西南某鉛鋅礦區(qū)三維流數(shù)值模擬研究

趙斌 劉大金 趙珍 張宇 張晶

摘 要：西南某鉛鋅礦為復(fù)雜型大水礦山，隨著礦山開采深度的不斷加大，防治水問題越來越凸出，亟須進(jìn)一步查明礦區(qū)+350中段以下的深部水文地質(zhì)條件，預(yù)測深部各水平的涌水量，為礦山豎井開拓和建設(shè)提供技術(shù)支撐。本研究合理構(gòu)建了該鉛鋅礦山水文地質(zhì)概念模型，分析礦區(qū)深部水文地質(zhì)條件，研究礦床深部的充水因素等，利用有限元差分法構(gòu)建礦區(qū)較為合理的數(shù)值模型，采用較為領(lǐng)先的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，預(yù)測了礦山深部+520 m、+260 m等中段的涌水量，預(yù)測結(jié)果合理，可有效指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)條件;礦坑涌水量;數(shù)值模擬;礦山生產(chǎn)

中圖分類號：TD853.34 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）9-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.014

Numerical Simulation of Three-Dimensional Flow in a Lead-Zinc

Mining Area in Southwest China

ZHAO Bin? ? LIU Dajin? ? ZHAO Zhen? ? ZHANG Yu? ? ZHANG Jing

（North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：A lead-zinc mine in Southwest China is a complex large water mine. With the continuous increase of mine development depth， the problem of water prevention and control is becoming more and more prominent. It is urgent to further find out the deep hydrogeological conditions below the+350 middle section of the mining area， predict the water inflow at all levels in the deep， and provide technical support for the development and construction of mine shaft. This study reasonably constructs the hydrogeological conceptual model of the lead-zinc mine， analyzes the deep hydrogeological conditions of the mining area， studies the water filling factors in the deep of the deposit， constructs a more reasonable numerical model of the mining area by using the finite element difference method， and uses the leading groundwater numerical simulation software to predict the water inflow in the middle sections of+550 m and+260 m min the deep of the mine. The prediction results are reasonable， It can effectively guide mine production.

Keywords： hydrogeological conditions; pit water inflow; numerical simulation; mine production

0 引言

某鉛鋅礦為我國西南地區(qū)較為典型的巖溶充水型“大水礦山”，礦區(qū)面積近9 km2，開采歷史悠久，以往開采多集中在當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面上，隨著開采規(guī)模的不斷擴大，當(dāng)前開采已深入最低侵蝕基準(zhǔn)面之下，并且多年涌水量持續(xù)穩(wěn)定在30 000 m3/d以上，隨著開拓系統(tǒng)向深部不斷延伸，涌水量有明顯增大的趨勢，圍巖承受的地下水壓力也在逐漸增大，給礦山深部安全開采帶來了較為明顯的防治水壓力，排水費用也逐年增大，已成為礦山開發(fā)一項沉重負(fù)擔(dān)，亟須查明礦床深部水文地質(zhì)條件[1]。本研究建立了該礦區(qū)三維立體的地下水概念模型和滲流數(shù)值模型，采取Felow軟件分別預(yù)測了+260 m、

+520 m等水平的涌水量，分析了深部水文地質(zhì)條件可能的演變情況，并提出相關(guān)建議。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)

礦體賦存于區(qū)域性背斜核部，整體上為一套碳酸鹽巖建造（見圖1），該背斜核部地層為泥盆系上統(tǒng)宰格組（D3zg）白云巖，向兩翼依次為石炭系豐寧統(tǒng)（C1f）、威寧統(tǒng)（C2w）、二疊系下統(tǒng)（P1l）煤系地層，外圍覆蓋著二疊系棲霞茅口組石灰?guī)r，此外，區(qū)內(nèi)還存在有二疊系峨眉山玄武巖及少量第四系（Q）松散層。

1.2 構(gòu)造

礦區(qū)處在區(qū)域性南北向、東西向構(gòu)造復(fù)合部位，礦區(qū)的主要構(gòu)造格架由小江斷裂左行走滑作用形成的礦區(qū)倒轉(zhuǎn)背斜和壓扭性斷裂構(gòu)成。受倒轉(zhuǎn)背斜和壓扭性斷裂等構(gòu)造的影響，區(qū)內(nèi)還分布著NE-SW和NW-SE向的次級構(gòu)造。此外，礦區(qū)主地應(yīng)力方向為北西-南東向，受地應(yīng)力影響，在背斜西翼深部還發(fā)育著層間擠壓滑動剝離構(gòu)造帶和層間隱伏斷裂。

1.3 水文地質(zhì)條件

該礦區(qū)位于長江上游的滇東北地區(qū)，地形切割十分強烈，多高山峽谷，峽谷中發(fā)育有河流，河水懸于礦床之上，碳酸鹽巖（石灰?guī)r、白云巖）覆蓋廣泛。整個巖溶地下水系統(tǒng)受控于區(qū)域性大背斜和大斷裂，中小型斷裂構(gòu)造發(fā)育且空間分布不均，導(dǎo)致各含水層透水性、富水性、不均一性極強，此外，礦區(qū)地下水與地表水之間存在一定的水力聯(lián)系[2]。

以往勘察資料顯示，礦區(qū)地層在垂向上存在著較為明顯的水文地質(zhì)特征差異，本研究以背斜核部軸部為阻水帶，將礦區(qū)地下水系統(tǒng)分為了兩部分（見圖1）。其中，上部子系統(tǒng)包括碳酸鹽類巖溶裂隙水、風(fēng)化裂隙水、第四系孔隙水以及構(gòu)造裂隙水等多個含水層（帶），富水性中等;其下部“阻水帶”厚度80～120 m，以柱狀、長柱狀的泥晶質(zhì)炭質(zhì)白云巖為主，鉆至該層后，出現(xiàn)承壓水涌噴現(xiàn)象，流量為0.4～0.9 m3/h，滲透系數(shù)為0.002～0.005 m/d，為深部相對隔水層，穿過該層后，巖性變?yōu)榇志О自茙r，涌水量明顯增加，達(dá)50～108 m3/h，顯示下部子系統(tǒng)富水性、透水性均較強。

2 地下水三維流數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

為了準(zhǔn)確預(yù)測礦坑涌水量，本研究圍繞礦區(qū)，準(zhǔn)確劃分了區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)單元，礦區(qū)南部、東部以地表分水嶺為界，設(shè)為零通量邊界，礦區(qū)北部、西部至峨嵋山組玄武巖，設(shè)為隔水邊界，模擬面積67.28 km2。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件、動態(tài)觀測數(shù)據(jù)、抽（放）水試驗數(shù)據(jù)，建立了包含礦區(qū)的完整的水文地質(zhì)單元數(shù)值模型，該模型中地下水概化為各向異性的空間三維非穩(wěn)定流。

在垂直方向上，將礦區(qū)概化成由斷層及其影響帶導(dǎo)通的多個巖溶裂隙水含水層和碎屑巖構(gòu)造裂隙含水帶相間分布的，淺部和深部兩個含水層子系統(tǒng)組成的統(tǒng)一地下水系統(tǒng)。礦區(qū)的主要充水水源為北部二迭系棲霞茅口強含水層，淺部以北部和南部地下水側(cè)向補給為主，河水垂向入滲補給。深部以北部茅口強含水層側(cè)向補給為主，并于670 m水平部分區(qū)域向上越流補給淺部含水層[3]。

2.2 數(shù)值模型

根據(jù)上述礦區(qū)水文地質(zhì)條件的分析和概化，采用數(shù)值模擬軟件，建立了該鉛鋅礦區(qū)的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模型，有限元法網(wǎng)格剖分如圖2所示。

礦區(qū)內(nèi)地下水補給項包括其他含水層的側(cè)向補給、降水補給、地表水滲漏，排泄項包括生產(chǎn)用水、礦坑排水等。模型參數(shù)賦值過程中考慮到了礦區(qū)地層巖性的特點及構(gòu)造分布。依據(jù)區(qū)內(nèi)含（隔）水層的地層巖性、構(gòu)造的空間展布，將模擬區(qū)進(jìn)行參數(shù)的初步分區(qū)。以1985年10月的區(qū)域地下水流場作為初始流場，用于模型識別，研究區(qū)的初始等水位線采用本次研究期間礦區(qū)各地下水位動態(tài)觀測孔的觀測資料[4]。

2.3 模型識別

本研究開展了礦區(qū)群孔抽（放）水試驗、單（多）孔抽水試驗、單孔注水試驗、單孔放水試驗等多種水文地質(zhì)試驗，利用試驗數(shù)據(jù)，在模型識別的基礎(chǔ)上，加上群孔抽水試驗期間的排水量，讓模型運行43個時間段，時間步長選取為取為1 d，擬合了SBZK670-114-1、DZK670-92-280等各個水文地質(zhì)觀測孔的水位變化，調(diào)整參數(shù)后，確定該模型的參數(shù)序列（見圖3、圖4）。

本次群孔抽（放）水試驗期間的鉆孔水位動態(tài)變化曲線與模型的計算水位動態(tài)變化曲線擬合效果較好，說明該數(shù)值模型建立的較為理想，能夠較好地反映礦區(qū)不同深度地下水的滲流運動特征，可以將該數(shù)值模型用在未來深部不同水平的涌水量預(yù)測。

2.4 礦坑涌水量的預(yù)測

礦山開拓系統(tǒng)未來計劃向深部延伸，根據(jù)開采設(shè)計，利用本次建立的數(shù)值模型對該礦區(qū)+520 m、

+260 m兩開采中段的豐水年、平水年、枯水年的涌水量進(jìn)行預(yù)測。

以群孔抽（放）水試驗結(jié)束后穩(wěn)定的地下水流場為模型預(yù)測的初始流場進(jìn)行模擬，按月將側(cè)向補給、降水補給、地表水流量等各源匯項依次賦值到模型中，參數(shù)及分區(qū)與初始一致。依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳緮?shù)據(jù)，降雨量分別設(shè)置為枯水年（500 mm）、平水年（750 mm）和豐水年（1 000 mm）。

參照礦區(qū)疏干水文地質(zhì)鉆孔的布置，合理分配各鉆孔疏干水量，確定總疏干量，并將疏干水文地質(zhì)鉆孔按第二類邊界處理，計算出合理的疏干時間，當(dāng)水位降至計算+520 m、+260 m水平后，把疏干水文地質(zhì)鉆孔作為第一類邊界進(jìn)行處理，并進(jìn)行定水頭階段的疏干模擬，達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)后所得的涌水量即為穩(wěn)定的礦坑涌水量。

根據(jù)本次研究制定的涌水量預(yù)測方案運行模型，計算所得的疏干流量及涌水量結(jié)果見表1，圖5、圖6為+520 m水平、+260 m水平開采預(yù)測流場圖。

3 結(jié)語

本研究通過分析西南某鉛鋅礦區(qū)的深部含（隔）水層空間分布和礦區(qū)地下水含水系統(tǒng)、流動系統(tǒng)特點，合理構(gòu)建了礦區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確建立了地下水?dāng)?shù)值模型，結(jié)合礦山開采方案，采用國際先進(jìn)的Feflow軟件，預(yù)測礦山開采至+520 m、+260 m水平時的涌水量。預(yù)測結(jié)果顯示平水年時，礦山開采至+520 m水平時，總礦坑涌水量為43 865 m3/d;礦山開采至+260 m水平時，總礦坑涌水量達(dá)到48 545 m3/d。模型擬合較好，預(yù)測結(jié)果較為合理，能夠指導(dǎo)礦山未來開采排水設(shè)計。

礦山深部開采將揭露深部含水子系統(tǒng)中的高承壓水，含水層透水性及富水性整體不強，深部開采礦坑涌水量不大，特別是深部含水子系統(tǒng)被揭露時，淺部含水子系統(tǒng)礦坑涌水量將減小，礦坑總涌水量增加幅度不大，理論上采用疏水降壓方案是可行的。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 魏軍.礦井涌水量的數(shù)值模擬研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2007.

[4] 李穎智，折書群，許廣明，等.安徽李樓鐵礦礦床充水因素及地下水三維流數(shù)值模擬研究[J].工程勘察，2010（9）：49-54.