矿山水害的模拟与智能防治决策

朱承敏，高 超，容玲聪

(长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

我国金属非金属矿山地下水灾害严重[1]，金属矿山中尤其是水文地质条件复杂的岩溶充水矿床矿坑涌水量特别大，单矿井的涌水量常常可达到每天几万立方米至几十万立方米，以集中突水为主要充水方式，单个突水点的涌水量可达每小时数千立方米甚至几万立方米，突水点集中分布在某一方向或某一地段，使岩溶充水的矿床在开采过程中容易造成透水灾害事故。深部开采时，在长期的高温、高压状态下，岩石出现大量的细小裂隙，因开采活动，临空围岩在一定范围内卸压，出现单方向应力释放，从而产生更多更宽的网状裂隙，高压水顺裂隙并随着应力和压力释放，导致裂隙变宽、水量快速增大，并沟通上部含水层或导水构造，往往在几小时内转化为大突水，开采深度达到2 000 m时将产生高达20 MPa以上的高渗透压力，突水机率随之增加[2]，更容易诱发透水灾害事故。

为了给快速处理透水事故提供依据，通过水害监测数据分析及处理系统，模拟矿山生产过程中水害形成机制，并自动分析做出治理方案决策，从而实现矿山防治水智能管理和矿山的智慧建设[3-4]。

1 软件及依托项目简介

1.1 软件简述

水害监测数据分析及处理软件系统主要由监测数据管理、资料处理与结果展示、模型管理、地下水灾害管理、地下水疏干模型仿真管理、报警设置、报表管理等七大部分组成。系统研发流程图见图1。

各模块功能如下所述。①数据管理。基础数据录入、查询、修改、删除、备份、恢复等模块。数据录入方式，可以采用手动录入，也可以开发自动录入系统。②数据处理与数据分析。单个观测孔随着时间变化的曲线图；某一时刻，观测区域的水位平面等值线图、水位剖面图、水流方向示意图。③模型处理。利用现有商业化的软件系统(GMS或MODFLOW)进行建模处理。仿真矿山地下水在各种不同情况下的分布情况。④水害预警。可对水位、水量、水质、水温设置相应的预警参数，当采集或输入数值超过预警参数时，系统及时发出声音和图像报警，提示系统管理人员，有参数超过警戒数值，提前及时处理警戒状况。⑤事故鉴定与分析。水灾事故发生后，及时组织相关专家鉴定结果、分析原因，并记录现场状况(照片)。将鉴定与分析过程实时记录，载入系统，以备不时进行查询。⑥事故处理与防治决策。水文调查、处理与防治决策是一个预研究与模拟分析为主的综合决策过程。该模块主要通过模拟计算，比较直接疏干与疏堵结合方案的投资成本，寻找到最优方案。⑦报表管理与输出。根据用户需求，设计相关报表并输出。

图1 软件系统研发流程图Fig.1 Software system development flow chart

1.2 项目介绍

凡口铅锌矿区主要含水层及与矿体的联系。

1) 水草坪矿床存在两个主要含水层：一是浅部为壶天群(C2+3ht)溶洞含水层和东岗岭组、天子岭组溶洞-裂隙含水层；二是深部(-200 m以下)为东岗岭上亚组和天子岭下亚组(D2db、D3ta)深层裂隙承压含水层。深部含水层与浅部石炭系壶天群(C2+3ht)含水层没有水力联系。浅部含水层虽然水文地质条件复杂，水量大，但已处于疏干状态。疏干漏斗于20世纪60年代末已基本处于动态平衡状态，即旱季漏斗向外扩张，雨季向内收缩，如此往复。

2) 第四系(Q)坡残积层为相对隔水层，石炭系下统(C1)砂页岩、泥盆系上统天子岭组中上亚组(D2tbc)杂质灰岩、泥盆系上统帽子峰组(D3m)砂页岩、泥盆系中统东岗岭组下亚组(D2da)砂页岩为隔水层；金星岭以南断层F3、F4、F5、F102、F103等为相对隔水带。

矿区西部天子岭组条纹状灰岩、泥质灰岩和石炭系下统砂页岩组成西部隔水边界；矿区北部石炭系下统砂页岩和泥盆系上统帽子峰组砂页岩组成北部隔水边界。北部和西部隔水边界组成矿区“厂”字型的相对隔水边界。

3) 凡口铅锌矿区水草坪矿床矿体赋矿地层主要是中泥盆统东岗岭上亚组(D2db)和上泥盆统天子岭下亚组(D3ta)，其次是下石炭统(C1)、中上石炭统壶天群(C2+3ht)等，矿体赋矿层位是矿区主要含水层，矿体与地下水直接接触。矿体产出空间位置与控矿断裂构造关系密切(近断裂处，矿体厚度明显增大，远离断裂则变薄或尖灭再现)。断层对矿床不存在导水作用，其本身未能构成地下水的通道和储藏所，但断层旁侧的次一级张性裂隙在带酸性水的作用下，可溶地层逐渐被溶蚀后形成溶洞和溶蚀裂隙，成为地下水的通道和储藏所。

4) 水草坪矿床矿坑水的主要补给来源是大气降水和地表水的垂向下渗(或下灌)，其次为降落漏斗外围地下水的侧向迳流。深部充水来源，主要是通过裂隙接受凡口铅锌矿区西部(狮岭以西)和北西部一带的天子岭组和东岗岭上亚组的浅部溶洞-裂隙水，并通过裂隙进行深循环和储存。

5) 水草坪矿床矿坑地下水存在三个明显的进水通道：一是F4至F5之间的金星岭南部进水通道，集中从-40 m新南截流巷涌出；二是西部隔水边界至F4之间的狮岭南部进水通道，主要从狮岭南放水巷涌出；三是金星岭北部进水通道，主要从0 m北截流巷涌出，进水方向为正东方向。

6) 水草坪矿床狮岭区段属于以裂隙含水层充水为主，矿体与地下水直接接触，地下水直接进入矿坑，水文地质条件中等的深层裂隙承压水矿床。

根据项目需求，收集凡口铅锌矿的水文地质资料，以该矿山的资料为基础，建立地质、地表水、地下水复杂综合三维实体模型，对矿山未来20年及40年开采周期过程中水害发生各阶段进行数值模拟，再现事故发生过程，并自动分析决策出最优防治方案。

2 模型建立

2.1 地质建模(3D概念模型)

对凡口铅锌矿地质、水文资料的归纳整理，主要地层见表1。

通过对凡口矿拟开采区搜集了246条测线，并从361个钻孔的资料中，提取2 660个岩性分界面的信息资料，对其中42个钻孔的298份岩性分界信息数据进行了重复检查提取资料，检查误差4.2%，确保了数据提取准确可靠。采用概念模型方法，在地质平面图上确定建立概念模型区域及模型，模型西部边界、西北部边界、北部边界、东北部边界为隔水边界，东部边界是定流量边界，西南部边界及南部是固定水头100 m边界，-40 m坑道排水通道处于上部含水层，凡口河流河底已经硬化，不考虑补给，雨水补给区域为全部圈定区域，但对下部壶田灰岩补给是通过隐伏浅部岩溶(天窗)，即只有越流补给。依此建立出拟采区域3D地层图(图2)。

表1 凡口矿地层Table 1 Fankou mine stratum

图2 凡口矿拟采区域三维(3D)地层图Fig.2 Three-dimensional(3D) stratigraphic mapof the mining area of Fankou mine

2.2 网格法模型

MODFLOW建立模型[5]的基础是有限差分法，采用这种数学方法，模拟区域被分为大量的立体模型单元，每个单元都分配有物理(水力)参数，并由规定的三个数字来表示(行、列和层)。根据凡口矿地层的水文地质性质和特点，将凡口矿研究区MODFLOW三维水文地质模型分为16个单元模型层。

1) 模型分层。为了给矿山开采提供技术参考，模型分层按开采中段设置，共计分为16层，各层底板标高分别为：+75 m、25 m、-20 m、-60 m、-100 m、-140 m、-180 m、-220 m、-260 m、-300 m、-340 m、-380 m、-427.5 m、-477.5 m、-550 m、-650 m。凡口矿设计20年后开采至标高-380 m，40年后开采至标高-650 m。

2) 含水层分区。根据凡口矿含水层系统的构造、不同含水层的渗透系数和传导系数等水力参数以及各含水层的性质、特点和各含水层之间的水力联系，建立了凡口矿含水系统地下水三维地质模型，模型分为16层。各层单元设置主要依据矿山提供的中段图，不同区域的含水层性质及水文地质参数，见表2。

表2 矿区各水文地质单元及参数Table 2 Hydrogeological units and parametersin the mining area

3 矿山水害事故模拟与防治决策

3.1 各中段疏干排水路线布设

根据各中段实际出水点的平面坐标及高程位置设置单元排水井。通过在软件中运行与每一中段相关联的排水井的数量、水量、疏干速度及疏干面积等参数，并进行对比分析，得出该中段设计的拟疏干孔最佳位置，并依此设计各中段的疏干排水路线。以-40 m中段，对应第三层水文单元为例，设计出该中段疏干排水路线，如图3所示。

图3 -40 m中段疏干排水路线Fig.3 -40 m middle drainage route

3.2 水害监测预警

水害监测预警[6-8]是水灾防范和水灾管理的重要环节。软件系统对矿区水位、水量、水质、水温4种参数(菜单)进行实时监控，根据矿山要求设计各参数的极限值。当监测参数发生突变，例如当矿区第三层含水层水位突变超出警戒值时，系统发出警报并提供准确的井下水位突变位置，以便矿方管理人员迅速通知井下作业员工紧急撤离，同时通过采取紧急预案，快速选择处理方案。通过对第三层含水层1～7号水位监测点设置水位变化预警，如图4所示。

3.3 事故处理与防治决策

根据现场实际情况，以及矿山生产需求，系统进行现场模拟仿真运算[9-10]，利用模拟结果作为决策依据，制定相应的决策处理。随着矿山开采深度变化，需要对矿山地下水的情况进行仿真模拟计算，本系统采用GMS系统[7]进行仿真模拟。在目前矿山的防治水领域，常用的防治水方案有疏干、以堵为主、疏堵结合三大类方案。

图4 矿区第三层含水层水位变化预警Fig.4 Early warning of water level change in the third aquifer of mining area

传统疏排水方案指超前疏干，一般可采取地面疏干、井下疏干、地面井下联合疏干三种可能的方案，分别简介如下所述。①地面疏干。在基建工程建设前期，在矿床周边地面施工众多专用的疏水钻孔，钻孔深度超过采矿中段，孔内下置深井泵抽水，并要求地下水位降至采矿中段以下，再开始进行采矿工程。该方案工艺简单，但钻孔施工成本较高、管理困难、长期排水费用较高。②井下疏干。基建阶段主要采取预注浆的措施进行地下水的防治，保证巷道的掘进，在井下排水系统形成后，再施工专门的疏水巷道、疏水孔等疏干工程，待地下水位降到采矿中段以下时，再进行采矿作业。该方案工艺简单、井下排水工程管理方便，但由于排水扬程较大，长期排水费用较高。③联合疏干。即地面与井下相结合进行疏干，一般是前期采用地面降水孔进行排水，一方面保证井筒工程的顺利掘进，另一方面排除含水层大量静贮量，节省后期井下排水时间；后期再以井下疏干工程为主进行地下水的疏放。该方案工艺简单、兼顾了井筒工程的掘进、井下排水工程管理方便，但疏水工程成本较高、地面工程管理困难，长期排水费用较高。

注浆封堵方案主要有地面在帷幕注浆方案和井下近矿体帷幕注浆方案。前者是在矿区主要进水地段利用钻孔注浆，在地下形成一条大致垂直地下水迳流方向的人工隔水墙，拦截一半以上的地下水补给量，幕内辅以疏干，在帷幕的保护下进行采矿的一种方法。适用条件是矿床主要充水岩层涌水量大，进水通道相对狭窄，优点是矿坑涌水量小，排水费用低，保护了矿区水资源，较大程度地避免了环境工程地质问题发生。缺点是相对投资较高，有一定技术难度。井下近矿体帷幕注浆方案是在井下通过钻孔对矿体周边进行注浆，形成具有一定厚度及强度的连续封闭墙体。适合在矿体相对集中，矿体厚度具有一定规模的矿山中应用。 该方案费用较高，技术难度大。 疏堵结合方案一般采用前两种方案综合应用。

在每一大类方案中，如疏干方案，又存在不同中段、不同疏干孔位置、疏干孔多少不同等多种疏干方案，系统通过不断调试各种疏干方式，快速地找到最佳疏干方案。针对矿区各层含水层设置相应数量的疏干抽水井，矿山开采到不同中段时，含水层渗透系数也随之变化，因此，矿山开采周期的制定和在该时间内选择的防治水方案对下一开采周期影响显著。通过设置不同开采周期和防治水方案，系统可以自动分析出各周期内防治水方案投资，从而为矿山制定合理的开采计划。

以20年和40年设计开采年限，通过输入各含水层疏干井数量和最低标高值，帷幕堵水墙长度等参数，自动算出在开采年限内总排水费用。

1) 东西两端帷幕延长(纯堵方案)。采用全部闭环帷幕建设方案，不设置疏干井疏干排水，不考虑下层排除水的外排成本，只计算帷幕建设成本。计算结果为20年预计投资15 270.00 万元，40年预计投资26 186.00 万元。

2) 帷幕不延长(纯疏干方案)。该方案不延长帷幕，即不新建帷幕，完全通过抽水井抽水疏干工程。计算结果为20年预计投资18 586.60万元，40年预计投资37 143.20万元。

3) 疏堵结合方案。①帷幕西端延长疏干方案(疏堵结合)：帷幕西端在原有基础上，延长300 m。上层含水层的排水量由10 645 m3，减少到6 962 m3。下部含水层排水量没有变化。计算结果为20年预计投资15 437.67万元，40年预计投资30 845.34 万元。②帷幕东端延长方案(疏堵结合)：该方案在现有帷幕的东端新建帷幕970 m，上层含水层的排水量从10 645 m3减少到5 105 m3。下层含水层的排水量依然为6 377 m3，没变化。上部含水层的排水井孔4个，下层含水层的排水孔2个。计算结果为20年预计投资13 812.40 万元，40年预计投资27 594.80 万元。

综合对比得出，在20年的设计开采期限内最合理的治水方案为帷幕东端延长方案(疏堵结合)；在40年的设计开采期限内最合理的治水方案为东西两端帷幕延长(纯堵方案)。

4 结 论

1) 水害监测数据分析及处理软件系统是由国家科技部委托长沙矿山研究院有限公司并由本文作者研究开发，以长沙矿山研究院有限公司防治水研究所在国内多个矿山防治水工程项目为实例参考分析依据，将广东凡口铅锌矿作为本软件系统案例研究。该软件以GMS或MODFLOW为开发平台，建立地质、地表水、地下水复杂综合三维实体模型，实现了地质、地表水、地下水主要参数的自动采集、存储、加工处理和水害预警，同时实现了矿山水文地质条件与地下水动态远程三维信息化管理，为研究、分析、鉴定透水事故发生破坏动力学规律提供依据。

2) 通过对水害发生各阶段进行数值模拟，再现事故发生过程，有效解决矿山突水灾变预防与治理，未来通过在国内外矿山推广运用和改进完善，将直接带动矿山资源的安全、高效开采，提高矿山尤其是水文地质中等复杂以上矿山开采的经济效益，实现矿山智能智慧建设的目的。

3) 通过该软件系统自动计算出在20年及40年开采周期中实行不同防治方案的投资预算，并通过对比实现矿山在不同周期中最佳防治方案的智能决策，为矿山建设规划提供依据，指导矿山做出科学合理的部署，有效地提高矿山企业采矿的效率，降低成本。