巖溶地下水數值模擬研究

摘要：礦山1951年建礦開采至今，開采深度隨著中深部礦床的發現加深，礦床開采已經低于該礦區地表水體（牛欄江），當地最低侵蝕基準面540m，開采技術條件難度不斷增大，深部地下水文地質條件條件發生改變。由于涌水量變化復雜，運用數值模型的方法，利用已知涌水量、水位，運用GMS軟件來計算深部各中段涌水量，為礦山設計提供排水和制定防治水措施提供了科學依據，具有重要意義。

關鍵詞：巖溶地下水；數值模型；馬爾科夫預報；動態模擬；水文地質

中圖分類號：TV211 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0015-03

1 概述

隨著會澤鉛鋅礦區轉入深部開采，礦床深部水文地質條件漸趨復雜，開展礦區深部地下水滲流場及礦坑涌水量動態變化的研究對礦山的生產與安全極為重要。

根據礦山廠水文地質條件，利用GMS軟件對礦床不同深度的滲流場及涌水量進行數值模擬，建立礦區巖溶地下水三維數值模型進行模擬，而獲取深部礦床開拓各水平涌水量的相關因素以及礦床開采地下水滲流場及涌水量變化規律為礦山計劃深部的開采提供依據。

2 概化礦區水文地質條件，建立水文地質模型

本次結合會澤礦山廠已有水文監測數據，概化礦區水文地質條件，建立水文地質概念模型。

礦山廠西部邊界為海口組（D2h）弱透水層，具有隔水性質。東部邊界為東頭壓扭性斷層，具隔水性質，海口組（D2h）弱透水層與東頭斷層在北東部相交，使北部封閉。馬坪組（C3m）紫紅色泥巖層構成了礦床的南部隔水邊界。西南邊為礦山廠含水層、張扭性斷層，視為定水頭邊界。

模擬范圍內礦床的充水含水層為中部碳酸鹽巖含水層組（D3zg——C2w），根據礦區溶蝕裂隙含水層的組合特點及地下水動力條件可概化為非均質各向異性的無壓-承壓三維流。地下水源匯項有：地下水開采量、垂直入滲補給量、蒸發量。

在對模擬區水文地質條件概化后，其物理模型可歸結為：非均質各向異性無壓-承壓裂隙巖溶非穩定流含水系統。

3 數學模型

模擬區雖然溶蝕裂隙發育不均勻，但地下水流具有統一的地下水面，水流運動基本服從Darcy定律，可以近似地運用等效雙重介質滲流理論模型對其進行描述和模擬。建立會澤礦區潛水含水層、承壓水含水層數學模型。

3.1 潛水含水層數學模型

3.2 承壓水含水層數學模型

式中為研究范圍相應水文地質參數和已知條件。

礦山廠研究范圍約為1.25km2，利用GMS軟件實現三維網格生成7500個，節點10404個。利用GMS軟件建立三維有限差分模型。據礦坑歷年觀測數據整理分析來進行模擬研究。

3.3 參數分區

根據抽水試驗資料或實際開采的流量和水位資料等，進行數值計算，求得水文地質參數，從而驗證數學模型的真實度。根據計算區的構造、巖性、巖溶發育程度等，將計算區分為若干個區，分別給出各區滲透系數、貯水率、給水度、降水入滲系數及蒸發系數等參數的初始經驗值。

本次研究將礦山廠含水系統分為兩個部分，Ⅰ部分為泥盆系宰格組（D3zg），石炭系下統大塘組（C1d）和石炭系下統擺佐組（C1b），Ⅱ區包括石炭系中統威寧組（C2w）與石炭系上統馬坪組（Cm）。

3.4 模型校驗

研究利用坑內長期觀測孔水位數據（礦山廠DZK1584-0-1、DZK1584-08-1、DZK1584-08-2、DZK1584-010-1）與模型初始流場進行擬合，對模型進行識別驗證，得出觀測鉆孔水位擬合曲線（圖1），所建立的三維模型與礦山廠水文條件是一致的。采用GMS軟件有限差分模型運算出觀測孔的水頭，然后和長期觀測孔水頭進行比對。

調整參數，使目標函數E達到“最小”，則認為參數達到了“最優”。擬合誤差符合國家標準《地下水資源管理模型工作要求》（GB/T14479-93）。據此，可得到模擬區較符合實際的各項水文地質參數。

根據井下1584中段觀測的鉆孔水位資料對模型進行賦值，采用校驗后的水文地質參數，分別模擬了2011年6月礦山廠1584中段地下水滲流場（圖2），可作為預測時的初始地下水流場。

隨著礦區采礦活動時期的延長，地下水開采量增大，礦床概化為的抽水井附近范圍地下水位逐漸下降。由模型可知，三維模型內抽水井附近都形成很大降深梳干形態漏斗，近抽水井中心下越明顯。隨著開采抽水時間的遞增加，靜儲量被疏干，此現象與礦山廠深部開采水文地質條件是吻合的。

4 深部中段現狀開拓條件下巖溶水動態模擬

本次研究分為現狀開拓條件下的巖溶水動態模擬以及預計開拓水平下的巖溶水動態預測，預測期為兩年（2012～2013年）依據礦山的生產開拓進度，2011年礦山廠最低開拓中段仍為1584中段。在GMS三維模型中，將礦山廠含水層垂向上概化成兩層結構，三個抽水井。采用調參反演后的各項水文地質參數，在初始滲流場模型基礎上對1584中段目前開采條件進行三維研究，通過對抽水井涌水量的多次反復變化，運算地下水頭值與實際觀測水頭值相差在0.5m范圍內，獲得涌水量即為三維流場下開采的涌水量。涌水量值見表2。

模擬的礦山廠2011年礦坑平均涌水量4730m3/d，據礦山廠該年的礦坑涌水量觀測資料統計，礦坑實際涌水量為4500～5200m3/d，模擬結果基本符合實際情況。

在本次研究中，即采用時間序列-馬爾科夫預報模型預報了礦區2012年、2013年的逐月降雨量，為其后深部中段巖溶水動態GMS數值模擬提供較為準確的降雨量數據。

利用會澤鉛鋅礦區2007年1月至2010年12月的降雨量數據進行擬合根據擬合誤差，進行狀態劃分，建立馬爾科夫模型。根據相對誤差的狀態，求出概率轉移矩陣，對時間序列模型的預報值進行馬爾科夫修正，求得二次擬合值，據此可計算礦區2012年、2013年的逐月降雨量（表1）。

GMS的概念化快速建模。運用GMS三維軟件的運行演算。從圖3可以看出，著礦區采活動時期的延長，地下水開采量增大，礦床概化為的抽水井附近范圍地下水位逐漸下降。由模型可知，三維模型內抽水井附近都形成很大降深梳干形態漏斗，近抽水井中心下越明顯。隨著開采抽水時間的遞增加，靜儲量被疏干，這現象與礦山廠深部開采水文條件吻合的。然而含水介質儲水系數大小較為關鍵，其決定了涌水量的大小。

從本次以三維模型獲得礦井地下水滲流場看，預測礦床地下水位處于設計開拓中段以下，地下水位擬合誤差控制在4%～5%區間內。模擬計算預測出涌水量達到技術要求。本次GMS模擬計算涌水量數值，為礦山排水能力的設計和編制防治水方案提供有力支撐。為同類礦山涌水量預測起到很好借鑒。

5 結語

本次主要運用的是數值模型的功能、特點，對礦床各中段涌水量的調試與水位擬合來實現對開采條件下礦坑涌水量的預測。以礦井開采計劃中各中段的開采標高為限值，在三維模型中多次運算礦井涌水量使井下地下水平均標高保持在該開采中段下。模擬獲得的礦山廠礦坑涌水量預測見表2。由表2可以知，在上述地下水滲流場隨著開采深度的增大而發生變化，2012年礦山廠礦坑平均涌水量為5017m3/d，2013年礦山廠礦坑平均涌水量為5426m3/d。涌水量變化遇到富水褶皺、構造帶、巖溶帶、裂隙發育帶規模可能發生突水。也有可能開采深度加大，地應力增大，構造帶、巖溶帶、裂隙帶發育逐漸減弱，礦坑涌水量隨之減小。

參考文獻

[1] 占學，劉金輝，張衛民，等.專門水文地質學

[M].北京：原子能出版社，1997.

[2] 薛禹群，謝春紅.地下水地下水數值模擬[M].北

京：科學出版社，2007.

[3] 易立新，徐鶴.地下水數值模擬：GMS應用基礎

與實例[M].北京：科學出版社，2009.

作者簡介：李應武（1972—），男，云南大姚人，云南馳宏資源勘查開發有限公司地質工程師，研究方向：礦山水文地質勘查。