錢嘉偉，朱國榮，袁英杰，王志平，唐 釗，時國凱

(1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210046;2.南山礦業(yè)有限公司，安徽 馬鞍山243000;3.安徽省地質礦產勘查局322地質隊，安徽 馬鞍山 243033)

0 引言

和尚橋鐵礦工業(yè)布局依托天然地貌和104縣道規(guī)劃。其采場東南幫所處礦區(qū)是唯一的礦石運輸通道，皮帶通廊、鐵路、礦石轉運臺、礦車出入口均分布于此。該地段又瀕臨采石支河，河床底部的基巖面上發(fā)育有近10 m的全新統(tǒng)蕪湖組淤泥質粉砂或淤泥質粉土，富水斷層在此通過。以上諸因素對該地段的邊坡安全提出較高要求。高邊坡形成后，豐水期的地表水將對邊坡形成較大的滲透壓力，導致潛蝕作用加劇，嚴重者將威脅邊坡安全。

顯然，對和尚橋鐵礦全部采用明渠疏干是不妥的，有必要在采場東南幫進行提前疏干以減緩外力對邊坡的滲透壓力，尋找和尚橋鐵礦具體的地下水疏干方法。

1 礦區(qū)概況

和尚橋鐵礦位于馬鞍山市向山鎮(zhèn)西南5 km的佳山鄉(xiāng)、向山鎮(zhèn)境內(圖1)，為一大型磁鐵礦，實際總資源儲量16 048.99萬t，礦山設計年開采礦石500萬t，開采方式為露天，規(guī)劃開采深度－96 m。

圖1 和尚橋鐵礦工業(yè)布局示意圖和礦區(qū)交通位置略圖Fig.1 Sketch showing industrial layout and transportation of the Heshangqiao iron mine

礦區(qū)地處長江南岸丘陵地帶，地勢北高南低，地形起伏不大，自然標高9～50 m。礦區(qū)北側為低山丘陵，地面標高10 m左右，礦區(qū)南側有采石支河由東向西流入長江。礦區(qū)在大地構造上位于揚子準地臺—揚子臺坳—沿江拱斷褶帶—安慶凹斷褶束東北端的寧蕪向斜軸線東翼、寧蕪中生代斷陷盆地中段。礦區(qū)內第四系廣泛分布，侏羅系中下統(tǒng)砂巖及侏羅系上統(tǒng)—白堊系下統(tǒng)火山巖零星出露。礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)較大的斷裂構造，地表所見均為具滑動面的小斷裂，主要發(fā)育有2組，斷裂走向為北東—南西和北西—南東，呈共軛關系，一般長約10～50 m。

礦區(qū)主要分布有白堊系大王山組火山巖、火山碎屑巖，其構造裂隙和風化裂隙較為發(fā)育，深度小于50 m。這是礦區(qū)的主要賦水巖層，為基巖裂隙含水巖組。

2 礦坑疏干排水方案

根據(jù)上述討論結果，和尚橋東南幫由于其特殊的地質、水文地質和工程地質條件，明渠疏干方法并不適用。為了保證此處邊坡的安全性，需提前將采場東南幫的地下水水位降至開采水平以下。

和尚橋鐵礦東南幫的第四系之下主要分布為白堊系大王山組閃長玢巖，巖層節(jié)理和構造節(jié)理比較發(fā)育，特別是在走向北東東的F1斷裂作用下，形成一定寬度和深度的破碎帶。由于地下水的長期作用，巖石蝕變強烈，裂隙空間增大。據(jù)前人研究，該區(qū)域含水層滲透系數(shù)為0.587～8.260 m/d，遠大于礦區(qū)其他地段。給水度(貯水系數(shù))為5.07×10－5～6.61×10－4，斷裂帶附近的單孔日涌水量超過200 m3(8 m3/h的深井潛水泵抽水150h僅能形成3.82 m的降深)。

該地段位于采石支河谷地附近，是研究區(qū)地下水的主要徑流帶。對局部富水地段，完全可以借助深井水泵疏干方法來降低地下水水位，達到礦山安全生產的目的。

綜上所述，從經濟和安全角度出發(fā)，和尚橋鐵礦適宜采用地下和地表聯(lián)合疏干的方式來解決地下水水患問題，即在東南幫采用井群疏干，其余地段采用地表明排疏干。為了預測井群的疏干量，為礦山的實際疏干提供依據(jù)，筆者建立了礦區(qū)地下水流數(shù)值模型，對疏干過程進行模擬。

3 地下水流數(shù)值模型的建立

3.1 概念模型與數(shù)學模型的建立

研究區(qū)計算面積約為94.47 km2，地貌總體為一個向西傾斜的山間谷地，西部較為開闊。模型北部和南部地表分水嶺都比較清楚，為天然隔水邊界。西部邊界開闊，設為無限邊界。東部地區(qū)延伸很遠，但對于地下水來說，由于在神仙洞—向山一線的東山采場西側存在一個近南北向展布、寬度約15 m的脈狀石膏填充帶，使得石膏脈兩側的地下水水頭相差超過100 m，因此沿石膏脈所在確定為隔水邊界(張仲根等，2007)。

該區(qū)主要地表水體采石支河沿谷地中心發(fā)育在第四系蕪湖組淤泥質黏土之上，與地下水之間無明顯的水力聯(lián)系，降雨入滲是研究區(qū)地下水的主要補給來源。在采場及其附近，地下水直接接受大氣降水的補給;其周邊向采場傾斜的局部匯水區(qū)內，大氣降水部分以入滲的方式補給地下水參與其運動，部分則以坡面徑流的方式進入采場。在自然條件下，研究區(qū)地下水主要以地下徑流的方式由東而西排泄，蒸發(fā)次之;在礦山開采過程中，采場疏干排水是地下水的主要排泄途徑。

研究區(qū)的地下水類型為基巖裂隙水，對于裂隙介質，其發(fā)育受多種因素影響，各裂隙寬度、展布方向、伸展長度等均具有不確定性。對于礦山疏干工程，研究地下水在各個裂隙中的運動工作量巨大，在現(xiàn)有的理論和技術基礎上難以實現(xiàn)，故將裂隙介質等效為連續(xù)多孔介質討論(王禮恒等，2013)。

在天然條件下，研究區(qū)地下水主要表現(xiàn)為二維運動，隨著礦區(qū)的開采，地下水在采區(qū)附近將產生明顯的三維流動。鑒于獲得三維地下水系統(tǒng)數(shù)據(jù)的困難，最終將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為二維連續(xù)非均質各向異性無壓非穩(wěn)定流。根據(jù)研究區(qū)水文地質條件，建立相應的數(shù)學模型(唐甜等，2011)：

式(1)中，Ω 為求解空間區(qū)域，t為時間(t≥0)，h(Ω，t)為水頭，h0(Ω)為已知水頭分布函數(shù)，h1(?Ω)為第一類邊界的已知水頭分布，qi(?Ω)為第二類邊界的已知通量，Γ1、Γ2為空間域Ω的邊界;Ki為滲透系數(shù)，b為含水層厚度，Ss為給水度，w為單位面積含水層垂直方向水量交換量(薛禹群等，2009)。

3.2 數(shù)值模型的建立和求解

對式(1)所示的數(shù)學模型，其數(shù)值模擬可采用有限差分法進行，借助GMS軟件中的MODFLOW模塊進行建模和求解。對研究區(qū)矩形域進行100×100剖分，在邊界內得到有效單元5 879個(李超群等，2004)。

模型的初始流場采用相應時刻(2013年8月30日)地下水觀測孔的水位值，利用Kriging插值方法形成全區(qū)各結點的水頭值(圖2)。

圖2 研究區(qū)地下水初始流場圖Fig.2 Map showing initial flow filed of groundwater in the study area

由于研究區(qū)含水層的非均質性，采用分區(qū)法估計水文地質參數(shù)。在綜合考慮研究區(qū)的水文地質條件后，對計算區(qū)的有關參數(shù)分別進行分區(qū)，其中滲透系數(shù)分為10個分區(qū)，給水度分為10個分區(qū)(同滲透系數(shù)分區(qū))，入滲補給系數(shù)分為6個分區(qū)(圖3、圖 4)。

據(jù)安徽省地質礦產勘查局322地質隊的礦區(qū)勘探資料，研究區(qū)的滲透系數(shù)在0.003～1.730 m/d之間，在礦區(qū)東南部的富水帶較大。據(jù)此，先給定各分區(qū)含水層水文地質參數(shù)一個初值以及取值區(qū)間，采用試估校正法調整各分區(qū)參數(shù)值，最終應用GMS中的PEST優(yōu)化模塊對模型進行自動優(yōu)化(薛禹群等，2007)。

圖3 水文地質參數(shù)分區(qū)圖Fig.3 Partition of hydrogeological parameters

圖4 入滲補給系數(shù)分區(qū)圖Fig.4 Partition of infiltration coefficients

根據(jù)實際觀測資料，模型識別期(包括校正和檢驗階段)為2013年8月30日—12月30日，共劃分為12個應力期，時間步長均為10天。模型識別采用的地下水觀測孔11個。各觀測孔的水位擬合絕對誤差平均值、水均衡各項計算值情況、末時刻地下水位擬合等值線圖和部分觀測孔的水位擬合曲線如下(表1、表2、圖5、圖 6)。

依照《地下水資源管理模型工作要求》(GB/T 14497—1993)的有關規(guī)定：對于降深小的地區(qū)，要求水位擬合＜0.5 m的絕對誤差結點必須占已知水位結點的70%以上;對于降深較大的地區(qū)(＞5 m)，要求水位擬合＜10%的相對誤差結點必須占已知水位結點的70%以上。

在本次模擬中，水位擬合符合標準的觀測孔占總數(shù)的73%。在和尚橋鐵礦復雜的水文地質條件下，這個結果基本能反映該區(qū)地下水流場的總體特征。

表1 各觀測孔水位擬合絕對誤差平均值Table 1 Average absolute errors of water－level fitting for the groundwater observation holes

表2 水均衡各項計算值Table 2 Calculation results of water balance

圖5 2013年12月30日地下水位擬合等值線圖Fig.5 Contours fitting of underground water level on December 30th，2013

4 礦區(qū)地下水疏干開采數(shù)值模擬

在已建立的水流模型基礎上，借助GMS中的Drain模塊模擬明渠，Well模塊模擬抽水井，對聯(lián)合疏干方法進行模擬(圖7)。模擬結果顯示：當?shù)V坑開采至－96 m時，預測群井疏干量為2 754 m3/d(周念清等，2012)。

圖6 觀測孔水位擬合曲線Fig.6 Fitting curves of water level for observation holes

圖7 2033年末地下水位等值線圖Fig.7 Contours of underground water level at the end of 2033

露天礦開采工程耗水量大：和尚橋鐵礦設計的生產用水量為 4 353.63 m3/h，其中選礦用水3 582.75 m3/h。目前主要水源為取自長江的生產新水，由長江上浮船取水，送至采石支河，再經由泵房輸送至各生產車間。但在采石河枯水期，礦區(qū)用水緊張。在地下水疏干模型中，預測群井抽水量可達2 754 m3/d，可考慮將疏干井群抽取的地下水用于礦山的選礦生產。和尚橋鐵礦工程設計圖顯示，礦區(qū)2號泵房正位于疏干井群附近，故可將疏干水經管道引入2號泵房，再經由泵房輸送至相應的選礦車間。這種排供結合的方案不僅可以滿足礦山疏干的要求，還能有效的緩解用水壓力，實現(xiàn)地下水資源的綜合利用(吳劍鋒等，1999;鹿海員等，2013)。

5 結論

根據(jù)和尚橋鐵礦獨特的地質、水文地質、工程地質條件和礦山工業(yè)布局研究出的礦山疏干方法，既兼顧了在采掘面建立臨時水倉，收集通過穩(wěn)定邊坡進入水倉的水流，并將其排出地表;也顧及了東南幫特殊條件下采取井群疏干，減緩邊坡安全壓力，從而達到疏干礦山地下水的目的。

采場東南幫具有較好的富水性，這在前人的研究結果中已經揭示，并通過本次模型得到了進一步驗證。

根據(jù)本次研究成果，和尚橋采場可以在滿足礦山安全生產的同時，為選礦車間每天提供3 000 m3的新水，此舉無論從礦山生產安全、經濟和工程的最小投入，還是從地下水環(huán)境保護、水資源綜合利用的角度，都具有積極的意義。

李超群，朱國榮，高元寶.2004.GMS在姑山鐵礦東南區(qū)排土場地下水滲流場的應用初探［J］.勘查科學技術，(2)：26－28.

鹿海員，謝新民，郭克貞，等.2013.基于水資源優(yōu)化配置的地下水可開采量研究［J］.水利學報，44(10)：1182－1188.

唐甜，吳吉春，楊運.2011.含水介質非均質概化對地下水數(shù)值模擬的影響分析［J］.工程勘察，(4)：34－42.

吳劍鋒，朱學愚，費光燦.1999.大同礦區(qū)口泉溝南地下水資源的合理開發(fā)研究［J］.地質學刊(原《江蘇地質》)，23(2)：106－111.

王禮恒，李國敏，董艷輝.2013.裂隙介質水流與溶質運移數(shù)值模擬研究綜述［J］.水利水電科技進展，33(4)：84－88.

薛禹群，謝春紅.2007.地下水數(shù)值模擬［M］.北京：科學出版社.

薛禹群，吳吉春.2009.地下水動力學［M］.北京：中國水利水電出版社.

張仲根，唐忠林，駱祖江.2007.水文地質概念模型的水動力場研究方法：“流場分析法”［J］.地質學刊(原《江蘇地質》)，31(2)：143－146.

周念清，徐小朋，江思珉，等.2012.武山銅礦地下水數(shù)值模擬與礦坑涌水量預測［J］.勘查科學技術，(2)：34－38.