基于Visual Modflow的剛果(金)迪茲瓦露天礦地下涌水量預(yù)測

熊鵬， 謝永生， 韓冬， 高永濤， 周喻*

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083； 2.迪茲瓦礦業(yè)股份有限公司， 盧本巴希 999069)

在露天礦開采過程當(dāng)中，采場涌水直接影響到礦山的安全生產(chǎn)，因此準(zhǔn)確預(yù)測采場涌水量并制定切實可行的防排水方案是十分必要的[1-2]。目前，采場涌水量預(yù)測方法較多，如解析法、水均衡法、涌水量曲線方程法、水文地質(zhì)比擬法、灰色系統(tǒng)法和時間序列分析法等[3-7]。

目前，大量學(xué)者采用各種涌水量預(yù)測方法，根據(jù)已知現(xiàn)場資料，推算未來礦區(qū)涌水量。李蔚林等[8]在對礦區(qū)巖溶發(fā)育特征和充水因素等進行調(diào)查后，將研究區(qū)構(gòu)造為理想的水文地質(zhì)模型，采用解析法和水文地質(zhì)比擬法對黃石獅子立山礦區(qū)涌水量進行了預(yù)測。康明敏等[9]在查明礦區(qū)含隔水層、補給、徑流、排泄等特征后，采用水均衡法對礦區(qū)涌水量進行初步預(yù)測，為礦區(qū)今后的設(shè)計施工提供了參考依據(jù)。李孝朋等[10]基于多元回歸分析法，采用SPSS和MATLAB軟件對可能影響涌水量的因素進行多元非線性回歸分析，得到礦井涌水量的預(yù)測公式，并對實際礦山涌水量進行預(yù)測。

上述涌水量預(yù)測方法只適用于水文地質(zhì)條件簡單的礦山，對于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山則存在局限性。隨著計算機的進步發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬軟件迅速發(fā)展，其中Visual Modflow軟件具有可視化、適用性強、求解速度快、模擬能力強等優(yōu)點，使其在地下水研究方面的使用越來越廣[11-13]。現(xiàn)以剛果(金)迪茲瓦露天礦為例，在充分分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬法對礦區(qū)地下涌水量進行預(yù)測，以期為礦區(qū)今后的防排水方案設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

剛果(金)迪茲瓦露天礦位于剛果(金)東南部低緩丘陵區(qū)，屬于加丹加高原的一部分，總體地勢為東南高、西北低，海拔標(biāo)高1 200～1 420 m。露天采場位于東西向地表分水嶺的中上部，南、東、北三面由丘陵山脈形成地表分水嶺，山頂標(biāo)高1 290～1 428 m，地下水位平均標(biāo)高1 243.77 m。露天采場以西方向地勢緩降至LUALABA河，礦區(qū)地表徑流及地下水都向西北匯流于LUALABA河，LUALABA河為當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面，標(biāo)高為1 236.58 m。

該地區(qū)為亞熱帶氣候。每年的4—10月為旱季，11月—次年3月為雨季，年平均降雨量1 130 mm，主要是大雷雨。30年和100年一遇的24 h最大暴雨量經(jīng)計算分別為135 mm和162 mm。全年蒸發(fā)量一般都超過降雨量，最干月份以及初夏時的蒸發(fā)量最高，年平均蒸發(fā)量超過年平均降雨量約850 mm。

礦區(qū)發(fā)育的地層主要有羅安群和下孔德龍古群Ki1.1、Ki1.2和Ki1.3。根據(jù)礦區(qū)地層含水介質(zhì)的不同，可分為基巖風(fēng)化裂(溶)隙含水組、溶洞溶隙含水組、構(gòu)造裂隙含水組。

基巖風(fēng)化裂(溶)隙含水組主要由Ki.1.3、Ki.1.1地層組成，為礦體開采直接充水巖組。Ki.1.3為基巖風(fēng)化裂隙含水組，巖性主要為褐紅色白云質(zhì)粉砂巖、泥巖，強風(fēng)化帶發(fā)育深度70 m，中風(fēng)化帶發(fā)育深度180 m。該地層中2個鉆孔抽水試驗結(jié)果單位涌水量q為0.4～0.58 L/(s·m), 滲透系數(shù)K為0.2～0.28 m/d，富水性、透水性中等。Ki.1.1為基巖風(fēng)化溶隙含水組，地層巖性為混積巖、角礫巖、泥質(zhì)粉砂巖等，強風(fēng)化帶發(fā)育深度約70 m，中風(fēng)化帶發(fā)育深度約200 m，該地層中2個鉆孔抽水試驗結(jié)果單位涌水量q為0.09～0.47 L/(s·m)，滲透系數(shù)K為0.21～0.43 m/d，富水性弱-中等，中等透水。

溶洞溶隙含水組主要為Ki.1.2地層，分布于礦區(qū)西部和中部，地層巖性為白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)頁巖等。礦區(qū)西部強風(fēng)化帶發(fā)育深度60 m，中風(fēng)化帶發(fā)育深度200 m，。鉆孔見溶洞高度0.50～17.9 m，溶洞中下部充填褐黑色淤泥。西部2個鉆孔抽水試驗單位涌水量為0.91～1.36 L/(s·m)，滲透系數(shù)為1.49～1.63 m/d。富水性強。礦區(qū)中部Ki.1.2地層與R地層呈條帶狀東西向分布，斷層破碎帶發(fā)育，巖石全風(fēng)化，局部強風(fēng)化、巖心破碎、泥化，透水性弱。

構(gòu)造裂隙含水組在礦區(qū)中部的背斜軸部推覆體內(nèi)不同級次的構(gòu)造極為發(fā)育。在采坑中部，鉆孔揭露斷層破碎帶巖心多呈泥柱狀、碎塊碎屑狀，全風(fēng)化至強風(fēng)化，透水性弱。在礦區(qū)南北部的Ki.1.3和Ki.1.1地層中，斷層破碎帶少見，主要為風(fēng)化裂隙弱含水層。

2 水文地質(zhì)概念模型

2.1 概念模型

研究區(qū)含水層由白云質(zhì)頁巖、粉砂巖、泥巖、角礫巖和混積巖等不同巖性組成，水文地質(zhì)參數(shù)隨空間變化明顯，故研究區(qū)含水層系統(tǒng)為非均質(zhì)；垂直方向和水平方向上的透水性也存在差異，故含水介質(zhì)是各向異性的；地下水系統(tǒng)水量的輸入和輸出隨著時間和空間的變化而改變，故擬合期和預(yù)測期內(nèi)地下水流為非穩(wěn)定流。綜上所述，剛果(金)迪茲瓦露天礦地下含水層可概化為非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定流模型，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為[14]

(1)

式(1)中：kxx、kyy、kzz分別為沿x、y、z坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù)，m/d；H0為初始水頭，m；H1為已知水頭，m；W為源匯項，L/d，流入為正，流出為負(fù)；Ss為單位儲水系數(shù)；H為地下水水頭；t為時間，d；Г1為滲流區(qū)域的上邊界；Г2為滲流區(qū)域的第二類邊界；Ω為滲流區(qū)域；n為第二類邊界的外法線方向；q為二類邊界上單寬流量，m3/d。

圖2 研究區(qū)三維地質(zhì)模型Fig.2 Three-dimensional geological model of the study area

2.2 模型范圍

模擬研究區(qū)東西長4 577 m，南北寬2 759 m，圈定的范圍面積為12.63 km2。模型平面共剖分單元120(行)×200(列)個，模型的建立以未來采坑為中心，東南北3個方向以地表分水嶺為界，x取值范圍為363 330～367 907 m，y取值范圍為8 805 851～8 808 610 m，x和y為地理坐標(biāo)，研究區(qū)平面位置如圖1所示。

根據(jù)研究區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)得到采區(qū)的地層數(shù)據(jù)，形成地表及含水層的頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù)文件，使用Surfer7進行層面插值生成GRD格式文件，導(dǎo)入Visual Modflow中生成的三維地質(zhì)模型如圖2所示。地表標(biāo)高為1 264.91～1 420.05 m，含水層頂板標(biāo)高為1 241.45～1 256.68 m，含水層底板標(biāo)高為1 032.02～1 194.35 m。

2.3 模型邊界概化及水文地質(zhì)分區(qū)

研究區(qū)地下水主要接受大氣降雨入滲補給，降雨主要分布在11月—次年3月，年平均降雨量1 130 mm，蒸發(fā)量1 980 mm。礦區(qū)地下水自礦區(qū)的南東方向以極平緩坡度向北西方向徑流，于Lualaba河?xùn)|岸排泄，將研究區(qū)的南部邊界和東部邊界設(shè)為補給邊界，北部邊界設(shè)為排泄邊界。礦區(qū)以西4 km的Lualaba河與研究區(qū)存在聯(lián)系，一般水頭邊界可以刻畫模擬區(qū)域外的大型地表水體對模擬區(qū)的影響[15]，將西部邊界設(shè)為一般水頭邊界(general head boundary，GHB)條件。

研究區(qū)內(nèi)主要地層為Ki.1.1地層、Ki.1.2地層、Ki.1.3地層和R地層，參考以往水文地質(zhì)鉆孔抽水試驗結(jié)果，依據(jù)各鉆孔試驗所得滲透系數(shù)對研究區(qū)進行參數(shù)分區(qū)，將研究區(qū)分為8個參數(shù)區(qū)，參數(shù)分區(qū)如圖3所示，各分區(qū)計算參數(shù)初值如表1所示。

Ks為上孔德龍古群，其分為2個組，Ks1.1和Ks1.2；Ki為下孔德龍古群， 其分為3個組，Ki1.1、Ki1.2和Ki1.3;R為羅恩群圖1 研究區(qū)平面位置圖Fig.1 Floor plan location map of the study area

圖3 研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖Fig.3 Zoning map of hydrogeological parameters of the study area

表1 各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)初值Table 1 Preliminary values of hydrogeological parameters by region

3 模型識別與驗證

圖4 模型觀測點水位校核圖Fig.4 Water level checkmap of the model observation point

模型的識別與驗證通常是根據(jù)觀測點的資料對模型的參數(shù)與邊界條件進行反復(fù)修改，直至誤差滿足精度為止[16]。本次研究對礦區(qū)內(nèi)8個長觀孔在2017年10月30日—2018年10月30日(共365 d)的動態(tài)觀測數(shù)據(jù)對模型進行識別驗證，模型校正后的各觀測水位與模擬計算水位對比如圖4所示。橫坐標(biāo)為觀測值，縱坐標(biāo)為模擬值，對角線的角度為45°，觀測井距離對角線越近，則模擬效果越好[17]。由對比結(jié)果得，校正后的模型模擬水位與觀測水位的擬合程度為0.97，誤差小于5%，模型滿足精度要求，所建模型可以反映礦區(qū)及周圍地下水的穩(wěn)定流場分布。優(yōu)化后的水文地質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimization results of hydrogeological parameters by region

4 涌水量預(yù)測

根據(jù)中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司《迪茲瓦銅鈷礦基本設(shè)計說明書》中的一期境界和終了境界的采剝作業(yè)逐年推進情況，設(shè)計采用分段接力排水方式進行排水，在封閉圈以上布置截水溝，封閉圈以下分別在各平臺布置截水溝、儲水池、固定接力泵站，坑底設(shè)移動泵站。在生產(chǎn)第3年、第6年、第10年排水系統(tǒng)將發(fā)生較大變化，為了防止礦坑涌水，保障礦區(qū)的安全生產(chǎn)，本次研究對該3種工況下的涌水量進行預(yù)測：①生產(chǎn)第3年開采至1 210 m標(biāo)高；②生產(chǎn)第6年開采至1 165 m標(biāo)高；③生產(chǎn)第10年開采至1 120 m標(biāo)高。以計算分析所需抽水泵數(shù)量和布置方案，為礦區(qū)防排水設(shè)計提供參考依據(jù)。

通過Visual Modflow預(yù)測涌水量時，可將涌水量概化為抽水井的抽水量[18]。礦區(qū)涌水量預(yù)測屬于正演問題，通過Visual Modflow預(yù)測涌水量時，利用識別好的模型，根據(jù)工程開采年限和采區(qū)最低高程在礦區(qū)范圍內(nèi)均勻布置抽水井，并不斷調(diào)整抽水井的數(shù)量、位置和抽水速率，使礦區(qū)內(nèi)含水層水位下降并穩(wěn)定在開采標(biāo)高，形成穩(wěn)定的降落漏斗，此時礦區(qū)內(nèi)處于動態(tài)儲排平衡狀態(tài)，各抽水井抽水總量即為礦區(qū)地下涌水量。調(diào)試后抽水井布置如圖5所示，在礦區(qū)范圍內(nèi)均勻布置了12個抽水井。表3為各工況下的涌水量預(yù)測情況，其中抽水井W1～W12抽水量之和即為該工況條件下的涌水量。圖6為各工況地下水等值線圖。隨著采深的不斷增加，涌水量也不斷增加，開采第3年、第6年、第10年的平均涌水量分別為12 100、13 400、14 400 m3/d。

1～12為抽水井編號圖5 抽水井分布Fig.5 Distribution of pumping wells

圖6 模擬開采至不同標(biāo)高地下水等值線圖Fig.6 Groundwater contour map of simulated exploitation to different elevations

表3 各工況條件下涌水量預(yù)測結(jié)果

同時，本次研究還通過改變降雨量的大小，對一年中的最大和最小涌水量進行了預(yù)測，討論了豐水期(11月—次年3月)和枯水期(4—10月)對地下涌水量的波動影響，預(yù)測一年中的最大、最小和平均月份下的地下涌水量。預(yù)測結(jié)果如表4所示。

從圖6可知，隨著開采深度不斷增大，地下水位不斷下降，形成以工作面為中心的降落漏斗，且漏斗范圍不斷擴大，向工作面匯水面積也越來越大，導(dǎo)致各工況條件下枯水期、平水期和豐水期涌水量也不斷增大。同時，由表4可知，降雨補給條件對地下涌水量影響較大，不同季節(jié)礦區(qū)涌水量差異較大，在豐水期降雨入滲大的條件下，礦區(qū)涌水量約為平水期的1.5倍，約為枯水期的2倍，因此該季節(jié)需重點加強礦區(qū)防排水措施，具體防排水方案設(shè)計如表5所示。

表4 不同降雨量下各工況涌水量預(yù)測Table 4 Prediction of water inflow under different rainfall conditions

5 結(jié)論

(1)采用Visual Modflow軟件對剛果(金)迪茲瓦露天礦建立了數(shù)值模型，所建模型擬合程度較好，取得了較好的預(yù)測結(jié)果，可為礦區(qū)防排水設(shè)計提供參考依據(jù)。

表5 生產(chǎn)各階段露天坑排水設(shè)備布置情況Table 5 Layout of open pit drainage equipment at each stage of production

(2)本次采用數(shù)值模擬法對礦區(qū)開采第3年、第6年、第10年涌水量進行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果分別為12 100、13 400、14 400 m3/d。

(3)礦區(qū)涌水量隨季節(jié)降雨量的變動而發(fā)生變化，豐水期涌水量約為平水期的1.5倍，約為枯水期的2倍，降雨量的變化對礦區(qū)涌水量有較大影響。