裂隙富水矿山采矿前期疏排水方案模拟与优化

2017-10-23周磊,王欢

采矿技术 2017年5期

关键词：第四系基岩含水层

周磊,王欢

(马钢集团姑山矿业公司，安徽马鞍山 243181)

裂隙富水矿山采矿前期疏排水方案模拟与优化

周磊,王欢

(马钢集团姑山矿业公司，安徽马鞍山 243181)

采用泰斯(Theis)非稳定流分析法分析基岩含水层在不同疏干强度下的水位-时间关系，参照矿山地表沉降允许的基岩年水位最大降深要求，得出不同降深条件下所允许的年最大疏排水强度。以上述疏排水强度作为初始的采矿前期疏排水方案，在采矿前期基岩水位总降深的条件约束下，利用Visual Modflow软件模拟优化采矿前期疏排水方案，以适应采矿前期排水能力逐步增加的特点，指导矿山安全有效疏排地下水，避免因疏排地下水而引发次生灾害。

Visual Modflow；富水矿山；泰斯非稳定流分析法；地下水位；疏排水

疏干技术的应用使我国大量长期受水害威胁的矿山得以相继开发，然而疏干期间的地下水位大幅下降易产生地面塌陷，特别是当第四系与基岩附近水位大幅下降时极易产生地面塌陷[1-2]。某裂隙富水铁矿基岩地下水位标高-15 m，第四系含水层底板标高-48 m，矿山采矿前期要求5年时间将基岩水位降至-390 m标高。而矿山地表沉降研究显示基岩水位标高在-100 m以上时，矿山允许的年水位最大降深为60 m，标高-100 m以下时矿山允许的年水位最大降深为100 m。基于上述条件，本文采用泰斯(Theis)非稳定流分析法研究矿山基岩含水层不同疏干强度下的水位-时间关系，获得了基岩地下水位不同降深条件下所允许的年最大疏排水强度，以此最大疏排水强度作为采矿前期的初始疏排水方案，在采矿前期基岩水位总降深限制条件下，采用Visual Modflow软件模拟优化采矿前期5年时间内的疏排水方案，以指导矿山采矿前期疏排水工作[3]。Visual Modflow软件是国际上通用的地下水三维模拟软件[4-5]，在我国也有大量的应用，如宋颖霞基于Visual Modflow的白涧铁矿矿坑涌水量预测[6]，周念清采用 Visual Modflow对三门峡铝土矿进行了疏干排水模拟，均取得较好的效果[7]。

1 矿区水文地质模型

矿区东高西低，地形起伏不大，属于低山丘陵区。地层由上至下为第四系、白垩系火山岩、侏罗系石英砂页岩、三叠系粉砂岩和闪长岩，其中第四系和三叠系粉砂岩为含水层，但第四系含水层底部为9 m厚的亚粘土夹碎石隔水层阻隔第四系含水层与粉砂岩含水层之间的水力联系。三叠系粉砂岩含水层为矿体的直接顶板，且受背斜及大小11条构造破碎带的影响，裂隙发育，含水丰富，导水能力强，最大单位涌水量达8 L/s·m，最大渗透系数为11 m/d，直接威胁矿体的安全开采。

1.1 模拟区域及边界条件

根据矿区地质勘探报告，矿区东部为侏罗系石英砂页岩隔水层，作为矿区的东部隔水边界；北部为背斜倾没端凹向部位，粉砂岩含水层变薄至尖灭，岩层富水性弱，大口径抽水试验，水位未受到影响，故作为北部隔水边界；矿区西部砂岩裂隙不发育，透水性弱，受F2断层影响，群孔抽水试验水力坡度陡，作为西部弱透水边界；矿区南部安山岩裂隙不发育，透水性弱，作为南部弱透水边界。为减少人为划定边界对模型精度的影响，将模拟范围向外扩张至矿区疏排水影响范围以外，实际计算范围约6 km2。

1.2 含水层结构概化

矿区主要含水层为第四系含水层和粉砂岩含水层，其中第四系含水层与粉砂岩含水层之间存在约9 m厚的亚粘土夹碎石隔水层，使第四系含水层对矿床充水影响微弱。砂岩含水层作为矿体的直接顶板是矿体的主要充水来源，其受背斜和构造影响，使其空间上的富水性和透水性存在较大差异，但其具有统一的地下水流场，故将研究区含水系统概化为非均质各向异性三维非稳定流地下水流系统。

1.3 地下水流三维数学模型

依据上述条件，采用地下水动力学中达西定律和连续性方程对矿区的水文地质模型进行描述，得出矿区三维流数学模型数学表达式：

(1)

式中，Kxx、Kyy、Kzz为沿着x、y、z坐标抽方向的水力传导率,m/d；H为含水层中的水头，m；Ss为含水层的贮水系数，无量纲；q为第二类边界上的单宽流量，m3/d；Г2为流量边界；Г3为隔水边界；W为源汇项；t为时间；Ω为研究区域坐标集合[8-9]。

1.3.1 模型空间与时间离散

为了求解数学模型，选用有限差分法，利用网格中心节点对研究区进行离散，全区在横向上共剖分50×40个网格，每个网格长宽为50 m×50 m。依据矿区基岩水位长期观测资料，选用2011年5月至2012年5月作为含水层地下水位的拟合期，以每个自然月作为一个应力期。

1.3.2 水文地质参数分区

根据勘探报告中抽水试验结果，集合矿区井下历年的水文资料，将整个计算区划分为8个分区(见图1)，并将南北方向定为主渗透方向。

图1 渗流区水文地质分区

1.4 模型的识别与验证

根据抽水试验资料，先给水文地质分区赋初值，选用SR11/1、SR6/3、SR21/1和SR5/1共4个基岩裂隙含水层长期水文观测孔识别和调试模型，通过人工试估校法经过反复的调整使模型的误差最小。校正后模型计算与实测水位对比见表1所示，模型识别后的含水层参数见表2。

表1 模型计算与实测水位对比

表2 模型识别后的含水层参数

2 不同疏排水强度下水位降深与时间关系

泰斯(Theis)非稳定流分析法是含水层试验分析的主要方法之一，当u≤0.01时泰斯(Theis)非稳定流公式可以简化为雅各布(Jacob)公式，其相对误差不超过0.25%，可满足工程要求，故选用雅各布(Jacob)公式表征基岩含水层在不同疏排水强度下水位降深与时间的关系。

(2)

式中,S为水位降深，m；Q为疏排水量，m3/d；T为导水系数，m2/d，基岩含水层平均导水系数为58 m2/d；t为疏排水时间，d；μ为给水度，基岩平均给水度μ=0.005；r为引用半径，m；

将7200，14400，43200，57600 m3/d和72000 m3/d共 5个疏排水强度代入式(2)，得到矿区基岩含水层年降深200 m以内的不同疏排水强度条件下的水位降深-时间关系曲线图(见图2)。从图2可以直观看出，基岩含水层年水位最大降深为60 m时相对应的矿坑年最大疏排水强度为14400 m3/d，年水位最大降深为100 m时相对应的矿坑年最大疏排水强度为43200 m3/d。

图2 不同疏排水强度时矿区水位降深-时间关系

3 矿坑疏排水方案优化

取2011年5月1日实测水位作为初始水位(最低标高-15 m)，模型的初始疏排水强度设置为14400 m3/d，当基岩水位下降至-100 m以下时调整疏排水强度至43200 m3/d，模拟结果显示5 a后矿坑基岩水位处于-490 m标高，远大于-390 m标高，说明年疏排水强度比较高，而采矿前期矿山井下疏排水系统相对较弱，较高的疏排水强度可能无法满足要求，故需对矿坑的排水强度进行调整优化，使基岩水位在5年内平缓的下降至-390 m标高。在矿区水文地质三维模型上逐年调整疏排水强度，优化结果见表3，基岩水位在-100 m以上时的排水强度分别为6600 m3/d和14000 m3/d；基岩水位-100 m以下时的排水强度分别为35000 m3/d和41900 m3/d，满足年最大排水强度和阶段降深限制要求。优化疏排水方案模拟结果显示(见图3)，矿区基岩水位逐步下降，1825 d后水位下降至-390 m标高，满足矿山采掘计划对疏排水进度的要求。