基于各向異性巖體滲透參數(shù)分析的礦區(qū)地下水環(huán)境預(yù)測(cè)

王 清，張 強(qiáng)，唐海平，謝懷前

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059;2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都610021)

隨著社會(huì)對(duì)鋼鐵需求量日益劇增，地表的鐵礦資源已經(jīng)不能滿足需要，而經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，地下礦脈產(chǎn)量巨大，且地下采礦技術(shù)條件成熟，地下采礦便成為解決資源缺口的有效途徑。

遷安某礦區(qū)為鞍山式沉積變質(zhì)礦床，在地表開采后，礦山擬進(jìn)行地下開采階段。在巷道的開挖和礦體的采掘過(guò)程中，必定會(huì)引起貯存在巖土體中的地下水涌入巷道，進(jìn)而引起采礦區(qū)周邊的地下水滲流場(chǎng)的變化。如果將礦區(qū)巖體視為各向同性的介質(zhì)來(lái)建立滲流模型，那么地下水降落漏斗會(huì)在各個(gè)方向均勻擴(kuò)大，形成圓形降落漏斗。這樣不能確定受地下水位下降影響的重點(diǎn)區(qū)域，而忽略原本受影響較嚴(yán)重的敏感點(diǎn)。

而地下水在深部巖體中的滲流主要受裂隙的影響，具有非均質(zhì)各向異性的特點(diǎn)。本文通過(guò)滲透張量的實(shí)測(cè)、計(jì)算，建立各向異性的礦區(qū)巖體滲流模型，以期準(zhǔn)確地刻畫地下水滲流場(chǎng)的變化，預(yù)測(cè)采礦區(qū)降落漏斗的幅度與范圍，為礦區(qū)地下水環(huán)境保護(hù)以及供給礦區(qū)周邊村民日常用水提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)特征

由于地下采礦工程主要是在基巖中進(jìn)行，雖然天然巖體都具有孔隙—裂隙兩重性，表征這兩重性的孔隙率、裂隙率、巖石基質(zhì)的水力傳導(dǎo)率和裂隙的水力傳導(dǎo)率均不相同，且基巖中孔隙率極低，裂隙的發(fā)育占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，滲流運(yùn)動(dòng)主要在裂隙中進(jìn)行［1］。地下水在巖體中的滲流有顯著的各向異性和具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性特點(diǎn)。因此，用滲透張量來(lái)描述巖體滲透的上述兩個(gè)特點(diǎn)。

巖體滲透張量的獲得主要有以下兩種方法:(1)現(xiàn)場(chǎng)專門壓水試驗(yàn)(Louis三段壓水試驗(yàn)，Hsich＆Neuman交叉孔壓水試驗(yàn))，雖然可較好地反映試驗(yàn)區(qū)段的地質(zhì)環(huán)境，但代表范圍有限而且試驗(yàn)費(fèi)用較高而難以在實(shí)際工程中大量使用。(2)根據(jù)裂隙幾何參數(shù)計(jì)算滲透張量，不僅在理論上是完備的，而且在實(shí)際應(yīng)用中按照一定的抽樣原則大量測(cè)量裂隙幾何參數(shù)，可得大量的巖體滲透張量數(shù)據(jù)，是本文討論的滲透張量的獲取方式［2］。

遷安鐵礦區(qū)屬溫帶大陸性氣候，冬春兩季干旱少雨，蒸發(fā)量大于降水量，多年平均降水量648.48 mm，雨季6～9月份四個(gè)月占全年降水總量的82.1%，多年平均蒸發(fā)量1 629.4 mm(1976～2010年)，常形成旱季。礦區(qū)位于燕山山脈南麓，屬于低山丘陵地貌。地勢(shì)總體西北高、東南低，自西北向東南傾斜，并由低山丘陵逐漸向沖洪積平原過(guò)渡，海拔70～446 m，地形起伏較大。礦區(qū)廣泛出露的地層有太古界遷西群古老的變質(zhì)巖系，西部高山地帶的中元古界長(zhǎng)城系地層，二者呈角度不整合接觸，北部及中部有侏羅系后城組礫巖分布，第四系位于平地(平原)及溝谷中。

根據(jù)鉆孔資料和研究礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征以及風(fēng)化程度，垂向上有第四系和太古界遷西群三屯營(yíng)組(Ars)，按滲透性分為覆蓋層，強(qiáng)風(fēng)化巖體，微風(fēng)化及新鮮巖體，其中第一層覆蓋層據(jù)鉆孔資料層厚1～24 m，第二層強(qiáng)風(fēng)化巖體層厚11～25 m，第二層以下的為微新巖體。礦區(qū)南部發(fā)育近東西展布的逆斷層F1，在上盤靠近下盤的地方出露斷層泉，流量為0.014 L/s，即斷層為阻水?dāng)鄬?。礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)分層剖面見(jiàn)圖1。

圖1 礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)圖

本次研究共計(jì)在礦區(qū)測(cè)量裂隙229條，裂隙較為密集，間距均較小，平均0.5～1 mm。通過(guò)對(duì)裂隙參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，礦區(qū)主要發(fā)育6組裂隙(見(jiàn)圖2)。

通過(guò)圖1的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裂隙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到控制滲流的巖體裂隙的參數(shù)(見(jiàn)表1)。

圖2 礦區(qū)裂隙優(yōu)勢(shì)方位統(tǒng)計(jì)

表1 優(yōu)勢(shì)裂隙參數(shù)

2 礦區(qū)巖體各向異性滲透參數(shù)獲取

巖體裂隙的滲透性取決于裂隙的性質(zhì)和分布。因而，可通過(guò)裂隙在空間展布狀況(走向、傾向、傾角、開度和間距)的測(cè)量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法初步確定巖體的滲透張量［3］。

空間直角坐標(biāo)系定義為:x軸對(duì)應(yīng)正東方向，y軸對(duì)應(yīng)正北方向，z軸垂直向上。理論上可證明滲透張量是一對(duì)稱張量，因而可通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)找到一新的直角坐標(biāo)系使k為對(duì)角張量，即是:

取三個(gè)滲透主值的幾何平均值為綜合滲透系數(shù):

在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)裂隙的隙寬和間距很難做出精確的評(píng)價(jià)，而且由于張開裂隙滲透性正比于裂隙隙寬的立方，故裂隙寬度測(cè)量上的誤差將給滲透張量的計(jì)算帶來(lái)很大誤差。因此需要對(duì)由統(tǒng)計(jì)學(xué)方法求得的滲透張量進(jìn)行修正［4］。

主滲透張量的方向只取決于裂隙組的產(chǎn)狀。據(jù)ЧЕРНЬⅠЁВ(1979)［5］研究認(rèn)為，風(fēng)化作用、開挖卸荷等表生作用并不能對(duì)裂隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生根本性的改變，而僅僅是有限范圍內(nèi)的改造，其中最明顯的是裂隙面的開度，對(duì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、間距和長(zhǎng)度的影響不甚明顯。因此，對(duì)于某一工程地質(zhì)單元的滲透張量的主方向完全可以通過(guò)裂隙樣本法來(lái)確定，在此基礎(chǔ)上可充分利用抽水試驗(yàn)取得的綜合滲透系數(shù)數(shù)值，將兩者有效結(jié)合起來(lái)，為了利用抽水試驗(yàn)取得的平均滲透系數(shù)數(shù)值來(lái)修正裂隙樣本法取得的滲透張量，定義修正系數(shù)m為

根據(jù)(1)式和(3)式，得到反映原位地質(zhì)環(huán)境裂隙巖體的修正滲透張量Km為

依據(jù)前面所述方法，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行裂隙抽樣調(diào)查，共計(jì)調(diào)查裂隙229條，通過(guò)對(duì)優(yōu)勢(shì)裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即裂隙寬度，裂隙間距，傾角和傾向的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行滲透張量的計(jì)算，得到Kx=0.010 m/d，Ky=0.012 m/d，Kz=0.017 m/d。根據(jù)(2)式，求得綜合滲透系數(shù)為K0=0.013 m/d。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行鉆孔抽水試驗(yàn)資料的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到綜合滲透系數(shù)，強(qiáng)風(fēng)化巖體0.04 m/d，微新巖體為 0.033 m/d。然后根據(jù)(3)式和(4)式進(jìn)行滲透張量的修正。修正結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 修正滲透主值

3 礦區(qū)地下水滲流模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

將修正后的滲透主值應(yīng)用到Visual Modflow中，進(jìn)行各地層的滲透系數(shù)賦值，根據(jù)地下開采空間結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，建立各向異性的滲流模型。將采礦區(qū)基巖上覆蓋層視為均質(zhì)各向同性地層，滲透系數(shù)由雙環(huán)試坑注水試驗(yàn)得到。模型中各層滲透系數(shù)賦值見(jiàn)表3。

圖3 地下開采空間結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)開采方案，確立地下采礦工程的空間結(jié)構(gòu)，以非穩(wěn)定流進(jìn)行運(yùn)行，預(yù)測(cè)建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期各時(shí)段的地下水降落漏斗。

建設(shè)期分為三個(gè)時(shí)段，地下開采層位從淺至深，以建設(shè)期的第一階段和第三階段的地下水位降深等值線圖來(lái)表示降落漏斗影響范圍的變化趨勢(shì)，如下圖4和圖5。

表3 模型參數(shù)取值

圖4 建設(shè)期第一階段地下水降深等值線圖

圖5 建設(shè)期第三階段地下水降深等值線圖

建設(shè)期第一階段開挖到海拔-115 m，第三階段開挖到海拔-340 m。對(duì)比圖4和圖5可以看出，隨著建設(shè)向下發(fā)展，研究區(qū)周邊越來(lái)越多的地下水匯入開采巷道，地下水降落漏斗的影響范圍逐漸擴(kuò)大，并以近似橢圓形態(tài)出現(xiàn)。建設(shè)期第一階段，地下水位下降影響到了二郎廟村供水井，降幅為8 m，影響面積為2.30×106m2;建設(shè)期第三階段，地下水降落漏斗導(dǎo)致劉莊子村供水井下降7 m，影響面積為2.59×106m2。其中建設(shè)階段時(shí)間為4年，即降落漏斗擴(kuò)大速度為7.31 ×104m2/a。

建設(shè)期完成，地下開礦進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期，地下水繼續(xù)流入生產(chǎn)巷道，降落漏斗的范圍將會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變化，用運(yùn)營(yíng)5 a，10 a，15 a，20 a的地下水降深等值線圖(圖6～9)來(lái)顯示研究區(qū)地下水降落漏斗的變化趨勢(shì)，可以預(yù)測(cè)生產(chǎn)對(duì)礦區(qū)周邊居民集中供水點(diǎn)影響程度，進(jìn)而對(duì)可能出現(xiàn)的諸如造成飲水問(wèn)題的情況進(jìn)行預(yù)防，達(dá)到生產(chǎn)生活順利進(jìn)行的效果。

圖6 運(yùn)營(yíng)5 a地下水降深等值線圖

圖7 運(yùn)營(yíng)10 a地下水降深等值線圖

圖8 運(yùn)營(yíng)15 a地下水降深等值線圖

以上各圖進(jìn)一步表明，運(yùn)營(yíng)期間，地下水降落漏斗繼續(xù)擴(kuò)大:東至孟官營(yíng)村，西到蔡園村和張家窯村，北至大楊莊村，南到新莊村，共影響11個(gè)敏感點(diǎn);影響面積從運(yùn)營(yíng)5 a的5.60×106m2擴(kuò)大到運(yùn)營(yíng) 20 a的 9.00×106m2，擴(kuò)大速度為1.70×105m2/a;影響幅度較大為二郎廟村，李莊子村和劉莊子村，地下水位降幅為30～75 m。

并且降落漏斗在x軸，y軸，z軸上不均勻擴(kuò)大，其影響范圍形狀繼續(xù)以橢圓形態(tài)出現(xiàn)。因此，地下水在巖體中滲流主要受控于巖體的裂隙，與巖體中裂隙發(fā)育形態(tài)和方向有關(guān)。礦區(qū)地下水滲流為在非均質(zhì)各向異性介質(zhì)中的非穩(wěn)定流。

圖9 運(yùn)營(yíng)20 a地下水降深等值線圖

4 結(jié)語(yǔ)

裂隙測(cè)量的滲透張量方法，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法全面對(duì)裂隙巖體做抽樣調(diào)查，測(cè)量裂隙系統(tǒng)的水力參數(shù)，能較快獲得大量計(jì)算滲透張量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲得不同位置空間各主滲透方向的滲透系數(shù)，構(gòu)成一個(gè)三維滲透系數(shù)張量場(chǎng)，準(zhǔn)確地刻畫裂隙巖體的滲透特性。而本文將裂隙抽樣方法得到的滲透張量與抽水試驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)行各主滲透方向的滲透系數(shù)的修正，得到反映原位地質(zhì)環(huán)境裂隙巖體的修正滲透張量，從而得到更與實(shí)際相符合的各向異性地下水滲流場(chǎng)。

將修正了的滲透張量應(yīng)用于數(shù)值模型Visual Modflow中，得到較與實(shí)際情況相符的各向異性的地下水滲流模型，能夠較準(zhǔn)確的描述地下采礦工程在生產(chǎn)過(guò)程中其周邊地下水滲流場(chǎng)的變化趨勢(shì)，進(jìn)而較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出敏感點(diǎn)的地下水水位變化幅度，為工程預(yù)防和地下水環(huán)境的保護(hù)提供較為可靠的依據(jù)。

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