基于數值法的控礦構造帶礦坑涌水量預測研究

韓忠 劉樂軍 袁星芳 王文瑾 曲洪飛

摘? 要：焦家斷裂帶金礦密集，相鄰礦山開采相互干擾明顯，單一礦坑的涌水量研究工作已經不能滿足礦山生產需求。通過建立多礦山聯合開采的焦家控礦構造帶地下水流數值模型，模擬預測干擾開采條件下不同開采中段的礦坑涌水量及隨時間的變化規律，為礦山開采制定防治水方案提供依據。模型中采用barrier障礙邊界模擬控礦構造阻水帶對地下水水平流的阻礙作用，在傳統水位及觀測孔擬合的基礎上，進行礦坑涌水量擬合校正，進一步提高模型模擬精度。

關鍵詞：焦家斷裂;數值模擬;礦坑涌水;礦山聯合開采;GMS

中圖分類號：P641.4+1 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）11-0117-03

Abstract： The gold deposits in Jiaojia fault zone are dense， and the mining of adjacent mines interferes with each other obviously. The research work of water inrush from a single mine can no longer meet the needs of mine production. By establishing a numerical model of groundwater flow in Jiaojia ore-controlling structural zone of multi-mine joint mining， the water inflow of pits in different mining sections under disturbed mining conditions and its variation with time are simulated and predicted. It provides the basis for the formulation of water prevention and control scheme in mining. In the model， the barrier boundary is used to simulate the hindrance of the ore-controlling structural water blocking zone to the horizontal flow of groundwater. On the basis of the traditional water level and observation hole fitting， the mine water inflow is fitted and corrected， and the simulation accuracy of the model is further improved.

Keywords： Jiaojia fault; numerical simulation; mine water gushing; combined mining; GMS

1 研究背景

礦坑涌水是困擾礦山開采的重要隱患[1]，礦坑涌水量預測是礦山開采的先行步驟和必要環節，可為礦山開采設計中制定防、治水方案提供重要依據[2]。

對于開采條件較簡單的單個礦區，涌水量預測多采用水文地質比擬法[3]、大井法[4]、水均衡法[5]、涌水量曲線方程法[6]、基于裘布依穩定井流理論的解析法以及數值法[7]。本文采用數值法進行焦家控礦構造帶礦坑水模擬研究。采用國際通用的可視化軟件GMS（Groundwater Modeling System）[8]，建立焦家控礦構造帶地下水流數值模型，預測礦山聯合開采條件下不同時段、不同開采深度的礦坑涌水量，為后期礦山開采提供技術指導。

2 研究區概況

焦家斷裂帶位于煙臺萊州市境內，南鄰青島，東接威海。大地構造位置位于沂沭斷裂帶北段東側，膠北隆起西緣，南接膠萊凹陷。焦家斷裂帶屬壓扭性斷裂帶，走向10°～30°，傾向北西，傾角29°～56°，規模較大，影響范圍較廣，不僅控制著金礦體的分布與埋藏，同時也控制著地下水的富集、運移及水力特性。

斷裂帶中間部位分布連續的斷層泥和兩側的碎裂巖具有良好的隔水性。斷裂帶兩側受構造影響，構造裂隙發育，是地下水賦存和運動的有利場所，是較好的富水部位。下盤的基巖構造裂隙含水層（帶）是礦坑充水的直接含水層，也是金礦體的主要賦存部位。頂部為分布比較連續的隔水帶，下部是以二長花崗巖為主體的隔水底板，與其它含水層之間的水力聯系較弱。

3 水文地質概念模型

3.1 模型范圍及邊界條件

根據斷裂帶及附近區域的水文地質條件，確定模型范圍及邊界條件：北部邊界為海岸線，設為定水頭邊界。南部邊界為米山-金華山形成的天然地下水分水嶺，設定為流量邊界。東西部邊界分別為諸流河和朱橋河，設為定水頭邊界。

3.2 斷裂帶水力性質概化

在模擬區中部地區北東-西南向斷裂發育，主斷裂中心發育有連續穩定主裂面，兩側為碎裂巖，該部位導水性和富水性很差，阻水性強，對地下水流具有控制和阻礙作用。采用MODFLOW模塊下的barrier障礙邊界對斷層進行處理。

3.3 地下水流動系統概化

礦坑地下水流從空間上看是以垂向運動為主、水平運動為輔，地下水為三維地下水流。地下水系統的輸入、輸出隨時間、空間變化，地下水系統為非穩定的分布參數系統。地下水系統參數、補排項隨空間變化，體現了系統的非均質性，所以參數概化為非均質各向同性。

綜上所述，將研究區地下水系統概化成非均質各向同性、空間雙層結構、非穩定流三維地下水流系統。

4 地下水流數值模型

4.1 數學模型

對研究區的地下水系統進行抽象概化，在建立水文地質概念模型的基礎上，進一步轉化為數學模型。根據Darcy定律、質量守恒定律以及能量守恒定律，并且不考慮水密度變化的情況下，得到地下水流動偏微分方程：

式中：Kxx，Kyy，Kzz-滲透系數在x，y，z方向上的分量，我們假定滲透系數的主軸方向與坐標軸的方向一致，量綱為（LT-1）;h-含水層的水位標高（L）;W-單位體積流量（T-1），用以代表流進匯或來自源的水量;Ss-對非承壓含水層為給水度，對承壓含水層為貯水率（L-1）;t-時間（T）。

4.2 地下水流模擬

4.2.1 空間剖分

根據研究區域大小及計算精度要求，在平面上將研究區剖分為60行×60列，垂向上分為第四系含水層和構造裂隙含水層兩層。其中第一層第四系含水層有效單元642個，第二層構造基巖裂隙含水層有效單元1641個。

4.2.2 時間離散和初始條件的確定

模擬期確定為2015年1月1日～2016年12月30日，將每個自然月作為一個應力期，共24個應力期。在建立擬合期初始流場時采用各含水層水井水位標高及各長觀孔的初始水位標高，然后值賦給模型參與迭代計算。

4.2.3 源匯項的處理

對源匯項的處理，主要包括兩大類。一類是以含水層面狀補給率的形式給出，如降水入滲補給;另一類是以點井的形式給出，如礦坑排水、山前側向徑流、河流滲流補給等。這兩類源匯項均分配在活動單元格上參與計算。

4.3 模型的識別與驗證

4.3.1 觀測孔擬合

通過反復調整參數和均衡量，識別水文地質條件，確定模型結構、參數和均衡要素。選取有代表性的觀測點進行擬合，計算各擬合點計算水位與觀測水位的絕對誤差在0.2～0.4之間。

長觀孔擬合曲線圖中圓點為預測值，倒三角為長觀孔的實際值。由擬合結果可知，大部分擬合點的平均絕對誤差小于0.5m，所建立的模型滿足模擬精度要求。

4.3.2 礦坑涌水量擬合

為進一步提高模型可靠性，提高礦坑涌水量預測精度，本次通過以往大量的涌水量觀測數據，對礦區開拓巷道水平的實際涌水量與預測涌水量進行擬合對比（表1）。由擬合結果可知，礦坑涌水量計算值相對誤差小于1.7%，擬合效果較為理想。

表1 各礦區涌水量擬合對比表（單位m3/d）

綜上所述，所建立的地下水流數值模型符合研究區水文地質條件，基本反映了地下水系統的動態及涌水量變化特征，故可利用模型進行地下水水位、水量的預測預報。

5 礦坑涌水量預測

5.1 涌水量預測模型

本次礦坑涌水量預測分為兩部分：一是不同開采中段涌水量預測;二是各個開采中段涌水量隨時間的動態變化趨勢預測。針對以上兩種需求，將源匯項中的礦坑涌水量用排水溝的形式表達，排水底板標高設置為要預測涌水量的開采水平，模擬礦井隨開采深度的增加涌水量動態變化趨勢。

5.2 不同開采中段涌水量預測

在當前礦井開采深度的基礎上，考慮未來開采深度不斷加大條件下，預測不同開采中段礦坑涌水量（圖2）。預測成果表明，隨著開采深度的增加，各礦區涌水量隨之增加，增幅有差異。開采至-2000中段，新城礦區、焦家礦區、寺莊礦區及望兒山礦區涌水量分別達到4565m3/d、29034m3/d、21140m3/d、45803m3/d，其中望兒山礦區的涌水量最大，新城礦區的涌水量最小，增加幅度也最小。

圖2 各礦區不同開采中段預測涌水量曲線

可見，隨著金礦的開采，礦坑涌水量將成為制約礦山開采的重要因素。礦山生產過程中宜根據不同開采中段的涌水量制定相應的防、治水措施，確保安全生產。

5.3 涌水量動態變化預測

假定5年開采一個水平中段，20年可以開采4個水平中段，利用上述地下水流數值模型對焦家成礦帶開展未來20年開采這4個水平的變化趨勢進行預測，圖3為焦家礦區最后一個中段涌水量動態預測結果。

由涌水量預測動態曲線圖可見，各礦區的涌水量季節性變化明顯，總體夏季呈上升趨勢，冬季呈下降趨勢。涌水量總體在某一固定值附近波動，最后趨于水平，說明隨著開采的進行涌水量最終趨于穩定值。

6 結論

（1）聯合開采條件下，焦家控礦構造帶礦坑涌水量開采至-2000中段，新城金礦、焦家金礦、寺莊金礦、望兒山金礦礦坑涌水量將分別達到4565m3/d、29034m3/d、21140m3/d、45803m3/d。

（2）受河流通過導水斷裂對礦坑水的補給作用影響，寺莊礦坑涌水量隨季節性變化不明顯，涌水量較為穩定。其它礦區礦坑涌水量具有明顯的季節變化特征，隨著礦山的開采，需根據涌水量變化特征及時調整疏干排水方案。

（3）barrier障礙邊界在處理控礦構造阻水帶對地下水水平流的阻礙作用方面，模擬效果良好。通過礦坑涌水量擬合校正，提高模型預測的準確性。

參考文獻：

[1]韓玉杰，陶月贊，周蜜，等.基于數值法和解析法的礦坑涌水量預測對比分析[J].水利科技及與經濟，2014，10（20）：7-8.

[2]戴巖柯，崔世新，張坤.水均衡法和數值模擬法在礦坑深部涌水量預測中的比較-以西石門鐵礦為例[J].地下水，2010，1（32）：24-26+48.

[3]李小勇，林堅，邱鳳，等.水文地質比擬法在礦坑涌水量預測中的應用[J].資源環境與工程，2014，28（01）：66-68.

[4]馬洪超，林立新.大井法預測礦坑涌水量[J].采礦技術，2009，9（02）：53-54+79.

[5]郭映忠.復雜巖溶礦床延深水平涌水量的預測[J].地球與環境，2005，33（3）：19-28.

[6]王世玲，楊作舟.遼寧磚廟硼礦區二人溝礦段的礦坑涌水量預測方法及預測結果[J].化工地質，1994，16（4）：269-275.

[7]薛禹群.水文地質學的數值法[M].北京：煤炭工業出版社，1986.

[8]賀國平，張彤，趙月芬，等.GMS數值建模方法研究綜述[J].地下水，2007（03）：32-35+38.