基于Dimine與Visual Modflow協(xié)同建模的礦區(qū)水文地質(zhì)模型研究

韓汝寧

(西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，西藏 拉薩 850200)

0　引　言

礦井涌水量是礦山安全生產(chǎn)建設(shè)的重要影響因素，其直接決定著礦山采礦方法的選擇與排水方案的制定。對于涌水量較大的地下礦山而言，開展井下涌水量的評價與預(yù)測具有重要意義，其直接決定著礦山能否安全有序生產(chǎn)。多年來，準確預(yù)測礦井涌水量一直是礦山水文地質(zhì)工作者需要解決的難題，主要表現(xiàn)在：礦山水文地質(zhì)調(diào)查不充分；地質(zhì)條件區(qū)域差異性大，變化多樣；預(yù)測及計算方法眾多，難以統(tǒng)一；水文地質(zhì)資料缺失且不一致等。本文從礦區(qū)水文地質(zhì)實際情況出發(fā)，結(jié)合Dimine與Visual Modflow軟件聯(lián)合構(gòu)建水文地質(zhì)模型，實現(xiàn)了水文地質(zhì)參數(shù)的模擬與預(yù)測，具有重要的現(xiàn)實意義。

1　礦山基本情況

礦區(qū)地下賦存大量緩傾斜薄沉積鋁土礦，賦存較深，開采難度高。主要原因是其礦床有著極其復(fù)雜錯亂的水文地質(zhì)情況，頂板薄且不能有效隔水。隨著空區(qū)暴露面積增大，礦層頂板部分的穩(wěn)定性可能遭到一定破壞，將導(dǎo)致礦層頂板倒塌，嚴重時還會發(fā)生安全事故；其穩(wěn)定性一旦被破壞，其位于含水層中的通道，若遇到溶洞或者暗河，即產(chǎn)生突水和泥石流等。

礦山采用主平硐開拓，平硐標高575 m，長約800 m，其主要問題是通道內(nèi)水、泥多次涌入，這條主通道作為礦山整個運輸系統(tǒng)的咽喉，涌水、涌泥造成的后果非常嚴重。礦山在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，也曾多次發(fā)生過礦層巖溶破壞等涌入事故，雖未造成施工人員傷亡，但致使建設(shè)工程進度嚴重滯后，造成了很大的經(jīng)濟損失。

2　礦區(qū)水文地質(zhì)

2.1　充水水源分析

水文地質(zhì)資料顯示，礦區(qū)充水類型主要是大氣降水、地下水、地表水。

1) 大氣降水。地表的大氣降水為主要充水類型，以5～7月暴雨季節(jié)為最大，其他月份對井下充水的影響有限，地表的降水大多匯集于山溝地帶。

2) 地下水。地下水也為礦區(qū)主要的充水類型，包括二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m3+4+5)含水組、二疊系中統(tǒng)棲霞組及茅口組(P2q+P2m1)，以及一般含水組和二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M+長興組(P3l+P3c)弱含水組。

3) 地表水。地表有小河流，季節(jié)性流量較大，對礦床充水無較大影響，暴雨時節(jié)，地表水對礦床的充水作用將明顯提高。

2.2　充水通道分析

從水文地質(zhì)條件調(diào)查結(jié)果來看，該區(qū)域并不存在較大斷層，主要存在的充水通道為頂板冒落裂隙帶型通道、點狀巖溶型通道、面狀裂隙型通道。

1) 頂板冒落裂隙帶型通道。通過探礦坑道的水文地質(zhì)工程地質(zhì)編錄，穩(wěn)定性較差，直接頂板易冒落，一旦發(fā)現(xiàn)裂隙冒落帶型突水，則水量相對會較大。冒落裂隙還有溝通地下暗河或者地表的危險。

2) 點狀巖溶型通道。根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)資料顯示，茅口組灰?guī)r裂隙率約為30%，地表的巖溶率為48%；棲霞組巖溶率約18%，地表的巖溶率約42%，且以溶洞為主。

3) 面狀裂隙型通道。在地下開采的影響下，之前閉合的裂隙將會打開呈現(xiàn)張性，而且裂隙相互溝通也將隨之加大，聯(lián)系緊密，進而會產(chǎn)生突水。

2.3　礦區(qū)綜合水文地質(zhì)情況分析

礦區(qū)地表有小河，流量不大，但是季節(jié)性的變化較為明顯，小河的流量一般為100.8 L/s。礦區(qū)的水文地質(zhì)條件為中等復(fù)雜，主要充水補給來源為地表降水，類型為頂板充水的裂隙巖溶礦床，圖1為區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)剖面圖。

直接充水含水層富水性較為一般，且富水不均，低處富水性高于山坡高處，絕大多數(shù)礦床分布在水位下面，有部分分布在本區(qū)侵蝕基準平面下部。

圖1　水文地質(zhì)剖面圖

緩傾斜薄沉積鋁土礦賦存深，開采難度高，僅水文地質(zhì)這塊就存在很多難題，主要包括以下三個方面。①礦體頂板很薄，不能有效地隔斷上部含水層，而且隨著地下開采，拉開的空區(qū)暴露面積將越來越大，逐漸破壞上部頂板的穩(wěn)定，一旦頂板失穩(wěn)，上部含水層隨機冒落造成突水；②不僅是采空區(qū)，布置在巖溶巖層中的開拓采準巷道，也極易遭遇暗河、溶洞等，極易產(chǎn)生巷道突水或者泥石流；③前期施工的地質(zhì)鉆等鉆孔打通了含水層，若后期封閉不好，遇隱伏的破碎帶或者斷層時,極易造成不同含水層系統(tǒng)的聯(lián)系貫通，上部水經(jīng)過鉆孔和破碎帶進入巷道，產(chǎn)生突水災(zāi)害。

3　水文地質(zhì)建模及涌水量預(yù)測

3.1　模型原理

本次研究是將礦區(qū)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化再通過Dimine數(shù)字礦山軟件與Visual Modflow水文地質(zhì)軟件將其數(shù)據(jù)兩兩耦合銜接，得出擬合數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)輸入Dimine數(shù)字礦山軟件，從而得到礦區(qū)的三維地質(zhì)模型。而礦山的水文地質(zhì)力學(xué)模型則由Visual Modflow水文地質(zhì)軟件進行模擬合成，地下水?dāng)?shù)值也將以礦山的水文地質(zhì)力學(xué)模型進行數(shù)據(jù)模擬，此外還可以對所模擬的數(shù)據(jù)進行檢驗和核對。對地下水流的整體流向和水量分布都可進行數(shù)據(jù)分析，然后進行模擬，以便提前了解礦區(qū)內(nèi)地下水的動態(tài)分布情況。

Dimine軟件是一款礦山三維建模軟件[1-2]，通過該軟件可以對將要開發(fā)的礦山建立各種類型的三維模型，以便掌握整個礦山的水文地質(zhì)情況，幫助工程人員設(shè)計三維空間狀態(tài)下的礦山開拓工程，確保礦山穩(wěn)定、安全、高效生產(chǎn)，減少不必要的傷亡和經(jīng)濟損失。

要想對礦山的地下水進行數(shù)值模擬，首先對礦山水文結(jié)構(gòu)信息進行綜合分析，得出初步水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，再運用地下水水流的數(shù)學(xué)表達式進行計算，最后數(shù)學(xué)建模成功，就可以對想要模擬的數(shù)值進行模擬。Dimine軟件對于數(shù)學(xué)建模來說有確定性模型和隨機模型，其中隨機數(shù)學(xué)模型的變量是一定存在的，且這些變量是隨機不定的；而確定性數(shù)學(xué)模型中的各變量則是相互間有明確關(guān)系的。

運用滲流連續(xù)性方程及水力學(xué)達西定律計算，得出其三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)表達式，見式(1)。

(1)

式中：Kzz、Kyy、Kxx為不同方向上的滲透系數(shù)，m/d；t為時間，單位可以選擇；H為xyz空間坐標系中任意一點在t時刻相應(yīng)的水頭值，m；W為源匯項，L/d；Ω為域，表示立體計算域；Ss為xyz空間坐標系中任意一點的儲水率，L/m；S2為第二類水頭邊界；nz、ny、nx為二類水頭邊界在不同方向(x軸、y軸、z軸)外法向的單位矢量。

Visual Modflow軟件是以Modflow軟件程序為基礎(chǔ)制作的全新水文地質(zhì)軟件，是加拿大Waterloo公司研究開發(fā)。該軟件的最大創(chuàng)新點是將水文地質(zhì)模型、耦合流場模型、地下水方程與三維視窗緊密集聚，靈活組合，最終成為一款數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能強大的軟件。三維有限差分是其功能之一，可以模擬地下水流動，并形成模型[3-6]，其模擬過程見圖2。

圖2　Visual Modflow模擬過程

3.2　模型構(gòu)建

已有數(shù)據(jù)顯示礦區(qū)水文地質(zhì)情況并沒有太過于復(fù)雜。本區(qū)域地下水的主要來源為地表降雨，多為含水巖層。海拔較高地方的富水性往往比不上海拔低的地方，可見其含水層的富水性有著明顯的海拔梯度分布。在地下水下面才是礦層的所在地，甚至侵蝕基準面下方還有礦層的存在。

由圖1可以看出，地下巖層按照含水性多少依次劃分為5個分層。地表模型和各含水層頂?shù)装迥Ｐ褪窃撍哪Ｐ统晒?gòu)建必不可少的條件。導(dǎo)入模型的各個高程點是Visual Modflow構(gòu)建模型的常用手段，如直接運用Visual Modflow軟件建模具有相當(dāng)大的難度，高程點輸入較為繁瑣復(fù)雜。Dimine軟件使得該建模過程大大簡化，只需將現(xiàn)有的地表等高線數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Dimine軟件中系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)換為高程點并轉(zhuǎn)化為地表模型。

為了解該礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征及空間形態(tài)，本文對其進行了三維剖分，其各含水層剖面劃分見圖3。依據(jù)巖體水文的特性，該模型在垂直方向上有6個不同類型巖層，且每個巖層的滲透系數(shù)都不同，進行水文地質(zhì)模擬時巖層的滲透系數(shù)是必須輸入的。

水文地質(zhì)條件往往較為復(fù)雜，邊界條件也很難準確界定，對模型來說，邊界條件具有動態(tài)發(fā)展的特性，通常應(yīng)掌握其發(fā)展的規(guī)律，研究所有現(xiàn)有的水文地質(zhì)資料，建立模型時應(yīng)充分考慮到這些。本次建立的模型，將區(qū)內(nèi)邊界都設(shè)置為第二類水頭，這是簡化模型的考慮，同時在導(dǎo)入各層初始水頭時，還應(yīng)兼顧地表降雨對水頭造成的影響，將該礦區(qū)全年的每月降水量輸入Visual Modflow中的recharge項目里，就可初步得到礦區(qū)三維水文地質(zhì)模型，見圖4。

圖3　各含水層剖面劃分圖

圖4　三維水文地質(zhì)模型

3.3　模擬分析

將研究區(qū)域內(nèi)的地下水補給量和排出量、邊界條件、降雨徑流等因素綜合計算分析，就可以預(yù)測研究區(qū)域的涌水量。本次模擬預(yù)測涌水量的對象是575m主平窿區(qū)域，模擬采用區(qū)域水均衡原理進行預(yù)測，該方法的原理是依據(jù)流入與流出研究區(qū)域的水量值關(guān)系來進行涌水量的預(yù)測，求解出某研究模型區(qū)域內(nèi)總涌水量的近似值，這種方法實用簡單。本次模擬時間段采用的是2010年全年。每一個應(yīng)力期實際上對應(yīng)每一個月份，每個月份的每一天都需要計算，全年365 d計算完成后，輸出結(jié)果。該軟件的結(jié)果輸出功能較為強大，輸出結(jié)果值包括流量、流線、降深、水頭值、流速等。

空間物理模型建成后，開始進行初始滲流場的擬合，擬合前需對初始水位進行校正，使計算值在誤差允許范圍內(nèi)，模型才可使用到后面的研究內(nèi)容中。

四個礦山水文地質(zhì)圖(圖5～8)是在同一個應(yīng)力期時所表現(xiàn)的，也可以看出，礦區(qū)水頭由西向東逐漸變得密集，該變化趨勢基本與該地區(qū)的高程一致，也符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況。對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化還可以得到區(qū)域內(nèi)各層的三維流場圖，見圖9。

模型完成解算后，執(zhí)行Zone budge(區(qū)域水均衡)就可得到涌水量與應(yīng)力期的關(guān)系，圖10為575m主平窿區(qū)域內(nèi)全年各應(yīng)力期的涌水量曲線圖，從圖10中可以看出，涌水量是隨季節(jié)變化而發(fā)生改變的，其中涌水量在7月份左右達到最大，4月份時涌水量則為最小。

圖5　流量圖

圖6　地下水降深圖

圖7　地下水水頭圖

圖8　地下水流線圖

圖9　某應(yīng)力期內(nèi)模型流場圖

圖10　各應(yīng)力期相應(yīng)的涌水量曲線圖

4　結(jié)　論

1) 創(chuàng)新性地將Dimine與Visual Modflow軟件配套使用，構(gòu)建成礦山水文地質(zhì)模型，有效降低了單獨使用Visual Modflow軟件進行礦山水文地質(zhì)建模的難度，實現(xiàn)了CAD-Dimine-Visual Modflow這三者之間的數(shù)據(jù)耦合鏈接。

2) 利用Visual Modflow軟件的有限差分功能完成水文地質(zhì)的三維建模，通過定義地下水文地質(zhì)參數(shù)， 設(shè)定邊界條件， 輸入外部水源補給， 結(jié)合應(yīng)力

期進行求解，得到應(yīng)力期內(nèi)特定研究模型范圍內(nèi)地下水的降深、流量、水頭值、流線、流速等參數(shù)。

3) 通過Visual Modflow所建立的地下水?dāng)?shù)值模型對地下水流場變化和區(qū)域水均衡情況的計算，得出575m主平窿各個應(yīng)力期的涌水量值曲線圖，其中涌水量在7月份左右達到最大，4月份時涌水量則為最小。

4) 本次研究地區(qū)模型較大，建立模型時簡化了礦區(qū)水文地質(zhì)條件，前期水文地質(zhì)參數(shù)準確與否對模擬結(jié)果影響較大，因模型較為簡單粗略，使得模擬結(jié)果與實際值難免出現(xiàn)一定偏差，還需對模型精確性做深入研究。