北洺河铁矿深部开采放水试验及数值模拟分析

黄天瑞，李贵仁，赵 珍(.五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿，河北 武安 056300；.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 0500)



北洺河铁矿深部开采放水试验及数值模拟分析

黄天瑞1，李贵仁2，赵 珍2
(1.五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿，河北 武安 056300；2.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021)

为了进一步研究北洺河铁矿2#线以东水文地质条件，为深部矿体开采提供科学合理的依据。本次研究利用井下及地表现有的水文地质观测孔，对矿区奥陶系灰岩含水层进行了大型群孔干扰非稳定流放水试验，并利用FEFLOW软件进行数值模拟分析，计算水文地质参数，预测了深部开采矿坑涌水量。结果表明：矿区2#线以东深部灰岩含水层透水性较弱，2#线两侧灰岩含水层存在一定的水力联系，整个北洺河矿区灰岩含水层为一个统一的含水体。

灰岩含水层；放水试验；数值模拟；FEFLOW

北洺河铁矿位于河北省武安市上团城村北，隶属于中国五矿邯邢矿业有限公司，设计年产铁矿石180万t，已于2002年投产[1]。矿区处在邢台百泉岩溶水系统之北洺河-百泉岩溶水强径流带上游，矿体赋存于奥陶系中统石灰岩与燕山期闪长岩接触带，属接触交代型铁矿床。矿床顶板及其围岩为厚度较大的奥陶系中统石灰岩，顶底板直接进水，为水文地质条件复杂的岩溶裂隙直接充水矿床。目前，矿山运输中段在-230m水平，生产作业集中在-155m、-170m水平，下一步计划开始-230m水平以下深部开拓工程设计。

为了进一步研究矿区2#线以东深部灰岩含水层特征，获得有关水文地质参数，预测矿坑涌水量，为矿山深部矿体的开采提供科学合理的依据，矿山专门开展了群孔干扰非稳定流放水试验，利用井下钻孔自流放水，形成大范围、大降深激发流场，通过观测试验过程前、中和后的水量、水位和水质等变化，以查明奥陶系石灰岩含水层的富水性特征及补排条件[2]。相关研究人员在利用放水试验资料的基础上，求取水文地质参数，防治矿井突水方面做了一定研究。如杨小刚等研究了放水试验在岱庄煤矿水害防治中的应用[3]，王雨山等利用放水试验资料反求水文地质参数[4]，李文东对兴隆庄煤矿三含放水试验做了分析[5]等。

由德国WASY公司所开发的地下水数值模拟软件FEFLOW具有独到的特点，是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一，可用于复杂三维非稳定水流和污染物运移的模拟[6]。陈书客等[7]以林南仓矿为研究对象，利用FEFLOW进行了渗流场模拟并预测了涌水量。田丽[8]将新汶矿业集团公司潘西煤矿结合FEFLOW软件系统的特点，对采用FEFLOW软件进行工作面底板突(涌)水量预测的可行性进行了分析。本文利用FEFLOW软件对放水试验资料进行数值模拟，反演水文地质参数，为矿井涌水量预测提供基础资料。

1 矿区地质及水文地质概况

矿区主要地层有古生界奥陶系、石炭系和二迭系及新生界第四系，燕山期闪长岩呈复杂的似层状侵入到奥陶系中统及其他地层中。水平上，北洺河矿区南临武安岩体中团城-崇义-上泉一线岩体，北接矿山岩体南端的焦寺岩体，东部边缘为玉泉岭-郭二庄断裂带之东的石炭系、二迭系，矿区内为顺北洺河河床呈NW-SE展布的北洺河岩体。垂向上，矿区灰岩上覆有第四系砂砾卵石层、砂质黏土砾石层和底部黏土层，下为燕山期火成岩托底[9]。矿床地段，火成岩岩体呈复杂的层状、似层状侵入到奥陶系中统石灰岩地层，在垂向上侵入体将石灰岩分为多层。矿床背斜轴部石灰岩含水层较薄；南北两翼较厚，且越往外越厚。

奥陶系中统石灰岩含水层为矿区主要含水层。该含水层分布广泛，其南部西部有武安岩体，北有矿山岩体，阻碍或隔断与区域石灰岩含水层的联系，东部与区域含水层相连，上部有第四系地层覆盖，下部为火成岩托底，中间还有侵入岩穿插。矿床在平面上以2#线为界划分为东西两区，其中2#线以西35个钻孔做了71次注水试验，24个钻孔做了41次抽水试验，钻孔单位涌(耗)水量多小于0.1L/s·m，渗透系数多小于0.05m/d，灰岩含水层总体透水性较弱[10]。对于2#线以东，受原有勘探深度不足等因素影响，有必要通过放水试验对其富水性进一步研究。

2 井下放水试验

2.1 放水孔与观测孔

根据地下水井流理论和现场条件，确定本次放水试验为一次最大降深、群孔干扰非稳定流放水试验。放水试验的目的层为奥陶系灰岩含水层，井下疏水系统完整，因此试验采用井下放水，地表、井下联合观测的方法，利用新施工的3个奥灰孔进行干扰非稳定流放水试验，其中TKOS-2位于-230m水平，出水量78 m3/h；TKPD-2、TKPD-3位于-245m水平，出水量分别为120 m3/h、180 m3/h。观测孔分井下及地表两部分，井下观测主要是对-230m、-245m水平出水点的水量变化进行观测，并对已安装的压力表进行读数，地表观测系统主要是利用矿区范围内现有GX1、GX6、GX7、GX8、GX10、GX11、GX12共7个观测孔。

2.2 放水试验过程

放水试验过程总体分为地下水起始动态观测、正式放水、水位恢复观测等三个阶段，自2014年9月2日10时开始，至2014年9月30日10时止，历时28天。

放水试验前三天对矿区观测孔以及外围观测孔进行地下水位统测，并对井下压力表进行读数，掌握放水试验初始地下水流场，同时对放水时需要测量的出水点进行水量观测。

放水试验开始后，分别打开放水孔TKOS-2、TKPD-3、TKPD-2，其中TKOS-2的水量采用JDUF-H型超声流量计进行测量，TKPD-2及TKPD-3的水量采用ST-LDE200型电磁流量计进行测量，压力观测采用压力表直接读数的方法，矿区内观测孔水位为自动观测，外围观测孔采用电表测绳观测。

9月16日上午10点，关闭各放水孔进行水位恢复观测，各放水孔、矿区观测孔以及外围观测孔的观测频率均与放水试验开始时观测频率一致，水位恢复观测至9月30日。

放水试验过程中，各观测孔水位历时变化不一，随着放水的进行，水位发生相应的变化。通过本次放水试验，研究了降落漏斗的形态、大小及扩展过程，分析含水层之间的水力联系，为矿井防治水工程的设计提供可靠的水文地质依据。

3 地下水流数值模拟模型

3.1 水文地质概念模型

为避免数值模型过小造成的误差，本次数值模拟范围不局限于北洺河矿区，而是将区域内各个矿山置于统一地下水系统中进行研究，将模拟范围扩展至整个百泉泉域，总面积1603km2。

南部边界为南洺河断层，该断层南北水位差110多米，断层具有隔水性，处理为隔水边界；北至内丘西北岭一带地下分水岭；西南部边界为南丛井龙雾-活水断层，该断层断距大，东盘寒武系页岩、泥岩抬升，处理为隔水边界；东部边界为团城-郭二庄-冯村-沙河市-邢台-内邱一线的隐覆阻水断裂，该断裂以东奥陶系埋藏很深，与石炭二叠系直接接触，岩溶不发育，为隔水边界；西部灰岩与中上元古界地层直接接触，处理为流量边界。

在考虑资料占有程度的基础上，根据矿区的空间介质结构、含水层的形成时代、埋藏深度、水力联系等，将该区在垂向上自上而下划分为：第四系上部砂砾石强含水层；第四系中部黏土砾石弱含水层；第四系底部粘土相对隔水层；石炭、二迭系薄层裂隙含水层；奥陶系灰岩含水层；闪长岩相对隔水层。其中奥陶系灰岩含水层再细分为四层(模型第五层至八层)，整个模型在空间共划分为九层。

开采条件下，深部排水使中下部灰岩含水层地下水压力释放并向上传导，控制着中上部灰岩和第四系地下水流场分布，垂向上存在水头梯度，形成了以疏干巷道为中心的从源到汇的三维空间流场分布特征，因此，将含水系统概化为非均质各向异性含水系统，地下水流系统概化为三维非稳定流。

3.2 数学模型

根据前述的水文地质条件，可写出相应的数学模型，见下式。

式中：H为地下水位(m)；Kx、Ky、Kz为分别为x、y、z方向的渗透系数(m/d)；μs、μ为分别为贮水率和给水度；Qi为地下水开采量或排水量(m3/d)；H0(x，y，z)为初始水位(m)；qe(x，y，z，t)为流量边界的单位面积流量(m/d)；Ω、S、Г为分别表示渗流区域、地下水自由面、流量边界；ε为降水入渗强度(m/d)。

3.3 数值模型

3.3.1 空间离散

上述数学控制方程的求解采用DHI-WASY公司开发的基于有限单元法的FEFLOW软件。将数值模拟区离散为不规则三角剖分网格，在网格剖分时水文地质条件复杂的区域剖分时要细化；观测孔尽量位于剖分单元的中心节点；矿坑排水和集中出水的地方，由于水力坡度及流场变化趋势较大，剖分时要适当加密。平面共剖分单元20815个，节点10562个，空间共剖分187335个单元格，节点105620个。

3.3.2 水文地质参数的选取

在收集整理前人关于研究区渗透系数及给水度等方面研究成果的基础上，根据研究区含水层埋藏和补给条件的差异、岩溶发育情况、地下水位动态、区域地下水流场特征等水文地质条件，对含水层作了分区，并给每个参数分区赋予相应的初值。待模型识别时最终确定。

3.3.3 源汇项的处理

根据FEFLOW软件的要求，需要对地下水系统的补给和排泄条件进行相应的处理，然后才能带入模型中应用。矿区内地下水补给项主要为降雨入渗补给、侧向补给以及河渠等地表水的渗漏补给，排泄项为生活生产用水、矿坑排水等。

3.4 模型识别

以2013年9月2日的地下水流场作为模型识别的初始流场，选择了矿区8个地下水位观测孔的实测水位动态曲线进行拟合，共分两个阶段。

第一阶段拟合期为2013年9月2日至2014年9月1日，共365天，将模拟时间进行离散，时间步长设为1天，共365个时段(time steps)。以前面所给出的各种水文地质参数及源汇项初值为基础，对模型进行反演计算，让模型运行365个时段，记录下每个时段各观测孔所在结点的水位，以及最后时段地下水流场。若各种初值给的合理，计算得(H-t)曲线应与实测的(H-t)曲线基本吻合，否则要反复调整水文地质参数，直到拟合程度满意为止。经过反复调试，上述参数作为放水试验模拟的基础。

第二阶段为利用放水试验动态资料进行模型识别，在第一阶段模型识别的基础上，加上-230m水平，-245m水平放水孔的排水量，时间步长取为0.5天，让模型运行28个时段，来拟合各观测孔的水位动态，通过相应的参数调整，来确定数值模型的水文地质参数序列。

识别期内，各观测孔水头与计算水头的平均残差为-0.23m，平均绝对残差为0.45m，标准误差估计为0.07m，均方根为1.87m，标准化均方根比例为2.9%，说明误差占总水头差异的很小一部分；相关系数为0.97，表明相关程度比较好。

部分观测孔拟合曲线见图1、图2。可知观测水头动态曲线与计算水头动态曲线基本吻合，说明识别后的水文地质参数是符合客观实际的，所建模型基本反映了模拟区的地下水运动规律。模拟区水文地质参数分区见图3，参数取值见表1、表2。

图1 GX01孔水位拟合曲线

图2 GX07孔水位拟合曲线

图3 模拟区水位地质参数分区图

表1 区域灰岩含水层参数识别结果

分区Kxy/(m/d)Kz/(m/d)Ss/(1/m)Sy分区Kxy/(m/d)Kz/(m/d)Ss/(1/m)Sy140.40.000030.01101.50.150.000030.00921.120.1120.000010.04111.050.1050.0000430.0430.90.090.0000250.05120.950.0950.000010.004410.10.000010.05131.10.110.0000270.0551.50.150.0000420.07141.20.120.0000380.0660.40.040.000010.005151.50.150.0000290.08750.50.000030.011620.20.0000120.009860.60.000090.015175.50.550.000010.013950.50.0000180.0121870.70.000080.016

表2 矿区灰岩含水层参数识别结果

3.5 涌水量预测

3.5.1 矿坑涌水量预测的基本设置

1)根据矿床赋存条件，本次工作设置的开采水平为-320m、-410m。因此利用数值模型预测-320m、-410m开采水平时矿坑的疏干水量和正常涌水量。

2)根据当地水文气象情况，丰水年、平水年和枯水年的降雨量设置分别为800mm、550mm、300mm。

3)为了求得正常的矿坑涌水量，在各开采水平上，使相应水平排水巷道上的结点水位保持为该水平标高，先让模型运行两个偏枯的平水年(降雨量400mm)，再运行丰水年、平水年和枯水年求其矿坑涌水量。3.5.2 矿坑涌水量预测模型所需的基本数据

1)利用数值模型进行矿坑涌水量预测，其水文地质参数保持不变。

2)边界侧向补给量、降水入渗量、河水渗入量均按我们设置的枯水年、平水年、丰水年的降水量，参考模型识别时相应降水量年份的补给量给出。

3)在矿坑涌水量预测时，地下水开采量保持2014年开采量不变。

3.5.3 矿坑涌水量预测

矿坑涌水量预测过程见框图4。表3、表4分别为开采至预测水平时，该水平中段矿坑涌水量及矿区矿坑总涌水量。

图4 矿坑涌水量预测框图

表3 各水平中段矿坑涌水量预测表/(m3/d)

开采水平丰水年平水年枯水年最大正常最大正常最大正常-320m354023351532659314493195630659-410m364813436233619319093280431596

表4 矿坑总涌水量预测表/(m3/d)

4 放水试验结果分析

根据放水试验成果资料，放水试验2#线以东各观测孔均受到放水的影响，总的规律是距离放水孔近的观测孔水头降低多，且反应迅速；距离放水孔远的地方水头降低少，且反应滞后。放水开始后半小时，距离放水孔100m左右的GX6孔水位下降3.4m，18h后达到稳定状态，水位下降37.30m；放水开始6h后位于放水孔东南约300m的GX12水位开始下降，放水结束前水位共下降3.42m；放水开始17h后位于放水孔东300m的GX7水位开始下降，放水结束前水位共下降1.08m；位于放水孔东北约600m的GX8水位下降0.52m。放水结束后，2#线以东GX6水位降至-109.9m，而东段三个孔水位仍在十几米左右，两者水头差达130m，形成了较高的水力坡度，说明该处含水层具有明显的弱透水性。

此外，2#线以西GX1、GX9、GX10水位分别下降了7.36m、2.8m、0.92m，巷道各出水点水量也均有不同程度的减少，如出水点TKP-1反应迅速，出水量在2h内由51.43m3/h降至20.57m3/h，且有大量黄泥涌出，放水结束后各观测孔水位均有不同程度的上升，出水点水量迅速增大，说明2#线东西两侧具有一定的水力联系。

综上，矿区2#线以东灰岩地下水位较上世纪70年代已下降了200多米，上部强含水层已经被疏干，其深部灰岩含水层同2#线以西一样，具有明显的弱透水性；2#线两侧地下水具有明显的水力联系；矿区奥陶系灰岩含水层不能再以2#线为界将划分为东强西弱的两区，而应作为一个统一的含水体。

5 结 论

1)在放水试验的基础上，结合矿山开采方案，采用数值模拟反演矿区水文地质参数，分别预测了开采至-320m、-410m水平时，矿山各水平中段的矿坑涌水量及矿坑总涌水量。本次计算综合考虑了矿区甚至整个百泉岩溶地下水系统的地下含水系统、流动系统、边界条件等因素，并进行了科学合理的概化，预测结果可作为深部开采的设计依据。

2)通过井下放水试验，进一步查清了矿区水文地质条件，即：矿区2#线以西灰岩含水层总体透水性较弱；2#线以东灰岩地下水位较上世纪70年代已下降了200多米，上部强含水层已经被疏干，深部含水层透水性弱；矿区2#线两侧地下水存在明显的水力联系；矿区奥陶系灰岩含水层为一个统一的含水体。

3)对于-230m水平以下矿山深部开采，由于北洺河矿区岩溶含水层透水性弱，地下水呈空间流场分布，短期内难以大规模降低地下水头，为了消除或减少高水头压力对矿坑的威胁，在采掘过程中遇到接触带、构造破碎带及掌子面接近灰岩局部富水地段，需用超前钻孔查明周围水体、含水构造等的具体位置、产状，并集中施工一些放水孔进行放水降压，通过疏干工程和施工在强含水段的放水降压孔，将采掘水平强含水段的地下水释放排走，为采掘创造良好的作业条件。

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The dewatering test for deep mining and numerical simulation analysis in Beiminghe Iron Mine

HUANG Tian-rui1，LI Gui-ren2，ZHAO Zhen2

(1.Beiminghe Iron Mine of Hanxing Metallurgical Mine Administration，Wu’an 056300，China； 2.North China Engineering Investigation Institute Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050021，China)

To investigate the hydrogeology condition at the east of 2nd line in Beiminghe Iron Mine thoroughly，and provide scientific and reasonable basis for deep mining.A large group of water hole of unsteady flow interference test was taken for the ordovician limestone aquifer，and the existing hydrogeologcal observation holes are used to carry out the dewatering test，simulation analysis was carry out by using the software of the FEFLOW，which can be used to identify the hydrogeological parameters and forecast the water inflow of deep limestone aquifer.The results show that the permeability of deep limestone aquifer is weak，there is certain waterpower relation among both sides of 2nd line of limestone aquifer，the whole limestone aquifer of Bei minghe Iron is unified water-logged stratum.

limestone aquifer；dewatering test；numerical simulation；FEFLOW

2015-03-16

黄天瑞(1963-)，男，学士，1984年毕业于桂林冶金地质学院矿产与普查专业，现任北洺河铁矿高级工程师，主要从事矿山地质工作。E-mail：1298315618@qq.com。

TD12

A

1004-4051(2015)11-0107-06