北洺河鐵礦深部開采放水試驗及數值模擬分析

黃天瑞，李貴仁，趙 珍(.五礦邯邢礦業有限公司北洺河鐵礦，河北 武安 056300；.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 0500)

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北洺河鐵礦深部開采放水試驗及數值模擬分析

黃天瑞1，李貴仁2，趙 珍2
(1.五礦邯邢礦業有限公司北洺河鐵礦，河北 武安 056300；2.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

為了進一步研究北洺河鐵礦2#線以東水文地質條件，為深部礦體開采提供科學合理的依據。本次研究利用井下及地表現有的水文地質觀測孔，對礦區奧陶系灰巖含水層進行了大型群孔干擾非穩定流放水試驗，并利用FEFLOW軟件進行數值模擬分析，計算水文地質參數，預測了深部開采礦坑涌水量。結果表明：礦區2#線以東深部灰巖含水層透水性較弱，2#線兩側灰巖含水層存在一定的水力聯系，整個北洺河礦區灰巖含水層為一個統一的含水體。

灰巖含水層；放水試驗；數值模擬；FEFLOW

北洺河鐵礦位于河北省武安市上團城村北，隸屬于中國五礦邯邢礦業有限公司，設計年產鐵礦石180萬t，已于2002年投產[1]。礦區處在邢臺百泉巖溶水系統之北洺河-百泉巖溶水強徑流帶上游，礦體賦存于奧陶系中統石灰巖與燕山期閃長巖接觸帶，屬接觸交代型鐵礦床。礦床頂板及其圍巖為厚度較大的奧陶系中統石灰巖，頂底板直接進水，為水文地質條件復雜的巖溶裂隙直接充水礦床。目前，礦山運輸中段在-230m水平，生產作業集中在-155m、-170m水平，下一步計劃開始-230m水平以下深部開拓工程設計。

為了進一步研究礦區2#線以東深部灰巖含水層特征，獲得有關水文地質參數，預測礦坑涌水量，為礦山深部礦體的開采提供科學合理的依據，礦山專門開展了群孔干擾非穩定流放水試驗，利用井下鉆孔自流放水，形成大范圍、大降深激發流場，通過觀測試驗過程前、中和后的水量、水位和水質等變化，以查明奧陶系石灰巖含水層的富水性特征及補排條件[2]。相關研究人員在利用放水試驗資料的基礎上，求取水文地質參數，防治礦井突水方面做了一定研究。如楊小剛等研究了放水試驗在岱莊煤礦水害防治中的應用[3]，王雨山等利用放水試驗資料反求水文地質參數[4]，李文東對興隆莊煤礦三含放水試驗做了分析[5]等。

由德國WASY公司所開發的地下水數值模擬軟件FEFLOW具有獨到的特點，是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一，可用于復雜三維非穩定水流和污染物運移的模擬[6]。陳書客等[7]以林南倉礦為研究對象，利用FEFLOW進行了滲流場模擬并預測了涌水量。田麗[8]將新汶礦業集團公司潘西煤礦結合FEFLOW軟件系統的特點，對采用FEFLOW軟件進行工作面底板突(涌)水量預測的可行性進行了分析。本文利用FEFLOW軟件對放水試驗資料進行數值模擬，反演水文地質參數，為礦井涌水量預測提供基礎資料。

1 礦區地質及水文地質概況

礦區主要地層有古生界奧陶系、石炭系和二迭系及新生界第四系，燕山期閃長巖呈復雜的似層狀侵入到奧陶系中統及其他地層中。水平上，北洺河礦區南臨武安巖體中團城-崇義-上泉一線巖體，北接礦山巖體南端的焦寺巖體，東部邊緣為玉泉嶺-郭二莊斷裂帶之東的石炭系、二迭系，礦區內為順北洺河河床呈NW-SE展布的北洺河巖體。垂向上，礦區灰巖上覆有第四系砂礫卵石層、砂質黏土礫石層和底部黏土層，下為燕山期火成巖托底[9]。礦床地段，火成巖巖體呈復雜的層狀、似層狀侵入到奧陶系中統石灰巖地層，在垂向上侵入體將石灰巖分為多層。礦床背斜軸部石灰巖含水層較薄；南北兩翼較厚，且越往外越厚。

奧陶系中統石灰巖含水層為礦區主要含水層。該含水層分布廣泛，其南部西部有武安巖體，北有礦山巖體，阻礙或隔斷與區域石灰巖含水層的聯系，東部與區域含水層相連，上部有第四系地層覆蓋，下部為火成巖托底，中間還有侵入巖穿插。礦床在平面上以2#線為界劃分為東西兩區，其中2#線以西35個鉆孔做了71次注水試驗，24個鉆孔做了41次抽水試驗，鉆孔單位涌(耗)水量多小于0.1L/s·m，滲透系數多小于0.05m/d，灰巖含水層總體透水性較弱[10]。對于2#線以東，受原有勘探深度不足等因素影響，有必要通過放水試驗對其富水性進一步研究。

2 井下放水試驗

2.1 放水孔與觀測孔

根據地下水井流理論和現場條件，確定本次放水試驗為一次最大降深、群孔干擾非穩定流放水試驗。放水試驗的目的層為奧陶系灰巖含水層，井下疏水系統完整，因此試驗采用井下放水，地表、井下聯合觀測的方法，利用新施工的3個奧灰孔進行干擾非穩定流放水試驗，其中TKOS-2位于-230m水平，出水量78 m3/h；TKPD-2、TKPD-3位于-245m水平，出水量分別為120 m3/h、180 m3/h。觀測孔分井下及地表兩部分，井下觀測主要是對-230m、-245m水平出水點的水量變化進行觀測，并對已安裝的壓力表進行讀數，地表觀測系統主要是利用礦區范圍內現有GX1、GX6、GX7、GX8、GX10、GX11、GX12共7個觀測孔。

2.2 放水試驗過程

放水試驗過程總體分為地下水起始動態觀測、正式放水、水位恢復觀測等三個階段，自2014年9月2日10時開始，至2014年9月30日10時止，歷時28天。

放水試驗前三天對礦區觀測孔以及外圍觀測孔進行地下水位統測，并對井下壓力表進行讀數，掌握放水試驗初始地下水流場，同時對放水時需要測量的出水點進行水量觀測。

放水試驗開始后，分別打開放水孔TKOS-2、TKPD-3、TKPD-2，其中TKOS-2的水量采用JDUF-H型超聲流量計進行測量，TKPD-2及TKPD-3的水量采用ST-LDE200型電磁流量計進行測量，壓力觀測采用壓力表直接讀數的方法，礦區內觀測孔水位為自動觀測，外圍觀測孔采用電表測繩觀測。

9月16日上午10點，關閉各放水孔進行水位恢復觀測，各放水孔、礦區觀測孔以及外圍觀測孔的觀測頻率均與放水試驗開始時觀測頻率一致，水位恢復觀測至9月30日。

放水試驗過程中，各觀測孔水位歷時變化不一，隨著放水的進行，水位發生相應的變化。通過本次放水試驗，研究了降落漏斗的形態、大小及擴展過程，分析含水層之間的水力聯系，為礦井防治水工程的設計提供可靠的水文地質依據。

3 地下水流數值模擬模型

3.1 水文地質概念模型

為避免數值模型過小造成的誤差，本次數值模擬范圍不局限于北洺河礦區，而是將區域內各個礦山置于統一地下水系統中進行研究，將模擬范圍擴展至整個百泉泉域，總面積1603km2。

南部邊界為南洺河斷層，該斷層南北水位差110多米，斷層具有隔水性，處理為隔水邊界；北至內丘西北嶺一帶地下分水嶺；西南部邊界為南叢井龍霧-活水斷層，該斷層斷距大，東盤寒武系頁巖、泥巖抬升，處理為隔水邊界；東部邊界為團城-郭二莊-馮村-沙河市-邢臺-內邱一線的隱覆阻水斷裂，該斷裂以東奧陶系埋藏很深，與石炭二疊系直接接觸，巖溶不發育，為隔水邊界；西部灰巖與中上元古界地層直接接觸，處理為流量邊界。

在考慮資料占有程度的基礎上，根據礦區的空間介質結構、含水層的形成時代、埋藏深度、水力聯系等，將該區在垂向上自上而下劃分為：第四系上部砂礫石強含水層；第四系中部黏土礫石弱含水層；第四系底部粘土相對隔水層；石炭、二迭系薄層裂隙含水層；奧陶系灰巖含水層；閃長巖相對隔水層。其中奧陶系灰巖含水層再細分為四層(模型第五層至八層)，整個模型在空間共劃分為九層。

開采條件下，深部排水使中下部灰巖含水層地下水壓力釋放并向上傳導，控制著中上部灰巖和第四系地下水流場分布，垂向上存在水頭梯度，形成了以疏干巷道為中心的從源到匯的三維空間流場分布特征，因此，將含水系統概化為非均質各向異性含水系統，地下水流系統概化為三維非穩定流。

3.2 數學模型

根據前述的水文地質條件，可寫出相應的數學模型，見下式。

式中：H為地下水位(m)；Kx、Ky、Kz為分別為x、y、z方向的滲透系數(m/d)；μs、μ為分別為貯水率和給水度；Qi為地下水開采量或排水量(m3/d)；H0(x，y，z)為初始水位(m)；qe(x，y，z，t)為流量邊界的單位面積流量(m/d)；Ω、S、Г為分別表示滲流區域、地下水自由面、流量邊界；ε為降水入滲強度(m/d)。

3.3 數值模型

3.3.1 空間離散

上述數學控制方程的求解采用DHI-WASY公司開發的基于有限單元法的FEFLOW軟件。將數值模擬區離散為不規則三角剖分網格，在網格剖分時水文地質條件復雜的區域剖分時要細化；觀測孔盡量位于剖分單元的中心節點；礦坑排水和集中出水的地方，由于水力坡度及流場變化趨勢較大，剖分時要適當加密。平面共剖分單元20815個，節點10562個，空間共剖分187335個單元格，節點105620個。

3.3.2 水文地質參數的選取

在收集整理前人關于研究區滲透系數及給水度等方面研究成果的基礎上，根據研究區含水層埋藏和補給條件的差異、巖溶發育情況、地下水位動態、區域地下水流場特征等水文地質條件，對含水層作了分區，并給每個參數分區賦予相應的初值。待模型識別時最終確定。

3.3.3 源匯項的處理

根據FEFLOW軟件的要求，需要對地下水系統的補給和排泄條件進行相應的處理，然后才能帶入模型中應用。礦區內地下水補給項主要為降雨入滲補給、側向補給以及河渠等地表水的滲漏補給，排泄項為生活生產用水、礦坑排水等。

3.4 模型識別

以2013年9月2日的地下水流場作為模型識別的初始流場，選擇了礦區8個地下水位觀測孔的實測水位動態曲線進行擬合，共分兩個階段。

第一階段擬合期為2013年9月2日至2014年9月1日，共365天，將模擬時間進行離散，時間步長設為1天，共365個時段(time steps)。以前面所給出的各種水文地質參數及源匯項初值為基礎，對模型進行反演計算，讓模型運行365個時段，記錄下每個時段各觀測孔所在結點的水位，以及最后時段地下水流場。若各種初值給的合理，計算得(H-t)曲線應與實測的(H-t)曲線基本吻合，否則要反復調整水文地質參數，直到擬合程度滿意為止。經過反復調試，上述參數作為放水試驗模擬的基礎。

第二階段為利用放水試驗動態資料進行模型識別，在第一階段模型識別的基礎上，加上-230m水平，-245m水平放水孔的排水量，時間步長取為0.5天，讓模型運行28個時段，來擬合各觀測孔的水位動態，通過相應的參數調整，來確定數值模型的水文地質參數序列。

識別期內，各觀測孔水頭與計算水頭的平均殘差為-0.23m，平均絕對殘差為0.45m，標準誤差估計為0.07m，均方根為1.87m，標準化均方根比例為2.9%，說明誤差占總水頭差異的很小一部分；相關系數為0.97，表明相關程度比較好。

部分觀測孔擬合曲線見圖1、圖2。可知觀測水頭動態曲線與計算水頭動態曲線基本吻合，說明識別后的水文地質參數是符合客觀實際的，所建模型基本反映了模擬區的地下水運動規律。模擬區水文地質參數分區見圖3，參數取值見表1、表2。

圖1 GX01孔水位擬合曲線

圖2 GX07孔水位擬合曲線

圖3 模擬區水位地質參數分區圖

表1 區域灰巖含水層參數識別結果

分區Kxy/(m/d)Kz/(m/d)Ss/(1/m)Sy分區Kxy/(m/d)Kz/(m/d)Ss/(1/m)Sy140.40.000030.01101.50.150.000030.00921.120.1120.000010.04111.050.1050.0000430.0430.90.090.0000250.05120.950.0950.000010.004410.10.000010.05131.10.110.0000270.0551.50.150.0000420.07141.20.120.0000380.0660.40.040.000010.005151.50.150.0000290.08750.50.000030.011620.20.0000120.009860.60.000090.015175.50.550.000010.013950.50.0000180.0121870.70.000080.016

表2 礦區灰巖含水層參數識別結果

3.5 涌水量預測

3.5.1 礦坑涌水量預測的基本設置

1)根據礦床賦存條件，本次工作設置的開采水平為-320m、-410m。因此利用數值模型預測-320m、-410m開采水平時礦坑的疏干水量和正常涌水量。

2)根據當地水文氣象情況，豐水年、平水年和枯水年的降雨量設置分別為800mm、550mm、300mm。

3)為了求得正常的礦坑涌水量，在各開采水平上，使相應水平排水巷道上的結點水位保持為該水平標高，先讓模型運行兩個偏枯的平水年(降雨量400mm)，再運行豐水年、平水年和枯水年求其礦坑涌水量。3.5.2 礦坑涌水量預測模型所需的基本數據

1)利用數值模型進行礦坑涌水量預測，其水文地質參數保持不變。

2)邊界側向補給量、降水入滲量、河水滲入量均按我們設置的枯水年、平水年、豐水年的降水量，參考模型識別時相應降水量年份的補給量給出。

3)在礦坑涌水量預測時，地下水開采量保持2014年開采量不變。

3.5.3 礦坑涌水量預測

礦坑涌水量預測過程見框圖4。表3、表4分別為開采至預測水平時，該水平中段礦坑涌水量及礦區礦坑總涌水量。

圖4 礦坑涌水量預測框圖

表3 各水平中段礦坑涌水量預測表/(m3/d)

開采水平豐水年平水年枯水年最大正常最大正常最大正常-320m354023351532659314493195630659-410m364813436233619319093280431596

表4 礦坑總涌水量預測表/(m3/d)

4 放水試驗結果分析

根據放水試驗成果資料，放水試驗2#線以東各觀測孔均受到放水的影響，總的規律是距離放水孔近的觀測孔水頭降低多，且反應迅速；距離放水孔遠的地方水頭降低少，且反應滯后。放水開始后半小時，距離放水孔100m左右的GX6孔水位下降3.4m，18h后達到穩定狀態，水位下降37.30m；放水開始6h后位于放水孔東南約300m的GX12水位開始下降，放水結束前水位共下降3.42m；放水開始17h后位于放水孔東300m的GX7水位開始下降，放水結束前水位共下降1.08m；位于放水孔東北約600m的GX8水位下降0.52m。放水結束后，2#線以東GX6水位降至-109.9m，而東段三個孔水位仍在十幾米左右，兩者水頭差達130m，形成了較高的水力坡度，說明該處含水層具有明顯的弱透水性。

此外，2#線以西GX1、GX9、GX10水位分別下降了7.36m、2.8m、0.92m，巷道各出水點水量也均有不同程度的減少，如出水點TKP-1反應迅速，出水量在2h內由51.43m3/h降至20.57m3/h，且有大量黃泥涌出，放水結束后各觀測孔水位均有不同程度的上升，出水點水量迅速增大，說明2#線東西兩側具有一定的水力聯系。

綜上，礦區2#線以東灰巖地下水位較上世紀70年代已下降了200多米，上部強含水層已經被疏干，其深部灰巖含水層同2#線以西一樣，具有明顯的弱透水性；2#線兩側地下水具有明顯的水力聯系；礦區奧陶系灰巖含水層不能再以2#線為界將劃分為東強西弱的兩區，而應作為一個統一的含水體。

5 結 論

1)在放水試驗的基礎上，結合礦山開采方案，采用數值模擬反演礦區水文地質參數，分別預測了開采至-320m、-410m水平時，礦山各水平中段的礦坑涌水量及礦坑總涌水量。本次計算綜合考慮了礦區甚至整個百泉巖溶地下水系統的地下含水系統、流動系統、邊界條件等因素，并進行了科學合理的概化，預測結果可作為深部開采的設計依據。

2)通過井下放水試驗，進一步查清了礦區水文地質條件，即：礦區2#線以西灰巖含水層總體透水性較弱；2#線以東灰巖地下水位較上世紀70年代已下降了200多米，上部強含水層已經被疏干，深部含水層透水性弱；礦區2#線兩側地下水存在明顯的水力聯系；礦區奧陶系灰巖含水層為一個統一的含水體。

3)對于-230m水平以下礦山深部開采，由于北洺河礦區巖溶含水層透水性弱，地下水呈空間流場分布，短期內難以大規模降低地下水頭，為了消除或減少高水頭壓力對礦坑的威脅，在采掘過程中遇到接觸帶、構造破碎帶及掌子面接近灰巖局部富水地段，需用超前鉆孔查明周圍水體、含水構造等的具體位置、產狀，并集中施工一些放水孔進行放水降壓，通過疏干工程和施工在強含水段的放水降壓孔，將采掘水平強含水段的地下水釋放排走，為采掘創造良好的作業條件。

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The dewatering test for deep mining and numerical simulation analysis in Beiminghe Iron Mine

HUANG Tian-rui1，LI Gui-ren2，ZHAO Zhen2

(1.Beiminghe Iron Mine of Hanxing Metallurgical Mine Administration，Wu’an 056300，China； 2.North China Engineering Investigation Institute Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050021，China)

To investigate the hydrogeology condition at the east of 2nd line in Beiminghe Iron Mine thoroughly，and provide scientific and reasonable basis for deep mining.A large group of water hole of unsteady flow interference test was taken for the ordovician limestone aquifer，and the existing hydrogeologcal observation holes are used to carry out the dewatering test，simulation analysis was carry out by using the software of the FEFLOW，which can be used to identify the hydrogeological parameters and forecast the water inflow of deep limestone aquifer.The results show that the permeability of deep limestone aquifer is weak，there is certain waterpower relation among both sides of 2nd line of limestone aquifer，the whole limestone aquifer of Bei minghe Iron is unified water-logged stratum.

limestone aquifer；dewatering test；numerical simulation；FEFLOW

2015-03-16

黃天瑞(1963-)，男，學士，1984年畢業于桂林冶金地質學院礦產與普查專業，現任北洺河鐵礦高級工程師，主要從事礦山地質工作。E-mail：1298315618@qq.com。

TD12

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1004-4051(2015)11-0107-06