銀山鉛鋅礦礦井涌水量預(yù)測與分析★

肖文舟　匡文龍　文武飛（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南　湘潭　411201）

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銀山鉛鋅礦礦井涌水量預(yù)測與分析★

肖文舟匡文龍文武飛
（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411201）

摘要：介紹了銀山鉛鋅礦區(qū)的水文地質(zhì)條件相對簡單，通過有限的資料，對研究區(qū)水文地質(zhì)條件進行分析，利用Visual Modflow建立數(shù)值模擬模型，在無觀測井水頭數(shù)據(jù)的情況下進行特殊情況下的擬合，反演求出礦井涌水量，通過預(yù)測礦井涌水量對礦山的安全生產(chǎn)提供依據(jù)，并提出了一種特殊情況下擬合的新方法。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)，數(shù)值模擬，礦井涌水量

★：國家高等學(xué)校特色專業(yè)建設(shè)點項目（項目編號：TS11027）；湖南省國土資源廳科技項目（項目編號：2014-05）；湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目（項目編號：S140010）

0　引言

Visual Modflow是由加拿大water-loo水文地質(zhì)公司開發(fā)，目前國際上較為先進的模擬地下水滲流和溶質(zhì)運移的標準可視化專業(yè)軟件，用于模擬三維地下水流數(shù)值模擬模型的軟件，可以模擬井流、河流、排泄、蒸散和補給對非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的地下水模擬軟件之一。

本文采用Visual Modflow對銀山鉛鋅礦區(qū)地下水資源進行了計算和評價，在相對簡單的水文地質(zhì)條件下采用一種特殊的擬合方法反演求得礦坑涌水量，與實測對比取得了比較真實的結(jié)果。

1　研究意義與研究現(xiàn)狀

礦坑涌水量預(yù)測是一項重要而復(fù)雜的工作，是礦床水文地質(zhì)勘探的重要組成部分，也是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標之一（錢學(xué)溥，2007）。分析礦區(qū)地下水水流系統(tǒng)的演變規(guī)律，有助于加深對礦區(qū)地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的認識，確定礦坑充水水源及途徑，對于防止礦井突水、淹井等礦山惡性事故具有積極的作用，研究礦區(qū)地下水系統(tǒng)預(yù)測礦區(qū)礦坑涌水量對礦區(qū)的安全生產(chǎn)有著重要的意義（邢冬梅，2011）。

在區(qū)域、礦區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)資料可滿足建立地下水水流數(shù)值模型的條件下，數(shù)值模型概化是一種計算涌水量較為精確的方法。全國有大量地區(qū)及礦床通過數(shù)值模擬的方法進行過涌水量的預(yù)測，并取得了較好的效果（張迎秋，2008）。本文研究區(qū)為江西銀山鉛鋅礦，水文地質(zhì)條件簡單，在大量數(shù)據(jù)缺失的情況下，合理簡化模型，通過已知地下水與地表水無水力聯(lián)系的情況下進行反演，提供了無實測水頭數(shù)據(jù)擬合的條件下進行水文地質(zhì)建模的一種方法。

2　研究區(qū)水文地質(zhì)概況

銀山礦田位于江西省上饒地區(qū)德興縣境內(nèi)，地理坐標東經(jīng)117°34'15″～117°36'15″，北緯28°56'50″～28°59'08″，大銀山主峰標高307.63 m，沿大銀山—西山—北山之山脊為礦區(qū)分水嶺，分水嶺之外的東、北、西三面地表水，地表水對礦區(qū)充水影響極微。在大銀山西北城祝南—北山東坡的地表水匯集以后，流經(jīng)銀山礦區(qū)小河注入泊水，銀山小河全長約5 km，流域受水面積為8 km2，流量在114.48 m3/h～28 800 m3/h（劉木順，2000）。

礦區(qū)是一個獨立的水文地質(zhì)單元，巖石堅硬，含水性微弱（楊榮豐等，2003）。礦體多分布于當?shù)厍治g基準面以下，頂?shù)装鍑鷰r中雙橋山群淺變質(zhì)千枚巖和火山巖系火山碎屑巖、熔巖和次火山巖構(gòu)成了兩層含水層（劉盛祥等，2001）（見圖1）。

圖1　銀山礦區(qū)構(gòu)造地質(zhì)簡圖

礦區(qū)地表水和地下水主要由大氣降水補給。由于地形陡峻，第四系地層薄，地表水排泄條件好，地下水補給能力較差。本區(qū)大致可分為四個含水層（帶）：第四系松散孔隙含水層，火山巖系風(fēng)化帶含水層（帶），雙橋山群淺變質(zhì)巖風(fēng)化帶含水層（帶）和構(gòu)造裂隙含水帶（見圖1）。各巖層含水情況如下：

1）第四系松散孔隙含水層：礦區(qū)內(nèi)的第四系殘積、坡積、沖積層不發(fā)育，呈零星分布，面積小，故不考慮在模型中。斷續(xù)分布于山谷谷底及兩邊山坡，厚度0.5 m～4 m，在谷底較厚，一般不超過4 m，山脊或山坡一般小于1 m。主要為沖洪積泥礫層或洪—殘坡積粘土碎石層，成分以風(fēng)化大小不一的礫石礫塊為主，少量粘土，呈半膠結(jié)或不膠結(jié)之松散砂土層。

2）火山巖系風(fēng)化帶含水層（帶）：為礦區(qū)上覆含水巖層，礦區(qū)火山巖系按巖相分為火山碎屑巖、熔巖和次火山巖，主要有層狀凝灰?guī)r、流紋巖、英安質(zhì)熔巖、石英斑巖、英安斑巖和爆破角礫巖等，在南山、北山、西山、銀山和九區(qū)均有分布（徐積輝等，2001）。礦區(qū)火山巖系種類較多，但水文地質(zhì)特征基本相同。礦區(qū)曾在銀山CK1孔的流紋巖中進行抽水試驗，單位涌水量小于0.010 64 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.01 m/d～0.08 m/d。

3）雙橋山群淺變質(zhì)巖風(fēng)化帶含水層（帶）：為礦區(qū)下伏含水巖層，千枚巖是礦區(qū)主要巖層，其巖性以絹云母千枚巖為主，含少量砂質(zhì)千枚巖和凝灰質(zhì)千枚巖，含水性微弱，巖石堅硬致密本身不含水或弱含水，構(gòu)造裂隙和風(fēng)化作用使其疏松形成含水層。九龍上天區(qū)CK6孔抽水試驗，單位涌水量為0.027 13 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.060 9 m/d。九區(qū)西側(cè)ShK1孔抽水試驗，單位涌水量為0.001 92 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.000 667 m/d。

布魯桿菌易侵犯全身組織器官，可引起多系統(tǒng)的復(fù)雜病變，其并發(fā)癥在發(fā)生、發(fā)展過程中的作用越來越受到重視，以骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)最為常見，心內(nèi)膜炎和腦膜炎是布病中最常見的死亡原因。目前對布病的診斷主要依賴臨床癥狀和實驗室檢查，由于布病臨床表現(xiàn)多不典型，血培養(yǎng)陽性率低，對布病的早期診斷、早期治療仍然面臨重大挑戰(zhàn)。

4）構(gòu)造裂隙含水帶：各類巖層受構(gòu)造破壞后，構(gòu)成富含地下水的裂隙地段，上層地下水沿裂隙通過未膠結(jié)或膠結(jié)不好的斷層破碎帶、接觸帶進入坑道，該含水帶是深部礦坑充水的主要來源。礦區(qū)含水構(gòu)造破碎帶并不十分發(fā)育，分部少而且深度淺，故不考慮在模型中。礦區(qū)平均年降水量2 185.4 mm，降水最多達2 533 mm（1973年），最少的1 300 mm（1963年），全年降水量分配在3月～6月四個月中，占全年降水量的50%～60%，年平均蒸發(fā)量為1 199.0 mm。

3　基于Visual Modflow的礦井涌水量研究與分析

3.1模擬范圍的確定

根據(jù)地下水流動系統(tǒng)理論，地下水滲流場數(shù)值模擬的范圍應(yīng)選取流動系統(tǒng)的自然邊界，礦區(qū)三面環(huán)山，可視為地下水天然分水嶺（李文躍等，2003），南部邊界選取德興泊水，計算區(qū)總面積11 km2，如圖2所示。

3.2邊界條件概化

礦區(qū)內(nèi)主要地層分為兩層，下伏中元古界雙橋山組巨厚千枚巖含水層，為主要含水層；上覆侏羅系上統(tǒng)鵝湖嶺組流紋巖，作為相對隔水層不整合覆蓋在千枚巖含水層之上。整個礦區(qū)三面環(huán)山，南部為德興泊水，研究區(qū)模型簡圖見圖3。

圖2　研究區(qū)地形圖

圖3　研究區(qū)模型簡圖

1）活動單元：圖3中最外層細線為礦區(qū)周圍山脊，可視為地下水天然分水嶺，最外層細線之內(nèi)為研究區(qū)，外部為非活動單元。2）含水層：下伏雙橋山群淺變質(zhì)巖風(fēng)化帶含水層（帶），為相對含水層。3）隔水層：上覆火山巖系風(fēng)化帶含水層（帶），為相對隔水層，其邊界作為相對隔水邊界處理。4）河流邊界：德興泊水，作為河流邊界處理。整個模型空間范圍X方向6 141 m，Y方向5 874 m，Z方向最大厚度2 663 m，剖分為30×30×2共1 800個單元。

3.3水文地質(zhì)參數(shù)處理

根據(jù)部分研究區(qū)資料，通過整理獲得研究區(qū)參數(shù)如表1所示。

表1　研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)表

由于部分數(shù)據(jù)不足，將模型簡化處理：上覆為相對隔水層，下伏千枚巖為含水層，均視為各向同性，整個研究區(qū)地下水均處于潛水含水層中。

3.4區(qū)域水均衡條件分析

研究區(qū)的地下水補給來源均為大氣降水入滲補給，降雨一方面入滲補給地下水，一方面作為地表水匯聚成為銀山小河的源頭，沿銀山小河注入德興泊水；排泄方面地下水一部分通過蒸發(fā)排泄，一部分作為礦井涌水排出。已明確探明地下水與地表水之間無水力聯(lián)系。由于選取的數(shù)據(jù)均為多年平均數(shù)據(jù)，此時視為地下水儲存變化量為0，補給量等于排泄量。均衡方程式如下：Q降= Q補+ Q河。Q排= Q蒸+ Q井。

其中，Q降為降水補給量；Q補為地下水補給量；Q河為河流流量；Q排為地下水排泄量；Q蒸為蒸發(fā)排泄量；Q井為礦井涌水量。

由Q補= Q排，可以得到ΔQ = Q降- Q蒸= Q井+ Q河，即降水量與蒸發(fā)量之差等于銀山小河流量與礦井涌水量之和。在模型中我們將銀山小河流量與礦井涌水量統(tǒng)一作為一項處理，最后算得礦井涌水量減去銀山小河流量即為礦井預(yù)測涌水量。

3.5礦井涌水量預(yù)測與分析

運用數(shù)值模擬軟件進行涌水量的預(yù)測，傳統(tǒng)方法是先建立模型，再通過調(diào)整涌水量對比實際等水頭線進行擬合，當模型的等水頭線與實際相符時，輸入的涌水量即為預(yù)測涌水量?，F(xiàn)由于數(shù)據(jù)的缺失，沒有實際觀測井的水頭數(shù)據(jù)，涌水量預(yù)測難以進行。

本文選取的研究區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，明確探明地下水與地表水之間無水力聯(lián)系，即整個研究區(qū)并不會有地下水匯聚注入河流的流場存在，所有地下水均通過蒸發(fā)和礦井涌水排出，這種情況說明同樣通過先設(shè)定涌水量的反演方法，通過涌水量的調(diào)整直到整個研究區(qū)不存在地下水流場，所設(shè)定的涌水量即為預(yù)測涌水量。

以100 m3/d作為改變量，通過調(diào)整礦井涌水量，來觀察區(qū)域流場圖，發(fā)現(xiàn)當涌水量ΔQ =Q井+Q河設(shè)置為8 700 m3/d～12 900 m3/d之間時，研究區(qū)流場不存在，軟件無法繪制等水頭線圖，而涌水量為8 600 m3/d（如圖4，圖5所示）和13 000 m3/d（如圖6，圖7所示）時處于臨界位置，區(qū)域有流場存在。

圖4　礦井涌水量8 600 m3/d時上覆隔水層流場圖

圖5　礦井涌水量8 600 m3/d時下伏含水層流場圖

圖6　礦井涌水量13 000 m3/d時上覆隔水層流場圖

圖7　礦井涌水量13 000 m3/d時下伏含水層流場圖

將該數(shù)值確定為涌水量預(yù)測值與銀山小河流量之和即ΔQ，而實測銀山小河流量如表2所示。

表2　銀山小河水流量

去除異常流量取平均值，求得銀山小河平均流量為0.04 m3/s，即Q河=3 456 m3/d。所以，減去銀山小河流量，求得礦井涌水預(yù)測量為Q井=ΔQ - Q河=5 244 m3/d -9 444 m3/d。而部分實測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　銀山礦田涌水量總和

計算得到的結(jié)果較5月份的真實涌水量數(shù)據(jù)相近，而與12月、1月和6月、7月的數(shù)據(jù)擬合較差，原因是模型計算使用的數(shù)據(jù)均為多年平均值，與豐水期及枯水期涌水量差別較大是可能的。

4　結(jié)語

Visual Modflow軟件擁有強大的三維水流場模擬功能，并能可視化顯示，在充分收集認識相應(yīng)水文地質(zhì)資料，獲取準確的參數(shù)情況下，利用Visual Modflow軟件模擬預(yù)測礦坑涌水量大小具有較高的可信度，能為礦區(qū)安全開采提供相應(yīng)的保證依據(jù)（胡軼等，2006）。

本文提供了缺失實際水頭數(shù)據(jù)進行擬合時進行建模的一種方法，實質(zhì)上是已知研究區(qū)無流場的情況下進行的一種擬合，運行結(jié)果證實是有效的。

參考文獻：

［1］劉木順.銀山鉛鋅礦礦坑水質(zhì)水量變化規(guī)律初探［J］.銅業(yè)工程，2000，24（2）：59-63.

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［5］邢冬梅.礦山透水事故致因模型構(gòu)建及防治對策研究［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2011.

［6］張迎秋.復(fù)雜充水條件下煤礦水害預(yù)測研究［D］.青島：山東科技大學(xué)，2008.

［7］李文躍，張博，洪梅，等.Visual Modflow在大慶龍西地區(qū)地下水數(shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.世界地質(zhì)，2003，22（2）：161-165.

［8］胡軼，謝水波，蔣明，等.Visual Modflow及其在地下水模擬中的應(yīng)用［J］.南華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，20 （2）：1-5.

中圖分類號：P641

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0065-03

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：肖文舟（1991-），男，在讀碩士；匡文龍（1966-），男，博士，教授

Inflow forecast and analysis of Yinshan lead-zinc mine★

Xiao Wenzhou Kuang Wenlong Wen Wufei
（School of Civil Engineering in Hunan Science and Technology University，Xiangtan 411201，China）

Abstract：Yinshan lead-zinc zone is relatively simple in hydrogeological conditions，using limited data，analyze hydrogeological conditions of the study area，creat numerical simulation model，fit the special circumstances of the observation wells in the absence of circumstances header data，inversion to find the mine discharge.Through providing the basis of mine safety production by predicting mine discharge，and proposed a new method for fitting a special case.

Key words：hydrogeological，numerical simulation，mine inflow