基于Visual Modflow方法的某矿井涌水量预测研究

2018-04-20张志强刘超飞张希雨

地下水 2018年1期

张志强，刘超飞，张希雨

(1. 河北地质大学，河北石家庄 050031；2.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室，河北石家庄 050031)

矿井涌水量不仅是对矿井进行技术经济评价、合理开发的重要指标，也是设计和生产部门制定采掘方案和防治措施的重要依据。目前，常用的矿井涌水量预测方法大体可分为确定性分析和非确定性分析两类。确定性分析方法包括：解析法、模拟法、数值法、水均衡法；非确定性分析方法包括：水文地质比拟、相关分析、模糊数学模型、灰色系统、BP神经网络和时间序列分析等[1-7]。利用Visual Modflow进行地下水数值模拟具有许多明显的优势，例如软件的系统化和可视化等特点，从定义剖分建模开始，到模拟计算运行，直到最后以图形、文字输出最后结果，具有一套完整的模块紧密相连[8]。本文运用Visual Modflow对研究区建立水文地质模型，进行数值模拟分析，识别后的模型能够较好地预测该矿区涌水量大小，并分析对区域地质环境的影响。

1 研究区概况

1.1 区域地形地貌

该铁矿位于南江县城NW332°方向直线距离20.57 km的杨坝镇境内，米仓山中段南缘，地貌属高山区，地势东西高中心低，地形切割强烈。矿区内无大的地表水体，小的山涧溪流有三条，较大的河流杨坝河流经主矿体东侧，呈南北向贯穿全区。

1.2 区域地质构造

研究区属于米仓山～大巴山工程地质亚区，新构造运动表现为大面积间歇性微弱抬升，地貌为高山类型，地形高差较大，河流切割较深。矿区南部断层发育，但规模较小，走向近东西，多为逆断层。

1.3 区域地层分布

矿区出露的地层主要为元古界火地垭群上两组和麻窝子组，地层走向北东-南西，倾向北西，倾角约60°。矿区外分布着大面积的澄江期侵入岩，主要岩石为石英闪长岩、闪长岩、辉石闪长岩，分布于矿区北东、北西、南西呈“Ω”状包围矿区。

1.4 矿体产出特征

根据矿体赋存层位和空间分布特征可分为上、中、下三个含矿层，共含14个矿体。这些矿体受地层控制较明显，一般顺层产出，其产状与围岩一致。矿体与围岩接触界面十分清楚，其顶板大多为大理岩，底板为角岩。矿体形态为凸镜状、似层状、豆荚状等。矿石中主要金属矿物为磁铁矿，伴生金属矿物有黄铜矿、黄铁矿、磁黄铁矿、板钛矿等。

图1 模型区边界类型图

2 水文地质概念模型

2.1 边界条件的概化

研究区范围应尽量为一个完整的具有天然边界的地下水系统，以便能够准确得到其边界条件信息[9]。通过对研究区地质构造和地形地貌条件的分析，将研究区边界条件概化如下：西北部为贯穿光雾山的地表分水岭，结合地下水渗流场特征可将其视为隔水边界；东部深切河谷杨坝河作为地下水排泄边界；西部边界是由二重山等构成的一系列山体，也可作为地表分水岭，其地下水边界类型视为隔水边界；南部是一系列逆断层，断裂带成岩程度较好，多已胶结成岩，属于隔水断层，视为隔水边界。由于无法确定边界水位随时间的变化情况，很难预测水位随时间的变化，因此，将含水层侧向边界概化为二类流量边界(见图1)。

2.2 含水层参数的选取

含水层参数的选取主要根据地层岩性、富水性、厚度、岩溶发育规律和以往抽水试验资料[10]，将计算区划分成3个参数区(见图2)，并设置不同的渗透系数和储水率。

3 模型的建立

3.1 数学模型

根据渗流的连续性方程和达西定律，在充分了解研究区水文地质条件下，建立相对应的三维非稳定流数学模型：

式中：h为含水层水位；h0为初始水位；kxx，kyy，kzz分别为x，y，z方向的渗透系数；Ss为储水系数；q为第二类边界上的单宽流量；W为源汇项；B1为流量边界；Ω为渗流区域；t为时间[11,12]。

图2 模型渗透系数分区图

图3 研究区有限差分剖分图

3.2 数值模型

本文利用Visual MODFLOW建立三维渗流模型，MODFLOW是由美国地质调查局开发的专门用于地下水三维有限差分法地下水数值模拟的软件，Visual Modflow是加拿大滑铁卢(Waterloo)水文地质公司在MODFLOW软件的基础上应用现代可视化技术研制而成[13]。由于研究区内的水文地质参数随岩性不同而存在差异，所以将研究区内的地下水系统概化为非均质各向异性三维非稳定地下水流系统，可以用Visual MODFLOW进行建模。

研究区南北长约5.3 km，东西宽约4.7 km，将研究区划分为4 753的网格单元，共计2 491个网格单元，如图3所示。为了得到更细的模拟结果和提高模型精度，需要将矿区进行列与行的加密，此外，还需要对巷道所在高程处进行层上的加密。

研究区地下水的补给来源主要为大气降水的面状入渗补给，黑水潭附近为第四系沉积地层，降雨入渗系数较小，阻隔了大气降水对地下水的补给，其面状补给可忽略不计，排泄主要为生产矿井排水，可以将生产矿井概化为Drain处理。

图4 模型水位拟合图

图5 开采5 a后地下水等水位线

图6 开采10 a后地下水等水位线

4 模型的识别与验证

模型的识别也称模型反演，通过不断调整各水文地质参数、均衡项等，拟合同期地下水位实测值，以达到满足精度要求。判断拟合效果优劣包括以下四个方面：(1)拟合前后水量是否均衡；(2)计算水位与观测水位是否相匹配；(3)拟合后的渗流场是否符合实际水文地质条件；(4)拟合后反求出的模型参数是否与实际的水文地质条件匹配[14]。本文通过对研究区进行水位拟合来验证模型是否能够反映矿区实际水文地质特征，拟合结果如下：

图4反映了模拟得到的水位变化与观测水位的拟合结果，可以看出计算水位与观测水位基本吻合，误差为0.12%，小于5%，达到模型精度要求，模型能够较好地反映地下水动态变化。由于季节性变化造成水位浮动，为保证矿井安全施工，需要不断进行抽水，使地下水位不得高于950涌水口处水位。

5 涌水量预测

根据该矿体的分布特征，预测矿井开采5 a和10 a后涌水量的变化。图5与图6分别是矿井开采5 a和10 a后地下水等水位线图，从图中可以看出，随着矿井的开采，伴随着矿井疏排水，在其周围逐渐形成一水位降落漏斗。在矿井开采10 a后随着矿井开采面积的增加，水位降落漏斗出现扩大的趋势，地下水位明显下降，矿井开采已经破坏了当地地下水的天然渗流场，导致当地下水水可用资源量减少，需要采取必要的保护措施。

利用已经验证过的模型，来拟合地下水位可预测矿井开采5年和10年后的矿井涌水量。预测结果显示，矿井持续开采5 a后正常涌水量为2 733 m3/d，最大涌水量为3 552.9 m3/d；开采10 a后的正常涌水量为3 392.6 m3/d，最大涌水量为4 240.3 m3/d。矿井开采10 a后的正常涌水量与最大涌水量明显高于开采5年后的涌水量，主要原因是矿井在未来10 a的开采过程中，开采水平也相应下降。另外随着矿井开采面积的增加，矿井汇水面积也在增大。从预测结果还可以看出，雨季的矿井涌水量明显大于平枯季。