解析法與數(shù)值法在某鐵礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測中的對比實驗

許 斌

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局324地質(zhì)隊，安徽 池州 247100)

1 礦床類型及簡要地質(zhì)特征

某鐵礦礦床屬典型的玢巖型氣化-熱液交代為主的充填-接觸交代型鐵礦床。礦區(qū)地層簡單，淺表均為第四系地層覆蓋。礦區(qū)內(nèi)隱伏的前第四系地層主要為三疊系中統(tǒng)徐家山組(T2x)、黃馬青組(T2h)及侏羅系中下統(tǒng)象山群(J1-2xn)。構(gòu)造較為簡單，礦床位于鐘姑山復(fù)背斜之次級褶皺—向陽向斜的北轉(zhuǎn)折端，斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育，未見明顯的斷裂構(gòu)造，但層間裂隙較發(fā)育。巖漿巖主要為燕山期閃長(玢)巖，輝石閃長(玢)巖。礦化以磁鐵礦化為主，其次赤鐵礦化、少量黃鐵礦化、黃銅礦化。圍巖蝕變強烈，常見蝕變?yōu)樘妓猁}化、矽卡巖化、鈉長石化等。

2 水文地質(zhì)

2.1 含水巖組

礦區(qū)含水巖組主要為第四系孔隙含水巖組(Ⅰ)、白堊系廣德組火山巖裂隙含水巖組(Ⅱ1)、侏羅系象山群砂巖裂隙含水巖組(Ⅱ0)、三疊系黃馬青組砂泥巖裂隙含水巖組(Ⅱ)、三疊系徐家山組砂泥巖、碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組(Ⅲ)和燕山晚期閃長巖裂隙含水巖組(Ⅳ)。

2.1.1 第四系孔隙含水巖組，富水性中-強(Ⅰ)

本組覆蓋全礦區(qū)，埋藏深度0～50 m，最深75.5 m。與鄰近礦區(qū)及區(qū)域具有很高對比性，自上而下：

全新統(tǒng)蕪湖組(Q4w)富水性中等。上部為粉質(zhì)粘土，中部為薄層砂質(zhì)粘土與粘質(zhì)砂土、粉砂互層，鉆孔單位涌水量q=0.02 L/s·m，滲透系數(shù)k=0.05～0.07 m/d；下部為粉細(xì)砂局部夾粉土，q=0.26～0.83 L/s·m，k=1.82～2.01 m/d。水化學(xué)類型屬HCO3-Ca·Mg型，礦化度0.8 g/L。地下水位埋深0.5～2.0 m，水力性質(zhì)為潛水。

上更新統(tǒng)大橋鎮(zhèn)組(Q3d)厚25～45.5 m，底板標(biāo)高-43～-68 m，富水性強。上部為粉土質(zhì)砂質(zhì)粘土，厚10.25～12.7 m，k=0.04 m/d；下部為砂礫卵石層，頂部有時見薄層中細(xì)砂層，結(jié)構(gòu)松散，厚10.25～20.5 m，為強透水的含水層，q=0.98～5.91 L/s·m，平均2.09 L/s·m，k=2.91～37.56 m/d。水化學(xué)類型屬HCO3·SO4-Ca·Mg型，礦化度1.05 g/L，水位埋琛1～3 m，水力性質(zhì)為承壓水。

2.1.2 白堊系廣德組火山巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅱ1)

該組分布于礦區(qū)北部外側(cè)鐘九鐵礦區(qū)及東部外側(cè)姑山鐵礦區(qū)，呈層狀覆蓋在閃長巖體之上，對本礦坑充水無影響，屬次要含水層。巖性為火山巖及火山碎屑巖，最大厚度400 m。裂隙不發(fā)育，巖石較疏松，易軟化，q=0.050 2 L/s·m，k=0.072 7 m/d 。

2.1.3 侏羅系象山群砂巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅱ0)

該層僅分布于礦區(qū)東側(cè)的狹長地帶，覆蓋在黃馬青組之上，對礦坑充水無影響，屬次要含水巖組。巖性為層狀石英砂巖，q=0.02～0.1 L/s·m，k=0.02～0.8 m/d，富水性弱，水化學(xué)類型HCO3·SO4-Ca·Mg型。

2.1.4 三疊系黃馬青組砂泥巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅱ)

分布于全礦區(qū)，大部分埋伏于(Ⅰ)含水巖組之大橋鎮(zhèn)組砂礫卵石層之下，局部位于(Ⅱ0)含水巖組之下。巖性為粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，層狀(中厚層狀為主夾薄層狀)構(gòu)造，層面結(jié)構(gòu)緊密。裂隙發(fā)育段分布于風(fēng)化帶、層間破碎帶以及接觸帶。巖石多屬軟巖，泥化較重，巖芯破碎，多組閉合和充填裂隙發(fā)育﹙泥質(zhì)、碳酸鈣質(zhì)或鐵質(zhì)充填﹚，偶見開口裂隙。經(jīng)在ZKW1和ZKW3進(jìn)行穩(wěn)定流抽水試驗，ZKW1結(jié)果：q=0.017 L/s·m，k=4.7×10-3m/d；ZKW3結(jié)果：q=0.04 L/s·m，k=4.9×10-3m/d。水化學(xué)類型屬SO4-Ca·Na·Mg型，礦化度M=1.34 g/L。水力性質(zhì)為承壓水。

2.1.5 三疊系徐家山組砂泥巖、碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組，富水性中-強(Ⅲ)

本組分布全礦區(qū)，上覆(Ⅱ)含水巖組。巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖互層，夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，是主要成礦層。巖溶較發(fā)育，溶孔和晶洞直徑一般1～2 cm，溶洞直徑一般約1～2 m，溶蝕裂隙見于多組裂隙發(fā)育段，裂隙間距<5 cm?？蓪⒈竞畮r組的富水性分區(qū)如下：

Ⅲ-3區(qū)：采用抽水試驗數(shù)據(jù)，q=2.72～3.41 L/s·m，K=1.3～5.10 m/d，富水性強；

Ⅲ-2區(qū)：采用抽水試驗數(shù)據(jù)，q=0.26～0.35 L/s·m，K=1.06～1.14 m/d，富水性中等；

Ⅲ-1區(qū)：采用鐘九礦區(qū)抽水資料，q=0.149 L/s·m，K=0.17 m/d，富水性中等偏弱。

本含水巖組水化學(xué)類型屬SO4-Ca·Mg型水，礦化度M=2.7～2.85，偏硅酸50～55 mg/L，水力性質(zhì)屬承壓水。

2.1.6 燕山晚期閃長巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅳ)

本組分布全礦區(qū)，在礦區(qū)內(nèi)均深埋于含水巖組(Ⅲ)之下。巖性為閃長巖。巖石強度軟至半堅硬。富水性弱至極弱，q=0.001～0.04 L/s·m，k=0.07～0.08 m/d。水化學(xué)類型屬HCO3·Cl-Na·Ca型，礦化度M=0.225 g/L，水力性質(zhì)屬承壓水。

2.2 地下水補給、徑流、排泄條件及水力聯(lián)系

(1)補給：礦區(qū)地下水靠大氣降水補給。

(2)徑流

地下徑流流向：礦區(qū)北、西外側(cè)的地下水總流向仍和地形起伏一致，由北北東的和睦山-前鐘山丘陵地流向南南西的河谷平原。但至礦區(qū)因受姑山鐵礦排水影響，致使地下徑流改變流向，由西北流向東南或自西向東注入姑山礦坑，礦區(qū)年地下徑流(包括第四系水和基巖水)流向是穩(wěn)定的。

地下徑流狀態(tài)：降水入滲形成淺部和深部徑流，前者主要滲流在第四系孔隙含水巖組中，流程短、流動暢快，水循環(huán)周期短，水質(zhì)屬重碳酸類型，礦化度較低(M<1 g/L)；后者滲流在各類基巖裂隙或裂隙-巖溶含水巖組中，流程長、流動緩慢，水質(zhì)屬硫酸類型，礦化度偏高(M>1 g/L)，水循環(huán)周期長，礦區(qū)深部存在半封存的古地下水。

微動態(tài)：礦區(qū)地下逕流也受固體潮影響呈現(xiàn)日微動態(tài)特征。

(3)排泄

礦區(qū)地下水排泄形式，除部分由地下逕流排出礦區(qū)外，大部分由姑山鐵礦以排水形式排出地表。

(4)水力聯(lián)系

從淺部至深部分述如下：

第四系孔隙含水巖組上部Q4w與下部Q3d之間有一層厚約10～12 m分布較穩(wěn)定的粘性土層，平均滲透系數(shù)KCP=0.04 m/d(姑山礦第四系邊坡帷幕止水工程采用值)，屬相對隔水層，在天然狀態(tài)下兩者水力聯(lián)系不密切，上部水位埋深淺，常與地表水(稻田水)持平，而下部水位埋深則與基巖水位埋深基本一致。礦區(qū)長觀孔第四系水位是上、下部混合水位，因受上部淺水位制約，比基巖水位高1～2 m。在排水情況下基本上無水力聯(lián)系。

第四系孔隙含水巖組下部Q3d砂礫卵石層與下伏基巖裂隙含水巖組T2h、J1-2xn、δ等分別相接觸，兩者之間不存在隔水層，在天然狀態(tài)下水力聯(lián)系程度較弱。

象山群裂隙含水巖組(Ⅱ0)、黃馬青組裂隙含水巖組(Ⅱ)與徐家山組裂隙-巖溶含水巖組(Ⅲ)之間不存在絕對隔水層，具有統(tǒng)一的地下水位，兩者存在水力聯(lián)系，但聯(lián)系程度較差。

2.3 坑道充水因素分析

(1)地質(zhì)因素：徐家山組裂隙-巖溶含水巖組中的地下水從含水層的破碎帶、節(jié)理密集帶經(jīng)由坑道頂?shù)装寤蛘谱用嬷苯佑咳肟拥?，屬正常情況下的涌水量；含水?dāng)鄬訋}狀承壓水突入坑道，很可能形成突水事故；遇含水溶洞引起坑道突水[4]。

(2)人為因素：遇到未封的或沒有封好的鉆孔引起突水。

1.水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)；2.實際水文地質(zhì)邊界；3.簡化水文地質(zhì)邊界；4.礦體水平投影范圍

圖2 礦坑涌水量預(yù)測剖面概化圖

3 水文地質(zhì)條件概化

綜上所述，礦區(qū)主要充水含水巖組為三疊系中統(tǒng)徐家山組裂隙-巖溶含水巖組，富水性中-強。其東、西、北三面為燕山期閃長巖包圍，富水性弱-極弱，視為相對隔水層。

垂向上，礦區(qū)含水巖組為四層結(jié)構(gòu)，分別為：Ⅰ-第四系孔隙含水巖組，富水性中-強；Ⅱ-三疊系黃馬青組裂隙含水巖組，富水性弱，視為相對隔水巖組；Ⅲ-三疊系徐家山組裂隙-巖溶含水巖組,富水性中-強；Ⅳ-燕山晚期閃長巖裂隙含水巖組，富水性弱，視為相對隔水巖組。

據(jù)此，用于礦坑涌水量預(yù)計的礦區(qū)水文地質(zhì)條件概化模型：平面上為東、西、北三面直線隔水邊界，南面供水邊界(圖1)；剖面上為四層結(jié)構(gòu)的水平含(隔)水層且底板及東、西兩壁或北壁為隔水邊界(圖2)。

4 解析法預(yù)計礦坑涌水量

4.1 公式選擇

選用三面直線隔水邊界箱形映射的非穩(wěn)定流承壓轉(zhuǎn)無壓公式：

4.2 參數(shù)選擇

(1)承壓含水層厚度(M)：根據(jù)水文地質(zhì)剖面線上各孔間面積加權(quán)平均求得M=269 m。

(2)滲透系數(shù)(K)：根據(jù)鉆孔非穩(wěn)定流抽水試驗計算結(jié)果及分區(qū)面積加權(quán)求得K=2.12 m/d(表1)。

表1 礦區(qū)滲透系數(shù)分區(qū)計算表

(3)彈性釋水系數(shù)(μ*)：根據(jù)ZKW1、ZKW2、ZKW3非穩(wěn)定流抽水試驗計算結(jié)果求得平均值μ*=0.000 4。

(4)設(shè)計開采面積(F)：計算得礦體水平投影面積為F=1.59×106m2。

(5)有效裂隙率(μ)：根據(jù)各勘探線可見線巖溶率求得全礦區(qū)平均巖溶率μ=0.010 3。

(6)大井半徑(r0)：根據(jù)礦體投影面積形狀，選擇r0=L/2π，計算得礦體水平投影多邊形周長L=6 191 m，r0=L/2π=986 m。

(7)承壓水頭高度(H)：取ZKW8基巖年平均水位值計算(平均水位標(biāo)高為+3.86 m)；計算礦坑最大涌水量時，取ZKW8基巖水位最大者計算，為+4.25 m。

(8)時間(t)：與年水位平均值對應(yīng)，取365 d；計算礦坑最大涌水量時，取豐水期時間153 d(5-9月)。

(9)大井中水位高度(h0)：按等于0計算。

4.3 涌水量預(yù)測結(jié)果

預(yù)測中采用的參數(shù)均為實測數(shù)據(jù)，解析法所選擇的理論公式，合乎礦區(qū)水文地質(zhì)條件，但結(jié)果略偏大，即礦坑正常涌水量為16 900～26 000 m3/d，礦坑最大涌水量為40 900 m3/d(表2)。

表2 解析法預(yù)測礦坑正常、最大涌水量結(jié)果表

5 數(shù)值法預(yù)計礦坑涌水量

采用地下水模擬計算軟件GMS中MODFLOW計算模塊、PEST參數(shù)反演模塊及其強大的前處理、后處理功能以及卓越的三維可視效果，對礦區(qū)礦坑涌水量進(jìn)行模擬預(yù)測。

5.1 水文地質(zhì)概念模型

礦區(qū)所處的地下水系統(tǒng)作為一個統(tǒng)一的水文地質(zhì)單元來處理，面積約5.0 km2(圖3)。

整個計算區(qū)域雖然介質(zhì)的滲透性不均一，但其中地下水系統(tǒng)具有統(tǒng)一的水力聯(lián)系，可采用等效多孔介質(zhì)方法來研究該區(qū)裂隙介質(zhì)中的地下水問題。可以通過各向異性的滲透系數(shù)張量來反映不同方向裂隙滲流的影響，整個研究區(qū)地下水流可概化為非均質(zhì)各向異性三維地下水非穩(wěn)定流模型。

5.2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計算

5.2.1 地下水流模型

初始條件：H(x，y，z，t)=H0(x，y，z，0)(x，y，z∈Ω)

(1)

邊界條件：

第一類邊界條件：H(x，y，z，t)|Γ1=H1(x，y，z，t)(x，y，z∈Γ1)

(2)

(3)

式中：H0(x，y，z，0)為研究區(qū)各層初始水頭值；H1(x，y，z，t)為研究區(qū)各層第一類邊界Γ1上的已知水頭函數(shù)(L)；q(x，y，z，t)為第二類邊界Γ2上的單位面積法向流量[L2T-1]；對于隔水邊界，q=0。采用有限差分法對上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解。

5.2.2 模擬的時空數(shù)據(jù)及模型參數(shù)

含水層采用六面體網(wǎng)格剖分，在水平方向上采用非等距矩形網(wǎng)格剖分(主開采區(qū)域網(wǎng)格加密)，模擬區(qū)剖分為44行，35列，垂向上三個模擬計算層共剖分了4 620個單元，6 480個結(jié)點(圖3)。

將ZKW1第Ⅲ含水層(T2x)多孔非穩(wěn)定流抽水試驗的數(shù)據(jù)用于模型參數(shù)識別校正，模擬時間從2008年12月1日08:30-2008年12月8日08:30；將ZKW3主含水層(T2x)多孔非穩(wěn)定流抽水試驗的數(shù)據(jù)用于模型檢驗，模擬時間從2008年10月22日08:00-2008年10月23日08:00。地下水流數(shù)學(xué)模型涉及的模型參數(shù)包括：滲透系數(shù)(Kxx、Kyy、Kzz)，貯水率以及統(tǒng)計平均巖溶率。將解析法求得的相關(guān)參數(shù)作為數(shù)值模型參數(shù)識別的初始值和參考值。根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)巖性分析結(jié)果，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，對模擬計算區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)(圖4)。地下水流模型建立之后，通過模型的識別校正確定水文地質(zhì)參數(shù)值，并用于礦坑涌水量的預(yù)測。

圖3 礦坑涌水量模擬預(yù)測計算區(qū)域及研究區(qū)各層單元的平面網(wǎng)格剖分圖

圖4 主含水層(T2x)水平方向滲透系數(shù)分區(qū)圖

5.3 數(shù)學(xué)模型識別及檢驗

對于降深小的地區(qū)，要求水位擬合小于0.5 m的絕對誤差節(jié)點必須占已知水位節(jié)點的70%以上[5]，則認(rèn)為參數(shù)達(dá)到了“最優(yōu)”。本次擬合結(jié)果顯示滿足規(guī)范要求的水位節(jié)點達(dá)到了100%，說明水流模型具有比較可靠的仿真度，模型識別及檢驗均滿足規(guī)范要求。

5.4 礦坑涌水量預(yù)測

數(shù)值法礦坑涌水量的計算首先計算疏干排水量，疏干排水量是人為給定的，先擬定一個疏干水量Q，算出疏干至某個水平時的疏干時間t，根據(jù)不同的疏干量和對應(yīng)的疏干時間，即可選出按限定疏干時間所需要的疏干排水量；然后，以疏干模型末期的水流狀態(tài)為初始狀態(tài)，根據(jù)不同的開采水平，將疏干礦體以水頭一類邊界標(biāo)定，求解穩(wěn)定流場，計算進(jìn)入開采坑道的穩(wěn)定流量，即礦坑涌水量。以豐水期為計算應(yīng)力期(據(jù)統(tǒng)計，豐水期歷時153 d，水位上升的最大幅度為2.44 m)，按照豐水期水位上升的平均速度標(biāo)定礦坑水頭邊界，同時將上升的水位轉(zhuǎn)換為源匯項，求解穩(wěn)定流疏干模型，計算進(jìn)入開采坑道的穩(wěn)定水量，即最大涌水量。

在疏干非穩(wěn)定流模型的基礎(chǔ)上建立定降深穩(wěn)定流模型計算-500 m、-600 m和-700 m開采水平礦坑涌水量(表3)。

表3 各開采水平礦坑涌水量預(yù)測表

表4 各開采水平解析法與數(shù)值法預(yù)測礦坑涌水量結(jié)果

6 解析法與數(shù)值法預(yù)測礦坑涌水量結(jié)果對比

7 結(jié)語

(1)某鐵礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測中采用的參數(shù)均為實測數(shù)據(jù)，水文地質(zhì)解析法和數(shù)值法預(yù)測的礦坑涌水量結(jié)果基本相近，但礦區(qū)含水系統(tǒng)含水介質(zhì)特征及邊界條件不完全符合解析法的假定條件，因此數(shù)值模擬的結(jié)果更符合實際。