基于GMS模擬預(yù)測磨槽江礦礦坑涌水量

黎容伶，藍俊康，陸海建，夏 源

(桂林理工大學a.廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心;b.環(huán)境科學與工程學院，廣西桂林 541004)

目前，礦井涌水量的預(yù)測方法大體可分為確定性分析方法和不確定性分析方法兩大類[1－5]。確定性分析又分為數(shù)值法、解析法、水均衡法等等，其中數(shù)值法自1973年就被引入我國的水文地質(zhì)勘察領(lǐng)域。自20 世紀90年代初以來，三維數(shù)值模擬得到了迅速發(fā)展，許多水文地質(zhì)學專家學者對地下水流三維模擬和優(yōu)化管理模型進行了大量的研究和探索，并取得了一定的成果[6]。目前在實際應(yīng)用方面，國際上已開發(fā)出功能強大的相應(yīng)專業(yè)系統(tǒng)軟件，其中應(yīng)用最廣泛的是FEFLOW[7]、Visual MODFLOW[8－9]和GMS[10－15]。其中GMS 軟件以其較好的使用界面，強大的前、后處理功能及其優(yōu)良的三維可視效果正得到愈加廣泛的應(yīng)用。

在礦山涌水預(yù)測方面，數(shù)值模擬也發(fā)揮很大的作用[3，12－13，16－18]，如:朱學愚等使用數(shù)值模擬來預(yù)測湖南斗笠山煤礦裂隙巖溶水的礦井涌水量[16];成建梅等根據(jù)折算滲透系數(shù)的概念并建立耦合達西流和非達西流于一體的巖溶管道－裂隙－孔隙三重介質(zhì)地下水模型，并利用該模型對廣西環(huán)江北山礦區(qū)巖溶含水系統(tǒng)進行模擬[17];宋業(yè)杰應(yīng)用GMS 軟件預(yù)測陜北地區(qū)某礦采煤工作面的涌水量變化規(guī)律[13]。

磨槽江鉛鋅礦位于廣西桂林市靈川縣大境鄉(xiāng)，已有多年的開采歷史，現(xiàn)因采礦證到期，為申請辦理延續(xù)采礦證服務(wù)年限和擴大生產(chǎn)規(guī)模，需進行礦山水文地質(zhì)詳查，目的是查明礦區(qū)的水文地質(zhì)條件[18]，預(yù)測在正常條件和暴雨條件下礦坑涌水對未來采礦活動的威脅。

該礦區(qū)所處的地貌成因類型為構(gòu)造侵蝕中低山地貌，地形切割較強烈，山坡陡峻，坡度一般為45° ～80°;河谷多呈“V”字形。礦區(qū)內(nèi)有3條規(guī)模較大的沖溝經(jīng)過，在進行數(shù)值模擬時，這些沖溝不能定為第一類定水頭邊界，但它實際上卻對地下水有很強的補排作用，對地下水流場的影響巨大，因此模擬時需要考慮它們對地下水的排泄和補給作用。針對這種有達西流(含水層的裂隙水流)和非達西流(溝谷地表水流)并存的狀況，筆者嘗試用GMS 軟件中MODFLOW 的子程序包(排水溝渠包)模擬沖溝對地下水流場的影響，并用有限差分的求解方法對礦區(qū)礦坑涌水量進行預(yù)測評價，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果繪制出礦區(qū)的等水位線圖。

1 研究區(qū)的環(huán)境地質(zhì)特征

1.1 氣象水文

調(diào)查區(qū)屬亞熱帶向中亞熱帶過渡帶，受季風環(huán)流影響明顯。年平均氣溫18.7 ℃，極端最低氣溫為－4.9 ℃，極端最高氣溫為38.5 ℃。據(jù)離礦區(qū)最近的潮田水文站記載，最大年降水量2 271.8 mm，最小降雨量1 129 mm，多年平均雨量1 980 mm。各年降雨量多集中在4 ～8月，期間的降雨量占全年的60%左右，11月至翌年2月為枯季，枯水期的降雨量約占全年15%，其余月份為平水期，年均降雨天數(shù)70 ～199 d。

調(diào)查區(qū)的地表水系(體)僅為磨槽溪，位于礦區(qū)所在山體的坡腳，它由兩岸多條沖溝水匯流而成，也是本調(diào)查區(qū)地下水的排泄基準面。

1.2 地形地貌

調(diào)查區(qū)宏觀地貌屬中低山地貌，微觀上為陡峻的山坡，山坡北高南低、東高西低，北部的山脊標高為883 ～1 158 m，南部為山谷，溝谷標高414 ～540 m，山頂和山腳的相對高差達469 ～714 m。溝谷內(nèi)發(fā)育有河水(磨槽溪)，因山高林密，溝谷常年有地下水滲出，磨槽溪常年流水不斷。

1.3 地層巖性

調(diào)查區(qū)內(nèi)的地層有第四系 (Q)殘坡積層、沖洪積層;下泥盆統(tǒng)那高嶺組(D1n)砂巖、砂巖夾頁巖和頁巖，蓮花山組(D1l)砂巖;寒武系邊溪組(∈b)變質(zhì)長石石英夾砂巖、石英夾砂巖板巖和泥巖。其中蓮花山組與邊溪組呈角度不整合接觸。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

調(diào)查區(qū)的褶皺構(gòu)造處于廣西山字型構(gòu)造東翼弧外側(cè)，位于基底構(gòu)造望江界－天巖復(fù)式背斜的西端北東翼和蓋層構(gòu)造老廠穹窿北段，基本上呈單斜構(gòu)造。

調(diào)查區(qū)內(nèi)無大斷裂經(jīng)過，僅有構(gòu)造裂隙和風化裂隙，區(qū)域地質(zhì)較為穩(wěn)定(圖1)。礦區(qū)內(nèi)以北東東向斷裂構(gòu)造發(fā)育，礦權(quán)區(qū)內(nèi)僅發(fā)育有兩條構(gòu)造破碎帶，分別為F1和F2(圖2)，破碎帶內(nèi)巖石因多次構(gòu)造活動的疊加或改造，被強烈擠壓破碎，是礦區(qū)內(nèi)的重要控礦和容礦構(gòu)造。

圖1 大區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Regional structural map

圖2 礦區(qū)平窿位置及礦道分布Fig.2 Distribution map of mine gallery in orefield

1.5 水文地質(zhì)條件

調(diào)查區(qū)內(nèi)的地下水類型按埋藏條件分屬于潛水類，按含水介質(zhì)分則屬于裂隙水和孔隙水類。含水巖組為松散巖類含水巖組和碎屑巖含水巖組，以裂隙發(fā)育微弱透水較差的基巖作為本區(qū)隔水層。

礦坑的圍巖為寒紀紀地層，據(jù)鉆孔抽水試驗測定，寒武系裂隙含水巖組的單位涌水量為0.017 L/(s·m)。按《礦山水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 12719—1991)附錄C 的分級標準，該地層裂隙水的富水性等級為“弱”(鉆孔單位用水量小于0.1 L/(s·m));而礦區(qū)外圍的另一含水地層(泥盆系含水巖組)內(nèi)有泉水出露，故根據(jù)其泉水流量判定其富水性的大小等級為“中”。

區(qū)內(nèi)的地下水補給來源為大氣降雨，地下水主要儲存于基巖裂隙中，并沿構(gòu)造裂隙、風化裂隙或?qū)娱g裂隙排入溝谷，再由溝谷匯入磨槽溪內(nèi)。地下水總體流向由北向南、由東向西，與地表水徑流方向基本一致(圖3)。

圖3 研究區(qū)范圍Fig.3 Scope of study area

2 礦區(qū)涌水特征和開采設(shè)計方案

2.1 礦坑充水的主要來源

當?shù)厍治g基準面為磨槽溪，即使位置最低的老窿PD8 也比河水位高出30 m 以上，故不存在河水滲入礦坑的可能性，各礦坑的充水來源主要為降雨入滲，其次是上方礦硐積水灌入到下部礦坑。上方礦坑的局部積水有可能沿著局部貫穿的采礦洞或爆破形成的冒落裂隙向下滲流至下部礦坑，由于只發(fā)生在局部地段，故此部分水量很少。

2.2 各礦坑涌(突)水特征

礦區(qū)內(nèi)的老平窿有4 個，擬采平窿2 個(圖3)，分別闡述如下。

老平窿PD4:洞口位于礦部東側(cè)，洞口標高433 m，是廢棄約20年的老礦坑，洞內(nèi)情況無從考證，僅能從洞口觀察，發(fā)現(xiàn)其巖壁潮濕，滲水點多，對其進行動態(tài)觀測發(fā)現(xiàn)，該洞口流出水量一般1.3 ～2.1 L/s。

老平窿PD5:洞口標高565 m，坑道內(nèi)的底板里高外低，坑內(nèi)滲水能自流到坑道內(nèi)，再由坑道流出洞口。據(jù)觀測，洞內(nèi)巖壁干燥，洞口流出水量極少，大約0.1 ～0.3 L/s。

老平窿PD8:洞口標高465 m，是廢棄多年的老礦坑，現(xiàn)洞口被雜草掩蓋，洞內(nèi)積有地下水，水位基本上與洞口齊平，洞口流水從亂石縫中流至沖溝，流水量大約1.2 ～2.0 L/s。

老平窿PD9:洞口標高584 m，洞內(nèi)巖壁干燥，無積水。

平窿PD6:洞口標高541 m，是擬繼續(xù)開采的礦坑，坑道設(shè)計與開采方法同PD5。據(jù)觀測，洞內(nèi)巖壁干燥，未發(fā)現(xiàn)裂隙出水點，僅在礦脈分布帶的礦體范圍內(nèi)節(jié)理發(fā)育部位及礦體與圍巖接觸帶兩側(cè)有裂隙出水點，洞口流出水量極少，大約0.12 ～0.3 L/s。

平窿PD7:洞口標高506 m，是擬繼續(xù)開采的礦坑，坑道設(shè)計與開采方法同PD5 和PD6。據(jù)坑道水文地質(zhì)編錄，從洞口向內(nèi)130 m 范圍內(nèi)因巖石的風化節(jié)理發(fā)育，巖壁很潮濕，一般出水量小于0.006 L/s，大多流水處有鐵繡斑痕。在130 ～200 m 段，節(jié)理不甚發(fā)育，坑道巖壁較為干燥。據(jù)動態(tài)觀測資料，PD7 洞口流出水量一般1.3 ～2.0 L/s。該洞口流水的水溫基本上不受氣溫的影響，常年保持18 ～19 ℃，較為穩(wěn)定。

2.3 開采設(shè)計方案

2008年某設(shè)計院為該礦進行開采設(shè)計。根據(jù)開采設(shè)計方案，本礦在獲取延續(xù)開采證后，仍將利用現(xiàn)有的平窿PD5、PD6、PD7 和PD8 進行開采，各平窿斷面為4.32 m2。

設(shè)計未來每年開采礦石3 萬t，每年開采工作300 d(即平均100 t/d)，每日需開動3 臺班，配備2個工作面，每班8 h，年掘進量1 050 m，日進尺3.5 m。礦山的服務(wù)年限為6.5年(不含基建期時間0.5年)。

3 模擬與預(yù)測

3.1 水文地質(zhì)參數(shù)

降雨入滲系數(shù):參考水文地質(zhì)普查資料，該區(qū)域?qū)儆冖? 地塊(海洋山西坡)，區(qū)域內(nèi)各地層的入滲系數(shù)的初值見表1。根據(jù)對溝溪測流反算結(jié)果，該地塊的降雨入滲系數(shù)約為0.24。

含水層的滲透系數(shù):以鉆孔注水試驗、水位恢復(fù)試驗、壓水試驗數(shù)據(jù)綜合分析，建議各土巖層滲透系數(shù)取值詳見表2。

給水度:根據(jù)鉆孔巖芯的裂隙率，賦予初值0.06。

表1 礦區(qū)入滲系數(shù)初值分區(qū)Table 1 Penetration coefficient in subareas

表2 含水層組滲透系數(shù)建議值Table 2 Suggestive penetration coefficients for every groundwater-bearing stratum

3.2 礦坑涌水量數(shù)值模擬計算

3.2.1 水文地質(zhì)概念模型 區(qū)域內(nèi)地下水受氣候、地形等自然地理條件以及地層、構(gòu)造等因素控制，補給來源以大氣降水和地表水體為主，徑流途徑較短，且以泉水、沖溝等形式排泄。因本礦區(qū)巖性發(fā)育相對較為均一，故將水文地質(zhì)概念模型概化為均質(zhì)各向同性的三維非穩(wěn)定流，其數(shù)學模型可表示為[19]

式中:h 為地下水水頭(m);Kx、Ky、Kz分別為x、y、z 方向的滲透系數(shù)(m/d);Γ1為已知水頭邊界(第一類邊界);Γ2為隔水邊界;h1為已知水頭的河流水位(m);W 為源匯項強度(m/d);Ω 為滲流區(qū)域;μ 為給水度。

3.2.2 邊界條件 平面邊界:調(diào)查區(qū)北部邊界以礦區(qū)所在的山頂為分水嶺(第二類邊界)。因礦區(qū)所在山坡的地形陡峭，地下水順著山坡向下滲流，流線基本與沖溝平行，分水嶺明顯，因此，東西兩側(cè)的分水嶺以礦區(qū)外圍的溝谷分水嶺為界(第二類邊界)，南部則以磨槽溪為排泄基準面(作第一類邊界)，構(gòu)成一個相對獨立的水文地質(zhì)單元，該單元面積約為2.18 km2(圖3)。

豎向邊界:頂部以潛水面為界，底板則以裂隙不發(fā)育的巖面為底板。由于鉆探孔最深46 m，還未揭穿裂隙發(fā)育帶，根據(jù)坑道水文地質(zhì)調(diào)查，自坑道口向內(nèi)深入130 m 后，洞壁就變得干燥，由此推測風化帶的深度約為100 m 左右，故含水層的底板設(shè)定在取地面下100 ～130 m 深度處。

內(nèi)邊界:利用采用挖空單元體來模擬坑道現(xiàn)狀空間分布特征以及根據(jù)開采設(shè)計方案預(yù)測未來窿道空間逐年變化，再把各坑道所處的位置作為定水頭邊界。

3.2.3 沖溝的處理 由于地形切割較深，地下水除了向磨槽溪、礦坑排泄以外，也向沖溝排泄(圖3)。在模型中，沖溝不能作為第一類定水頭邊界，為了正確模擬沖溝對地下水流場的影響，數(shù)值模擬時采取GMS 排水溝渠包來計算這些沖溝水流，并在沖溝節(jié)點處設(shè)置每節(jié)點的底板高度，沖溝的水流用等效水力傳導(dǎo)系數(shù)來描述[20]。

3.2.4 單元剖分 模擬區(qū)是一個邊界形狀很不規(guī)則的區(qū)域，考慮到網(wǎng)格密度對求解精度的影響，對研究區(qū)的網(wǎng)格剖分如下:平面上共為100 行，100 列，垂向剖分按含水層的厚度100 m 剖分為10 層，每層厚度10 m。對于坑道所在的層，則按坑道實際分布情況用挖空單元體方法來模擬，并把坑道定義為定水頭邊界。地面高程以2D Scatter point 的形式輸入到模型中，然后運用IDW 插值法進行賦值(圖4)。

3.3 模擬結(jié)果與預(yù)測

圖4 網(wǎng)格剖分Fig.4 Map of mesh generation in study area

3.3.1 模擬效果與驗證 建立概念模型后，通過結(jié)合自動反演和反復(fù)試驗方法，調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)(含水層的滲透系數(shù)、降雨入滲系數(shù)、管道底板標高值等)及調(diào)整各參數(shù)的分區(qū)大小來擬合豐水期和枯水期5 個監(jiān)測孔的實測水位值。當達到最佳擬合度，在要求的精度范圍內(nèi)，則可認為模擬的結(jié)果是可信的。將2013年7 至11月計算的平窿坑道口流水量與同期觀測的流量值進行比較(圖5、圖6)，結(jié)果顯示擬合程度較為理想。擬合所得參數(shù)及其分區(qū)作為參數(shù)擬合的最終結(jié)果。

圖5 PD7 坑道口出水量的計算值與觀測值對比Fig.5 Comparison of mine drainage between calculated values and observed values

圖6 GMS 對各觀測孔的擬合效果Fig.6 Simulation effect for observation wells by GMS software(綠色柱表示擬合效果好)

3.3.2 窿道涌水量預(yù)測(1)礦坑正常涌水量預(yù)測。根據(jù)開采設(shè)計方案，恢復(fù)開采頭3年主要開采PD5、PD6 兩個平窿，后3年則開采PD7、PD8 兩個平窿。由于PD5 和PD6 都位于包氣帶內(nèi)，且它們的流量更小，對采礦活動沒有威脅，可不作預(yù)測。另外，目前的技術(shù)水平對包氣帶水的模擬還很困難，需用其他方法預(yù)測。

對PD7、PD8 進行預(yù)測時，降雨量利用各月份的多年平均值，涌水量預(yù)測值結(jié)果見表3、表4。從表3可見，利用數(shù)值模擬預(yù)測出來的涌水量與實際測定值偏差不大。

(2)礦坑最大涌水量預(yù)測。根據(jù)本礦區(qū)所在區(qū)域多年的最大24 h 暴雨量進行模擬計算，PD7、PD8 兩個坑道的最大涌水量值分別為194.5 m3/d和205.6 m3/d。

表3 恢復(fù)開采1年后各平窿月平均涌水量預(yù)測結(jié)果Table 3 Monthly average of mine drainage prediction for every gallery after 1 year mining resume

表4 恢復(fù)開采3年后各平窿月平均涌水量預(yù)測結(jié)果Table 4 Monthly average of mine drainage prediction for every gallery after 3 years mining resume

3.3.3 地下水位的預(yù)測及降落漏斗的確定 按照相關(guān)規(guī)范要求，礦坑的水文地質(zhì)詳查階段要求繪制等水位線圖，以預(yù)測未來礦坑開采后的地下水位降落漏斗的位置及水位降落情況。但礦區(qū)地形切割較強烈，山坡陡峻，多數(shù)地段無法進行鉆探，只在個別地形平緩處才有條件打鉆;由于鉆孔數(shù)量太少且分布極為不均，本礦區(qū)如按傳統(tǒng)的方法是無法畫出調(diào)查區(qū)等水位線圖。而這些要求如根據(jù)GMS 軟件的模擬結(jié)果就很容易做到。

本礦區(qū)根據(jù)數(shù)值模擬繪制的等水位線如圖7所示，受礦坑排水的影響，礦坑四周形成一個較大水位降落漏斗，漏斗中心位于在PD5 東北方向約170 m 處，漏斗直徑約為90 m，漏斗中心的水位降約為70 m。

圖7 研究區(qū)2013年11月地下水等水位線圖Fig.7 Contour map of groundwater table in study area in November，2013

同時，該等水位線圖還顯示了礦坑附近的地下水位除了受礦坑排水的影響外，還受到地形的影響，呈現(xiàn)出地下水位由山脊向山腳逐漸降低，在沖溝處等水位線向沖溝上方彎曲。這一現(xiàn)象與實際情況十分吻合。

3 結(jié) 論

(1)山區(qū)的沖溝在進行數(shù)值模擬時雖不能定為第一類(已知)水頭邊界，但實際上它們對地下水卻有很強的補排作用，模擬時又需要考慮它們對地下水流場的影響。本實例模擬表明，在現(xiàn)階段的技術(shù)水平下，利用GMS 軟件中MODFLOW 的子程序包——排水溝渠包來模擬沖溝能較好地模擬達西流(裂隙流)與非達西流(沖溝水流)并存、線性流與非線性流相互轉(zhuǎn)變的運動特點。

(2)預(yù)測結(jié)果認為，磨槽江各礦坑道涌水量都不大，正常涌水量僅為127 ～160 m3/d，最大涌水量為194.5 ～205.6 m3/d，這種流量對未來的開采活動基本無影響。本礦區(qū)各窿道均按內(nèi)高外低方式開挖，礦坑水可自然排泄，無需特殊排水措施。

(3)數(shù)值模擬不僅能預(yù)測礦坑涌水量，還能對礦坑開采后的地下水位進行預(yù)測。根據(jù)模擬結(jié)果所繪制的等水位線圖，能了解礦山開采后引起的水位降落漏斗的位置和漏斗中心的水位下降值。

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