复杂岩溶大水矿山矿坑涌水量预测数值模拟研究

刘大金 贺 文

(1.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050021;2.河北省矿山地下水安全技术创新中心,河北 石家庄 050021;3.天地科技股份有限公司,北京 100013;4.北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013)

孔莫陇铅锌矿所处水文地质单元侵蚀基准面标高为4 620 m,主要矿体位于当地侵蚀基准面以下。矿床主要充水含水层为碳酸盐岩岩溶裂隙含水层,呈条带状东西向分布,岩溶发育且厚度大,垂向呈现上强下弱趋势,富水性极强—中等;平面上挟持于CF1、F2两断层之间,在东部受阻水断层阻挡,在西部被岩体阻断了与区域岩溶含水层的联系;区内发育多条近南北向断裂,构造破碎带宽度大,具有导水、储水作用,是地表水与地下水连接的重要通道;为碳酸盐岩溶蚀裂隙直接充水的水文地质条件复杂型岩溶充水矿床。矿床充水含水层空间分布极不均一,各向异性且具多层结构,边界条件和含水结构复杂,如何准确地预测矿坑涌水量是摆在矿山建设面前的重大难题。传统的预测方法如解析法、水文地质比拟法等难以刻画如此复杂的水文地质结构特征,导致计算结果存在较大偏差。随着计算机技术的发展,用数值法预测矿井涌水量开始获得广泛应用,许多学者在该领域开展相关研究,并取得了不错的效果[1-3]。为提高矿坑涌水量预测的精度,指导矿山下一步开发及防治水工作,本文借助Visual MODFLOW 软件,进行了矿区地下水流的三维数值模拟。

1 研究区概况

孔莫陇铅锌矿地处青藏高原腹地唐古拉山北坡、三江源头的长江沱沱河流域,属于青海地界西藏管辖。研究区总体地势南西高北东低,山势总体呈北西向展布,区内海拔4 620～5 300 m,相对高差近700 m,区内地貌类型主要为高海拔山地地貌和高海拔平原地貌两种类型。研究区属高原大陆性过渡气候类型,受海洋性风系影响较弱,受高空西风带控制,气候干旱、多风少雨、天气多变,具典型的内陆高原气候特征,无四季之分,仅有干湿两季,一般10月份至翌年4月份为干季,5～9月份为湿季。工作区河流属于沱沱河水系,流程短,除东侧支流6外,其他支流均为季节性河流,只在每年4～11月为有水期,以大气降水、冰雪融水及地下水作为主要补给水源,属于小型河流,为树枝状水系。河流调蓄能力弱,局部暴雨使地表迅速汇流,易形成短暂的尖瘦型洪峰。

矿区含(隔)水层可划分为松散岩类孔隙含水层、碎屑岩(岩浆岩)风化裂隙含水层、碳酸盐岩溶裂隙含水层。

松散岩类冻结层为季节性含水层,分布于沟谷区、山麓一带,主要为第四系冲洪积及坡洪积物,含水层岩性主要为冲积砂卵砾石、残坡积碎石,地下水类型以松散岩类冻结层上水为主。

碎屑岩、基岩风化裂隙含水层厚度薄,地下水富水性较差,除部分进入深部循环外,多经过短暂的径流在地形低洼处以泉水的形式泄出,单泉流量Q＜1.0 L/s,富水性弱。

碳酸盐岩类冻结层下含水层为矿床主要充水含水层,岩性为二叠系九十道班组下岩段、上岩段层状灰岩,其空间展布及其水文地质特征受控于背斜构造。该含水层挟持于CF1、F2 两断层之间,呈条带状沿东西向分布,在东部受断层阻挡,在西部被岩体阻隔。由于青藏高原隆起抬升,区内断裂构造发育,矿区岩溶发育受构造控制明显,在断层破碎带、裂隙发育密集带,岩溶极其发育,尤其是大规模连续性强的溶洞的发育有利于地下水赋存,为地下水储存提供了空间。该含水层分布面积较广、厚度较大,富水性、透水性不均一且上强下弱(地表标高为4 750 m,4 700 m 标高至4 400 m标高富水性强),位于矿体的直接顶板或底板,对矿坑直接充水。此外,矿化体底部4 200 m标高以下为含碳质灰岩及砂质灰岩,并具有微变质,岩溶裂隙不发育—极不发育。

天然条件下,碳酸盐岩溶裂隙水通过构造破碎带、冻土融区等接受大气降水、冰雪融水、地表水及冻结层上水的补给,自西南向东北运移,在矿区东部受断层阻挡涌溢成泉,呈线状排泄于河流。

在开采条件下,矿区地下水运动发生改变,形成新的地下水疏干流场,引起四周基岩地下水向矿坑排水点汇集排泄。随着地下水位持续下降导致东部泉群断流,进而引发河水反向补给矿坑地下水。矿床直接充水含水层,南北两侧受断层挟持,东部受断层阻挡、西部被岩体阻隔。在矿床地下水接受区域,地下水侧向补给水量有限,以垂向补给为主。此外,随着东部Ftd断层东、西两侧水位差持续增加,断层东侧将有一定的侧向渗流补给量。矿坑排水系统置于深部,巷道排水使深部岩溶裂隙水压力释放,上部松散岩类冻结层上水以垂向渗流形式向排水点汇聚,形成以疏干巷道为中心的空间流场。

2 地下水流数值模拟模型

2.1 水文地质概念模型

根据区域水文地质条件,模型南部以孔莫陇山一级分水岭为界,为零通量边界;北部以CF1断层为界,断层北侧为沱沱河组泥岩地层,该地层透水性差,将断层概化为零通量边界;西部以加阿切山西侧岩浆岩岩体群为界,为岩体隔水边界;东部以南北向断层Ftd为界,处理为混合边界。上边界为大气降水入渗补给的自由面边界;下边界划到4 200 m,以下为含碳质灰岩及砂质灰岩,岩溶裂隙等极少发育、富水性及透水性弱,作为隔水边界处理。模拟面积为36.77 km2,模拟范围及 边界条件见图1。

图1 模拟范围及边界条件

矿区主要含水层为二叠系九十道班组岩溶裂含水层,该含水层分布面积较广、厚度较大,富水性、透水性不均一。在开采条件下,矿坑排水系统置于深部,巷道排水使深部岩溶裂隙水压力释放,上部大气降水及地表水以空间渗流形式向排水点汇聚。地下水疏干流场呈三维特征,地下水运动垂向分量不可忽略。因此,将含水系统概化为非均质各向异性含水系统,地下水流系统概化为三维非稳定流[4]。

2.2 数值模型

2.2.1 空间离散

采用矩形有限差分的离散方法对研究区进行剖分(见图2和图3),每个平面剖分32 868个单元格,每个平面有效单元格为23 124个;垂向剖分11层,总共剖分单元格为361 548个,有效单元格为254 364个[5]。

图2 模型平面剖分

图3 模型垂向剖分

2.2.2 水文地质参数的选取

根据已有研究区渗透系数及给水度、降雨入渗系数等方面的资料,将模拟区进行参数初步分区并赋值,待模型识别时再最终确定[6]。

2.2.3 源汇项的处理

降雨入渗补给:降雨入渗作为上边界处理,根据矿区的原始资料及现阶段的地形地貌特征等在空间上对模型降雨入渗条件进行平面上分区并赋初值。降雨量则是依据当地气象局的降雨监测资料。

侧向补给:侧向补给量来自东部边界,在未来大降深情况下,边界性质可能发生一定的改变,由于本次采用混合边界处理,该侧向补给量依靠模型的自动调节功能给出。

地表水入渗补给:模型范围内有6条沱沱河支流,支1到支5为季节性河流,支6为常年性河流,由南向北径流。根据河流断面观测资料,河水对地下水有渗漏补给。补给水量与河床底部含水层结构及其透水性、水力梯度有关,在模型建立时,根据观测资料给出渗漏水量,待模型识别时最终确定[7]。

泉排泄:在模型范围内,地下水径流自西南向东北,在东部受断层阻挡上升成泉,呈近南北走向的带状泉群排泄。泉水排泄是模型区内地下水的主要排泄方式之一。排泄水量根据区域调查资料给出初值,待模型识别时最终确定。

潜水蒸发排泄:是区内地下水的排泄方式之一,在模型中处理为面排泄。利用蒸发蒸腾程序包对其进行刻画。

2.2.4 初始流场

矿区前期水文资料较少,流场基本未受人为影响,因此,以群孔抽水试验前的地下水流场作为模型识别的初始流场。根据矿区各地下水位观测孔的观测资料和调查数据,利用克里格法进行插值,得到研究区的初始等水位线,并将其属性值提取出来后作为初始水头赋给模型的各个单元,作为非稳定流模拟的初始值(见图4)。

图4 初始流场

2.2.5 模型识别

本次模拟选择矿区6个灰岩含水层地下水位观测孔的实测水位曲线进行拟合,共分两个阶段,第一阶段为抽水试验前自2020-08-10至2021-10-10,第二阶段利用群孔抽水试验所获取的资料对模型进行进一步识别。

第一阶段利用天然地下水动态资料进行模型识别。拟合期为2020-08-10 至2021-10-10,共426 d,将模拟时间进行离散,时间步长设为1 d,共426个时段,拟合曲线见图5。

图5 MJ01水位拟合曲线

第二阶段利用抽水试验动态资料进行模型识别。拟合期为2021-10-10至2021-12-23抽水试验阶段,历时75 d。将模拟时间进行离散,时间步长取为1 d,让模型运行75个时段,拟合曲线见图6和图7[8-9]。

图6 SZK02水位拟合曲线

图7 SZK03水位拟合曲线

由模拟结果可知,所建立的数值模拟可靠,可以用于后续矿坑涌水量预测中。模拟区水文地质参数分区见图8,参数取值见表1;降雨入渗系数分区见图9,取值见表2。

图8 第5层参数分区

表1 模型参数识别结果

图9 降雨入渗系数分区

表2 降雨入渗系数识别结果

2.3 水均衡分析

根据模型识别结果进行模拟期内水均衡分析,均衡期为2020-08-10至2021-12-23,均衡量见表3。可见均衡期内地下水系统为负均衡,均衡差为26.17万m3。

表3 地下水系统均衡量

3 矿坑涌水量预测

根据矿床赋存条件及建设需要,利用所建模型预测4 500 m、4 400 m开采水平矿坑的涌水量。

模型预测时,水文地质参数及分区保持不变,降雨、河流渗漏等各源汇项依据现有资料按月赋值到模型中,以群孔抽水试验结束后稳定的地下水流场为模型预测的初始流场。

本模型预测矿坑涌水量时,降雨量根据当地水文气象情况设置丰水年、平水年、枯水年分别为:505 mm、332 mm、260 mm。

利用数值模型计算以上各开采水平的矿坑涌水量。计算所得的涌水量结果见表4。开采至4 400 m 水平地下水流场预测见图10。

表4 矿坑涌水量预测结果

图10 4 400 m 水平地下水流场预测

4 结论

(1)矿区主要充水含水层为碳酸盐岩溶裂隙含水层,呈条带状东西向分布,岩溶发育且厚度大,垂向呈现上强下弱趋势,富水性极强—中等;矿区内发育多条近南北向断裂,构造破碎带宽度大,具有导水、储水作用,是地表水与地下水连接的重要通道。矿区水文地质条件复杂,正确预测矿坑涌水量对矿山下一步开发具有重要意义。

(2)通过分析矿区渗流场的特征,将含水系统概化为非均质各向异性含水系统,地下水流系统概化为三维非稳定流,建立了符合客观实际的地下水三维流数值模拟模型。运用识别后的模型对矿区深部开采的矿坑涌水量进行了预测,结果表明,矿床开采至4 400 m 水平标高时,矿坑正常涌水量为4.49 万m3/d、最大涌水量为6.27 万m3/d,预测结果为矿山后续开发决策及制定防治水措施提供了依据[10]。