礦山水害的模擬與智能防治決策

朱承敏，高 超，容玲聰

(長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

我國金屬非金屬礦山地下水災害嚴重[1]，金屬礦山中尤其是水文地質條件復雜的巖溶充水礦床礦坑涌水量特別大，單礦井的涌水量常常可達到每天幾萬立方米至幾十萬立方米，以集中突水為主要充水方式，單個突水點的涌水量可達每小時數千立方米甚至幾萬立方米，突水點集中分布在某一方向或某一地段，使巖溶充水的礦床在開采過程中容易造成透水災害事故。深部開采時，在長期的高溫、高壓狀態下，巖石出現大量的細小裂隙，因開采活動，臨空圍巖在一定范圍內卸壓，出現單方向應力釋放，從而產生更多更寬的網狀裂隙，高壓水順裂隙并隨著應力和壓力釋放，導致裂隙變寬、水量快速增大，并溝通上部含水層或導水構造，往往在幾小時內轉化為大突水，開采深度達到2 000 m時將產生高達20 MPa以上的高滲透壓力，突水機率隨之增加[2]，更容易誘發透水災害事故。

為了給快速處理透水事故提供依據，通過水害監測數據分析及處理系統，模擬礦山生產過程中水害形成機制，并自動分析做出治理方案決策，從而實現礦山防治水智能管理和礦山的智慧建設[3-4]。

1 軟件及依托項目簡介

1.1 軟件簡述

水害監測數據分析及處理軟件系統主要由監測數據管理、資料處理與結果展示、模型管理、地下水災害管理、地下水疏干模型仿真管理、報警設置、報表管理等七大部分組成。系統研發流程圖見圖1。

各模塊功能如下所述。①數據管理。基礎數據錄入、查詢、修改、刪除、備份、恢復等模塊。數據錄入方式，可以采用手動錄入，也可以開發自動錄入系統。②數據處理與數據分析。單個觀測孔隨著時間變化的曲線圖；某一時刻，觀測區域的水位平面等值線圖、水位剖面圖、水流方向示意圖。③模型處理。利用現有商業化的軟件系統(GMS或MODFLOW)進行建模處理。仿真礦山地下水在各種不同情況下的分布情況。④水害預警。可對水位、水量、水質、水溫設置相應的預警參數，當采集或輸入數值超過預警參數時，系統及時發出聲音和圖像報警，提示系統管理人員，有參數超過警戒數值，提前及時處理警戒狀況。⑤事故鑒定與分析。水災事故發生后，及時組織相關專家鑒定結果、分析原因，并記錄現場狀況(照片)。將鑒定與分析過程實時記錄，載入系統，以備不時進行查詢。⑥事故處理與防治決策。水文調查、處理與防治決策是一個預研究與模擬分析為主的綜合決策過程。該模塊主要通過模擬計算，比較直接疏干與疏堵結合方案的投資成本，尋找到最優方案。⑦報表管理與輸出。根據用戶需求，設計相關報表并輸出。

圖1 軟件系統研發流程圖Fig.1 Software system development flow chart

1.2 項目介紹

凡口鉛鋅礦區主要含水層及與礦體的聯系。

1) 水草坪礦床存在兩個主要含水層：一是淺部為壺天群(C2+3ht)溶洞含水層和東崗嶺組、天子嶺組溶洞-裂隙含水層；二是深部(-200 m以下)為東崗嶺上亞組和天子嶺下亞組(D2db、D3ta)深層裂隙承壓含水層。深部含水層與淺部石炭系壺天群(C2+3ht)含水層沒有水力聯系。淺部含水層雖然水文地質條件復雜，水量大，但已處于疏干狀態。疏干漏斗于20世紀60年代末已基本處于動態平衡狀態，即旱季漏斗向外擴張，雨季向內收縮，如此往復。

2) 第四系(Q)坡殘積層為相對隔水層，石炭系下統(C1)砂頁巖、泥盆系上統天子嶺組中上亞組(D2tbc)雜質灰巖、泥盆系上統帽子峰組(D3m)砂頁巖、泥盆系中統東崗嶺組下亞組(D2da)砂頁巖為隔水層；金星嶺以南斷層F3、F4、F5、F102、F103等為相對隔水帶。

礦區西部天子嶺組條紋狀灰巖、泥質灰巖和石炭系下統砂頁巖組成西部隔水邊界；礦區北部石炭系下統砂頁巖和泥盆系上統帽子峰組砂頁巖組成北部隔水邊界。北部和西部隔水邊界組成礦區“廠”字型的相對隔水邊界。

3) 凡口鉛鋅礦區水草坪礦床礦體賦礦地層主要是中泥盆統東崗嶺上亞組(D2db)和上泥盆統天子嶺下亞組(D3ta)，其次是下石炭統(C1)、中上石炭統壺天群(C2+3ht)等，礦體賦礦層位是礦區主要含水層，礦體與地下水直接接觸。礦體產出空間位置與控礦斷裂構造關系密切(近斷裂處，礦體厚度明顯增大，遠離斷裂則變薄或尖滅再現)。斷層對礦床不存在導水作用，其本身未能構成地下水的通道和儲藏所，但斷層旁側的次一級張性裂隙在帶酸性水的作用下，可溶地層逐漸被溶蝕后形成溶洞和溶蝕裂隙，成為地下水的通道和儲藏所。

4) 水草坪礦床礦坑水的主要補給來源是大氣降水和地表水的垂向下滲(或下灌)，其次為降落漏斗外圍地下水的側向逕流。深部充水來源，主要是通過裂隙接受凡口鉛鋅礦區西部(獅嶺以西)和北西部一帶的天子嶺組和東崗嶺上亞組的淺部溶洞-裂隙水，并通過裂隙進行深循環和儲存。

5) 水草坪礦床礦坑地下水存在三個明顯的進水通道：一是F4至F5之間的金星嶺南部進水通道，集中從-40 m新南截流巷涌出；二是西部隔水邊界至F4之間的獅嶺南部進水通道，主要從獅嶺南放水巷涌出；三是金星嶺北部進水通道，主要從0 m北截流巷涌出，進水方向為正東方向。

6) 水草坪礦床獅嶺區段屬于以裂隙含水層充水為主，礦體與地下水直接接觸，地下水直接進入礦坑，水文地質條件中等的深層裂隙承壓水礦床。

根據項目需求，收集凡口鉛鋅礦的水文地質資料，以該礦山的資料為基礎，建立地質、地表水、地下水復雜綜合三維實體模型，對礦山未來20年及40年開采周期過程中水害發生各階段進行數值模擬，再現事故發生過程，并自動分析決策出最優防治方案。

2 模型建立

2.1 地質建模(3D概念模型)

對凡口鉛鋅礦地質、水文資料的歸納整理，主要地層見表1。

通過對凡口礦擬開采區搜集了246條測線，并從361個鉆孔的資料中，提取2 660個巖性分界面的信息資料，對其中42個鉆孔的298份巖性分界信息數據進行了重復檢查提取資料，檢查誤差4.2%，確保了數據提取準確可靠。采用概念模型方法，在地質平面圖上確定建立概念模型區域及模型，模型西部邊界、西北部邊界、北部邊界、東北部邊界為隔水邊界，東部邊界是定流量邊界，西南部邊界及南部是固定水頭100 m邊界，-40 m坑道排水通道處于上部含水層，凡口河流河底已經硬化，不考慮補給，雨水補給區域為全部圈定區域，但對下部壺田灰巖補給是通過隱伏淺部巖溶(天窗)，即只有越流補給。依此建立出擬采區域3D地層圖(圖2)。

表1 凡口礦地層Table 1 Fankou mine stratum

圖2 凡口礦擬采區域三維(3D)地層圖Fig.2 Three-dimensional(3D) stratigraphic mapof the mining area of Fankou mine

2.2 網格法模型

MODFLOW建立模型[5]的基礎是有限差分法，采用這種數學方法，模擬區域被分為大量的立體模型單元，每個單元都分配有物理(水力)參數，并由規定的三個數字來表示(行、列和層)。根據凡口礦地層的水文地質性質和特點，將凡口礦研究區MODFLOW三維水文地質模型分為16個單元模型層。

1) 模型分層。為了給礦山開采提供技術參考，模型分層按開采中段設置，共計分為16層，各層底板標高分別為：+75 m、25 m、-20 m、-60 m、-100 m、-140 m、-180 m、-220 m、-260 m、-300 m、-340 m、-380 m、-427.5 m、-477.5 m、-550 m、-650 m。凡口礦設計20年后開采至標高-380 m，40年后開采至標高-650 m。

2) 含水層分區。根據凡口礦含水層系統的構造、不同含水層的滲透系數和傳導系數等水力參數以及各含水層的性質、特點和各含水層之間的水力聯系，建立了凡口礦含水系統地下水三維地質模型，模型分為16層。各層單元設置主要依據礦山提供的中段圖，不同區域的含水層性質及水文地質參數，見表2。

表2 礦區各水文地質單元及參數Table 2 Hydrogeological units and parametersin the mining area

3 礦山水害事故模擬與防治決策

3.1 各中段疏干排水路線布設

根據各中段實際出水點的平面坐標及高程位置設置單元排水井。通過在軟件中運行與每一中段相關聯的排水井的數量、水量、疏干速度及疏干面積等參數，并進行對比分析，得出該中段設計的擬疏干孔最佳位置，并依此設計各中段的疏干排水路線。以-40 m中段，對應第三層水文單元為例，設計出該中段疏干排水路線，如圖3所示。

圖3 -40 m中段疏干排水路線Fig.3 -40 m middle drainage route

3.2 水害監測預警

水害監測預警[6-8]是水災防范和水災管理的重要環節。軟件系統對礦區水位、水量、水質、水溫4種參數(菜單)進行實時監控，根據礦山要求設計各參數的極限值。當監測參數發生突變，例如當礦區第三層含水層水位突變超出警戒值時，系統發出警報并提供準確的井下水位突變位置，以便礦方管理人員迅速通知井下作業員工緊急撤離，同時通過采取緊急預案，快速選擇處理方案。通過對第三層含水層1～7號水位監測點設置水位變化預警，如圖4所示。

3.3 事故處理與防治決策

根據現場實際情況，以及礦山生產需求，系統進行現場模擬仿真運算[9-10]，利用模擬結果作為決策依據，制定相應的決策處理。隨著礦山開采深度變化，需要對礦山地下水的情況進行仿真模擬計算，本系統采用GMS系統[7]進行仿真模擬。在目前礦山的防治水領域，常用的防治水方案有疏干、以堵為主、疏堵結合三大類方案。

圖4 礦區第三層含水層水位變化預警Fig.4 Early warning of water level change in the third aquifer of mining area

傳統疏排水方案指超前疏干，一般可采取地面疏干、井下疏干、地面井下聯合疏干三種可能的方案，分別簡介如下所述。①地面疏干。在基建工程建設前期，在礦床周邊地面施工眾多專用的疏水鉆孔，鉆孔深度超過采礦中段，孔內下置深井泵抽水，并要求地下水位降至采礦中段以下，再開始進行采礦工程。該方案工藝簡單，但鉆孔施工成本較高、管理困難、長期排水費用較高。②井下疏干。基建階段主要采取預注漿的措施進行地下水的防治，保證巷道的掘進，在井下排水系統形成后，再施工專門的疏水巷道、疏水孔等疏干工程，待地下水位降到采礦中段以下時，再進行采礦作業。該方案工藝簡單、井下排水工程管理方便，但由于排水揚程較大，長期排水費用較高。③聯合疏干。即地面與井下相結合進行疏干，一般是前期采用地面降水孔進行排水，一方面保證井筒工程的順利掘進，另一方面排除含水層大量靜貯量，節省后期井下排水時間；后期再以井下疏干工程為主進行地下水的疏放。該方案工藝簡單、兼顧了井筒工程的掘進、井下排水工程管理方便，但疏水工程成本較高、地面工程管理困難，長期排水費用較高。

注漿封堵方案主要有地面在帷幕注漿方案和井下近礦體帷幕注漿方案。前者是在礦區主要進水地段利用鉆孔注漿，在地下形成一條大致垂直地下水逕流方向的人工隔水墻，攔截一半以上的地下水補給量，幕內輔以疏干，在帷幕的保護下進行采礦的一種方法。適用條件是礦床主要充水巖層涌水量大，進水通道相對狹窄，優點是礦坑涌水量小，排水費用低，保護了礦區水資源，較大程度地避免了環境工程地質問題發生。缺點是相對投資較高，有一定技術難度。井下近礦體帷幕注漿方案是在井下通過鉆孔對礦體周邊進行注漿，形成具有一定厚度及強度的連續封閉墻體。適合在礦體相對集中，礦體厚度具有一定規模的礦山中應用。 該方案費用較高，技術難度大。 疏堵結合方案一般采用前兩種方案綜合應用。

在每一大類方案中，如疏干方案，又存在不同中段、不同疏干孔位置、疏干孔多少不同等多種疏干方案，系統通過不斷調試各種疏干方式，快速地找到最佳疏干方案。針對礦區各層含水層設置相應數量的疏干抽水井，礦山開采到不同中段時，含水層滲透系數也隨之變化，因此，礦山開采周期的制定和在該時間內選擇的防治水方案對下一開采周期影響顯著。通過設置不同開采周期和防治水方案，系統可以自動分析出各周期內防治水方案投資，從而為礦山制定合理的開采計劃。

以20年和40年設計開采年限，通過輸入各含水層疏干井數量和最低標高值，帷幕堵水墻長度等參數，自動算出在開采年限內總排水費用。

1) 東西兩端帷幕延長(純堵方案)。采用全部閉環帷幕建設方案，不設置疏干井疏干排水，不考慮下層排除水的外排成本，只計算帷幕建設成本。計算結果為20年預計投資15 270.00 萬元，40年預計投資26 186.00 萬元。

2) 帷幕不延長(純疏干方案)。該方案不延長帷幕，即不新建帷幕，完全通過抽水井抽水疏干工程。計算結果為20年預計投資18 586.60萬元，40年預計投資37 143.20萬元。

3) 疏堵結合方案。①帷幕西端延長疏干方案(疏堵結合)：帷幕西端在原有基礎上，延長300 m。上層含水層的排水量由10 645 m3，減少到6 962 m3。下部含水層排水量沒有變化。計算結果為20年預計投資15 437.67萬元，40年預計投資30 845.34 萬元。②帷幕東端延長方案(疏堵結合)：該方案在現有帷幕的東端新建帷幕970 m，上層含水層的排水量從10 645 m3減少到5 105 m3。下層含水層的排水量依然為6 377 m3，沒變化。上部含水層的排水井孔4個，下層含水層的排水孔2個。計算結果為20年預計投資13 812.40 萬元，40年預計投資27 594.80 萬元。

綜合對比得出，在20年的設計開采期限內最合理的治水方案為帷幕東端延長方案(疏堵結合)；在40年的設計開采期限內最合理的治水方案為東西兩端帷幕延長(純堵方案)。

4 結 論

1) 水害監測數據分析及處理軟件系統是由國家科技部委托長沙礦山研究院有限公司并由本文作者研究開發，以長沙礦山研究院有限公司防治水研究所在國內多個礦山防治水工程項目為實例參考分析依據，將廣東凡口鉛鋅礦作為本軟件系統案例研究。該軟件以GMS或MODFLOW為開發平臺，建立地質、地表水、地下水復雜綜合三維實體模型，實現了地質、地表水、地下水主要參數的自動采集、存儲、加工處理和水害預警，同時實現了礦山水文地質條件與地下水動態遠程三維信息化管理，為研究、分析、鑒定透水事故發生破壞動力學規律提供依據。

2) 通過對水害發生各階段進行數值模擬，再現事故發生過程，有效解決礦山突水災變預防與治理，未來通過在國內外礦山推廣運用和改進完善，將直接帶動礦山資源的安全、高效開采，提高礦山尤其是水文地質中等復雜以上礦山開采的經濟效益，實現礦山智能智慧建設的目的。

3) 通過該軟件系統自動計算出在20年及40年開采周期中實行不同防治方案的投資預算，并通過對比實現礦山在不同周期中最佳防治方案的智能決策，為礦山建設規劃提供依據，指導礦山做出科學合理的部署，有效地提高礦山企業采礦的效率，降低成本。