金屬礦山地下水流動規律及涌水量預測數值模擬研究

李 文， 顧秀華， 劉育明， 樊 勇， 楚金旺， 楊培培

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.北京科技大學 土木與資源工程學院， 北京 100083)

0 引言

金屬礦山地下水害預防是一項非常重要且艱巨的任務[1-2]。由于地下礦山揭露空間狹小，對礦區內部的水文地質條件了解不充分，在強降雨等惡劣天氣常易引起淹井等水患風險，對礦山安全及正常生產帶來不利影響[3]。地下水的流動是一個動態的復雜系統工程，其主要受地下水水源、地下水滲流通道等決定。地下水水源主要來自地下含水層中蘊藏的地下水以及降雨、河道等地表水入滲。地下水的滲流通道主要是透水性(較)好的巖層、巖體結構面、破碎帶等以及開采擾動誘生的貫通裂隙等。通過現代監測技術及計算機技術，對礦山地下水進行實時動態監測[4]和全生命周期的數值模擬，可以有效地預防井下地下水害的發生，為礦山合理設計防排水工程提供依據。

隨著對地下水資源定量評價研究的深入，地下水數值模擬作為一種重要的可定量分析方法得到了充分的發展和應用。我國地下水數值模擬的應用與研究始于1973年，目前國內在這方面已開展較多研究。姚文濤[5]等通過分析東歡坨礦延深水平水文地質情況，利用FEFLOW軟件對礦井地下水區域流場、地下開采對區域地下水的影響情況進行了模擬分析，并預測出礦井延深水平涌水量。陳超[6]等將某礦區水文地質系統概化為三維降雨入滲模型，采用FEFLOW構建了礦區地下水流入滲分析模型，并模擬了2%暴雨頻率條件下露天礦坑匯積水入滲至地下采場的水流動態過程，探討了2%暴雨頻率下持續降水時長對井下涌水量的影響。李彩梅[7]等以FEFLOW模型和GIS技術為平臺，構建山西礦區三維地下水數值模型，進行地下水動態研究，模擬并預測了4種不同情境下礦區地下水動態過程，從而定量分析采礦活動對地下水動態的影響，揭示礦區開采對地下水系統的作用機制。范書凱[8]等為了分析礦山開采過程中對礦區及其周邊地下水的影響，運用GMS軟件對羅河鐵礦礦區地下水流進行了數值模擬分析，對礦山涌水量進行了預測，并分析了礦山疏水后對周邊環境的影響。楊彪[9]等在Visual MODFLOW中建立了凡口鉛鋅礦地下水數值模擬模型，分析了該礦山地下水流場，揭示了礦區的地下水動態特征。

前人學者采用數值模擬方法對礦山地下水的模擬已開展了較多工作，但大多簡化為平面模型，很少建立真三維的礦區地下水分析模型。本文旨在闡述礦區真三維地下水模型建立的關鍵要點，并結合工程案例開展礦區地下水流動規律和涌水量預測研究。

1 地下水數值模擬在礦山工程中的應用

伴隨著地下水科學與計算機科學的同步發展，相應的地下水數值模擬軟件得到了快速發展和推廣，并已廣泛地用于國土、市政、水利、礦業等專業領域研究中。以Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW、Visual Groundwater這三款軟件在國內更為常用[10]。以FEFLOW軟件為例，開展地下水數值模擬在礦山工程中的應用研究，并對礦區真三維地下水分析模型建立過程進行詳細闡述。

(1)獲取礦區地表等高線數據文件，采用dxf2xyz小程序提取等高線離散點坐標，并將離散點坐標數據復制到Excel軟件中，建立表頭分別為“X”、“Y”、“Ele”、“Slice”的高程文件。

(2)在FEFLOW軟件Maps面板中添加上述高程文件，通過在文件名上右鍵選擇“Link to parameters”，建立“Ele”與“Elevation”間的鏈接。再在Slice窗口選擇“Slice1”層面的全部節點，雙擊Maps面板中的鏈接“Ele->Elevation”(見圖1)，編輯對話框轉變為Elevation賦值，點擊確認即實現對“Slice1”的賦值，形成真實三維地表面。

圖1 高程數據建立鏈接方法

(3)將礦區采場巷道平面圖中的巷道軸線進行離散點處理并提取點坐標，將提取的離散點坐標復制到Excel文件中，表頭分別為“X”、“Y”、“Z”，并將文件另存為制表符分隔的文本文件，再將該文本文件另存為“巷道.dat”格式文件。

(4)通過FEFLOW軟件的Maps面板將上述文本文件導入，在選擇工具條中選擇“Select Element”和“Select All”，并將選擇的單元保存為“Allelements”。在Meshing面板中選擇“TetGen”網格劃分方法，將Selections面板中的“Allelements”單元集拖拽到From Element Selection中的Mesh Items窗口，并將Maps面板中的“巷道”文件拖拽到Map Items中，點擊網格生成工具即可完成巷道的嵌入以及網格的重劃分。

參照以上方法即可建立包含真實地表和內部結構的真三維礦區地下水分析模型(如圖2所示)。

圖2 礦區三維地下水分析模型

2 案例分析

2.1 礦區概況

某礦區位于我國東北遼寧省境內，地處中低山地區，屬于千山山脈的延伸部分。礦區出露地層主要有太古宙鞍山群地層、下元古代遼河群地層以及新生代第四系覆蓋層。礦區斷層根據與礦體走向相互關系可分為斜交斷層、走向斷層和橫斷層三組。該礦區礦體早期采用露天方式進行開采，現已完全轉為地下開采模式，井下-321 m為主運輸水平，是保障礦山正常生產的重要通道。

2.2 水文地質模型概化

建立礦區概念模型主要需要實現以下目標：概念模型能夠真實再現礦區水文地質原型；所確定的各類邊界條件符合礦區地下水流場的趨勢和特點；模型邊界以完整地質單元邊界為參考，盡量采用自然邊界；人為邊界性質的確定應從不利因素考慮等[7]。表1中列出了礦區主要巖層及地質結構的滲透系數。

表1 模型地層及結構滲透系數

2.3 礦區地下水流動規律分析

在開展礦區三維地下流動分析前，通過建立礦山區域的二維平面水文地質模型，對區域的地下水原始水位分布規律進行初步分析。值得注意的是，此二維平面分析沒有考慮地形起伏高程的變化，故而因地形變化引起的地下水位變化沒有考慮。礦區區域地表水系主要有位于其西北部方向的萬水河(距離約7.8 km)，以及位于其正東方向的湯河水庫(距離約13 km)，礦坑南部的谷首峪河為萬水河的支流，該河流常年處于枯水狀態。根據前期的水文地質資料收集得知礦區第四系孔隙潛水含水層厚0.5～20 m，滲透系數為0.5～34.47 m/d，模擬中將均以最大值進行計算。通過建立區域地下水分析模型，根據萬水河和湯河水庫的水位高程，分析該區域地下水的原始分布規律。

圖3是萬水河水位高程為85 m，湯河水庫水位高程為125 m時該區域的地下水位分布。從圖中可以看出，礦區區域北部和南部的水位高程基本相等，東部和西部的水位高程相差約4 m(東部和西部水頭高度分別約為109 m和105 m)。

圖3 礦山區域地下水分布

在開展三維地下水流動分析時根據真實地表地形、斷層產狀以及巷道布置建立了礦區區域的水文地質模型，并結合區域二維平面水文地質模型分析得到的礦區范圍內地下水位分布規律，在三維模型的西部邊界設定水頭高度為80 m，東部邊界設定水頭高度為84 m，開展礦區區域三維地下水流分析。圖4a為礦區抽水容量為1 000 m3/d時的地下水分布圖，圖4b為切剖面后處理后顯示的抽水井周圍地下水位分布圖，可以明顯地看到井周形成的地下水位降落漏斗。

圖4 礦區三維地下水分布

2.4 礦區地下水涌水量預測

圖5 正常情形下礦區東西剖面地下水分布圖

圖6 富水條件下礦區東西剖面地下水分布圖

為了開展礦山巷道涌水量預測，建立了礦山二維豎直剖面水文地質模型(礦區的東西軸剖面)，根據-321 m水平與該剖面相交的巷道進行了巷道開挖，并在巷道邊界設置(Seepage Face)水頭邊界條件，根據礦區區域地下水分析得到的結果作為模型的邊界條件(西部水頭邊界條件設為80 m，東部水頭邊界條件設為84 m)，以區域巖石滲透系數為5e-5 m/s，計算-321 m水平巷道中的地下水涌水量。在-321 m水平布置的巷道共有13條與該剖面相交，地下水位分布見圖5所示；總的涌水量為598 m3/d，其中，最西端的巷道涌水量為83 m3/d，最東端的巷道涌水量為155 m3/d。當假定為富水條件時(西部水頭設為85 m，東部水頭設為100 m)，地下水位分布見圖6所示；此時總涌水量為681 m3/d，最西端的巷道涌水量為88 m3/d，最東端的巷道涌水量為184 m3/d。

通過改變區域巖石的滲透系數，得到了不同情形下-321 m水平巷道的總涌水量，見表2。從表中可以看出，巷道涌水量與巖石滲透系數呈正相關性，隨著巖石滲透系數的增大，巷道中的涌水量也增多。

表2 不同滲透系數下的巷道涌水量

以巖石滲透系數5e-5 m/s，西部邊界水頭為80 m，東部邊界水頭為84 m為例，分析不同降雨(在模型頂部施加流量邊界)條件下井下巷道的涌水量，見表3。從表中數據可以看出，不同降雨入滲條件下，巷道中的涌水量隨降雨量的增多而增大，在強降雨條件下應加強巷道中的排水工作。圖7分別為降雨條件為0.1 m/d和0.237 m/d時的區域地下水位分布圖，通過對比兩圖中水位線的分布可以看出，地下水的分布與露天坑的匯聚作用以及降雨量大小存在相關性。

表3 不同降雨條件下的巷道涌水量

圖7 不同降雨條件下礦區區域地下水分布圖

3 結論

通過開展金屬礦山地下水流動規律及涌水量預測研究，建立了真三維地下水分析模型的建模方法以及分析模式，并成功應用于某露天轉地下金屬礦山地下開采過程中的地下水涌水量預測，可為礦山地下水管理及防排水工程提供指導。同時，可以將該數值模擬方法推廣到其他類似礦山的地下水分析。