礦山水害的模擬與智能防治決策

朱承敏，高 超，容玲聰

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

我國(guó)金屬非金屬礦山地下水災(zāi)害嚴(yán)重[1]，金屬礦山中尤其是水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶充水礦床礦坑涌水量特別大，單礦井的涌水量常?？蛇_(dá)到每天幾萬立方米至幾十萬立方米，以集中突水為主要充水方式，單個(gè)突水點(diǎn)的涌水量可達(dá)每小時(shí)數(shù)千立方米甚至幾萬立方米，突水點(diǎn)集中分布在某一方向或某一地段，使巖溶充水的礦床在開采過程中容易造成透水災(zāi)害事故。深部開采時(shí)，在長(zhǎng)期的高溫、高壓狀態(tài)下，巖石出現(xiàn)大量的細(xì)小裂隙，因開采活動(dòng)，臨空圍巖在一定范圍內(nèi)卸壓，出現(xiàn)單方向應(yīng)力釋放，從而產(chǎn)生更多更寬的網(wǎng)狀裂隙，高壓水順裂隙并隨著應(yīng)力和壓力釋放，導(dǎo)致裂隙變寬、水量快速增大，并溝通上部含水層或?qū)畼?gòu)造，往往在幾小時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)化為大突水，開采深度達(dá)到2 000 m時(shí)將產(chǎn)生高達(dá)20 MPa以上的高滲透壓力，突水機(jī)率隨之增加[2]，更容易誘發(fā)透水災(zāi)害事故。

為了給快速處理透水事故提供依據(jù)，通過水害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)，模擬礦山生產(chǎn)過程中水害形成機(jī)制，并自動(dòng)分析做出治理方案決策，從而實(shí)現(xiàn)礦山防治水智能管理和礦山的智慧建設(shè)[3-4]。

1 軟件及依托項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 軟件簡(jiǎn)述

水害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及處理軟件系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、資料處理與結(jié)果展示、模型管理、地下水災(zāi)害管理、地下水疏干模型仿真管理、報(bào)警設(shè)置、報(bào)表管理等七大部分組成。系統(tǒng)研發(fā)流程圖見圖1。

各模塊功能如下所述。①數(shù)據(jù)管理?；A(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、查詢、修改、刪除、備份、恢復(fù)等模塊。數(shù)據(jù)錄入方式，可以采用手動(dòng)錄入，也可以開發(fā)自動(dòng)錄入系統(tǒng)。②數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析。單個(gè)觀測(cè)孔隨著時(shí)間變化的曲線圖；某一時(shí)刻，觀測(cè)區(qū)域的水位平面等值線圖、水位剖面圖、水流方向示意圖。③模型處理。利用現(xiàn)有商業(yè)化的軟件系統(tǒng)(GMS或MODFLOW)進(jìn)行建模處理。仿真礦山地下水在各種不同情況下的分布情況。④水害預(yù)警?？蓪?duì)水位、水量、水質(zhì)、水溫設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警參數(shù)，當(dāng)采集或輸入數(shù)值超過預(yù)警參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出聲音和圖像報(bào)警，提示系統(tǒng)管理人員，有參數(shù)超過警戒數(shù)值，提前及時(shí)處理警戒狀況。⑤事故鑒定與分析。水災(zāi)事故發(fā)生后，及時(shí)組織相關(guān)專家鑒定結(jié)果、分析原因，并記錄現(xiàn)場(chǎng)狀況(照片)。將鑒定與分析過程實(shí)時(shí)記錄，載入系統(tǒng)，以備不時(shí)進(jìn)行查詢。⑥事故處理與防治決策。水文調(diào)查、處理與防治決策是一個(gè)預(yù)研究與模擬分析為主的綜合決策過程。該模塊主要通過模擬計(jì)算，比較直接疏干與疏堵結(jié)合方案的投資成本，尋找到最優(yōu)方案。⑦報(bào)表管理與輸出。根據(jù)用戶需求，設(shè)計(jì)相關(guān)報(bào)表并輸出。

圖1 軟件系統(tǒng)研發(fā)流程圖Fig.1 Software system development flow chart

1.2 項(xiàng)目介紹

凡口鉛鋅礦區(qū)主要含水層及與礦體的聯(lián)系。

1) 水草坪礦床存在兩個(gè)主要含水層：一是淺部為壺天群(C2+3ht)溶洞含水層和東崗嶺組、天子嶺組溶洞-裂隙含水層；二是深部(-200 m以下)為東崗嶺上亞組和天子嶺下亞組(D2db、D3ta)深層裂隙承壓含水層。深部含水層與淺部石炭系壺天群(C2+3ht)含水層沒有水力聯(lián)系。淺部含水層雖然水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水量大，但已處于疏干狀態(tài)。疏干漏斗于20世紀(jì)60年代末已基本處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，即旱季漏斗向外擴(kuò)張，雨季向內(nèi)收縮，如此往復(fù)。

2) 第四系(Q)坡殘積層為相對(duì)隔水層，石炭系下統(tǒng)(C1)砂頁(yè)巖、泥盆系上統(tǒng)天子嶺組中上亞組(D2tbc)雜質(zhì)灰?guī)r、泥盆系上統(tǒng)帽子峰組(D3m)砂頁(yè)巖、泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組下亞組(D2da)砂頁(yè)巖為隔水層；金星嶺以南斷層F3、F4、F5、F102、F103等為相對(duì)隔水帶。

礦區(qū)西部天子嶺組條紋狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和石炭系下統(tǒng)砂頁(yè)巖組成西部隔水邊界；礦區(qū)北部石炭系下統(tǒng)砂頁(yè)巖和泥盆系上統(tǒng)帽子峰組砂頁(yè)巖組成北部隔水邊界。北部和西部隔水邊界組成礦區(qū)“廠”字型的相對(duì)隔水邊界。

3) 凡口鉛鋅礦區(qū)水草坪礦床礦體賦礦地層主要是中泥盆統(tǒng)東崗嶺上亞組(D2db)和上泥盆統(tǒng)天子嶺下亞組(D3ta)，其次是下石炭統(tǒng)(C1)、中上石炭統(tǒng)壺天群(C2+3ht)等，礦體賦礦層位是礦區(qū)主要含水層，礦體與地下水直接接觸。礦體產(chǎn)出空間位置與控礦斷裂構(gòu)造關(guān)系密切(近斷裂處，礦體厚度明顯增大，遠(yuǎn)離斷裂則變薄或尖滅再現(xiàn))。斷層對(duì)礦床不存在導(dǎo)水作用，其本身未能構(gòu)成地下水的通道和儲(chǔ)藏所，但斷層旁側(cè)的次一級(jí)張性裂隙在帶酸性水的作用下，可溶地層逐漸被溶蝕后形成溶洞和溶蝕裂隙，成為地下水的通道和儲(chǔ)藏所。

4) 水草坪礦床礦坑水的主要補(bǔ)給來源是大氣降水和地表水的垂向下滲(或下灌)，其次為降落漏斗外圍地下水的側(cè)向逕流。深部充水來源，主要是通過裂隙接受凡口鉛鋅礦區(qū)西部(獅嶺以西)和北西部一帶的天子嶺組和東崗嶺上亞組的淺部溶洞-裂隙水，并通過裂隙進(jìn)行深循環(huán)和儲(chǔ)存。

5) 水草坪礦床礦坑地下水存在三個(gè)明顯的進(jìn)水通道：一是F4至F5之間的金星嶺南部進(jìn)水通道，集中從-40 m新南截流巷涌出；二是西部隔水邊界至F4之間的獅嶺南部進(jìn)水通道，主要從獅嶺南放水巷涌出；三是金星嶺北部進(jìn)水通道，主要從0 m北截流巷涌出，進(jìn)水方向?yàn)檎龞|方向。

6) 水草坪礦床獅嶺區(qū)段屬于以裂隙含水層充水為主，礦體與地下水直接接觸，地下水直接進(jìn)入礦坑，水文地質(zhì)條件中等的深層裂隙承壓水礦床。

根據(jù)項(xiàng)目需求，收集凡口鉛鋅礦的水文地質(zhì)資料，以該礦山的資料為基礎(chǔ)，建立地質(zhì)、地表水、地下水復(fù)雜綜合三維實(shí)體模型，對(duì)礦山未來20年及40年開采周期過程中水害發(fā)生各階段進(jìn)行數(shù)值模擬，再現(xiàn)事故發(fā)生過程，并自動(dòng)分析決策出最優(yōu)防治方案。

2 模型建立

2.1 地質(zhì)建模(3D概念模型)

對(duì)凡口鉛鋅礦地質(zhì)、水文資料的歸納整理，主要地層見表1。

通過對(duì)凡口礦擬開采區(qū)搜集了246條測(cè)線，并從361個(gè)鉆孔的資料中，提取2 660個(gè)巖性分界面的信息資料，對(duì)其中42個(gè)鉆孔的298份巖性分界信息數(shù)據(jù)進(jìn)行了重復(fù)檢查提取資料，檢查誤差4.2%，確保了數(shù)據(jù)提取準(zhǔn)確可靠。采用概念模型方法，在地質(zhì)平面圖上確定建立概念模型區(qū)域及模型，模型西部邊界、西北部邊界、北部邊界、東北部邊界為隔水邊界，東部邊界是定流量邊界，西南部邊界及南部是固定水頭100 m邊界，-40 m坑道排水通道處于上部含水層，凡口河流河底已經(jīng)硬化，不考慮補(bǔ)給，雨水補(bǔ)給區(qū)域?yàn)槿咳Χ▍^(qū)域，但對(duì)下部壺田灰?guī)r補(bǔ)給是通過隱伏淺部巖溶(天窗)，即只有越流補(bǔ)給。依此建立出擬采區(qū)域3D地層圖(圖2)。

表1 凡口礦地層Table 1 Fankou mine stratum

圖2 凡口礦擬采區(qū)域三維(3D)地層圖Fig.2 Three-dimensional(3D) stratigraphic mapof the mining area of Fankou mine

2.2 網(wǎng)格法模型

MODFLOW建立模型[5]的基礎(chǔ)是有限差分法，采用這種數(shù)學(xué)方法，模擬區(qū)域被分為大量的立體模型單元，每個(gè)單元都分配有物理(水力)參數(shù)，并由規(guī)定的三個(gè)數(shù)字來表示(行、列和層)。根據(jù)凡口礦地層的水文地質(zhì)性質(zhì)和特點(diǎn)，將凡口礦研究區(qū)MODFLOW三維水文地質(zhì)模型分為16個(gè)單元模型層。

1) 模型分層。為了給礦山開采提供技術(shù)參考，模型分層按開采中段設(shè)置，共計(jì)分為16層，各層底板標(biāo)高分別為：+75 m、25 m、-20 m、-60 m、-100 m、-140 m、-180 m、-220 m、-260 m、-300 m、-340 m、-380 m、-427.5 m、-477.5 m、-550 m、-650 m。凡口礦設(shè)計(jì)20年后開采至標(biāo)高-380 m，40年后開采至標(biāo)高-650 m。

2) 含水層分區(qū)。根據(jù)凡口礦含水層系統(tǒng)的構(gòu)造、不同含水層的滲透系數(shù)和傳導(dǎo)系數(shù)等水力參數(shù)以及各含水層的性質(zhì)、特點(diǎn)和各含水層之間的水力聯(lián)系，建立了凡口礦含水系統(tǒng)地下水三維地質(zhì)模型，模型分為16層。各層單元設(shè)置主要依據(jù)礦山提供的中段圖，不同區(qū)域的含水層性質(zhì)及水文地質(zhì)參數(shù)，見表2。

表2 礦區(qū)各水文地質(zhì)單元及參數(shù)Table 2 Hydrogeological units and parametersin the mining area

3 礦山水害事故模擬與防治決策

3.1 各中段疏干排水路線布設(shè)

根據(jù)各中段實(shí)際出水點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程位置設(shè)置單元排水井。通過在軟件中運(yùn)行與每一中段相關(guān)聯(lián)的排水井的數(shù)量、水量、疏干速度及疏干面積等參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比分析，得出該中段設(shè)計(jì)的擬疏干孔最佳位置，并依此設(shè)計(jì)各中段的疏干排水路線。以-40 m中段，對(duì)應(yīng)第三層水文單元為例，設(shè)計(jì)出該中段疏干排水路線，如圖3所示。

圖3 -40 m中段疏干排水路線Fig.3 -40 m middle drainage route

3.2 水害監(jiān)測(cè)預(yù)警

水害監(jiān)測(cè)預(yù)警[6-8]是水災(zāi)防范和水災(zāi)管理的重要環(huán)節(jié)。軟件系統(tǒng)對(duì)礦區(qū)水位、水量、水質(zhì)、水溫4種參數(shù)(菜單)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)礦山要求設(shè)計(jì)各參數(shù)的極限值。當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)發(fā)生突變，例如當(dāng)?shù)V區(qū)第三層含水層水位突變超出警戒值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)并提供準(zhǔn)確的井下水位突變位置，以便礦方管理人員迅速通知井下作業(yè)員工緊急撤離，同時(shí)通過采取緊急預(yù)案，快速選擇處理方案。通過對(duì)第三層含水層1～7號(hào)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置水位變化預(yù)警，如圖4所示。

3.3 事故處理與防治決策

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，以及礦山生產(chǎn)需求，系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬仿真運(yùn)算[9-10]，利用模擬結(jié)果作為決策依據(jù)，制定相應(yīng)的決策處理。隨著礦山開采深度變化，需要對(duì)礦山地下水的情況進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，本系統(tǒng)采用GMS系統(tǒng)[7]進(jìn)行仿真模擬。在目前礦山的防治水領(lǐng)域，常用的防治水方案有疏干、以堵為主、疏堵結(jié)合三大類方案。

圖4 礦區(qū)第三層含水層水位變化預(yù)警Fig.4 Early warning of water level change in the third aquifer of mining area

傳統(tǒng)疏排水方案指超前疏干，一般可采取地面疏干、井下疏干、地面井下聯(lián)合疏干三種可能的方案，分別簡(jiǎn)介如下所述。①地面疏干。在基建工程建設(shè)前期，在礦床周邊地面施工眾多專用的疏水鉆孔，鉆孔深度超過采礦中段，孔內(nèi)下置深井泵抽水，并要求地下水位降至采礦中段以下，再開始進(jìn)行采礦工程。該方案工藝簡(jiǎn)單，但鉆孔施工成本較高、管理困難、長(zhǎng)期排水費(fèi)用較高。②井下疏干。基建階段主要采取預(yù)注漿的措施進(jìn)行地下水的防治，保證巷道的掘進(jìn)，在井下排水系統(tǒng)形成后，再施工專門的疏水巷道、疏水孔等疏干工程，待地下水位降到采礦中段以下時(shí)，再進(jìn)行采礦作業(yè)。該方案工藝簡(jiǎn)單、井下排水工程管理方便，但由于排水揚(yáng)程較大，長(zhǎng)期排水費(fèi)用較高。③聯(lián)合疏干。即地面與井下相結(jié)合進(jìn)行疏干，一般是前期采用地面降水孔進(jìn)行排水，一方面保證井筒工程的順利掘進(jìn)，另一方面排除含水層大量靜貯量，節(jié)省后期井下排水時(shí)間；后期再以井下疏干工程為主進(jìn)行地下水的疏放。該方案工藝簡(jiǎn)單、兼顧了井筒工程的掘進(jìn)、井下排水工程管理方便，但疏水工程成本較高、地面工程管理困難，長(zhǎng)期排水費(fèi)用較高。

注漿封堵方案主要有地面在帷幕注漿方案和井下近礦體帷幕注漿方案。前者是在礦區(qū)主要進(jìn)水地段利用鉆孔注漿，在地下形成一條大致垂直地下水逕流方向的人工隔水墻，攔截一半以上的地下水補(bǔ)給量，幕內(nèi)輔以疏干，在帷幕的保護(hù)下進(jìn)行采礦的一種方法。適用條件是礦床主要充水巖層涌水量大，進(jìn)水通道相對(duì)狹窄，優(yōu)點(diǎn)是礦坑涌水量小，排水費(fèi)用低，保護(hù)了礦區(qū)水資源，較大程度地避免了環(huán)境工程地質(zhì)問題發(fā)生。缺點(diǎn)是相對(duì)投資較高，有一定技術(shù)難度。井下近礦體帷幕注漿方案是在井下通過鉆孔對(duì)礦體周邊進(jìn)行注漿，形成具有一定厚度及強(qiáng)度的連續(xù)封閉墻體。適合在礦體相對(duì)集中，礦體厚度具有一定規(guī)模的礦山中應(yīng)用。 該方案費(fèi)用較高，技術(shù)難度大。 疏堵結(jié)合方案一般采用前兩種方案綜合應(yīng)用。

在每一大類方案中，如疏干方案，又存在不同中段、不同疏干孔位置、疏干孔多少不同等多種疏干方案，系統(tǒng)通過不斷調(diào)試各種疏干方式，快速地找到最佳疏干方案。針對(duì)礦區(qū)各層含水層設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的疏干抽水井，礦山開采到不同中段時(shí)，含水層滲透系數(shù)也隨之變化，因此，礦山開采周期的制定和在該時(shí)間內(nèi)選擇的防治水方案對(duì)下一開采周期影響顯著。通過設(shè)置不同開采周期和防治水方案，系統(tǒng)可以自動(dòng)分析出各周期內(nèi)防治水方案投資，從而為礦山制定合理的開采計(jì)劃。

以20年和40年設(shè)計(jì)開采年限，通過輸入各含水層疏干井?dāng)?shù)量和最低標(biāo)高值，帷幕堵水墻長(zhǎng)度等參數(shù)，自動(dòng)算出在開采年限內(nèi)總排水費(fèi)用。

1) 東西兩端帷幕延長(zhǎng)(純堵方案)。采用全部閉環(huán)帷幕建設(shè)方案，不設(shè)置疏干井疏干排水，不考慮下層排除水的外排成本，只計(jì)算帷幕建設(shè)成本。計(jì)算結(jié)果為20年預(yù)計(jì)投資15 270.00 萬元，40年預(yù)計(jì)投資26 186.00 萬元。

2) 帷幕不延長(zhǎng)(純疏干方案)。該方案不延長(zhǎng)帷幕，即不新建帷幕，完全通過抽水井抽水疏干工程。計(jì)算結(jié)果為20年預(yù)計(jì)投資18 586.60萬元，40年預(yù)計(jì)投資37 143.20萬元。

3) 疏堵結(jié)合方案。①帷幕西端延長(zhǎng)疏干方案(疏堵結(jié)合)：帷幕西端在原有基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)300 m。上層含水層的排水量由10 645 m3，減少到6 962 m3。下部含水層排水量沒有變化。計(jì)算結(jié)果為20年預(yù)計(jì)投資15 437.67萬元，40年預(yù)計(jì)投資30 845.34 萬元。②帷幕東端延長(zhǎng)方案(疏堵結(jié)合)：該方案在現(xiàn)有帷幕的東端新建帷幕970 m，上層含水層的排水量從10 645 m3減少到5 105 m3。下層含水層的排水量依然為6 377 m3，沒變化。上部含水層的排水井孔4個(gè)，下層含水層的排水孔2個(gè)。計(jì)算結(jié)果為20年預(yù)計(jì)投資13 812.40 萬元，40年預(yù)計(jì)投資27 594.80 萬元。

綜合對(duì)比得出，在20年的設(shè)計(jì)開采期限內(nèi)最合理的治水方案為帷幕東端延長(zhǎng)方案(疏堵結(jié)合)；在40年的設(shè)計(jì)開采期限內(nèi)最合理的治水方案為東西兩端帷幕延長(zhǎng)(純堵方案)。

4 結(jié) 論

1) 水害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及處理軟件系統(tǒng)是由國(guó)家科技部委托長(zhǎng)沙礦山研究院有限公司并由本文作者研究開發(fā)，以長(zhǎng)沙礦山研究院有限公司防治水研究所在國(guó)內(nèi)多個(gè)礦山防治水工程項(xiàng)目為實(shí)例參考分析依據(jù)，將廣東凡口鉛鋅礦作為本軟件系統(tǒng)案例研究。該軟件以GMS或MODFLOW為開發(fā)平臺(tái)，建立地質(zhì)、地表水、地下水復(fù)雜綜合三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)、地表水、地下水主要參數(shù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、加工處理和水害預(yù)警，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了礦山水文地質(zhì)條件與地下水動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程三維信息化管理，為研究、分析、鑒定透水事故發(fā)生破壞動(dòng)力學(xué)規(guī)律提供依據(jù)。

2) 通過對(duì)水害發(fā)生各階段進(jìn)行數(shù)值模擬，再現(xiàn)事故發(fā)生過程，有效解決礦山突水災(zāi)變預(yù)防與治理，未來通過在國(guó)內(nèi)外礦山推廣運(yùn)用和改進(jìn)完善，將直接帶動(dòng)礦山資源的安全、高效開采，提高礦山尤其是水文地質(zhì)中等復(fù)雜以上礦山開采的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)礦山智能智慧建設(shè)的目的。

3) 通過該軟件系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出在20年及40年開采周期中實(shí)行不同防治方案的投資預(yù)算，并通過對(duì)比實(shí)現(xiàn)礦山在不同周期中最佳防治方案的智能決策，為礦山建設(shè)規(guī)劃提供依據(jù)，指導(dǎo)礦山做出科學(xué)合理的部署，有效地提高礦山企業(yè)采礦的效率，降低成本。