解析法与数值法在某铁矿区矿坑涌水量预测中的对比实验

2022-03-30许斌

地下水 2022年1期

许斌

(安徽省地质矿产勘查局324地质队，安徽池州 247100)

1 矿床类型及简要地质特征

某铁矿矿床属典型的玢岩型气化-热液交代为主的充填-接触交代型铁矿床。矿区地层简单，浅表均为第四系地层覆盖。矿区内隐伏的前第四系地层主要为三叠系中统徐家山组(T2x)、黄马青组(T2h)及侏罗系中下统象山群(J1-2xn)。构造较为简单，矿床位于钟姑山复背斜之次级褶皱—向阳向斜的北转折端，断裂构造不甚发育，未见明显的断裂构造，但层间裂隙较发育。岩浆岩主要为燕山期闪长(玢)岩，辉石闪长(玢)岩。矿化以磁铁矿化为主，其次赤铁矿化、少量黄铁矿化、黄铜矿化。围岩蚀变强烈，常见蚀变为碳酸盐化、矽卡岩化、钠长石化等。

2 水文地质

2.1 含水岩组

矿区含水岩组主要为第四系孔隙含水岩组(Ⅰ)、白垩系广德组火山岩裂隙含水岩组(Ⅱ1)、侏罗系象山群砂岩裂隙含水岩组(Ⅱ0)、三叠系黄马青组砂泥岩裂隙含水岩组(Ⅱ)、三叠系徐家山组砂泥岩、碳酸盐岩裂隙-岩溶含水岩组(Ⅲ)和燕山晚期闪长岩裂隙含水岩组(Ⅳ)。

2.1.1 第四系孔隙含水岩组，富水性中-强(Ⅰ)

本组覆盖全矿区，埋藏深度0～50 m，最深75.5 m。与邻近矿区及区域具有很高对比性，自上而下：

全新统芜湖组(Q4w)富水性中等。上部为粉质粘土，中部为薄层砂质粘土与粘质砂土、粉砂互层，钻孔单位涌水量q=0.02 L/s·m，渗透系数k=0.05～0.07 m/d；下部为粉细砂局部夹粉土，q=0.26～0.83 L/s·m，k=1.82～2.01 m/d。水化学类型属HCO3-Ca·Mg型，矿化度0.8 g/L。地下水位埋深0.5～2.0 m，水力性质为潜水。

上更新统大桥镇组(Q3d)厚25～45.5 m，底板标高-43～-68 m，富水性强。上部为粉土质砂质粘土，厚10.25～12.7 m，k=0.04 m/d；下部为砂砾卵石层，顶部有时见薄层中细砂层，结构松散，厚10.25～20.5 m，为强透水的含水层，q=0.98～5.91 L/s·m，平均2.09 L/s·m，k=2.91～37.56 m/d。水化学类型属HCO3·SO4-Ca·Mg型，矿化度1.05 g/L，水位埋琛1～3 m，水力性质为承压水。

2.1.2 白垩系广德组火山岩裂隙含水岩组，富水性弱(Ⅱ1)

该组分布于矿区北部外侧钟九铁矿区及东部外侧姑山铁矿区，呈层状覆盖在闪长岩体之上，对本矿坑充水无影响，属次要含水层。岩性为火山岩及火山碎屑岩，最大厚度400 m。裂隙不发育，岩石较疏松，易软化，q=0.050 2 L/s·m，k=0.072 7 m/d 。

2.1.3 侏罗系象山群砂岩裂隙含水岩组，富水性弱(Ⅱ0)

该层仅分布于矿区东侧的狭长地带，覆盖在黄马青组之上，对矿坑充水无影响，属次要含水岩组。岩性为层状石英砂岩，q=0.02～0.1 L/s·m，k=0.02～0.8 m/d，富水性弱，水化学类型HCO3·SO4-Ca·Mg型。

2.1.4 三叠系黄马青组砂泥岩裂隙含水岩组，富水性弱(Ⅱ)

分布于全矿区，大部分埋伏于(Ⅰ)含水岩组之大桥镇组砂砾卵石层之下，局部位于(Ⅱ0)含水岩组之下。岩性为粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层，层状(中厚层状为主夹薄层状)构造，层面结构紧密。裂隙发育段分布于风化带、层间破碎带以及接触带。岩石多属软岩，泥化较重，岩芯破碎，多组闭合和充填裂隙发育﹙泥质、碳酸钙质或铁质充填﹚，偶见开口裂隙。经在ZKW1和ZKW3进行稳定流抽水试验，ZKW1结果：q=0.017 L/s·m，k=4.7×10-3m/d；ZKW3结果：q=0.04 L/s·m，k=4.9×10-3m/d。水化学类型属SO4-Ca·Na·Mg型，矿化度M=1.34 g/L。水力性质为承压水。

2.1.5 三叠系徐家山组砂泥岩、碳酸盐岩裂隙-岩溶含水岩组，富水性中-强(Ⅲ)

本组分布全矿区，上覆(Ⅱ)含水岩组。岩性主要为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和粉砂岩互层，夹白云质灰岩、泥灰岩，是主要成矿层。岩溶较发育，溶孔和晶洞直径一般1～2 cm，溶洞直径一般约1～2 m，溶蚀裂隙见于多组裂隙发育段，裂隙间距<5 cm。可将本含水岩组的富水性分区如下：

Ⅲ-3区：采用抽水试验数据，q=2.72～3.41 L/s·m，K=1.3～5.10 m/d，富水性强；

Ⅲ-2区：采用抽水试验数据，q=0.26～0.35 L/s·m，K=1.06～1.14 m/d，富水性中等；

Ⅲ-1区：采用钟九矿区抽水资料，q=0.149 L/s·m，K=0.17 m/d，富水性中等偏弱。

本含水岩组水化学类型属SO4-Ca·Mg型水，矿化度M=2.7～2.85，偏硅酸50～55 mg/L，水力性质属承压水。

2.1.6 燕山晚期闪长岩裂隙含水岩组，富水性弱(Ⅳ)

本组分布全矿区，在矿区内均深埋于含水岩组(Ⅲ)之下。岩性为闪长岩。岩石强度软至半坚硬。富水性弱至极弱，q=0.001～0.04 L/s·m，k=0.07～0.08 m/d。水化学类型属HCO3·Cl-Na·Ca型，矿化度M=0.225 g/L，水力性质属承压水。

2.2 地下水补给、径流、排泄条件及水力联系

(1)补给：矿区地下水靠大气降水补给。

(2)径流

地下径流流向：矿区北、西外侧的地下水总流向仍和地形起伏一致，由北北东的和睦山-前钟山丘陵地流向南南西的河谷平原。但至矿区因受姑山铁矿排水影响，致使地下径流改变流向，由西北流向东南或自西向东注入姑山矿坑，矿区年地下径流(包括第四系水和基岩水)流向是稳定的。

地下径流状态：降水入渗形成浅部和深部径流，前者主要渗流在第四系孔隙含水岩组中，流程短、流动畅快，水循环周期短，水质属重碳酸类型，矿化度较低(M<1 g/L)；后者渗流在各类基岩裂隙或裂隙-岩溶含水岩组中，流程长、流动缓慢，水质属硫酸类型，矿化度偏高(M>1 g/L)，水循环周期长，矿区深部存在半封存的古地下水。

微动态：矿区地下迳流也受固体潮影响呈现日微动态特征。

(3)排泄

矿区地下水排泄形式，除部分由地下迳流排出矿区外，大部分由姑山铁矿以排水形式排出地表。

(4)水力联系

从浅部至深部分述如下：

第四系孔隙含水岩组上部Q4w与下部Q3d之间有一层厚约10～12 m分布较稳定的粘性土层，平均渗透系数KCP=0.04 m/d(姑山矿第四系边坡帷幕止水工程采用值)，属相对隔水层，在天然状态下两者水力联系不密切，上部水位埋深浅，常与地表水(稻田水)持平，而下部水位埋深则与基岩水位埋深基本一致。矿区长观孔第四系水位是上、下部混合水位，因受上部浅水位制约，比基岩水位高1～2 m。在排水情况下基本上无水力联系。

第四系孔隙含水岩组下部Q3d砂砾卵石层与下伏基岩裂隙含水岩组T2h、J1-2xn、δ等分别相接触，两者之间不存在隔水层，在天然状态下水力联系程度较弱。

象山群裂隙含水岩组(Ⅱ0)、黄马青组裂隙含水岩组(Ⅱ)与徐家山组裂隙-岩溶含水岩组(Ⅲ)之间不存在绝对隔水层，具有统一的地下水位，两者存在水力联系，但联系程度较差。

2.3 坑道充水因素分析

(1)地质因素：徐家山组裂隙-岩溶含水岩组中的地下水从含水层的破碎带、节理密集带经由坑道顶底板或掌子面直接涌入坑道，属正常情况下的涌水量；含水断层带脉状承压水突入坑道，很可能形成突水事故；遇含水溶洞引起坑道突水[4]。

(2)人为因素：遇到未封的或没有封好的钻孔引起突水。

1.水文地质参数分区；2.实际水文地质边界；3.简化水文地质边界；4.矿体水平投影范围

图2 矿坑涌水量预测剖面概化图

3 水文地质条件概化

综上所述，矿区主要充水含水岩组为三叠系中统徐家山组裂隙-岩溶含水岩组，富水性中-强。其东、西、北三面为燕山期闪长岩包围，富水性弱-极弱，视为相对隔水层。

垂向上，矿区含水岩组为四层结构，分别为：Ⅰ-第四系孔隙含水岩组，富水性中-强；Ⅱ-三叠系黄马青组裂隙含水岩组，富水性弱，视为相对隔水岩组；Ⅲ-三叠系徐家山组裂隙-岩溶含水岩组,富水性中-强；Ⅳ-燕山晚期闪长岩裂隙含水岩组，富水性弱，视为相对隔水岩组。

据此，用于矿坑涌水量预计的矿区水文地质条件概化模型：平面上为东、西、北三面直线隔水边界，南面供水边界(图1)；剖面上为四层结构的水平含(隔)水层且底板及东、西两壁或北壁为隔水边界(图2)。

4 解析法预计矿坑涌水量

4.1 公式选择

选用三面直线隔水边界箱形映射的非稳定流承压转无压公式：

4.2 参数选择

(1)承压含水层厚度(M)：根据水文地质剖面线上各孔间面积加权平均求得M=269 m。

(2)渗透系数(K)：根据钻孔非稳定流抽水试验计算结果及分区面积加权求得K=2.12 m/d(表1)。

表1 矿区渗透系数分区计算表

(3)弹性释水系数(μ*)：根据ZKW1、ZKW2、ZKW3非稳定流抽水试验计算结果求得平均值μ*=0.000 4。

(4)设计开采面积(F)：计算得矿体水平投影面积为F=1.59×106m2。

(5)有效裂隙率(μ)：根据各勘探线可见线岩溶率求得全矿区平均岩溶率μ=0.010 3。

(6)大井半径(r0)：根据矿体投影面积形状，选择r0=L/2π，计算得矿体水平投影多边形周长L=6 191 m，r0=L/2π=986 m。

(7)承压水头高度(H)：取ZKW8基岩年平均水位值计算(平均水位标高为+3.86 m)；计算矿坑最大涌水量时，取ZKW8基岩水位最大者计算，为+4.25 m。

(8)时间(t)：与年水位平均值对应，取365 d；计算矿坑最大涌水量时，取丰水期时间153 d(5-9月)。

(9)大井中水位高度(h0)：按等于0计算。

4.3 涌水量预测结果

预测中采用的参数均为实测数据，解析法所选择的理论公式，合乎矿区水文地质条件，但结果略偏大，即矿坑正常涌水量为16 900～26 000 m3/d，矿坑最大涌水量为40 900 m3/d(表2)。

表2 解析法预测矿坑正常、最大涌水量结果表

5 数值法预计矿坑涌水量

采用地下水模拟计算软件GMS中MODFLOW计算模块、PEST参数反演模块及其强大的前处理、后处理功能以及卓越的三维可视效果，对矿区矿坑涌水量进行模拟预测。

5.1 水文地质概念模型

矿区所处的地下水系统作为一个统一的水文地质单元来处理，面积约5.0 km2(图3)。

整个计算区域虽然介质的渗透性不均一，但其中地下水系统具有统一的水力联系，可采用等效多孔介质方法来研究该区裂隙介质中的地下水问题。可以通过各向异性的渗透系数张量来反映不同方向裂隙渗流的影响，整个研究区地下水流可概化为非均质各向异性三维地下水非稳定流模型。

5.2 数学模型及数值计算

5.2.1 地下水流模型

初始条件：H(x，y，z，t)=H0(x，y，z，0)(x，y，z∈Ω)

(1)

边界条件：

第一类边界条件：H(x，y，z，t)|Γ1=H1(x，y，z，t)(x，y，z∈Γ1)

(2)

(3)

式中：H0(x，y，z，0)为研究区各层初始水头值；H1(x，y，z，t)为研究区各层第一类边界Γ1上的已知水头函数(L)；q(x，y，z，t)为第二类边界Γ2上的单位面积法向流量[L2T-1]；对于隔水边界，q=0。采用有限差分法对上述数学模型进行数值求解。

5.2.2 模拟的时空数据及模型参数

含水层采用六面体网格剖分，在水平方向上采用非等距矩形网格剖分(主开采区域网格加密)，模拟区剖分为44行，35列，垂向上三个模拟计算层共剖分了4 620个单元，6 480个结点(图3)。

将ZKW1第Ⅲ含水层(T2x)多孔非稳定流抽水试验的数据用于模型参数识别校正，模拟时间从2008年12月1日08:30-2008年12月8日08:30；将ZKW3主含水层(T2x)多孔非稳定流抽水试验的数据用于模型检验，模拟时间从2008年10月22日08:00-2008年10月23日08:00。地下水流数学模型涉及的模型参数包括：渗透系数(Kxx、Kyy、Kzz)，贮水率以及统计平均岩溶率。将解析法求得的相关参数作为数值模型参数识别的初始值和参考值。根据研究区工程地质岩性分析结果，结合区内地质、水文地质条件，对模拟计算区进行水文地质参数分区(图4)。地下水流模型建立之后，通过模型的识别校正确定水文地质参数值，并用于矿坑涌水量的预测。

图3 矿坑涌水量模拟预测计算区域及研究区各层单元的平面网格剖分图

图4 主含水层(T2x)水平方向渗透系数分区图

5.3 数学模型识别及检验

对于降深小的地区，要求水位拟合小于0.5 m的绝对误差节点必须占已知水位节点的70%以上[5]，则认为参数达到了“最优”。本次拟合结果显示满足规范要求的水位节点达到了100%，说明水流模型具有比较可靠的仿真度，模型识别及检验均满足规范要求。

5.4 矿坑涌水量预测

数值法矿坑涌水量的计算首先计算疏干排水量，疏干排水量是人为给定的，先拟定一个疏干水量Q，算出疏干至某个水平时的疏干时间t，根据不同的疏干量和对应的疏干时间，即可选出按限定疏干时间所需要的疏干排水量；然后，以疏干模型末期的水流状态为初始状态，根据不同的开采水平，将疏干矿体以水头一类边界标定，求解稳定流场，计算进入开采坑道的稳定流量，即矿坑涌水量。以丰水期为计算应力期(据统计，丰水期历时153 d，水位上升的最大幅度为2.44 m)，按照丰水期水位上升的平均速度标定矿坑水头边界，同时将上升的水位转换为源汇项，求解稳定流疏干模型，计算进入开采坑道的稳定水量，即最大涌水量。

在疏干非稳定流模型的基础上建立定降深稳定流模型计算-500 m、-600 m和-700 m开采水平矿坑涌水量(表3)。