安徽庐枞火山岩盆地某矿床矿坑涌水量预测

秦贞娜， 张 骁， 许强平， 付光明， 周 乾

(1. 安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽 合肥 230011； 2. 安徽省勘查技术院，安徽 合肥 230031； 3. 东华理工大学地球物理与测控技术学院，江西 南昌 330013； 4. 安徽省核工业勘查技术总院，安徽 芜湖 241000)

0 引 言

在水文条件复杂的矿山，矿坑涌水是矿山开采面临的重要安全生产问题之一，也是矿井排水、矿山给排水合理设计的依据(刘德朋等，2012；孙晶晶，2018)。庐枞火山岩盆地东北缘某矿床水文地质工程地质条件复杂，以往的钻探工程显示矿区水量巨大，而与其相隔数千米的龙桥铁矿床在开采过程中却鲜有涌水。前人对矿区水文条件进行过研究，并实施了地面帷幕注浆防治水工程(湖南省勘测设计院，2012；长沙矿山研究院，2013；湖北中南勘察基础工程有限公司,2016；乐应，2018；孙晶晶，2018)，并对-240、-290、-340 m 3个开采水平涌水量进行了预测。笔者在该工程实施前采用解析法和数值法对3个开采水平的涌水量进行了预测，结果基本相近，但矿区含水系统含水介质特征及边界条件不完全符合解析法的假定条件，而数值模拟结果更符合实际。地面帷幕注浆工程对矿区防治水虽有一定的作用，但仍需进一步查明矿区水文地质条件，查清矿区地下水流场和可能存在的地下水集中径流带等，以更有效地防治水。

1 地质特征

1.1 地层

矿区被第四系覆盖，主要为全新统和中更新统。钻孔揭露的地层有中三叠统铜头尖组、上三叠统拉犁尖组、中侏罗统罗岭组以及上侏罗统龙门院组。

1.1.1 铜头尖组 岩性主要为泥灰岩，紫红色-灰紫色钙质、浅灰-深灰色泥质及少量细粒石英砂岩，厚度>460 m。

1.1.2 拉犁尖组 岩性可分为上下2段：下段为灰-深灰-灰黑色薄层状细粒石英砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩和炭质页岩，夹透镜状劣质煤层，厚度约为200 m；上段为浅灰-灰白色层状中粗粒、中粒、中细粒石英砂岩，夹薄层状粉砂岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥(页)岩，厚度约为177 m。

1.1.3 罗岭组 见3个岩性段：第1岩性段下部为灰白色粗、细粒石英砂岩，局部含砾，上部为灰黄-灰绿色薄层状粉砂岩、泥质粉砂岩，夹灰紫色含炭质粉砂质泥岩、页岩，厚度约为170 m；第2岩性段下部为灰白-灰黄色薄层状粉砂岩、泥质粉砂岩，夹细粒石英砂岩，上部为浅灰、灰黄、深黄色层状斑点状粉砂岩和斑点状泥质粉砂岩，厚度约为460 m；第3岩性段岩性为灰白、浅灰色薄层状粉砂岩，灰白、浅灰、灰黄色中—厚层状中粒石英砂岩和长石石英砂岩，厚度>238 m。

1.1.4 龙门院组 分为2个岩性段：第1岩性段主要为紫灰色粗安质火山角砾岩、角砾凝灰岩、含砾粗安岩、粗安岩、紫红色沉凝灰岩、晶屑凝灰岩以及凝灰质粉砂岩等，厚度约为100 m；第2岩性段主要为1套灰绿色角闪安山岩、安山岩，并夹有紫红色薄层状沉凝灰岩、凝灰岩及凝灰质粉砂岩，角闪安山岩为该段的典型岩石，厚度为300 m(安徽省地质矿产勘查局327地质队，2011)。

1.2 岩浆岩

矿区内岩浆岩主要有超浅成相的黄屯闪长玢岩、浅成相的焦冲正长斑岩，以及龙门院旋回的次火山岩(岳山粗安斑岩)和喷发岩(安徽省地质矿产勘查局327地质队，2011)。

1.3 构造

1.3.1 褶皱 基底地层总体呈一单斜构造，走向NE 70°～80°，倾向SW，倾角40°～60°，局部见小褶曲。粗安斑岩岩体顶部砂岩残留体受粗安斑岩侵入影响，产状转变为倾向S 210°～230°、倾角10°～25°(安徽省地质矿产勘查局327地质队，2011)。

1.3.2 断层 矿区主要发育NNE、NNW、NW走向的断层。① F1断层为矿区内1条规模较大的逆断层，具压扭性，地表未见岀露，深部为钻孔工程控制，长度>1 200 m，断层水平宽5～30 m，垂直断距为30～60 m。走向NE 15°～20°，倾向SE，倾角约为70°～90°。钻孔揭露时出现漏水现象，富水性强并具承压性，对矿床充水有一定的影响。② F2断层位于矿区东侧外围，断层北部走向近NS，南部走向NNW 345°，断层面倾向近东或NEE，倾角63°～74°，断层延长>1 200 m，左行平移断层。断层两盘均有不同程度的水平和上下位移，常造成正断层或逆断层假象。据钻孔抽水试验，认为该断层未受到构造破碎带影响，具隔水性质。③ F3断层位于矿区南侧，断层走向近EW 90°，断层面倾向近N，倾角约为70°，断层水平宽约18 m，延长近1 200 m，属张性正断层，断裂带裂隙发育。岩芯较破碎，裂面见硫化矿物、硅质薄膜，为含水构造，具导水性质(湖南省勘测设计院，2012)。

2 矿区水文地质

矿区含水岩(组)主要为松散类孔隙水含水岩组、火山碎屑岩与熔岩类孔洞-裂隙水含水岩组、碎屑岩夹碳酸盐类岩溶-裂隙水含水岩组(杨柱等，2014；孙晶晶，2018；王亚莉，2018)。

地球物理勘查表明矿区内存在多条低阻异常带，结合物探异常特征及钻孔揭露情况分析，矿区发育多条构造破碎带，主要呈NE、NEE或NW向展布。钻孔揭露显示张性裂隙发育，表面附硅质薄膜，群孔抽水试验结果表明裂隙具良好的导水性。综合物探成果分析，矿区地下水在破碎带中发生了运移，破碎带可能为矿区内的集中径流带(安徽省地质矿产勘查局327地质队，2011)。

矿区地下水主要接受大气降水入渗和地表水下渗补给。受地形因素影响，地下水径流方向总体由东西两侧山区向河谷径流；受地质构造影响，局部区段地下水顺断裂两侧和构造破碎带径流，形成集中径流带，最终流向北部的天河及其以东地区。排泄方式主要为侧向径流排泄、人工开采和地下径流排泄。

3 矿床充水因素分析

矿区构造破碎带均切穿矿床内主要含水层，断层两侧附近岩石破碎、节理裂隙发育、硅化较强，钻孔揭露时出现漏水现象，富水性强并具承压性，对矿床充水有一定的影响。矿体顶底板及围岩多为富水性中等—极强的火山碎屑岩、熔岩类孔洞-裂隙水含水岩组。受区域各向构造的影响，构造裂隙较发育，特别是构造带两侧次级裂隙尤为发育，沿裂隙常伴有小孔洞分布，加之岩芯大部分破碎，为地下水活动提供了良好的通道，给地下水循环交替带来了有利条件，对矿床充水有较大的影响。龙门院组第1和第2岩性段粗安岩、含砾粗安岩、凝灰岩为矿区主要含水层岩组(火山碎屑岩与熔岩类孔洞-裂隙水含水岩组)，其节理、裂隙发育，沿裂隙及硅化处多发育有孔洞，具连通性，与矿体构成统一的含水体(含水岩组)，成为矿坑主要的直接充水来源。

矿区第四系冲洪积孔隙含水层中，含水介质在空间上变异较小。主要充水岩层为砖桥组粗安岩及粗安斑岩，该含水介质主要发育成岩过程中形成的孔隙介质，以及在后期构造运动中形成的构造裂隙、大型断层和构造破碎带，断层和构造破碎带的富水及导水性明显强于成岩孔隙和构造裂隙，导致该含水层不同部位因含水介质的差异表现出高度非均质性。

矿区内部发育断层及破碎带，导致断层带及其附近的围岩岩石相对较破碎，裂隙发育，渗透性较强，沿断层或破碎带走向形成地下水的强富水和导水通道，地下水沿破碎带相对集中并沿破碎带径流。群孔抽水试验揭示，构造破碎带在抽水条件下形成近EW向强径流带，对矿床充水有较大影响。

4 矿坑涌水量预测

4.1 水文地质概念模型

分析矿区水文地质条件，将矿区水文地质概念模型概化为1个近似梯形(南宽北窄)的平面，东西两侧以隔水边界为主，南北两侧为导水边界，垂向5层结构，内部由5条相互交叉的强导水破碎带组成高度非均质非稳定的地下水流模型(图1)。

图1 研究区地下水流模型剖分示意图

严格来说，这类复杂的水文地质模型无法用解析法求解，故矿坑涌水量评价主要运用水文地质数值法进行参数识别和涌水量预测，辅以近似等效的均质等厚带状含水层模型，运用解析法求参和矿坑涌水量预测，并与数值法进行对比(王亚莉，2018)。

4.2 水文地质参数及计算方法

水文地质参数主要依据大型群孔非稳定流抽水试验资料，计算方法为解析法、数值法(国家技术监督局，1991；王亚莉，2018)。

4.2.1 解析法 用泰斯标准曲线配比法和直线图解法确定水文地质参数(张心山，2018；王晓军，2019)。根据26个观测孔求参结果，标准曲线配比法的导水系数平均值为475.3 m2/d，变异系数为28%；弹性给水度平均值为2.99×10-3，变异系数为252%。直线图解法的导水系数平均值为285.3 m2/d，变异系数为44%；弹性给水度平均值为1.79×10-4，变异系数为179%。

可见，矿区裂隙-孔洞含水层的导水性较强，但不同区域的导水性及储水性差异较大，反映了矿区含水层受后期构造断裂和剪切破碎的影响呈现非均值性特征。

4.2.2 数值法 (1)模型结构及模拟范围。为数值计算的需要，根据矿区地质、水文地质条件及矿床的空间分布等情况，将矿区简化概括为垂向5层结构：表层第四系冲洪积亚黏土弱透水层(Ⅰ)、第四系冲洪积砂砾石孔隙微承压含水层(Ⅱ)、第四系残积黏土及火山岩强风化高岭土弱透水层(Ⅲ)、侏罗系火山岩裂隙-孔洞承压含水层(Ⅳ)和三叠系沉积岩裂隙弱含水层(Ⅴ)。地下水数值模型范围：矿区北侧以陈拐一带为界，南侧以F3为界，东侧以F2-2为界，西侧以F1为界，圈定的数值模拟面积为1.43 km2(图1)。

(2)地下水运动的数学模型。矿区概化为5层结构的非均质各向同性非稳定流水文地质概念模型，数学模型如下：

(x,y,z)∈ω1

(x,y,z)∈ω2

(x,y,z)∈ω3

(x,y,z)∈ω4

(x,y,z)∈ω5

(x,y,z)∈ω2

(x,y,z)∈ω2

v3=-v2

(x,y,z)∈ω4

ε4=Q4

(x,y,z)∈ω4

ε5=Q5

(x,y,z)∈ω4

H1(x,y,t)|t=0=H1,0(x,y)

(x,y)∈ω1

H2(x,y,t)|t=0=H2,0(x,y)

(x,y)∈ω2

H3(x,y,t)|t=0=H3,0(x,y)

(x,y)∈ω3

H4(x,y,t)|t=0=H4,0(x,y)

(x,y)∈ω4

H5(x,y,t)|t=0=H5,0(x,y)

(x,y)∈ω5

HB1(x,y,t)|(x,y)∈B22=HB1(x,y,t)

(x,y)∈ω5

(1)

式(1)中：x为EW向坐标，y为SN向坐标，z为垂向坐标；K1、K2、K3、K4、K5分别为各含水岩组的渗透系数函数，m/d；μs1、μs2、μs3、μs4、μs5分别为各含水岩组的储水系数，1/m；H1、H2、H3、H4、H5分别为各含水岩组某空间(x，y，z)在t时刻的水头函数，m；H1,0、H2,0、H3,0、H4,0、H5,0分别为各含水岩组在t0时刻的水头函数，m；v1、v2、v3分别为各含水层垂向越流补给或排泄量，m；ε4、ε5分别为抽水或矿坑排水量，m3/d；HB1为第1类边界水头函数，m；q2为第2类单宽补给量，m2/d；T2、T4分别为第2类Ⅱ、Ⅳ含水层已知流量边界法向导水系数，m2/d；B22、B24分别为渗流区域的第2类Ⅱ、Ⅳ含水层的流量边界；t为时间，d；ω为模拟区。

(3)模型剖分。采用FEFLOW有限元数值模拟软件进行矿区地下水流场数值反演和预测。根据矿区地质、水文地质、边界等条件，尤其是考虑到矿区含水介质的非均质性，采用非均匀三角形单元剖分，在抽水井附近以及断层、破碎带、边界附近进行加密剖分(孙讷正，1981；王大纯等，1995；中国地质调查局，2012；王亚莉，2018)，以便更细致地刻画含水介质的高度非均质特点。平面上共剖分为1.827 81×107个单元，垂向上分为5层(图1)。

(4)边界概化。主要依据群孔抽水试验进行矿区水文地质条件的反演识别。矿区东部的F2-2断层具有较好的隔水性，故以该断层作为模拟区的东部隔水边界；西部F1断层总体也具有一定的隔水性，故以该断层作为模拟区的西部隔水边界，但其中段的隔水性因受近EW向破碎带的穿切而被破坏，此段在模型中按流量边界处理；矿区南部和北部均无自然水文地质边界存在，故将其概化为流量边界。

(5)初始流场的确定。根据群孔抽水试验初始地下水水位统测资料编制群孔抽水试验的初始等水位线图，并据此离散化到各单元节点，得到模拟的初始流场。

(6)水文地质参数分区及初值。水文地质参数分区的依据主要考虑矿区地质勘探揭示的含水介质的特点、类型及分布，群孔抽水试验地下水降落的形态及其扩展特征，以及试验期间相同距离水位观测孔地下水水位降深的变化规律等。首先将模拟区划分为3个大区，即东南第四系厚度薄的基岩裂隙水浅埋区(Ⅰ)、断层及破碎带区(Ⅱ)、一般裂隙-孔洞含水介质区(Ⅲ)，再结合抽水试验流场形态及各水位观测孔的水位变化细分为若干亚区，最终确定矿区水文地质参数分区(图2)。

图2 研究区水文地质参数分区图

根据群孔抽水试验，以解析法求得矿区水文地质参数作为反演初始猜测值，在此基础上以矿区各观测孔水位降深为目标函数进行数值法反演求参。

(7)反演求参(模型识别)。水文地质模型(参数)的识别主要依据群孔抽水试验所得模拟区内各观测孔的水位动态曲线，以地下水降落的平面形态特征作为该区模型识别的目标函数。在考虑初始水文地质参数分区、参数初始推测值并满足水文地质条件定性的条件下，不断调整各分区的水文地质参数值，直到获得既符合水文地质条件的定性认识，又能最佳拟合群孔抽水试验的水文地质参数。

水文地质参数直接反映了该处含水介质的水文地质条件，表征区内断层带、构造破碎带、局部径流带的水文地质特性。渗透系数最小值0.07 m/d归为近隔水区域，0.71～1.77 m/d为弱透水区域，2.65～6.36 m/d为渗透性一般区域，7.07～14.14 m/d为渗透性良好区域，17.68～35.36 m/d为强渗透性区域(图2)。

模拟共选取有数据的观测孔34个，多数钻孔拟合程度较高，最大绝对误差为2.94 m，平均相对误差约为10%。模型选用数据样本总体拟合程度较好，结果质量较高，可作为下一步模型预测的基础。

4.3 矿坑涌水量计算

4.3.1 解析法 设计-140、-240、-340 m 3个开采水平对矿区进行涌水量预测。模型概化及计算原理：主要矿体分布在火山岩裂隙-孔隙含水层中，在疏干排水条件下，区域地下水水位将显著下降，低于火山岩裂隙-孔隙含水层顶部的相对隔水层，转化为无压含水层，因此采用潜水含水层水平坑道法和大井法进行矿坑涌水量预测(孙讷正，1981；王亚莉，2018)。

(1)水平坑道法涌水量计算。矿体-140、-240、-340 m的开采水平高于火山岩裂隙-孔隙含水层隔水底板，所以按潜水非完整式水平坑道的公式(式2)计算，其剖面如图3。

(2)

式(2)中：Q为涌水量，m3/d；B为坑道长度，m；K为渗透系数，m/d；h1、h2分别为矿体开采水平以上的含水层厚度，m；M为坑道底部与隔水底板间的距离，m；S为水位降深，m；b为坑道宽度，m；R1、R2为影响半径，m。

图3 水平坑道法涌水量计算的水文地质剖面示意图

(2)大井法涌水量计算。根据矿区水文地质条件，以矿区东部的F2-2断层为直线隔水边界，以西部的F1断层总体为隔水边界，中段受构造影响设为透水边界，此种复杂的边界条件实际上无解析解。为便于解析计算，根据水量等效原理对F1边界的位置进行适当调整，将F1和F2-2概化为相互平行的2条隔水边界，并使此2条隔水边界之间的距离(2d)等于实际模型中南北2条透水边界长度与西侧F1断层透水段长度之和的1/2。概化后矿区解析模型的边界条件如图4所示，按公式3计算。

图4 大井法涌水量计算的水文地质平面示意图

(3)

式(3)中：Q为涌水量，m3/d；K为渗透系数，m/d，根据2次大型群孔抽水试验资料，采用面积加权平均法算出的平均渗透系数(3.86 m/d)；H为含水层厚度，m，采用砂岩隔水层顶板标高与平均水位标高之差；S为水位降深值，m，分别取不同时期地下水水位标高与预测开采水平之差值；d为大井距隔水边界的距离，m；r0为矿坑引用半径，m，用式(4)计算；R0为矿坑引用影响半径，m，用式(5)计算。

(4)

式(4)中，F为多边形矿坑的面积，m。

(5)

根据上述计算得到研究区矿坑涌水量(表1)。

4.3.2 数值法 运用数值法进行矿坑涌水量预测，能够较好地刻画含水系统的复杂边界条件以及含水层参数的非均质特点。由于矿区边界条件和非均质都较复杂，故矿坑涌水量主要采用数值法对-140、-240、-340 m 3个开采水平进行预测。

用数值法进行预测的难点在于矿区属于区域地下水系统中的一小部分，区内地质、水文地质勘査程度远高于外围地区，外围的勘査程度低，因此不具备建立整个区域高精度地下水系统的数学模型并直接用于区内矿坑涌水量预测的条件(孙讷正，1981)。对于已建立的矿区地下水数值模型，虽然矿区内部结构、水文地质参数、边界位置与性质、现状条件下的边界条件等已获得理想的成果，但由于未开展抽水或放水试验，故在未来不同排水工况条件下，南部、北部及西部F1断裂中段3处边界段的边界流量难以获得。

因此，矿坑涌水量预测数值法模拟分2步进行，即建立区域完整地下水系统模型和矿区地下水系统模型，预测结果见表2。

对比表1、表2可知，水文地质解析法和数值法预测的矿坑涌水量结果相近，由于矿区含水系统无论是含水介质特征还是边界条件都不完全符合解析的假定条件，故认为数值模拟结果更符合实际。

5 结 论

(1)矿区主要含水层为龙门院组的火山碎屑岩及熔岩类裂隙孔洞水，富水性中等—极强；次要含水层为矿床基底沉积岩裂隙水，为相对弱含水层。两者之间无稳定的隔水层存在，矿体及其顶底板均为矿区内主、次要含水层，且各层垂直方向上没有连续稳定的隔水层存在。

表1 水文地质参数取值及解析法涌水量预测结果

表2 矿坑涌水量数值法模拟预测结果

(2)矿区内构造裂隙发育，断裂两侧的裂隙发育带及破碎带节理裂隙发育，裂隙呈网状密布，连通性好，是地下水的集中径流带。

(3)矿区因初始水位高，开采水平低，含水层富水性及导水性好，天然条件下矿坑涌水量较大，尤其是初见涌水量很大，矿坑正常涌水主要来源于边界补给，南北2条边界的补给量占矿坑总涌水量的90%。矿区特大暴雨条件下的最大涌水量较正常涌水量约增加(1.28～2.68)×104m3/d。

(4)根据矿区水文地质条件建立概念模型，运用解析法和数值法进行矿坑涌水量预测能较好地刻画含水系统的复杂边界条件及含水层参数的非均质特点。

由于矿区含水系统含水介质特征和边界条件不完全符合解析的假定条件，故认为数值模拟的结果更符合实际。