賦值到模型中,以群孔抽水試驗結束后穩(wěn)定的地下水流場為模型預測的初始流場。

本模型預測礦坑涌水量時,降雨量根據(jù)當?shù)厮臍庀笄闆r設置豐水年、平水年、枯水年分別為:505 mm、332 mm、260 mm。

利用數(shù)值模型計算以上各開采水平的礦坑涌水量。計算所得的涌水量結果見表4。開采至4 400 m 水平地下水流場預測見圖10。

表4 礦坑涌水量預測結果

圖10 4 400 m 水平地下水流場預測

4 結論

(1)礦區(qū)主要充水含水層為碳酸鹽巖溶裂隙含水層,呈條帶狀東西向分布,巖溶發(fā)育且厚度大,垂向呈現(xiàn)上強下弱趨勢,富水性極強—中等;礦區(qū)內發(fā)育多條近南北向斷裂,構造破碎帶寬度大,具有導水、儲水作用,是地表水與地下水連接的重要通道。礦區(qū)水文地質條件復雜,正確預測礦坑涌水量對礦山下一步開發(fā)具有重要意義。

(2)通過分析礦區(qū)滲流場的特征,將含水系統(tǒng)概化為非均質各向異性含水系統(tǒng),地下水流系統(tǒng)概化為三維非穩(wěn)定流,建立了符合客觀實際的地下水三維流數(shù)值模擬模型。運用識別后的模型對礦區(qū)深部開采的礦坑涌水量進行了預測,結果表明,礦床開采至4 400 m 水平標高時,礦坑正常涌水量為4.49 萬m3/d、最大涌水量為6.27 萬m3/d,預測結果為礦山后續(xù)開發(fā)決策及制定防治水措施提供了依據(jù)[10]。