巖溶地下水?dāng)?shù)值模擬研究

摘要：礦山1951年建礦開采至今，開采深度隨著中深部礦床的發(fā)現(xiàn)加深，礦床開采已經(jīng)低于該礦區(qū)地表水體（牛欄江），當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面540m，開采技術(shù)條件難度不斷增大，深部地下水文地質(zhì)條件條件發(fā)生改變。由于涌水量變化復(fù)雜，運(yùn)用數(shù)值模型的方法，利用已知涌水量、水位，運(yùn)用GMS軟件來計(jì)算深部各中段涌水量，為礦山設(shè)計(jì)提供排水和制定防治水措施提供了科學(xué)依據(jù)，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：巖溶地下水；數(shù)值模型；馬爾科夫預(yù)報(bào)；動態(tài)模擬；水文地質(zhì)

中圖分類號：TV211 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0015-03

1 概述

隨著會澤鉛鋅礦區(qū)轉(zhuǎn)入深部開采，礦床深部水文地質(zhì)條件漸趨復(fù)雜，開展礦區(qū)深部地下水滲流場及礦坑涌水量動態(tài)變化的研究對礦山的生產(chǎn)與安全極為重要。

根據(jù)礦山廠水文地質(zhì)條件，利用GMS軟件對礦床不同深度的滲流場及涌水量進(jìn)行數(shù)值模擬，建立礦區(qū)巖溶地下水三維數(shù)值模型進(jìn)行模擬，而獲取深部礦床開拓各水平涌水量的相關(guān)因素以及礦床開采地下水滲流場及涌水量變化規(guī)律為礦山計(jì)劃深部的開采提供依據(jù)。

2 概化礦區(qū)水文地質(zhì)條件，建立水文地質(zhì)模型

本次結(jié)合會澤礦山廠已有水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，概化礦區(qū)水文地質(zhì)條件，建立水文地質(zhì)概念模型。

礦山廠西部邊界為?？诮M（D2h）弱透水層，具有隔水性質(zhì)。東部邊界為東頭壓扭性斷層，具隔水性質(zhì)，?？诮M（D2h）弱透水層與東頭斷層在北東部相交，使北部封閉。馬坪組（C3m）紫紅色泥巖層構(gòu)成了礦床的南部隔水邊界。西南邊為礦山廠含水層、張扭性斷層，視為定水頭邊界。

模擬范圍內(nèi)礦床的充水含水層為中部碳酸鹽巖含水層組（D3zg——C2w），根據(jù)礦區(qū)溶蝕裂隙含水層的組合特點(diǎn)及地下水動力條件可概化為非均質(zhì)各向異性的無壓-承壓三維流。地下水源匯項(xiàng)有：地下水開采量、垂直入滲補(bǔ)給量、蒸發(fā)量。

在對模擬區(qū)水文地質(zhì)條件概化后，其物理模型可歸結(jié)為：非均質(zhì)各向異性無壓-承壓裂隙巖溶非穩(wěn)定流含水系統(tǒng)。

3 數(shù)學(xué)模型

模擬區(qū)雖然溶蝕裂隙發(fā)育不均勻，但地下水流具有統(tǒng)一的地下水面，水流運(yùn)動基本服從Darcy定律，可以近似地運(yùn)用等效雙重介質(zhì)滲流理論模型對其進(jìn)行描述和模擬。建立會澤礦區(qū)潛水含水層、承壓水含水層數(shù)學(xué)模型。

3.1 潛水含水層數(shù)學(xué)模型

3.2 承壓水含水層數(shù)學(xué)模型

式中為研究范圍相應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)和已知條件。

礦山廠研究范圍約為1.25km2，利用GMS軟件實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)格生成7500個(gè)，節(jié)點(diǎn)10404個(gè)。利用GMS軟件建立三維有限差分模型。據(jù)礦坑歷年觀測數(shù)據(jù)整理分析來進(jìn)行模擬研究。

3.3 參數(shù)分區(qū)

根據(jù)抽水試驗(yàn)資料或?qū)嶋H開采的流量和水位資料等，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求得水文地質(zhì)參數(shù)，從而驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的真實(shí)度。根據(jù)計(jì)算區(qū)的構(gòu)造、巖性、巖溶發(fā)育程度等，將計(jì)算區(qū)分為若干個(gè)區(qū)，分別給出各區(qū)滲透系數(shù)、貯水率、給水度、降水入滲系數(shù)及蒸發(fā)系數(shù)等參數(shù)的初始經(jīng)驗(yàn)值。

本次研究將礦山廠含水系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，Ⅰ部分為泥盆系宰格組（D3zg），石炭系下統(tǒng)大塘組（C1d）和石炭系下統(tǒng)擺佐組（C1b），Ⅱ區(qū)包括石炭系中統(tǒng)威寧組（C2w）與石炭系上統(tǒng)馬坪組（Cm）。

3.4 模型校驗(yàn)

研究利用坑內(nèi)長期觀測孔水位數(shù)據(jù)（礦山廠DZK1584-0-1、DZK1584-08-1、DZK1584-08-2、DZK1584-010-1）與模型初始流場進(jìn)行擬合，對模型進(jìn)行識別驗(yàn)證，得出觀測鉆孔水位擬合曲線（圖1），所建立的三維模型與礦山廠水文條件是一致的。采用GMS軟件有限差分模型運(yùn)算出觀測孔的水頭，然后和長期觀測孔水頭進(jìn)行比對。

調(diào)整參數(shù)，使目標(biāo)函數(shù)E達(dá)到“最小”，則認(rèn)為參數(shù)達(dá)到了“最優(yōu)”。擬合誤差符合國家標(biāo)準(zhǔn)《地下水資源管理模型工作要求》（GB/T14479-93）。據(jù)此，可得到模擬區(qū)較符合實(shí)際的各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)。

根據(jù)井下1584中段觀測的鉆孔水位資料對模型進(jìn)行賦值，采用校驗(yàn)后的水文地質(zhì)參數(shù)，分別模擬了2011年6月礦山廠1584中段地下水滲流場（圖2），可作為預(yù)測時(shí)的初始地下水流場。

隨著礦區(qū)采礦活動時(shí)期的延長，地下水開采量增大，礦床概化為的抽水井附近范圍地下水位逐漸下降。由模型可知，三維模型內(nèi)抽水井附近都形成很大降深梳干形態(tài)漏斗，近抽水井中心下越明顯。隨著開采抽水時(shí)間的遞增加，靜儲量被疏干，此現(xiàn)象與礦山廠深部開采水文地質(zhì)條件是吻合的。

4 深部中段現(xiàn)狀開拓條件下巖溶水動態(tài)模擬

本次研究分為現(xiàn)狀開拓條件下的巖溶水動態(tài)模擬以及預(yù)計(jì)開拓水平下的巖溶水動態(tài)預(yù)測，預(yù)測期為兩年（2012～2013年）依據(jù)礦山的生產(chǎn)開拓進(jìn)度，2011年礦山廠最低開拓中段仍為1584中段。在GMS三維模型中，將礦山廠含水層垂向上概化成兩層結(jié)構(gòu)，三個(gè)抽水井。采用調(diào)參反演后的各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)，在初始滲流場模型基礎(chǔ)上對1584中段目前開采條件進(jìn)行三維研究，通過對抽水井涌水量的多次反復(fù)變化，運(yùn)算地下水頭值與實(shí)際觀測水頭值相差在0.5m范圍內(nèi)，獲得涌水量即為三維流場下開采的涌水量。涌水量值見表2。

模擬的礦山廠2011年礦坑平均涌水量4730m3/d，據(jù)礦山廠該年的礦坑涌水量觀測資料統(tǒng)計(jì)，礦坑實(shí)際涌水量為4500～5200m3/d，模擬結(jié)果基本符合實(shí)際情況。

在本次研究中，即采用時(shí)間序列-馬爾科夫預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)了礦區(qū)2012年、2013年的逐月降雨量，為其后深部中段巖溶水動態(tài)GMS數(shù)值模擬提供較為準(zhǔn)確的降雨量數(shù)據(jù)。

利用會澤鉛鋅礦區(qū)2007年1月至2010年12月的降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合根據(jù)擬合誤差，進(jìn)行狀態(tài)劃分，建立馬爾科夫模型。根據(jù)相對誤差的狀態(tài)，求出概率轉(zhuǎn)移矩陣，對時(shí)間序列模型的預(yù)報(bào)值進(jìn)行馬爾科夫修正，求得二次擬合值，據(jù)此可計(jì)算礦區(qū)2012年、2013年的逐月降雨量（表1）。

GMS的概念化快速建模。運(yùn)用GMS三維軟件的運(yùn)行演算。從圖3可以看出，著礦區(qū)采活動時(shí)期的延長，地下水開采量增大，礦床概化為的抽水井附近范圍地下水位逐漸下降。由模型可知，三維模型內(nèi)抽水井附近都形成很大降深梳干形態(tài)漏斗，近抽水井中心下越明顯。隨著開采抽水時(shí)間的遞增加，靜儲量被疏干，這現(xiàn)象與礦山廠深部開采水文條件吻合的。然而含水介質(zhì)儲水系數(shù)大小較為關(guān)鍵，其決定了涌水量的大小。

從本次以三維模型獲得礦井地下水滲流場看，預(yù)測礦床地下水位處于設(shè)計(jì)開拓中段以下，地下水位擬合誤差控制在4%～5%區(qū)間內(nèi)。模擬計(jì)算預(yù)測出涌水量達(dá)到技術(shù)要求。本次GMS模擬計(jì)算涌水量數(shù)值，為礦山排水能力的設(shè)計(jì)和編制防治水方案提供有力支撐。為同類礦山涌水量預(yù)測起到很好借鑒。

5 結(jié)語

本次主要運(yùn)用的是數(shù)值模型的功能、特點(diǎn)，對礦床各中段涌水量的調(diào)試與水位擬合來實(shí)現(xiàn)對開采條件下礦坑涌水量的預(yù)測。以礦井開采計(jì)劃中各中段的開采標(biāo)高為限值，在三維模型中多次運(yùn)算礦井涌水量使井下地下水平均標(biāo)高保持在該開采中段下。模擬獲得的礦山廠礦坑涌水量預(yù)測見表2。由表2可以知，在上述地下水滲流場隨著開采深度的增大而發(fā)生變化，2012年礦山廠礦坑平均涌水量為5017m3/d，2013年礦山廠礦坑平均涌水量為5426m3/d。涌水量變化遇到富水褶皺、構(gòu)造帶、巖溶帶、裂隙發(fā)育帶規(guī)?？赡馨l(fā)生突水。也有可能開采深度加大，地應(yīng)力增大，構(gòu)造帶、巖溶帶、裂隙帶發(fā)育逐漸減弱，礦坑涌水量隨之減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 占學(xué)，劉金輝，張衛(wèi)民，等.專門水文地質(zhì)學(xué)

[M].北京：原子能出版社，1997.

[2] 薛禹群，謝春紅.地下水地下水?dāng)?shù)值模擬[M].北

京：科學(xué)出版社，2007.

[3] 易立新，徐鶴.地下水?dāng)?shù)值模擬：GMS應(yīng)用基礎(chǔ)

與實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

作者簡介：李應(yīng)武（1972—），男，云南大姚人，云南馳宏資源勘查開發(fā)有限公司地質(zhì)工程師，研究方向：礦山水文地質(zhì)勘查。