充水條件對(duì)礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)特征的影響研究

劉佩貴, 駱 鵬, 吳 亮

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

充水條件對(duì)礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)特征的影響研究

劉佩貴1, 駱 鵬2, 吳 亮1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

文章以一數(shù)值模型為例,針對(duì)充水水源與充水通道,選取水平滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)和貯水率3個(gè)水文地質(zhì)參數(shù),研究參數(shù)值的變化對(duì)礦區(qū)周邊地下水運(yùn)動(dòng)特征和礦坑涌水量的影響程度。分析結(jié)果表明:礦坑涌水的直接充水水源是基巖裂隙含水層,但對(duì)礦坑涌水量影響最大的并不是直接充水地層的地下水,而是直接充水地層之上的風(fēng)化帶和覆蓋層,兩者通過(guò)越流實(shí)現(xiàn)對(duì)礦坑涌水量的影響;對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)特征影響較顯著的是水平滲透系數(shù);對(duì)于礦坑涌水量,影響最大的是直接充水地層的垂向滲透系數(shù),給水度的影響主要體現(xiàn)在充水水源水量的大小,而水平滲透系數(shù)的影響則主要體現(xiàn)在礦坑中涌水的快慢。

礦坑涌水量;水文地質(zhì)參數(shù);水位降深;充水條件

礦床的充水條件包括充水水源、充水通道與充水強(qiáng)度,而當(dāng)?shù)V床賦存條件及開(kāi)采條件不變時(shí),充水強(qiáng)度的大小直接取決于充水水源與充水通道的性質(zhì)與特征。礦床開(kāi)采時(shí),礦床的充水條件將直接影響礦坑涌水量的大小,兩者之間存在密切的關(guān)系。目前,國(guó)內(nèi)外大部分的研究主要集中在充水條件或礦床水文地質(zhì)條件的分析、礦坑涌水量的預(yù)測(cè)[1-3]、充水水源的判別等方面,判別充水水源方面,主要是利用水化學(xué)特征,結(jié)合特定的數(shù)學(xué)模型來(lái)識(shí)別充水水源,如模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類(lèi)分析、因子分析、灰色系統(tǒng)理論[4-5]、同位素示蹤[6-8]等。

明確礦床充水條件是提高礦坑涌水量預(yù)測(cè)精度的重要途徑之一,特別對(duì)地下開(kāi)采方式的礦山,地下開(kāi)采礦床后,巖體本身的自然應(yīng)力平衡受到破壞,卸荷作用促使采空區(qū)頂板下沉變形,產(chǎn)生拉張力加扭力作用,形成山巖開(kāi)裂或局部伴有崩坍和沉陷,特別是在構(gòu)造(或溶蝕)裂隙發(fā)育或有地下水補(bǔ)給等地段。礦床上部一旦發(fā)生山巖開(kāi)裂,形成新的裂隙帶或?qū)ǖ?涌水量將會(huì)發(fā)生明顯變化,而已有研究成果在預(yù)測(cè)涌水量時(shí)未考慮其充水條件的變化對(duì)水量產(chǎn)生的影響。本文基于一數(shù)值模型,探討礦床上覆巖層充水通道的變化對(duì)周邊地下水運(yùn)動(dòng)特征及礦坑涌水量的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 水文地質(zhì)概念模型

結(jié)合實(shí)際條件下大部分礦床的賦存條件以及可能的含水巖層的空間分布特征,取一近似理想模型進(jìn)行分析,將模擬區(qū)地層自上而下概化為4層,依次分別為第四系松散沉積物覆蓋層、基巖風(fēng)化帶、基巖裂隙含水巖組和礦床賦存層位,厚度相應(yīng)地分別為5、15、100、80 m;邊界均為第2類(lèi)邊界。模擬區(qū)范圍為5 000 m×5 000 m;天然條件下,地下水初始流場(chǎng)水平,符合達(dá)西定律。礦床的直接充水水源為上覆基巖裂隙水,間接充水水源為風(fēng)化帶及第四系孔隙水,間接充水水源通過(guò)越流的形式流入礦坑。綜合考慮巖性及可能的裂隙發(fā)育程度,設(shè)定模型中地下水埋深3.0 m。所采用的水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1所列。下文中第1～3層分別指第四系、風(fēng)化帶與基巖含水巖組。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)賦值

模擬區(qū)范圍設(shè)有1口抽水井、4口觀測(cè)井(分層觀測(cè),抽水井所在位置也設(shè)為觀測(cè)井),其位置示意圖如圖1所示。圖1中的網(wǎng)格剖分為示意,實(shí)際剖分為100行×100列。

圖1 模擬區(qū)范圍示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)概化的水文地質(zhì)概念模型及含水層水力性質(zhì),將模擬區(qū)概化成非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定準(zhǔn)三維地下水流系統(tǒng),并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為:

其中,Kx、Ky、Kz分別為滲透系數(shù)在x、y、z方向的分量,假定滲透系數(shù)主軸方向與坐標(biāo)軸的方向一致;H為地下水水頭;M為含水層厚度;W為單位體積流量,用以代表流進(jìn)源或流出匯的水量;μs為含水層的貯水率;H0為初始水頭;t為時(shí)間;D為模擬區(qū)范圍;Γ為第2類(lèi)邊界;q為邊界流量。

2 充水條件影響分析

從上述水文地質(zhì)概念模型可知,研究區(qū)的直接充水水源為上覆基巖裂隙水,間接充水水源為風(fēng)化帶中的水及第四系孔隙水,充水通道為裂隙導(dǎo)水通道,而基巖裂隙含水巖組中的裂隙發(fā)育程度直接影響周邊地下水的運(yùn)動(dòng)特征,包括水位、水量等,衡量裂隙發(fā)育程度的2個(gè)主要參數(shù)是滲透系數(shù)與儲(chǔ)水系數(shù),但受勘探程度、認(rèn)知水平等的影響,參數(shù)值的確定具有一定的不確定性,影響評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性,因此,本文針對(duì)這2個(gè)主要參數(shù),借助Visual Modflow軟件,探討充水條件改變對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)特征的影響。因礦區(qū)水量大小直接反映了礦坑涌水量的強(qiáng)度,故在闡述影響分析時(shí),將礦坑涌水量單獨(dú)進(jìn)行分析。

2.1 對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)特征的影響

礦區(qū)水文地質(zhì)條件相對(duì)較復(fù)雜,參數(shù)的空間變異性強(qiáng),含水層多為非均質(zhì)各向異性,因此,滲透系數(shù)的分析從水平滲透系數(shù)和垂向滲透系數(shù)2個(gè)方面展開(kāi)。

2.1.1 水平滲透系數(shù)

水平滲透系數(shù)Kx反映了地下水在水平方向的運(yùn)動(dòng)情況,為進(jìn)一步明確直接充水地層與間接充水地層的影響程度,每次僅改變其中1層的滲透系數(shù)取值,其他參數(shù)均保持不變,通過(guò)運(yùn)行數(shù)值模型,分別得到不同參數(shù)條件下,中心點(diǎn)處的水位降深變化情況,如圖2～圖4所示。

圖2 不同含水層的Kx與第3層中心點(diǎn)水位降深關(guān)系

圖3 不同含水層的Kx與第2層中心點(diǎn)水位降深關(guān)系

圖4 不同含水層的Kx與第3層影響半徑關(guān)系

由圖2～圖4可以看出,當(dāng)某一層的Kx增大時(shí),該層位中心點(diǎn)處的水位降深值隨之減小,即地下水位隨之升高。但對(duì)地下水影響最大的是第3層,其次是第2層,最小的是第1層(第1層水位降深變化極小,受篇幅限制,本文未列出)。例如,當(dāng)?shù)?層Kx增大1倍時(shí),第3層中心處水位降深變化幅度達(dá)57.89%。滲透系數(shù)增大時(shí),由達(dá)西定律可知,周邊向漏斗中心流動(dòng)的水流速度增大,引起水位發(fā)生變化的范圍增加,即影響半徑增大,與圖4所示現(xiàn)象一致。

此外,單位時(shí)間內(nèi)的補(bǔ)給水量增大,地下水水位上升,反映在中心點(diǎn)處的水位降深相應(yīng)地也會(huì)減小。第3層為基巖裂隙含水巖組,富水性比第2層、第1層弱,且儲(chǔ)水系數(shù)也最小,當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)補(bǔ)給的水量增加時(shí),第3層中心點(diǎn)的水位降深及周邊水位變化范圍(即影響半徑)也相應(yīng)地最大,與圖2和圖4所揭示的現(xiàn)象和規(guī)律一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了模型結(jié)果的合理性。

2.1.2 垂向滲透系數(shù)

已有研究成果表明,孔隙含水層的垂向滲透系數(shù)Kz一般是水平滲透系數(shù)Kx的1/10[3],即Kx/Kz=10,但對(duì)于基巖地區(qū),受裂隙發(fā)育程度的影響,該比值會(huì)發(fā)生變化,且Kz的大小也將直接影響越流補(bǔ)給量的大小,進(jìn)而影響上覆巖層中的水位變化幅度及礦坑涌水量。本研究模型中,第3層是礦床充水的直接層位,下面分析第3層基巖裂隙含水巖組Kz的影響。

第3層中心點(diǎn)處水位降深和影響半徑隨Kz的變化趨勢(shì)如圖5、圖6所示。

圖5 Kz與第3層中心點(diǎn)水位降深及影響半徑關(guān)系

圖6 Kz與第2層中心點(diǎn)水位降深關(guān)系

由圖5、圖6可知,隨著Kz增大,第3層中心處水位降深呈先減小后略有增大,最后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì);第2層中心點(diǎn)水位降深的變化過(guò)程與之相反,一開(kāi)始先增大,隨后趨于平穩(wěn)。第3層Kz增大,致使第2層的越流補(bǔ)給量相應(yīng)增大,表現(xiàn)在水位降深方面即為第2層的降深增加,第3層的減小。當(dāng)?shù)?層中心點(diǎn)水位降深累計(jì)增大至17.0 m左右時(shí)(第2層的承壓水頭2.0 m,含水層厚度15.0 m),水位接近含水層底板,降深值不再增大,此時(shí),因第2層部分區(qū)域被疏干,越流量開(kāi)始變小,故第3層中心點(diǎn)水位降深減小至69.15 m后又開(kāi)始增大。

影響半徑方面,由圖5可知,隨著Kz增大,第3層抽水所形成的影響半徑隨之減小,其減小的幅度隨著Kz增大而逐漸變小,最后影響半徑趨于不變,當(dāng)Kz增大至與Kx相等時(shí),影響半徑為1 053 m,約減小了14.94%。當(dāng)Kz繼續(xù)增大時(shí),Kz>Kx,地下水水流特征發(fā)生明顯變化,由水平流為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐源瓜蛄鳛橹鳌?/p>

2.1.3 貯水率

滲流力學(xué)中常用貯水率μs表示含水層彈性釋水的能力,對(duì)于承壓含水層可用彈性釋水系數(shù)μ*表示;而對(duì)于潛水含水層,因重力釋水量遠(yuǎn)大于彈性釋水量,計(jì)算中常忽略彈性釋水量,僅考慮重力釋水量,因此用給水度μ表示重力排水能力。依據(jù)本文所概化的水文地質(zhì)概念模型,第2層風(fēng)化帶為微承壓水(承壓水頭僅2.0 m),礦區(qū)排水后,較短時(shí)間內(nèi)地下水類(lèi)型由承壓水轉(zhuǎn)為無(wú)壓水,因此,在分析充水條件的變化時(shí),第2層與第1層均選取μ進(jìn)行分析,第3層選取μ*。參數(shù)變化情況見(jiàn)表2所列。

表2 參數(shù)變化情況

(1) 給水度μ。調(diào)整第四系含水層和風(fēng)化帶含水層的μ,地下水位降深及影響半徑變化過(guò)程如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知,隨著μ增大,第3層中心點(diǎn)處的水位降深隨之變小,其變化幅度隨著μ的增大而減小,且當(dāng)μ變化相同幅度(如增大1倍)時(shí),第2層的μ對(duì)水位降深的影響比第1層稍大;另外,隨著μ變化幅度的增大,礦坑排水形成的影響半徑隨之減小。μ對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)特征的影響主要是通過(guò)越流來(lái)實(shí)現(xiàn)的;μ越大,表示水頭變化1個(gè)單位,模擬區(qū)所釋放或儲(chǔ)存的水量越大,礦坑排水時(shí),第1層或第2層水頭均要減小;但因μ增大,相同排水條件下所產(chǎn)生的水頭變幅減小,相鄰層位的水頭差增大,越流量相應(yīng)地也增大,因此,第3層、第2層的水位降深和影響半徑均將減小。

圖7 不同含水層的μ與第3層水位降深和影響半徑的關(guān)系

圖8 不同含水層的μ與第2層水位降深的關(guān)系

(2) 彈性釋水系數(shù)μ*。調(diào)整第3層基巖裂隙含水層的μ*,得到地下水位降深及影響半徑的變化過(guò)程,如圖9所示。

圖9 水位降深和影響半徑與μ*的關(guān)系

由圖9可以看出,隨著μ*增加,第3層中心點(diǎn)處水位降深與影響半徑均隨之變小,但變化幅度不大,當(dāng)該參數(shù)值增大2倍時(shí),水位降深僅減小了0.007%,當(dāng)參數(shù)值增大至80倍時(shí),水位降深也僅減小了0.656%。受裂隙發(fā)育及裂隙連通性等因素的影響,基巖裂隙含水層的富水性一般較弱,μ*較小,數(shù)量級(jí)多處于10-6左右,變化幅度較小,體現(xiàn)在釋放或儲(chǔ)存的水量變化較小,因此,水位降深與影響半徑變化幅度都不大。

2.2 對(duì)礦坑涌水量的影響

本文以第3層中心點(diǎn)處水位降深均降至相同點(diǎn)為約束條件,開(kāi)展充水條件改變對(duì)礦坑涌水量的影響評(píng)價(jià)。

2.2.1 水平滲透系數(shù)

根據(jù)2.1.1節(jié)中水平滲透系數(shù)Kx的變化幅度,得到礦坑涌水量隨不同層位滲透系數(shù)的變化過(guò)程,如圖10所示。

圖10 不同含水層的Kx與礦坑涌水量的關(guān)系

從圖10可以看出,隨著Kx增大,礦坑涌水量也隨之增加,且對(duì)第3層Kx的響應(yīng)程度比第2層與第1層更為明顯,第1層的Kx對(duì)抽水流量的影響甚微。這因?yàn)镵x的大小直接影響地下水在水平方向的運(yùn)動(dòng)速度,當(dāng)參數(shù)值增大時(shí),單位時(shí)間內(nèi)流入巷道的水量增加,達(dá)到相同水位降深需排出的水量也增大;其次,第2層對(duì)第3層越流量的大小主要受控于Kz。

另外,從理論上分析,礦區(qū)涌水量的大小受第3層Kx的影響最大,對(duì)第1層和第2層的反映不明顯,數(shù)值模型分析結(jié)果與理論分析相一致。

2.2.2 垂向滲透系數(shù)

礦坑涌水量隨基巖裂隙含水層垂向滲透系數(shù)Kz的變化如圖11所示。由圖11可知,隨著Kz增大,礦坑涌水量呈先增大后減小并逐漸趨于平衡的趨勢(shì)。

結(jié)合上述分析可知,Kz的大小直接影響越流量的大小;當(dāng)Kz增大時(shí),越流量隨之增大,相應(yīng)的礦坑涌水量也增加。隨后水量減小則是由于風(fēng)化裂隙含水層被疏干,越流量又開(kāi)始減小。

圖11 Kz與礦坑涌水量的關(guān)系

2.2.3 貯水率

貯水率μs的物理意義是典型單元體水頭下降1個(gè)單位所釋放的水量。依據(jù)表2中參數(shù)的變化幅度,礦坑涌水量隨給水度μ的變化如圖12所示。

圖12 礦坑涌水量與不同含水層μ的變化關(guān)系

由圖12可知,隨著第1層或第2層μ的增大,礦坑涌水量均隨之增加。μ越大,表示礦坑排水時(shí)水頭下降1個(gè)單位,含水層所釋放出的水量越多,以降深降至相同值為約束條件時(shí),需排出的水量就越大,即礦坑涌水量隨之增加。

對(duì)于基巖裂隙含水層,其富水性一般較弱,彈性釋水系數(shù)μ*較小,數(shù)量級(jí)多處于10-6左右,且根據(jù)2.1.3的分析,該參數(shù)值的變化對(duì)水位降深與影響半徑影響較小,根據(jù)達(dá)西定律,水量變化亦較小。當(dāng)增大80倍時(shí),涌水量?jī)H從500 m3/d增大至501.2 m3/d,增大了0.24%,因此,μ*對(duì)礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性的影響相對(duì)較小。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)建立數(shù)值模擬模型,詳細(xì)闡述了水平滲透系數(shù)Kx、垂向滲透系數(shù)Kz和貯水率μs3個(gè)參數(shù)的變化對(duì)礦區(qū)周邊地下水運(yùn)動(dòng)特征和礦坑涌水量的影響。

對(duì)于水平滲透系數(shù)Kx,當(dāng)某一層的Kx增大時(shí),該層位中心點(diǎn)處的水位降深值隨之減小;但對(duì)地下水影響最大的是第3層基巖裂隙含水巖組,該層Kx值增大1倍時(shí),中心處水位降深變化幅度達(dá)57.89%。對(duì)于垂向滲透系數(shù)Kz,隨著Kz增大,第3層中心處水位降深呈先減小后略有增大,最后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì);但影響半徑隨之減小,其減小的幅度隨著Kz的增大而逐漸變小,最后趨于不變;當(dāng)Kz繼續(xù)增大時(shí),Kz>Kx,地下水水流特征發(fā)生明顯變化,由以水平流為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐源瓜蛄鳛橹鳌?duì)于給水度μ,隨著μ增大,第3層中心點(diǎn)處的水位降深變化幅度隨著μ的增大而減小;另外,隨著μ變化幅度的增大,礦坑排水形成的影響半徑隨之減小。

對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)特征影響最大的是Kx,其次是覆蓋層和風(fēng)化帶的μ,而對(duì)礦坑涌水量影響最大的是Kz。另外,各個(gè)參數(shù)對(duì)礦坑涌水量影響的程度也不相同,μ對(duì)礦坑涌水量的影響主要體現(xiàn)在充水水源水量的大小;Kx則主要體現(xiàn)在礦坑涌水的快慢。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Effect of water filling conditions on dynamics characteristics of groundwater in mining area

LIU Peigui1, LUO Peng2, WU Liang1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Based on a numerical model, considering the source of water and water passageway, the influence degree of the change of parameter values on the water inflow in mine and features of groundwater movement surrounding the mining area was analyzed. Three parameter values were given, including the horizontal permeability coefficient, vertical permeability coefficient and water storage coefficient. The results show that the direct source of water of pit water is fissured bedrock aquifers, but the weathered zone and overburden above the direct water-filled formation has the largest effect on water inflow in mine instead of the groundwater of the direct water-filled formation. Both of them influence pit water by the leakage. The horizontal permeability coefficient has the largest influence on the groundwater movement. The vertical permeability coefficient of the direct water-filled formation has the largest influence on water inflow in mine. And the influence of specific yield on water inflow in mine is mainly reflected in the amount of the water from the source of water, and the influence of horizontal permeability coefficient is mainly shown in the speed of water flowing into the mine.

water inflow in mine; hydrogeological parameter; drawdown; water filling condition

2015-12-25；

2016-03-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309071;51509064)

劉佩貴(1981-),女,山東莒縣人，博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.015

P641.41

A

1003-5060(2017)01-0077-06