充水條件對礦區(qū)地下水運動特征的影響研究

劉佩貴, 駱 鵬, 吳 亮

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京 210098)

充水條件對礦區(qū)地下水運動特征的影響研究

劉佩貴1, 駱 鵬2, 吳 亮1

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京 210098)

文章以一數值模型為例,針對充水水源與充水通道,選取水平滲透系數、垂向滲透系數和貯水率3個水文地質參數,研究參數值的變化對礦區(qū)周邊地下水運動特征和礦坑涌水量的影響程度。分析結果表明:礦坑涌水的直接充水水源是基巖裂隙含水層,但對礦坑涌水量影響最大的并不是直接充水地層的地下水,而是直接充水地層之上的風化帶和覆蓋層,兩者通過越流實現對礦坑涌水量的影響;對地下水運動特征影響較顯著的是水平滲透系數;對于礦坑涌水量,影響最大的是直接充水地層的垂向滲透系數,給水度的影響主要體現在充水水源水量的大小,而水平滲透系數的影響則主要體現在礦坑中涌水的快慢。

礦坑涌水量;水文地質參數;水位降深;充水條件

礦床的充水條件包括充水水源、充水通道與充水強度,而當礦床賦存條件及開采條件不變時,充水強度的大小直接取決于充水水源與充水通道的性質與特征。礦床開采時,礦床的充水條件將直接影響礦坑涌水量的大小,兩者之間存在密切的關系。目前,國內外大部分的研究主要集中在充水條件或礦床水文地質條件的分析、礦坑涌水量的預測[1-3]、充水水源的判別等方面,判別充水水源方面,主要是利用水化學特征,結合特定的數學模型來識別充水水源,如模糊數學、神經網絡、聚類分析、因子分析、灰色系統(tǒng)理論[4-5]、同位素示蹤[6-8]等。

明確礦床充水條件是提高礦坑涌水量預測精度的重要途徑之一,特別對地下開采方式的礦山,地下開采礦床后,巖體本身的自然應力平衡受到破壞,卸荷作用促使采空區(qū)頂板下沉變形,產生拉張力加扭力作用,形成山巖開裂或局部伴有崩坍和沉陷,特別是在構造(或溶蝕)裂隙發(fā)育或有地下水補給等地段。礦床上部一旦發(fā)生山巖開裂,形成新的裂隙帶或導水通道,涌水量將會發(fā)生明顯變化,而已有研究成果在預測涌水量時未考慮其充水條件的變化對水量產生的影響。本文基于一數值模型,探討礦床上覆巖層充水通道的變化對周邊地下水運動特征及礦坑涌水量的影響。

1 數值模型

1.1 水文地質概念模型

結合實際條件下大部分礦床的賦存條件以及可能的含水巖層的空間分布特征,取一近似理想模型進行分析,將模擬區(qū)地層自上而下概化為4層,依次分別為第四系松散沉積物覆蓋層、基巖風化帶、基巖裂隙含水巖組和礦床賦存層位,厚度相應地分別為5、15、100、80 m;邊界均為第2類邊界。模擬區(qū)范圍為5 000 m×5 000 m;天然條件下,地下水初始流場水平,符合達西定律。礦床的直接充水水源為上覆基巖裂隙水,間接充水水源為風化帶及第四系孔隙水,間接充水水源通過越流的形式流入礦坑。綜合考慮巖性及可能的裂隙發(fā)育程度,設定模型中地下水埋深3.0 m。所采用的水文地質參數見表1所列。下文中第1～3層分別指第四系、風化帶與基巖含水巖組。

表1 水文地質參數賦值

模擬區(qū)范圍設有1口抽水井、4口觀測井(分層觀測,抽水井所在位置也設為觀測井),其位置示意圖如圖1所示。圖1中的網格剖分為示意,實際剖分為100行×100列。

圖1 模擬區(qū)范圍示意圖

1.2 數學模型

根據概化的水文地質概念模型及含水層水力性質,將模擬區(qū)概化成非均質各向異性非穩(wěn)定準三維地下水流系統(tǒng),并建立相應的數學模型為:

其中,Kx、Ky、Kz分別為滲透系數在x、y、z方向的分量,假定滲透系數主軸方向與坐標軸的方向一致;H為地下水水頭;M為含水層厚度;W為單位體積流量,用以代表流進源或流出匯的水量;μs為含水層的貯水率;H0為初始水頭;t為時間;D為模擬區(qū)范圍;Γ為第2類邊界;q為邊界流量。

2 充水條件影響分析

從上述水文地質概念模型可知,研究區(qū)的直接充水水源為上覆基巖裂隙水,間接充水水源為風化帶中的水及第四系孔隙水,充水通道為裂隙導水通道,而基巖裂隙含水巖組中的裂隙發(fā)育程度直接影響周邊地下水的運動特征,包括水位、水量等,衡量裂隙發(fā)育程度的2個主要參數是滲透系數與儲水系數,但受勘探程度、認知水平等的影響,參數值的確定具有一定的不確定性,影響評價結果的可靠性,因此,本文針對這2個主要參數,借助Visual Modflow軟件,探討充水條件改變對地下水運動特征的影響。因礦區(qū)水量大小直接反映了礦坑涌水量的強度,故在闡述影響分析時,將礦坑涌水量單獨進行分析。

2.1 對地下水運動特征的影響

礦區(qū)水文地質條件相對較復雜,參數的空間變異性強,含水層多為非均質各向異性,因此,滲透系數的分析從水平滲透系數和垂向滲透系數2個方面展開。

2.1.1 水平滲透系數

水平滲透系數Kx反映了地下水在水平方向的運動情況,為進一步明確直接充水地層與間接充水地層的影響程度,每次僅改變其中1層的滲透系數取值,其他參數均保持不變,通過運行數值模型,分別得到不同參數條件下,中心點處的水位降深變化情況,如圖2～圖4所示。

圖2 不同含水層的Kx與第3層中心點水位降深關系

圖3 不同含水層的Kx與第2層中心點水位降深關系

圖4 不同含水層的Kx與第3層影響半徑關系

由圖2～圖4可以看出,當某一層的Kx增大時,該層位中心點處的水位降深值隨之減小,即地下水位隨之升高。但對地下水影響最大的是第3層,其次是第2層,最小的是第1層(第1層水位降深變化極小,受篇幅限制,本文未列出)。例如,當第3層Kx增大1倍時,第3層中心處水位降深變化幅度達57.89%。滲透系數增大時,由達西定律可知,周邊向漏斗中心流動的水流速度增大,引起水位發(fā)生變化的范圍增加,即影響半徑增大,與圖4所示現象一致。

此外,單位時間內的補給水量增大,地下水水位上升,反映在中心點處的水位降深相應地也會減小。第3層為基巖裂隙含水巖組,富水性比第2層、第1層弱,且儲水系數也最小,當單位時間內補給的水量增加時,第3層中心點的水位降深及周邊水位變化范圍(即影響半徑)也相應地最大,與圖2和圖4所揭示的現象和規(guī)律一致,進一步驗證了模型結果的合理性。

2.1.2 垂向滲透系數

已有研究成果表明,孔隙含水層的垂向滲透系數Kz一般是水平滲透系數Kx的1/10[3],即Kx/Kz=10,但對于基巖地區(qū),受裂隙發(fā)育程度的影響,該比值會發(fā)生變化,且Kz的大小也將直接影響越流補給量的大小,進而影響上覆巖層中的水位變化幅度及礦坑涌水量。本研究模型中,第3層是礦床充水的直接層位,下面分析第3層基巖裂隙含水巖組Kz的影響。

第3層中心點處水位降深和影響半徑隨Kz的變化趨勢如圖5、圖6所示。

圖5 Kz與第3層中心點水位降深及影響半徑關系

圖6 Kz與第2層中心點水位降深關系

由圖5、圖6可知,隨著Kz增大,第3層中心處水位降深呈先減小后略有增大,最后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢;第2層中心點水位降深的變化過程與之相反,一開始先增大,隨后趨于平穩(wěn)。第3層Kz增大,致使第2層的越流補給量相應增大,表現在水位降深方面即為第2層的降深增加,第3層的減小。當第2層中心點水位降深累計增大至17.0 m左右時(第2層的承壓水頭2.0 m,含水層厚度15.0 m),水位接近含水層底板,降深值不再增大,此時,因第2層部分區(qū)域被疏干,越流量開始變小,故第3層中心點水位降深減小至69.15 m后又開始增大。

影響半徑方面,由圖5可知,隨著Kz增大,第3層抽水所形成的影響半徑隨之減小,其減小的幅度隨著Kz增大而逐漸變小,最后影響半徑趨于不變,當Kz增大至與Kx相等時,影響半徑為1 053 m,約減小了14.94%。當Kz繼續(xù)增大時,Kz>Kx,地下水水流特征發(fā)生明顯變化,由水平流為主轉變?yōu)橐源瓜蛄鳛橹鳌?/p>

2.1.3 貯水率

滲流力學中常用貯水率μs表示含水層彈性釋水的能力,對于承壓含水層可用彈性釋水系數μ*表示;而對于潛水含水層,因重力釋水量遠大于彈性釋水量,計算中常忽略彈性釋水量,僅考慮重力釋水量,因此用給水度μ表示重力排水能力。依據本文所概化的水文地質概念模型,第2層風化帶為微承壓水(承壓水頭僅2.0 m),礦區(qū)排水后,較短時間內地下水類型由承壓水轉為無壓水,因此,在分析充水條件的變化時,第2層與第1層均選取μ進行分析,第3層選取μ*。參數變化情況見表2所列。

表2 參數變化情況

(1) 給水度μ。調整第四系含水層和風化帶含水層的μ,地下水位降深及影響半徑變化過程如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知,隨著μ增大,第3層中心點處的水位降深隨之變小,其變化幅度隨著μ的增大而減小,且當μ變化相同幅度(如增大1倍)時,第2層的μ對水位降深的影響比第1層稍大;另外,隨著μ變化幅度的增大,礦坑排水形成的影響半徑隨之減小。μ對地下水運動特征的影響主要是通過越流來實現的;μ越大,表示水頭變化1個單位,模擬區(qū)所釋放或儲存的水量越大,礦坑排水時,第1層或第2層水頭均要減小;但因μ增大,相同排水條件下所產生的水頭變幅減小,相鄰層位的水頭差增大,越流量相應地也增大,因此,第3層、第2層的水位降深和影響半徑均將減小。

圖7 不同含水層的μ與第3層水位降深和影響半徑的關系

圖8 不同含水層的μ與第2層水位降深的關系

(2) 彈性釋水系數μ*。調整第3層基巖裂隙含水層的μ*,得到地下水位降深及影響半徑的變化過程,如圖9所示。

圖9 水位降深和影響半徑與μ*的關系

由圖9可以看出,隨著μ*增加,第3層中心點處水位降深與影響半徑均隨之變小,但變化幅度不大,當該參數值增大2倍時,水位降深僅減小了0.007%,當參數值增大至80倍時,水位降深也僅減小了0.656%。受裂隙發(fā)育及裂隙連通性等因素的影響,基巖裂隙含水層的富水性一般較弱,μ*較小,數量級多處于10-6左右,變化幅度較小,體現在釋放或儲存的水量變化較小,因此,水位降深與影響半徑變化幅度都不大。

2.2 對礦坑涌水量的影響

本文以第3層中心點處水位降深均降至相同點為約束條件,開展充水條件改變對礦坑涌水量的影響評價。

2.2.1 水平滲透系數

根據2.1.1節(jié)中水平滲透系數Kx的變化幅度,得到礦坑涌水量隨不同層位滲透系數的變化過程,如圖10所示。

圖10 不同含水層的Kx與礦坑涌水量的關系

從圖10可以看出,隨著Kx增大,礦坑涌水量也隨之增加,且對第3層Kx的響應程度比第2層與第1層更為明顯,第1層的Kx對抽水流量的影響甚微。這因為Kx的大小直接影響地下水在水平方向的運動速度,當參數值增大時,單位時間內流入巷道的水量增加,達到相同水位降深需排出的水量也增大;其次,第2層對第3層越流量的大小主要受控于Kz。

另外,從理論上分析,礦區(qū)涌水量的大小受第3層Kx的影響最大,對第1層和第2層的反映不明顯,數值模型分析結果與理論分析相一致。

2.2.2 垂向滲透系數

礦坑涌水量隨基巖裂隙含水層垂向滲透系數Kz的變化如圖11所示。由圖11可知,隨著Kz增大,礦坑涌水量呈先增大后減小并逐漸趨于平衡的趨勢。

結合上述分析可知,Kz的大小直接影響越流量的大小;當Kz增大時,越流量隨之增大,相應的礦坑涌水量也增加。隨后水量減小則是由于風化裂隙含水層被疏干,越流量又開始減小。

圖11 Kz與礦坑涌水量的關系

2.2.3 貯水率

貯水率μs的物理意義是典型單元體水頭下降1個單位所釋放的水量。依據表2中參數的變化幅度,礦坑涌水量隨給水度μ的變化如圖12所示。

圖12 礦坑涌水量與不同含水層μ的變化關系

由圖12可知,隨著第1層或第2層μ的增大,礦坑涌水量均隨之增加。μ越大,表示礦坑排水時水頭下降1個單位,含水層所釋放出的水量越多,以降深降至相同值為約束條件時,需排出的水量就越大,即礦坑涌水量隨之增加。

對于基巖裂隙含水層,其富水性一般較弱,彈性釋水系數μ*較小,數量級多處于10-6左右,且根據2.1.3的分析,該參數值的變化對水位降深與影響半徑影響較小,根據達西定律,水量變化亦較小。當增大80倍時,涌水量僅從500 m3/d增大至501.2 m3/d,增大了0.24%,因此,μ*對礦坑涌水量預測結果可靠性的影響相對較小。

3 結 論

本文通過建立數值模擬模型,詳細闡述了水平滲透系數Kx、垂向滲透系數Kz和貯水率μs3個參數的變化對礦區(qū)周邊地下水運動特征和礦坑涌水量的影響。

對于水平滲透系數Kx,當某一層的Kx增大時,該層位中心點處的水位降深值隨之減小;但對地下水影響最大的是第3層基巖裂隙含水巖組,該層Kx值增大1倍時,中心處水位降深變化幅度達57.89%。對于垂向滲透系數Kz,隨著Kz增大,第3層中心處水位降深呈先減小后略有增大,最后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢;但影響半徑隨之減小,其減小的幅度隨著Kz的增大而逐漸變小,最后趨于不變;當Kz繼續(xù)增大時,Kz>Kx,地下水水流特征發(fā)生明顯變化,由以水平流為主轉變?yōu)橐源瓜蛄鳛橹鳌τ诮o水度μ,隨著μ增大,第3層中心點處的水位降深變化幅度隨著μ的增大而減小;另外,隨著μ變化幅度的增大,礦坑排水形成的影響半徑隨之減小。

對地下水運動特征影響最大的是Kx,其次是覆蓋層和風化帶的μ,而對礦坑涌水量影響最大的是Kz。另外,各個參數對礦坑涌水量影響的程度也不相同,μ對礦坑涌水量的影響主要體現在充水水源水量的大小;Kx則主要體現在礦坑涌水的快慢。

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(責任編輯 張淑艷)

Effect of water filling conditions on dynamics characteristics of groundwater in mining area

LIU Peigui1, LUO Peng2, WU Liang1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Based on a numerical model, considering the source of water and water passageway, the influence degree of the change of parameter values on the water inflow in mine and features of groundwater movement surrounding the mining area was analyzed. Three parameter values were given, including the horizontal permeability coefficient, vertical permeability coefficient and water storage coefficient. The results show that the direct source of water of pit water is fissured bedrock aquifers, but the weathered zone and overburden above the direct water-filled formation has the largest effect on water inflow in mine instead of the groundwater of the direct water-filled formation. Both of them influence pit water by the leakage. The horizontal permeability coefficient has the largest influence on the groundwater movement. The vertical permeability coefficient of the direct water-filled formation has the largest influence on water inflow in mine. And the influence of specific yield on water inflow in mine is mainly reflected in the amount of the water from the source of water, and the influence of horizontal permeability coefficient is mainly shown in the speed of water flowing into the mine.

water inflow in mine; hydrogeological parameter; drawdown; water filling condition

2015-12-25；

2016-03-07

國家自然科學基金資助項目(51309071;51509064)

劉佩貴(1981-),女,山東莒縣人，博士,合肥工業(yè)大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.015

P641.41

A

1003-5060(2017)01-0077-06