李 文， 顧秀華， 劉育明， 樊 勇， 楚金旺， 楊培培

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

金屬礦山地下水害預(yù)防是一項(xiàng)非常重要且艱巨的任務(wù)[1-2]。由于地下礦山揭露空間狹小，對(duì)礦區(qū)內(nèi)部的水文地質(zhì)條件了解不充分，在強(qiáng)降雨等惡劣天氣常易引起淹井等水患風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)礦山安全及正常生產(chǎn)帶來(lái)不利影響[3]。地下水的流動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，其主要受地下水水源、地下水滲流通道等決定。地下水水源主要來(lái)自地下含水層中蘊(yùn)藏的地下水以及降雨、河道等地表水入滲。地下水的滲流通道主要是透水性(較)好的巖層、巖體結(jié)構(gòu)面、破碎帶等以及開(kāi)采擾動(dòng)誘生的貫通裂隙等。通過(guò)現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)礦山地下水進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4]和全生命周期的數(shù)值模擬，可以有效地預(yù)防井下地下水害的發(fā)生，為礦山合理設(shè)計(jì)防排水工程提供依據(jù)。

隨著對(duì)地下水資源定量評(píng)價(jià)研究的深入，地下水?dāng)?shù)值模擬作為一種重要的可定量分析方法得到了充分的發(fā)展和應(yīng)用。我國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用與研究始于1973年，目前國(guó)內(nèi)在這方面已開(kāi)展較多研究。姚文濤[5]等通過(guò)分析東歡坨礦延深水平水文地質(zhì)情況，利用FEFLOW軟件對(duì)礦井地下水區(qū)域流場(chǎng)、地下開(kāi)采對(duì)區(qū)域地下水的影響情況進(jìn)行了模擬分析，并預(yù)測(cè)出礦井延深水平涌水量。陳超[6]等將某礦區(qū)水文地質(zhì)系統(tǒng)概化為三維降雨入滲模型，采用FEFLOW構(gòu)建了礦區(qū)地下水流入滲分析模型，并模擬了2%暴雨頻率條件下露天礦坑匯積水入滲至地下采場(chǎng)的水流動(dòng)態(tài)過(guò)程，探討了2%暴雨頻率下持續(xù)降水時(shí)長(zhǎng)對(duì)井下涌水量的影響。李彩梅[7]等以FEFLOW模型和GIS技術(shù)為平臺(tái)，構(gòu)建山西礦區(qū)三維地下水?dāng)?shù)值模型，進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)研究，模擬并預(yù)測(cè)了4種不同情境下礦區(qū)地下水動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而定量分析采礦活動(dòng)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響，揭示礦區(qū)開(kāi)采對(duì)地下水系統(tǒng)的作用機(jī)制。范書(shū)凱[8]等為了分析礦山開(kāi)采過(guò)程中對(duì)礦區(qū)及其周邊地下水的影響，運(yùn)用GMS軟件對(duì)羅河鐵礦礦區(qū)地下水流進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，對(duì)礦山涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并分析了礦山疏水后對(duì)周邊環(huán)境的影響。楊彪[9]等在Visual MODFLOW中建立了凡口鉛鋅礦地下水?dāng)?shù)值模擬模型，分析了該礦山地下水流場(chǎng)，揭示了礦區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)特征。

前人學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)礦山地下水的模擬已開(kāi)展了較多工作，但大多簡(jiǎn)化為平面模型，很少建立真三維的礦區(qū)地下水分析模型。本文旨在闡述礦區(qū)真三維地下水模型建立的關(guān)鍵要點(diǎn)，并結(jié)合工程案例開(kāi)展礦區(qū)地下水流動(dòng)規(guī)律和涌水量預(yù)測(cè)研究。

1 地下水?dāng)?shù)值模擬在礦山工程中的應(yīng)用

伴隨著地下水科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的同步發(fā)展，相應(yīng)的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件得到了快速發(fā)展和推廣，并已廣泛地用于國(guó)土、市政、水利、礦業(yè)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域研究中。以Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW、Visual Groundwater這三款軟件在國(guó)內(nèi)更為常用[10]。以FEFLOW軟件為例，開(kāi)展地下水?dāng)?shù)值模擬在礦山工程中的應(yīng)用研究，并對(duì)礦區(qū)真三維地下水分析模型建立過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

(1)獲取礦區(qū)地表等高線數(shù)據(jù)文件，采用dxf2xyz小程序提取等高線離散點(diǎn)坐標(biāo)，并將離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel軟件中，建立表頭分別為“X”、“Y”、“Ele”、“Slice”的高程文件。

(2)在FEFLOW軟件Maps面板中添加上述高程文件，通過(guò)在文件名上右鍵選擇“Link to parameters”，建立“Ele”與“Elevation”間的鏈接。再在Slice窗口選擇“Slice1”層面的全部節(jié)點(diǎn)，雙擊Maps面板中的鏈接“Ele->Elevation”(見(jiàn)圖1)，編輯對(duì)話框轉(zhuǎn)變?yōu)镋levation賦值，點(diǎn)擊確認(rèn)即實(shí)現(xiàn)對(duì)“Slice1”的賦值，形成真實(shí)三維地表面。

圖1 高程數(shù)據(jù)建立鏈接方法

(3)將礦區(qū)采場(chǎng)巷道平面圖中的巷道軸線進(jìn)行離散點(diǎn)處理并提取點(diǎn)坐標(biāo)，將提取的離散點(diǎn)坐標(biāo)復(fù)制到Excel文件中，表頭分別為“X”、“Y”、“Z”，并將文件另存為制表符分隔的文本文件，再將該文本文件另存為“巷道.dat”格式文件。

(4)通過(guò)FEFLOW軟件的Maps面板將上述文本文件導(dǎo)入，在選擇工具條中選擇“Select Element”和“Select All”，并將選擇的單元保存為“Allelements”。在Meshing面板中選擇“TetGen”網(wǎng)格劃分方法，將Selections面板中的“Allelements”單元集拖拽到From Element Selection中的Mesh Items窗口，并將Maps面板中的“巷道”文件拖拽到Map Items中，點(diǎn)擊網(wǎng)格生成工具即可完成巷道的嵌入以及網(wǎng)格的重劃分。

參照以上方法即可建立包含真實(shí)地表和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的真三維礦區(qū)地下水分析模型(如圖2所示)。

圖2 礦區(qū)三維地下水分析模型

2 案例分析

2.1 礦區(qū)概況

某礦區(qū)位于我國(guó)東北遼寧省境內(nèi)，地處中低山地區(qū)，屬于千山山脈的延伸部分。礦區(qū)出露地層主要有太古宙鞍山群地層、下元古代遼河群地層以及新生代第四系覆蓋層。礦區(qū)斷層根據(jù)與礦體走向相互關(guān)系可分為斜交斷層、走向斷層和橫斷層三組。該礦區(qū)礦體早期采用露天方式進(jìn)行開(kāi)采，現(xiàn)已完全轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采模式，井下-321 m為主運(yùn)輸水平，是保障礦山正常生產(chǎn)的重要通道。

2.2 水文地質(zhì)模型概化

建立礦區(qū)概念模型主要需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：概念模型能夠真實(shí)再現(xiàn)礦區(qū)水文地質(zhì)原型；所確定的各類(lèi)邊界條件符合礦區(qū)地下水流場(chǎng)的趨勢(shì)和特點(diǎn)；模型邊界以完整地質(zhì)單元邊界為參考，盡量采用自然邊界；人為邊界性質(zhì)的確定應(yīng)從不利因素考慮等[7]。表1中列出了礦區(qū)主要巖層及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)。

表1 模型地層及結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)

2.3 礦區(qū)地下水流動(dòng)規(guī)律分析

在開(kāi)展礦區(qū)三維地下流動(dòng)分析前，通過(guò)建立礦山區(qū)域的二維平面水文地質(zhì)模型，對(duì)區(qū)域的地下水原始水位分布規(guī)律進(jìn)行初步分析。值得注意的是，此二維平面分析沒(méi)有考慮地形起伏高程的變化，故而因地形變化引起的地下水位變化沒(méi)有考慮。礦區(qū)區(qū)域地表水系主要有位于其西北部方向的萬(wàn)水河(距離約7.8 km)，以及位于其正東方向的湯河水庫(kù)(距離約13 km)，礦坑南部的谷首峪河為萬(wàn)水河的支流，該河流常年處于枯水狀態(tài)。根據(jù)前期的水文地質(zhì)資料收集得知礦區(qū)第四系孔隙潛水含水層厚0.5～20 m，滲透系數(shù)為0.5～34.47 m/d，模擬中將均以最大值進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)建立區(qū)域地下水分析模型，根據(jù)萬(wàn)水河和湯河水庫(kù)的水位高程，分析該區(qū)域地下水的原始分布規(guī)律。

圖3是萬(wàn)水河水位高程為85 m，湯河水庫(kù)水位高程為125 m時(shí)該區(qū)域的地下水位分布。從圖中可以看出，礦區(qū)區(qū)域北部和南部的水位高程基本相等，東部和西部的水位高程相差約4 m(東部和西部水頭高度分別約為109 m和105 m)。

圖3 礦山區(qū)域地下水分布

在開(kāi)展三維地下水流動(dòng)分析時(shí)根據(jù)真實(shí)地表地形、斷層產(chǎn)狀以及巷道布置建立了礦區(qū)區(qū)域的水文地質(zhì)模型，并結(jié)合區(qū)域二維平面水文地質(zhì)模型分析得到的礦區(qū)范圍內(nèi)地下水位分布規(guī)律，在三維模型的西部邊界設(shè)定水頭高度為80 m，東部邊界設(shè)定水頭高度為84 m，開(kāi)展礦區(qū)區(qū)域三維地下水流分析。圖4a為礦區(qū)抽水容量為1 000 m3/d時(shí)的地下水分布圖，圖4b為切剖面后處理后顯示的抽水井周?chē)叵滤环植紙D，可以明顯地看到井周形成的地下水位降落漏斗。

圖4 礦區(qū)三維地下水分布

2.4 礦區(qū)地下水涌水量預(yù)測(cè)

圖5 正常情形下礦區(qū)東西剖面地下水分布圖

圖6 富水條件下礦區(qū)東西剖面地下水分布圖

為了開(kāi)展礦山巷道涌水量預(yù)測(cè)，建立了礦山二維豎直剖面水文地質(zhì)模型(礦區(qū)的東西軸剖面)，根據(jù)-321 m水平與該剖面相交的巷道進(jìn)行了巷道開(kāi)挖，并在巷道邊界設(shè)置(Seepage Face)水頭邊界條件，根據(jù)礦區(qū)區(qū)域地下水分析得到的結(jié)果作為模型的邊界條件(西部水頭邊界條件設(shè)為80 m，東部水頭邊界條件設(shè)為84 m)，以區(qū)域巖石滲透系數(shù)為5e-5 m/s，計(jì)算-321 m水平巷道中的地下水涌水量。在-321 m水平布置的巷道共有13條與該剖面相交，地下水位分布見(jiàn)圖5所示；總的涌水量為598 m3/d，其中，最西端的巷道涌水量為83 m3/d，最東端的巷道涌水量為155 m3/d。當(dāng)假定為富水條件時(shí)(西部水頭設(shè)為85 m，東部水頭設(shè)為100 m)，地下水位分布見(jiàn)圖6所示；此時(shí)總涌水量為681 m3/d，最西端的巷道涌水量為88 m3/d，最東端的巷道涌水量為184 m3/d。

通過(guò)改變區(qū)域巖石的滲透系數(shù)，得到了不同情形下-321 m水平巷道的總涌水量，見(jiàn)表2。從表中可以看出，巷道涌水量與巖石滲透系數(shù)呈正相關(guān)性，隨著巖石滲透系數(shù)的增大，巷道中的涌水量也增多。

表2 不同滲透系數(shù)下的巷道涌水量

以巖石滲透系數(shù)5e-5 m/s，西部邊界水頭為80 m，東部邊界水頭為84 m為例，分析不同降雨(在模型頂部施加流量邊界)條件下井下巷道的涌水量，見(jiàn)表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出，不同降雨入滲條件下，巷道中的涌水量隨降雨量的增多而增大，在強(qiáng)降雨條件下應(yīng)加強(qiáng)巷道中的排水工作。圖7分別為降雨條件為0.1 m/d和0.237 m/d時(shí)的區(qū)域地下水位分布圖，通過(guò)對(duì)比兩圖中水位線的分布可以看出，地下水的分布與露天坑的匯聚作用以及降雨量大小存在相關(guān)性。

表3 不同降雨條件下的巷道涌水量

圖7 不同降雨條件下礦區(qū)區(qū)域地下水分布圖

3 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展金屬礦山地下水流動(dòng)規(guī)律及涌水量預(yù)測(cè)研究，建立了真三維地下水分析模型的建模方法以及分析模式，并成功應(yīng)用于某露天轉(zhuǎn)地下金屬礦山地下開(kāi)采過(guò)程中的地下水涌水量預(yù)測(cè)，可為礦山地下水管理及防排水工程提供指導(dǎo)。同時(shí)，可以將該數(shù)值模擬方法推廣到其他類(lèi)似礦山的地下水分析。