非连续流方法在矿坑涌水量预测的应用——以安徽省和县龙塘沿铁矿为例

蒋玲，徐振，卢春丽，陈馨怡，刚丹

(1.安徽职业技术学院，安徽 合肥，230000；2.安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥，230000)

矿坑涌水量是影响矿山开采和安全的重要因素，其预测结果意义重大。但由于地下矿产水文地质条件的复杂性，往往存在预测模型不够精确，参数选取不恰当等情况，致使目前常用的一些计算方法，如：比拟法、大井法、指数平滑法等确定性数值模型所得预测结果，差距较大。这些方法均基于连续流理论来进行矿坑涌水量预测[1-8]，然而在矿床实际开采过程中，往往会存在非连续流的情况。此时，以连续流理论预测所得结果就不够准确。文章结合实例，使用非连续流和传统连续流两种理论方法建立模型，对矿坑涌水量进行对比预测，并在实际工程中监测水量数据，以验证模型的可靠性，为矿区开采提供参考。

1 研究区概况

研究区位于安徽省和县十四连圩，属亚热带季风性湿润气候，地势较为平坦，略有东高西低、北高南低的特点。该区域处于宁芜繁两个中生代火山盆地接壤部位西缘，区域构造线方向为北东，北北东向。

白垩系下统姑山组，矿区内较发育，分布于第四系冲积层之下，厚170～320m，岩性主要为(辉石)安山岩、安山质角砾岩、角砾熔岩、晶屑凝灰岩、凝灰质粉砂岩。

侏罗系上统大王山组，主要分布于矿区以南，厚138～251m，岩性有角闪安山岩、安山质凝灰角砾岩、角砾熔岩、凝灰质粉砂岩等。

侏罗系下统磨山组，分布零星，岩性主要为石英长石砂岩，砂岩、细砂岩。

三叠系中统黄马青组，区内分布较广，厚度可达490m，主要岩石类型为灰色细砂岩、紫红色粉砂质、粉砂质页岩，页岩、泥质粉砂岩。研究区铁矿即包裹于该层中。

2 模型的建立与识别

2.1 水文地质概念模型

依据勘查成果，矿床所分布的研究区范围内，地层自上而下分为四层：

第一层为第四系中等至强含水层，主要为松散孔隙水，含水量充足。

第二层为侏罗系黄马青组弱含水层，该层位裂隙不发育，含水量较少，可视作隔水层。

第三层为三叠系中徐家山组中等至强含水层，层位较稳定，厚度较大，矿床即位于该层位。

4.2.6 散装食品销售要求。散装食品不应着地堆放。应保留原散装食品的标外包装签，直至食品销售完毕。销售贮存散装直接入口食品应当遵守下列要求：a）散装直接入口食品应设置隔离设施，由专人使用清洁的专用售货工具（如专用夹取工具）提供销售服务；b）热食展示柜的温度应≥60℃，并做好温度监控记录。

第四层为以闪长岩为主的侵入岩弱含水层，岩性细密完整，裂隙少，且多被方解石充填，可视为隔水层。又由于其在研究区东西边界出露，因此可作为零流量边界，将南北设定为一类水头边界。

2.2 数学模型的建立

根据上述水文地质概念模型，可建立研究区的地下水流数学模型[9-10]如下：

式中：K为含水层渗透系数，m/d；H为地下水水位，m；M为承压含水层厚度，m；W为单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量，m3；μ*为弹性释水系数；H0为地下水初始水位，m；H1为模拟期边界处的地下水水位，m；t为时间,d；D为模拟区范围；Γ1为第一类水头边界；Γ2为第二类流量边界。

2.3 数值模型的建立与识别

依据上述的数学模型，采用Visual MODFLOW软件采用等间距有限差分法[10]建立三维模型，按照地层由上而下顺序，如图1。

图1 研究区地质模型图Fig.1 Geological model map of the study area

在对水文地质参数赋值时，依据水文地质勘察中的抽水试验资料，采用由Waterloo Hydrogeologic Inc.开发的Aquifer Test软件，计算相关参数值。结合抽水试验采集的两个观测孔的地下水水位数据，对水文地质参数进行拟合。由图2和图3的水位拟合结果可知，调试后的数学模型效果良好，可用于进一步的预测工作。

图2 观测孔1拟合结果Fig.2 Fitting results of Observation Hole 1

图3 观测孔2拟合结果Fig.3 Fitting results of Observation Hole 2

3 不同矿坑涌水量预测结果及对比

研究区的龙塘沿铁矿包括东埂和金龙两个相互独立的矿区，且包含多个开采水平。现以东梗-180米水平矿体为例。使用上述调试识别好的模型，将研究区矿体分布区内，布置相应的抽水井。在模型中调整和设定各抽水井的抽水量，以该矿区实际开采方案中的年数为抽水时间段，使开采区的水位降至-180m，地下水漏斗扩展如图4。当水位降至临界水位时，各抽水井的抽水量总和，即为所需的矿坑涌水量预测值。使用同样的方法，对金龙矿区-360m的矿体进行预测。根据模型的运行结果，两次矿坑涌水量的结果见表1中的连续流预测值。

图4 抽水降至-180米地下水位等值图Fig.3 The contour of groundwater level when pumping water to-180 meters

在上述传统预测方法中，可以发现，模型的设定，是认为地下水的流场是连续的。而在实际情况下，由于人工干扰或其他环境条件的改变，地下水在一个流量连续的运动场中，不再连续传递静水压力，出现了两个耦合的流场，即连续介质中发生非连续流现象[11]。

究其原因，在实际地下开采过程中，巷道的开挖使得岩体本身的自然应力平衡受到破坏，卸荷作用使采空区[12]应力发生变化，甚至山体岩石开裂。裂纹深度分布于10～100m不等[13]。而这种开裂情况，将导致矿床周边水文地质条件发生变化，有研究表明，巷道开挖完成后周围岩体渗透系数将增大 1～2 个数量级[14]，而远离矿床的岩体渗透性影响较小。如此，便出现了连续流中上下耦合的两个流场。

结合矿床分布和开采方案，如图5巷道开采平面图所示，对该水平从南向北分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期分别预测。依据以上思路，结合矿区实际开采方案，将原有连续流数值模型的矿床顶部含水层加以细化，并调整水文参数值。以-180m Ⅰ期2.5年的矿区涌水量为例。在模型中，在矿体赋存组下方的不活动层中，将东梗一期的矿体范围单独设置为一个活动区域，单独设置相应的水文参数。将这个区域，设定为符合实际矿体开采形状和位置的类似于“盆”的结构，模拟在矿产开采过程中，水流向下渗漏进入巷道的一个过程。用流入“盆”中的水量，来预测相应开采时段的矿坑涌水量。在这个过程中，水流的流量是连续的，而压力是不连续的，即为非连续流。模型平面图见调整后的预测模型平面图如图6。

图5 东梗矿区巷道开采平面图Fig.5 Roadway layout of Donggeng mining area

图6 预测模型巷道层平面图Fig.6 Roadway floor layout of prediction model

采用同样的方法，对东梗矿区-180m Ⅱ、Ⅲ期，以及金龙矿区-360m分别进行涌水量计算。并相应的用连续流方法预测不同开采水平下的矿坑涌水量，结果如下表1。

表1 两矿区水量预测结果 (m3/d)

由表1可知，两种方法计算得出的涌水量差别较大，可见模型中是否考虑非连续流情况，对预测影响较大。该矿区目前已投产数年，通过对矿区涌水情况的监测与统计，发现实际矿坑涌水量与非连续流预测结果非常接近。

4 结论

1)本次预测过程中，对东梗矿区-180m矿段采用的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期，金龙矿区-360mⅠ、Ⅱ期情况进行预测。考虑到采矿是一个循序渐进的过程，如果能把预测分期更加细致，则模型更加符合实际情况，预测的水量将更加准确。

2)在地下水流场中，由于天然或者人为(如矿产的开采)因素，使连续流场中出现了流量连续而压力不连续的非连续流，是切合水文地质实际情况的。在矿坑涌水量预测中，应结合矿产开采方案，建立更符合水文地质条件的模型，为矿山开采提供更加可靠的依据。