周 磊,王 歡

(馬鋼集團姑山礦業(yè)公司， 安徽 馬鞍山 243181)

裂隙富水礦山采礦前期疏排水方案模擬與優(yōu)化

周 磊,王 歡

(馬鋼集團姑山礦業(yè)公司， 安徽 馬鞍山 243181)

采用泰斯(Theis)非穩(wěn)定流分析法分析基巖含水層在不同疏干強度下的水位-時間關(guān)系，參照礦山地表沉降允許的基巖年水位最大降深要求，得出不同降深條件下所允許的年最大疏排水強度。以上述疏排水強度作為初始的采礦前期疏排水方案，在采礦前期基巖水位總降深的條件約束下，利用Visual Modflow軟件模擬優(yōu)化采礦前期疏排水方案，以適應(yīng)采礦前期排水能力逐步增加的特點，指導(dǎo)礦山安全有效疏排地下水，避免因疏排地下水而引發(fā)次生災(zāi)害。

Visual Modflow；富水礦山；泰斯非穩(wěn)定流分析法；地下水位；疏排水

疏干技術(shù)的應(yīng)用使我國大量長期受水害威脅的礦山得以相繼開發(fā)，然而疏干期間的地下水位大幅下降易產(chǎn)生地面塌陷，特別是當?shù)谒南蹬c基巖附近水位大幅下降時極易產(chǎn)生地面塌陷[1-2]。某裂隙富水鐵礦基巖地下水位標高-15 m，第四系含水層底板標高-48 m，礦山采礦前期要求5年時間將基巖水位降至-390 m標高。而礦山地表沉降研究顯示基巖水位標高在-100 m以上時，礦山允許的年水位最大降深為60 m，標高-100 m以下時礦山允許的年水位最大降深為100 m?；谏鲜鰲l件，本文采用泰斯(Theis)非穩(wěn)定流分析法研究礦山基巖含水層不同疏干強度下的水位-時間關(guān)系，獲得了基巖地下水位不同降深條件下所允許的年最大疏排水強度，以此最大疏排水強度作為采礦前期的初始疏排水方案，在采礦前期基巖水位總降深限制條件下，采用Visual Modflow軟件模擬優(yōu)化采礦前期5年時間內(nèi)的疏排水方案，以指導(dǎo)礦山采礦前期疏排水工作[3]。Visual Modflow軟件是國際上通用的地下水三維模擬軟件[4-5]，在我國也有大量的應(yīng)用，如宋穎霞基于Visual Modflow的白澗鐵礦礦坑涌水量預(yù)測[6]，周念清采用 Visual Modflow對三門峽鋁土礦進行了疏干排水模擬，均取得較好的效果[7]。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)模型

礦區(qū)東高西低，地形起伏不大，屬于低山丘陵區(qū)。地層由上至下為第四系、白堊系火山巖、侏羅系石英砂頁巖、三疊系粉砂巖和閃長巖，其中第四系和三疊系粉砂巖為含水層，但第四系含水層底部為9 m厚的亞粘土夾碎石隔水層阻隔第四系含水層與粉砂巖含水層之間的水力聯(lián)系。三疊系粉砂巖含水層為礦體的直接頂板，且受背斜及大小11條構(gòu)造破碎帶的影響，裂隙發(fā)育，含水豐富，導(dǎo)水能力強，最大單位涌水量達8 L/s·m，最大滲透系數(shù)為11 m/d，直接威脅礦體的安全開采。

1.1 模擬區(qū)域及邊界條件

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)勘探報告，礦區(qū)東部為侏羅系石英砂頁巖隔水層，作為礦區(qū)的東部隔水邊界；北部為背斜傾沒端凹向部位，粉砂巖含水層變薄至尖滅，巖層富水性弱，大口徑抽水試驗，水位未受到影響，故作為北部隔水邊界；礦區(qū)西部砂巖裂隙不發(fā)育，透水性弱，受F2斷層影響，群孔抽水試驗水力坡度陡，作為西部弱透水邊界；礦區(qū)南部安山巖裂隙不發(fā)育，透水性弱，作為南部弱透水邊界。為減少人為劃定邊界對模型精度的影響，將模擬范圍向外擴張至礦區(qū)疏排水影響范圍以外，實際計算范圍約6 km2。

1.2 含水層結(jié)構(gòu)概化

礦區(qū)主要含水層為第四系含水層和粉砂巖含水層，其中第四系含水層與粉砂巖含水層之間存在約9 m厚的亞粘土夾碎石隔水層，使第四系含水層對礦床充水影響微弱。砂巖含水層作為礦體的直接頂板是礦體的主要充水來源，其受背斜和構(gòu)造影響，使其空間上的富水性和透水性存在較大差異，但其具有統(tǒng)一的地下水流場，故將研究區(qū)含水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定流地下水流系統(tǒng)。

1.3 地下水流三維數(shù)學(xué)模型

依據(jù)上述條件，采用地下水動力學(xué)中達西定律和連續(xù)性方程對礦區(qū)的水文地質(zhì)模型進行描述，得出礦區(qū)三維流數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)表達式：

(1)

式中，Kxx、Kyy、Kzz為沿著x、y、z坐標抽方向的水力傳導(dǎo)率,m/d；H為含水層中的水頭，m；Ss為含水層的貯水系數(shù)，無量綱；q為第二類邊界上的單寬流量，m3/d；Г2為流量邊界；Г3為隔水邊界；W為源匯項；t為時間；Ω為研究區(qū)域坐標集合[8-9]。

1.3.1 模型空間與時間離散

為了求解數(shù)學(xué)模型，選用有限差分法，利用網(wǎng)格中心節(jié)點對研究區(qū)進行離散，全區(qū)在橫向上共剖分50×40個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格長寬為50 m×50 m。依據(jù)礦區(qū)基巖水位長期觀測資料，選用2011年5月至2012年5月作為含水層地下水位的擬合期，以每個自然月作為一個應(yīng)力期。

1.3.2 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)勘探報告中抽水試驗結(jié)果，集合礦區(qū)井下歷年的水文資料，將整個計算區(qū)劃分為8個分區(qū)(見圖1)，并將南北方向定為主滲透方向。

圖1 滲流區(qū)水文地質(zhì)分區(qū)

1.4 模型的識別與驗證

根據(jù)抽水試驗資料，先給水文地質(zhì)分區(qū)賦初值，選用SR11/1、SR6/3、SR21/1和SR5/1共4個基巖裂隙含水層長期水文觀測孔識別和調(diào)試模型，通過人工試估校法經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整使模型的誤差最小。校正后模型計算與實測水位對比見表1所示，模型識別后的含水層參數(shù)見表2。

表1 模型計算與實測水位對比

表2 模型識別后的含水層參數(shù)

2 不同疏排水強度下水位降深與時間關(guān)系

泰斯(Theis)非穩(wěn)定流分析法是含水層試驗分析的主要方法之一，當u≤0.01時泰斯(Theis)非穩(wěn)定流公式可以簡化為雅各布(Jacob)公式，其相對誤差不超過0.25%，可滿足工程要求，故選用雅各布(Jacob)公式表征基巖含水層在不同疏排水強度下水位降深與時間的關(guān)系。

(2)

式中,S為水位降深，m；Q為疏排水量，m3/d；T為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d，基巖含水層平均導(dǎo)水系數(shù)為58 m2/d；t為疏排水時間，d；μ為給水度，基巖平均給水度μ=0.005；r為引用半徑，m；

將7200，14400，43200，57600 m3/d和72000 m3/d共 5個疏排水強度代入式(2)，得到礦區(qū)基巖含水層年降深200 m以內(nèi)的不同疏排水強度條件下的水位降深-時間關(guān)系曲線圖(見圖2)。從圖2可以直觀看出，基巖含水層年水位最大降深為60 m時相對應(yīng)的礦坑年最大疏排水強度為14400 m3/d，年水位最大降深為100 m時相對應(yīng)的礦坑年最大疏排水強度為43200 m3/d。

圖2 不同疏排水強度時礦區(qū)水位降深-時間關(guān)系

3 礦坑疏排水方案優(yōu)化

取2011年5月1日實測水位作為初始水位(最低標高-15 m)，模型的初始疏排水強度設(shè)置為14400 m3/d，當基巖水位下降至-100 m以下時調(diào)整疏排水強度至43200 m3/d，模擬結(jié)果顯示5 a后礦坑基巖水位處于-490 m標高，遠大于-390 m標高，說明年疏排水強度比較高，而采礦前期礦山井下疏排水系統(tǒng)相對較弱，較高的疏排水強度可能無法滿足要求，故需對礦坑的排水強度進行調(diào)整優(yōu)化，使基巖水位在5年內(nèi)平緩的下降至-390 m標高。在礦區(qū)水文地質(zhì)三維模型上逐年調(diào)整疏排水強度，優(yōu)化結(jié)果見表3，基巖水位在-100 m以上時的排水強度分別為6600 m3/d和14000 m3/d；基巖水位-100 m以下時的排水強度分別為35000 m3/d和41900 m3/d，滿足年最大排水強度和階段降深限制要求。優(yōu)化疏排水方案模擬結(jié)果顯示(見圖3)，礦區(qū)基巖水位逐步下降，1825 d后水位下降至-390 m標高，滿足礦山采掘計劃對疏排水進度的要求。

表3 疏干計劃優(yōu)化

圖3 礦區(qū)地下水流場隨疏干強度及疏干時間變化云圖

4 結(jié) 論

(1) 利用Visual Modflow軟件建立了礦區(qū)三維地下水模型，經(jīng)模型識別后具有較高的精度。

(2) 采用泰斯(Theis)非穩(wěn)定流分析法研究礦區(qū)基巖含水層在不同疏排水強度下水位降深與時間關(guān)系，將采礦前期疏排水期間階段降深限制轉(zhuǎn)換為疏排水強度限制，簡化了疏排水方案的模擬與優(yōu)化。

(3) 通過礦區(qū)三維地下水模型，優(yōu)化了采礦前期5年內(nèi)的疏排水方案，在滿足各階段疏排水強度要求的同時使礦區(qū)水位平緩降低，盡可能減少對地表的影響，同時適應(yīng)采礦前期礦山排水能力較弱的特點，達到指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)的目的。

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2017-06-17)

周 磊(1985-)，男，工程師 主要從事金屬礦山采礦技術(shù)工作，Email：zhoulei561220@sina.com。