基于大井法和地下水模型系統數值模擬方法的某礦坑涌水量預測對比分析

孫剛友, 胡清珍, 康欽容, 夏緣帝, 袁威, 張衛中*

(1.中核第四研究設計工程有限公司, 石家莊 050021; 2.武漢工程大學資源與安全工程學院, 武漢 430073)

在礦山開采的過程中,礦井突涌水這一災害時常發生,不僅阻礙了資源的開發,而且對人員的安全也存在隱患[1]。如若在礦坑建設生產前期,通過合理科學的方法對礦坑涌水量進行預測[2-3],將極大程度地服務于礦坑后期各階段的水文地質調查工作的開展,對礦山在實際開采時安全地開展工作,以及防止災害事故發生,都有極大的作用[4]。

礦坑涌水量的預測方法有數值模擬法[5-7]、水文地質比擬法[8-9]、水均衡法、解析法[10-12]。近年來也研究出了很多相關分析方法,施龍青等[13]對不同時間下的涌水量進行統計,分析兩者間的函數關系;李占利等[14]提出互補集合經驗模態分解與門控循環單元相結合的礦井涌水量預測模型;姜小妮等[15]采用非完整大井法計算礦坑涌水量,提高了計算精度;李建林等[16]用稱重標極差分析(rescaled range analysis,R/S)法分析涌水量序列的周期變化趨勢并采用灰色預測模型對礦井涌水量進行了預測,提供了一種新思路。但這些方法也存在不足之處,水文地質比擬法適用于開采同一礦井或者地質環境基本相同的區域,每個礦區都有其不同的水文地質條件,所以此方法的使用具有局限性;和時間序列有關的分析法需要建立在觀測數據之上,觀測時間久,數據收集困難,結果易受影響;大井法[17-18]因其簡捷的計算得到了廣泛的應用,但礦山實際上并沒有完全滿足公式的前提條件,因而其預測結果將會與礦山實際涌水量偏差較大,單一方法計算涌水量的說服力不強,準確性不夠。

因此現以礦坑涌水量預測精確度[19-20]為主,研究調查該礦坑豐富的水文地質數據,在采用大井法預測后又使用適應性強、預測精度高的地下水模型系統(groundwater modeling system,GMS)水文地質軟件對礦坑涌水量進行計算預測。使用大井法進行預測由于實際環境條件不完全匹配公式的要求,會出現誤差導致精確度不夠,采用GMS數值模擬軟件加以檢驗,兩種方法的相互補充驗證使該礦坑在預測涌水量的精確范圍上得到提升,為礦山開采提供有力的技術支撐。

1 研究區概況

1.1 區域地質及水文地質條件

礦區位于內蒙古自治區阿拉善右旗東北部某地段,地勢較為平坦,地表大多被第四系沙土和沙丘覆蓋,區內水系多為季節性水流和干河床,植被稀少,斷裂構造以壓扭型斷裂為主。

1.2 礦床水文地質特征

1.2.1 主要含、隔水層及富水性

據鉆探結果顯示該礦床主要的含水組分為3層:下層埋藏較深,以泥巖和粉砂巖為主,泥巖穩定性較好,具有分隔作用,而且該層位于礦床下部,因此作為隔水底板;中層含礦量較多,無明顯擠壓破碎帶發育,巖心塊度相對完整,通過巖心編錄對6個鉆孔的節理和裂隙進行了詳細研究,發現所有水文地質孔的過濾器段裂隙發育程度低甚至不發育,開啟裂隙占裂隙總數比重較低,是主要的含水層;上層由含泥砂巖組成,不易透水的特質使其作為隔水層。

1.2.2 地下水補徑排條件

由于泥巖的厚度大且分布穩定,作為隔水頂板可隔絕大氣降水的滲入,含礦含水層地下水的主要補給是地下水的側向徑流補給,在礦床的西南部約10 km的地方,設置了一個孔隙為800 m的地質孔,在該孔中出現了冒水及氣泡溢出的情況,說明在地下水徑流過程中在礦床的西南部遇到阻隔,最終確定總體徑流方向為由北東向南西徑流。

2 大井法預測礦坑涌水量

2.1 計算公式的選擇

在實際開采時,開采場地需達到合理安全的開采條件,地下水位的降低使在礦坑和遠離礦坑的地下水部位的壓強不一致。因此在進行礦坑涌水量預測時,需選用地下水動力學的大井法的承壓轉無壓公式,公式如下。

(1)

R0=R+r0

(2)

(3)

(4)

式中:Q為礦坑涌水量預測值,m3/d;Kcp為平均滲透系數,m/d;K為滲透系數,m/d;S為地下水位降深,m;M為含水層平均厚度,m;R0為引用影響半徑,m;r0為大井引用半徑,m;R為影響半徑,m;P為圈定的大井面積,m2。

2.2 參數確定

2.2.1 抽水試驗取得的資料

統計整理了每個孔承壓含水層的厚度,以及作為抽水孔、觀測孔以及采用水位恢復法時的滲透系數,如表1所示。

表1 抽水試驗成果表

2.2.2 滲透系數的確定

在預測礦坑涌水量時,因各段含水層滲透性分布不均,滲透系數的取值由抽水孔、觀測孔以及水位恢復法這3種方法每個觀測點的滲透系數值與含水層厚度的加權平均值確定,其值見表2。

表2 滲透系數的加權平均值計算表

2.2.3 礦床地下水平均水位標高的確定

10個水文地質孔一個水文年的地下水位標高觀測值,如圖1所示,取這10個水文地質孔地下水位標高觀測值的平均數,得出礦床地下水平均水位標高為1 273.66 m。

圖1 地下水位標高統計圖

2.2.4 地下水位降深的確定

為保證礦床正常生產,在生產時地下水位必須降至礦體底板以下。對8個主要礦體埋深的最低標高和最高標高進行了統計,如圖2所示,計算得出主要礦體埋深最低標高平均值為773.49 m,最高標高平均值為793.90 m。

圖2 主要礦體埋深標高統計圖

礦床在生產時要保持采場作業環境,因此需要地下水位降至礦體埋深底板以下5 m位置,即水位降深應在上述標高平均值的基礎上再加5 m,故所得地下水位降深為地下水位標高與礦體底板標高之差,如表3所示。

表3 常規開采時地下水位降深值

2.2.5 含水層厚度的確定

在施工過程中,對含有水文地質孔的巖心進行了標記,在進行涌水量預測時,確定了各個水文地質孔的含水層厚度,取13個水文地質孔的算術平均值M為82.45 m。

2.2.6 大井引用的確定

(1)礦體面積的圈定。根據礦體分布形態來圈定礦體面積見圖3,最終測得礦床疏干面積P為1 549 726 m2。

圖3 礦床疏干范圍圖

(2)大井引用半徑的確定。根據前述大井法引用半徑的計算公式,求得大井引用半徑r0為703 m。

2.2.7 影響半徑及引用影響半徑的確定

結合確定的滲透系數及降深,根據前面的公式分別確定最高礦體標高及最低礦體標高的影響半徑及引用影響半徑數值如表4所示。

表4 影響半徑及引用影響半徑表

2.2.8 礦坑涌水量計算

根據公式和確定的參數,對礦坑涌水量進行計算,計算結果如表5所示。

表5 礦坑涌水量預測表

從表5可以看出,3種方法求得的滲透系數計算的礦坑涌水量差別并不大,在同一降深深度內,差值分別為2 904 m3/d和2 802 m3/d,誤差分別為5.9%和5.8%。最終由2個降深、3個滲透系數計算的最大降深平均涌水量為47 948 m3/d,最小降深平均涌水量為46 501 m3/d,從而得知由于承壓水頭高,在抽水孔進行抽水試驗時,水頭損失并不明顯,同時也說明該礦床礦坑涌水量較大。

3 地下水數值模擬預測礦坑涌水量

抽水試驗得到了很多的滲透系數值,在以上工作的基礎上結合前人工作資料,對該礦床的水文地質條件進行分析,初步分析了地下水的補給、徑流、排泄,對水文地質單元進行了詳細劃分,建立三維可視化地下水模型。

3.1 水文地質概念模型

3.1.1 研究區范圍

以某礦區所在地為凹陷盆地作為一個完整的水文地質單元,以第四系松散沉積物與白堊系基巖為分界線,模型范圍確定了一個水文地質單元,礦床位于模型范圍的中部,避免邊界條件在計算中對結果的影響。

3.1.2 水文地質條件概化

將研究區水文地質條件進行逐一分析,對水文地質條件中的含水層結構、地下水徑流及動態特征、模型邊界條件等進行確定。

(1)含水層結構。模擬的深度以研究區所得的鉆孔深度為參考,結合DEM提取標高確定,礦區的開采深度約在地下500 m。含水層水平方向不再分層,含水層結構垂向上分為上下兩層,第一層含水少,砂體含量少;第二層為主要含礦含水層,從模型角度分析主要含水層的滲透系數大于第一層,地下水垂向流動速度相比于第二層中的地下水流動速度差2個數量級。研究區含水層受構造影響,導水構造對含水層的影響很大,故在模型中將構造影響加入計算中。含水層結構在三維地下水模型中概化為兩層,見圖4,地下水的垂向運動速度比水平運動速度低2個數量級。

圖4 含水層結構圖

(2)地下水徑流及動態特征。地下水徑流方向為北東至南西方向流動,受水文地質單元地理條件影響,有一定的側向補給來源。北東方向為補給來源,南西為排泄方向,由于構造影響,上下兩層在構造發育位置存在一定的水力聯系。

(3)模型邊界條件。在側向上,北部是宗乃山-沙拉扎山隆起區,為地下水的補給區,因此北部邊界可作為流入邊界;南部為巴音諾爾公隆起,東部由那仁哈拉凸起和畢級耳臺凸起相隔成半封閉狀,作為隔水邊界或者弱透水邊界;西部為巴丹吉林沙漠,可作為隔水邊界,如圖5所示。

圖5 模型邊界劃分三維圖

3.2 地下水流數值模擬

3.2.1 地下水的數學模型

承壓含水層在進行礦井排水時,地下水會由承壓水變為潛水,首先承壓水可用式(5)控制方程描述為

(5)

式(5)中:Ss為貯水率,1/m;H為承壓含水層的水位標高,m;Kx、Ky、Kz分別為水平和垂向滲透系數,m/d;ε為含水層的源匯項,1/d。

潛水可用式(6)控制方程描述為

(6)

式(6)中:S為貯水系數;h為承壓含水層的水位標高,m。

3.2.2 模擬計算軟件

1)模型網格剖分

本次研究區的范圍為礦床勘探區域,根據GMS數值模擬軟件要求對研究區進行矩形網格剖分,初步確定在平面上進行正方形網格剖分,礦區作為典型重點研究地段,可采用局部加密技術對模型進行局部加密,見圖6。網格剖分以200×200尺度進行,剖分后對某礦床研究區進行了適當的網格加密,即對網格進行細化。

圖6 三維水文地質模型網格剖分示意圖

2)水文地質參數

用于該模型的水文地質參數主要是承壓含水層的滲透系數(包括水平滲透系數和垂向滲透系數)和儲水系數。水文地質參數的表示包括空間位置和參數值,空間位置可用Shape格式中的線或面給出,水平滲透系數和儲水系數參照前人的工作成果以及本次工作鉆孔的抽水試驗計算得到初值以及礦區環境條件。建模時將得到的初值根據礦坑環境條件進行參數分區,然后通過水位擬合進行參數識別,參數調整時考慮到了構造影響,在構造發育位置對透水構造進行了詳細刻畫,見圖7,最后對各分區的識別參數值進行確定。

圖7 水文地質滲透系數分區圖

3)源匯項確定

根據地下水補徑排條件,確定地下水均衡要素,并采用相應計算公式,研究區承壓含水層的補給量為側向流入量,根據各層地下水位等值線,用達西斷面法求各邊界流入量初值,并通過模型進行校正。研究區承壓含水層的地下水排泄量主要如下。①斷層排泄:先根據研究區的水文地質條件估測一個初值,然后通過代入模型進行識別驗證;②礦井抽水排泄:通過識別驗證后的模型進行逆運算。

4)模型檢測

調參過程中對于研究區的水文地質條件進行不斷修正,達到水位線與觀測值基本吻合,經過多次檢測對比以后確定,通過圖8最終可以看出模型經過10階段調參后,模擬的東部等水位線水力梯度與觀測值基本吻合,地下水模擬流場的西部位置流場與觀測值亦基本吻合,地下水的運動趨勢和觀測值基本一致,誤差較小。

圖8 第10階段調參后等水位線圖

5)涌水量預測

對調參后基本吻合地下水觀測值的水文地質模型進行降深運算,逐步得到涌水量數值,涌水量計算在模型中進行,抽水量通過逐步分析得到。涌水量計算數值通過數次計算得到,僅展示計算變化比較大的圖件,圖件數與實際計算次數比例約為1∶20。在模型調參過程中導出礦體模型,將礦體模型輸入了GMS軟件中,對礦體和水文地質模型關系進行分析,從而更形象地得到礦體與含水層的關系,如圖9所示。

圖9 礦體與水文地質三維模型關系圖

如圖9所示的礦體位置可以看出礦體的一部分處于含水層中,另一部分不在含水層中,屬于非滲透性礦體,理清了礦體和含水層的關系后,進一步對涌水量數值進行確定。

經過反復調參,模型運行多次后,對模型運行和計算結果分析后得到了礦床開采時的涌水量數值,調參數過程中確定了涌水量數值范圍在26 000～43 000 m3/d。在第11次進行涌水量數值32 000 m3/d輸入后,含礦含水層的等水位線疏干形態幾乎覆蓋了整個模型的東部區域,此時在三維圖(圖10)中可以看出在礦床位置第一層含水層和第二層含礦含水層的疏干范圍都覆蓋了礦床,第二層滿足礦床的范圍處于完全疏干的狀態,由于構造影響,第二層構造位置也有一定的疏干,符合地下水與構造有水力聯系的實際情況,確定礦床開采時的涌水量為32 000 m3/d。

圖10 涌水量計算第11次輸入后含礦含水層底板等水位線三維圖

4 結果對比評價

通過大井法預測的礦坑最大降深平均涌水量為47 948 m3/d,最小降深平均涌水量為46 501 m3/d;GMS軟件預測的平均礦坑涌水量為32 000 m3/d,最大涌水量為38 000 m3/d。兩種方法預測的礦坑涌水量有所差異,大井法預測公式是在含水層水平、等厚、均質等嚴格條件下推導出的,礦山實際上很難完全滿足公式的前提條件,因而其預測結果將會與偏大,但也提高了一定范圍的參考。隨著計算機的發展,數值模擬方法適應性強、預測精度高,已經被大量應用于各個方面,而且此次對該礦坑水文地質數據的收集較為全面,因此由數值模擬得出的參考范圍將會更精確。兩種預測方法相結合,互相補充驗證,為實際的礦坑涌水量提供了有力的參考。

5 結論

(1)礦坑涌水量隨礦坑開拓面積的擴大而增加,單一預測方法所建立的模型存在預測精度不高、誤差大的問題,且其適應范圍窄, 大井法預測公式是在嚴格條件下推導出來的,其預測結果偏大;數值模擬方法預測精度高,由該方法得出的數據將會比大井法得出的數據范圍小且更為精確。

(2)在計算礦坑涌水量的過程中,大井法和GMS數值模擬法兩種預測方法相互補充驗證,得出該礦坑涌水量的大范圍和小范圍預測值,計算得到的礦坑涌水量更加可靠,可為實際開采礦坑時涌水量數值提供精確范圍的參考。通過雙重預測方法的結果表明該礦床礦坑涌水量較大,研究成果將為開采礦山提供技術支撐。