西南某鉛鋅礦區三維流數值模擬研究

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，亟須進一步查明礦區+350中段以下的深部水文地質條件，預測深部各水平的涌水量，為礦山豎井開拓和建設提供技術支撐。本研究合理構建了該鉛鋅礦山水文地質概念模型，分析礦區深部水文地質條件，研究礦床深部的充水因素等，利用有限元差分法構建礦區較為合理的數值模型，采用較為領先的地下水數值模擬軟件，預測了礦山深部+520 m、+260 m等中段的涌水量，預測結果合理，可有效指導礦山生產。

關鍵詞：水文地質條件;礦坑涌水量;數值模擬;礦山生產

中圖分類號：TD853.34 ? ? 文獻標志碼：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較為典型的巖溶充水型“大水礦山”，礦區面積近9 km2，開采歷史悠久，以往開采多集中在當地最低侵蝕基準面上，隨著開采規模的不斷擴大，當前開采已深入最低侵蝕基準面之下，并且多年涌水量持續穩定在30 000 m3/d以上，隨著開拓系統向深部不斷延伸，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，已成為礦山開發一項沉重負擔，亟須查明礦床深部水文地質條件[1]。本研究建立了該礦區三維立體的地下水概念模型和滲流數值模型，采取Felow軟件分別預測了+260 m、

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

1 礦區地質概況

1.1 地質

礦體賦存于區域性背斜核部，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宰格組（D3zg）白云巖，向兩翼依次為石炭系豐寧統（C1f）、威寧統（C2w）、二疊系下統（P1l）煤系地層，外圍覆蓋著二疊系棲霞茅口組石灰巖，此外，區內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 構造

礦區處在區域性南北向、東西向構造復合部位，礦區的主要構造格架由小江斷裂左行走滑作用形成的礦區倒轉背斜和壓扭性斷裂構成。受倒轉背斜和壓扭性斷裂等構造的影響，區內還分布著NE-SW和NW-SE向的次級構造。此外，礦區主地應力方向為北西-南東向，受地應力影響，在背斜西翼深部還發育著層間擠壓滑動剝離構造帶和層間隱伏斷裂。

1.3 水文地質條件

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

以往勘察資料顯示，礦區地層在垂向上存在著較為明顯的水文地質特征差異，本研究以背斜核部軸部為阻水帶，將礦區地下水系統分為了兩部分（見圖1）。其中，上部子系統包括碳酸鹽類巖溶裂隙水、風化裂隙水、第四系孔隙水以及構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、長柱狀的泥晶質炭質白云巖為主，鉆至該層后，出現承壓水涌噴現象，流量為0.4～0.9 m3/h，滲透系數為0.002～0.005 m/d，為深部相對隔水層，穿過該層后，巖性變為粗晶白云巖，涌水量明顯增加，達50～108 m3/h，顯示下部子系統富水性、透水性均較強。

2 地下水三維流數值模擬

2.1 水文地質概念模型

為了準確預測礦坑涌水量，本研究圍繞礦區，準確劃分了區內水文地質單元，礦區南部、東部以地表分水嶺為界，設為零通量邊界，礦區北部、西部至峨嵋山組玄武巖，設為隔水邊界，模擬面積67.28 km2。根據區域水文地質條件、動態觀測數據、抽（放）水試驗數據，建立了包含礦區的完整的水文地質單元數值模型，該模型中地下水概化為各向異性的空間三維非穩定流。

在垂直方向上，將礦區概化成由斷層及其影響帶導通的多個巖溶裂隙水含水層和碎屑巖構造裂隙含水帶相間分布的，淺部和深部兩個含水層子系統組成的統一地下水系統。礦區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向補給為主，并于670 m水平部分區域向上越流補給淺部含水層[3]。

2.2 數值模型

根據上述礦區水文地質條件的分析和概化，采用數值模擬軟件，建立了該鉛鋅礦區的數學模型和數值模型，有限元法網格剖分如圖2所示。

礦區內地下水補給項包括其他含水層的側向補給、降水補給、地表水滲漏，排泄項包括生產用水、礦坑排水等。模型參數賦值過程中考慮到了礦區地層巖性的特點及構造分布。依據區內含（隔）水層的地層巖性、構造的空間展布，將模擬區進行參數的初步分區。以1985年10月的區域地下水流場作為初始流場，用于模型識別，研究區的初始等水位線采用本次研究期間礦區各地下水位動態觀測孔的觀測資料[4]。

2.3 模型識別

本研究開展了礦區群孔抽（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試驗，利用試驗數據，在模型識別的基礎上，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等各個水文地質觀測孔的水位變化，調整參數后，確定該模型的參數序列（見圖3、圖4）。

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

2.4 礦坑涌水量的預測

礦山開拓系統未來計劃向深部延伸，根據開采設計，利用本次建立的數值模型對該礦區+520 m、

+260 m兩開采中段的豐水年、平水年、枯水年的涌水量進行預測。

以群孔抽（放）水試驗結束后穩定的地下水流場為模型預測的初始流場進行模擬，按月將側向補給、降水補給、地表水流量等各源匯項依次賦值到模型中，參數及分區與初始一致。依據當地氣象站數據，降雨量分別設置為枯水年（500 mm）、平水年（750 mm）和豐水年（1 000 mm）。

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

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

3 結語

本研究通過分析西南某鉛鋅礦區的深部含（隔）水層空間分布和礦區地下水含水系統、流動系統特點，合理構建了礦區的水文地質概念模型，在此基礎上準確建立了地下水數值模型，結合礦山開采方案，采用國際先進的Feflow軟件，預測礦山開采至+520 m、+260 m水平時的涌水量。預測結果顯示平水年時，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，總礦坑涌水量達到48 545 m3/d。模型擬合較好，預測結果較為合理，能夠指導礦山未來開采排水設計。

礦山深部開采將揭露深部含水子系統中的高承壓水，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被揭露時，淺部含水子系統礦坑涌水量將減小，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：

[1] 李保珠.會澤鉛鋅礦區水文地質條件及麒麟廠深部礦坑涌水量預測[D].昆明：昆明理工大學，2001.

[2] 毛邦燕.復雜巖溶介質礦井涌水量的三維數值模擬研究[D].成都：成都理工大學，2005.

[3] 魏軍.礦井涌水量的數值模擬研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，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值模擬研究[J].工程勘察，2010（9）：49-54.