和尚桥露天铁矿地下水疏干方法研究

2015-04-11钱嘉伟朱国荣袁英杰王志平时国凯

地质学刊 2015年1期

钱嘉伟，朱国荣，袁英杰，王志平，唐钊，时国凯

(1.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210046;2.南山矿业有限公司，安徽马鞍山243000;3.安徽省地质矿产勘查局322地质队，安徽马鞍山 243033)

0 引言

和尚桥铁矿工业布局依托天然地貌和104县道规划。其采场东南帮所处矿区是唯一的矿石运输通道，皮带通廊、铁路、矿石转运台、矿车出入口均分布于此。该地段又濒临采石支河，河床底部的基岩面上发育有近10 m的全新统芜湖组淤泥质粉砂或淤泥质粉土，富水断层在此通过。以上诸因素对该地段的边坡安全提出较高要求。高边坡形成后，丰水期的地表水将对边坡形成较大的渗透压力，导致潜蚀作用加剧，严重者将威胁边坡安全。

显然，对和尚桥铁矿全部采用明渠疏干是不妥的，有必要在采场东南帮进行提前疏干以减缓外力对边坡的渗透压力，寻找和尚桥铁矿具体的地下水疏干方法。

1 矿区概况

和尚桥铁矿位于马鞍山市向山镇西南5 km的佳山乡、向山镇境内(图1)，为一大型磁铁矿，实际总资源储量16 048.99万t，矿山设计年开采矿石500万t，开采方式为露天，规划开采深度－96 m。

图1 和尚桥铁矿工业布局示意图和矿区交通位置略图Fig.1 Sketch showing industrial layout and transportation of the Heshangqiao iron mine

矿区地处长江南岸丘陵地带，地势北高南低，地形起伏不大，自然标高9～50 m。矿区北侧为低山丘陵，地面标高10 m左右，矿区南侧有采石支河由东向西流入长江。矿区在大地构造上位于扬子准地台—扬子台坳—沿江拱断褶带—安庆凹断褶束东北端的宁芜向斜轴线东翼、宁芜中生代断陷盆地中段。矿区内第四系广泛分布，侏罗系中下统砂岩及侏罗系上统—白垩系下统火山岩零星出露。矿区未发现较大的断裂构造，地表所见均为具滑动面的小断裂，主要发育有2组，断裂走向为北东—南西和北西—南东，呈共轭关系，一般长约10～50 m。

矿区主要分布有白垩系大王山组火山岩、火山碎屑岩，其构造裂隙和风化裂隙较为发育，深度小于50 m。这是矿区的主要赋水岩层，为基岩裂隙含水岩组。

2 矿坑疏干排水方案

根据上述讨论结果，和尚桥东南帮由于其特殊的地质、水文地质和工程地质条件，明渠疏干方法并不适用。为了保证此处边坡的安全性，需提前将采场东南帮的地下水水位降至开采水平以下。

和尚桥铁矿东南帮的第四系之下主要分布为白垩系大王山组闪长玢岩，岩层节理和构造节理比较发育，特别是在走向北东东的F1断裂作用下，形成一定宽度和深度的破碎带。由于地下水的长期作用，岩石蚀变强烈，裂隙空间增大。据前人研究，该区域含水层渗透系数为0.587～8.260 m/d，远大于矿区其他地段。给水度(贮水系数)为5.07×10－5～6.61×10－4，断裂带附近的单孔日涌水量超过200 m3(8 m3/h的深井潜水泵抽水150h仅能形成3.82 m的降深)。

该地段位于采石支河谷地附近，是研究区地下水的主要径流带。对局部富水地段，完全可以借助深井水泵疏干方法来降低地下水水位，达到矿山安全生产的目的。

综上所述，从经济和安全角度出发，和尚桥铁矿适宜采用地下和地表联合疏干的方式来解决地下水水患问题，即在东南帮采用井群疏干，其余地段采用地表明排疏干。为了预测井群的疏干量，为矿山的实际疏干提供依据，笔者建立了矿区地下水流数值模型，对疏干过程进行模拟。

3 地下水流数值模型的建立

3.1 概念模型与数学模型的建立

研究区计算面积约为94.47 km2，地貌总体为一个向西倾斜的山间谷地，西部较为开阔。模型北部和南部地表分水岭都比较清楚，为天然隔水边界。西部边界开阔，设为无限边界。东部地区延伸很远，但对于地下水来说，由于在神仙洞—向山一线的东山采场西侧存在一个近南北向展布、宽度约15 m的脉状石膏填充带，使得石膏脉两侧的地下水水头相差超过100 m，因此沿石膏脉所在确定为隔水边界(张仲根等，2007)。

该区主要地表水体采石支河沿谷地中心发育在第四系芜湖组淤泥质黏土之上，与地下水之间无明显的水力联系，降雨入渗是研究区地下水的主要补给来源。在采场及其附近，地下水直接接受大气降水的补给;其周边向采场倾斜的局部汇水区内，大气降水部分以入渗的方式补给地下水参与其运动，部分则以坡面径流的方式进入采场。在自然条件下，研究区地下水主要以地下径流的方式由东而西排泄，蒸发次之;在矿山开采过程中，采场疏干排水是地下水的主要排泄途径。

研究区的地下水类型为基岩裂隙水，对于裂隙介质，其发育受多种因素影响，各裂隙宽度、展布方向、伸展长度等均具有不确定性。对于矿山疏干工程，研究地下水在各个裂隙中的运动工作量巨大，在现有的理论和技术基础上难以实现，故将裂隙介质等效为连续多孔介质讨论(王礼恒等，2013)。

在天然条件下，研究区地下水主要表现为二维运动，随着矿区的开采，地下水在采区附近将产生明显的三维流动。鉴于获得三维地下水系统数据的困难，最终将研究区地下水系统概化为二维连续非均质各向异性无压非稳定流。根据研究区水文地质条件，建立相应的数学模型(唐甜等，2011)：

式(1)中，Ω 为求解空间区域，t为时间(t≥0)，h(Ω，t)为水头，h0(Ω)为已知水头分布函数，h1(∂Ω)为第一类边界的已知水头分布，qi(∂Ω)为第二类边界的已知通量，Γ1、Γ2为空间域Ω的边界;Ki为渗透系数，b为含水层厚度，Ss为给水度，w为单位面积含水层垂直方向水量交换量(薛禹群等，2009)。

3.2 数值模型的建立和求解

对式(1)所示的数学模型，其数值模拟可采用有限差分法进行，借助GMS软件中的MODFLOW模块进行建模和求解。对研究区矩形域进行100×100剖分，在边界内得到有效单元5 879个(李超群等，2004)。

模型的初始流场采用相应时刻(2013年8月30日)地下水观测孔的水位值，利用Kriging插值方法形成全区各结点的水头值(图2)。

图2 研究区地下水初始流场图Fig.2 Map showing initial flow filed of groundwater in the study area

由于研究区含水层的非均质性，采用分区法估计水文地质参数。在综合考虑研究区的水文地质条件后，对计算区的有关参数分别进行分区，其中渗透系数分为10个分区，给水度分为10个分区(同渗透系数分区)，入渗补给系数分为6个分区(图3、图 4)。

据安徽省地质矿产勘查局322地质队的矿区勘探资料，研究区的渗透系数在0.003～1.730 m/d之间，在矿区东南部的富水带较大。据此，先给定各分区含水层水文地质参数一个初值以及取值区间，采用试估校正法调整各分区参数值，最终应用GMS中的PEST优化模块对模型进行自动优化(薛禹群等，2007)。

图3 水文地质参数分区图Fig.3 Partition of hydrogeological parameters

图4 入渗补给系数分区图Fig.4 Partition of infiltration coefficients

根据实际观测资料，模型识别期(包括校正和检验阶段)为2013年8月30日—12月30日，共划分为12个应力期，时间步长均为10天。模型识别采用的地下水观测孔11个。各观测孔的水位拟合绝对误差平均值、水均衡各项计算值情况、末时刻地下水位拟合等值线图和部分观测孔的水位拟合曲线如下(表1、表2、图5、图 6)。

依照《地下水资源管理模型工作要求》(GB/T 14497—1993)的有关规定：对于降深小的地区，要求水位拟合＜0.5 m的绝对误差结点必须占已知水位结点的70%以上;对于降深较大的地区(＞5 m)，要求水位拟合＜10%的相对误差结点必须占已知水位结点的70%以上。

在本次模拟中，水位拟合符合标准的观测孔占总数的73%。在和尚桥铁矿复杂的水文地质条件下，这个结果基本能反映该区地下水流场的总体特征。

表1 各观测孔水位拟合绝对误差平均值Table 1 Average absolute errors of water－level fitting for the groundwater observation holes

表2 水均衡各项计算值Table 2 Calculation results of water balance

图5 2013年12月30日地下水位拟合等值线图Fig.5 Contours fitting of underground water level on December 30th，2013

4 矿区地下水疏干开采数值模拟

在已建立的水流模型基础上，借助GMS中的Drain模块模拟明渠，Well模块模拟抽水井，对联合疏干方法进行模拟(图7)。模拟结果显示：当矿坑开采至－96 m时，预测群井疏干量为2 754 m3/d(周念清等，2012)。

图6 观测孔水位拟合曲线Fig.6 Fitting curves of water level for observation holes

图7 2033年末地下水位等值线图Fig.7 Contours of underground water level at the end of 2033

露天矿开采工程耗水量大：和尚桥铁矿设计的生产用水量为 4 353.63 m3/h，其中选矿用水3 582.75 m3/h。目前主要水源为取自长江的生产新水，由长江上浮船取水，送至采石支河，再经由泵房输送至各生产车间。但在采石河枯水期，矿区用水紧张。在地下水疏干模型中，预测群井抽水量可达2 754 m3/d，可考虑将疏干井群抽取的地下水用于矿山的选矿生产。和尚桥铁矿工程设计图显示，矿区2号泵房正位于疏干井群附近，故可将疏干水经管道引入2号泵房，再经由泵房输送至相应的选矿车间。这种排供结合的方案不仅可以满足矿山疏干的要求，还能有效的缓解用水压力，实现地下水资源的综合利用(吴剑锋等，1999;鹿海员等，2013)。