秦貞娜， 張 驍， 許強平， 付光明， 周 乾

(1. 安徽省地質礦產勘查局327地質隊，安徽 合肥 230011； 2. 安徽省勘查技術院，安徽 合肥 230031； 3. 東華理工大學地球物理與測控技術學院，江西 南昌 330013； 4. 安徽省核工業(yè)勘查技術總院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

在水文條件復雜的礦山，礦坑涌水是礦山開采面臨的重要安全生產問題之一，也是礦井排水、礦山給排水合理設計的依據(劉德朋等，2012；孫晶晶，2018)。廬樅火山巖盆地東北緣某礦床水文地質工程地質條件復雜，以往的鉆探工程顯示礦區(qū)水量巨大，而與其相隔數(shù)千米的龍橋鐵礦床在開采過程中卻鮮有涌水。前人對礦區(qū)水文條件進行過研究，并實施了地面帷幕注漿防治水工程(湖南省勘測設計院，2012；長沙礦山研究院，2013；湖北中南勘察基礎工程有限公司,2016；樂應，2018；孫晶晶，2018)，并對-240、-290、-340 m 3個開采水平涌水量進行了預測。筆者在該工程實施前采用解析法和數(shù)值法對3個開采水平的涌水量進行了預測，結果基本相近，但礦區(qū)含水系統(tǒng)含水介質特征及邊界條件不完全符合解析法的假定條件，而數(shù)值模擬結果更符合實際。地面帷幕注漿工程對礦區(qū)防治水雖有一定的作用，但仍需進一步查明礦區(qū)水文地質條件，查清礦區(qū)地下水流場和可能存在的地下水集中徑流帶等，以更有效地防治水。

1 地質特征

1.1 地層

礦區(qū)被第四系覆蓋，主要為全新統(tǒng)和中更新統(tǒng)。鉆孔揭露的地層有中三疊統(tǒng)銅頭尖組、上三疊統(tǒng)拉犁尖組、中侏羅統(tǒng)羅嶺組以及上侏羅統(tǒng)龍門院組。

1.1.1 銅頭尖組 巖性主要為泥灰?guī)r，紫紅色-灰紫色鈣質、淺灰-深灰色泥質及少量細粒石英砂巖，厚度>460 m。

1.1.2 拉犁尖組 巖性可分為上下2段：下段為灰-深灰-灰黑色薄層狀細粒石英砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖和炭質頁巖，夾透鏡狀劣質煤層，厚度約為200 m；上段為淺灰-灰白色層狀中粗粒、中粒、中細粒石英砂巖，夾薄層狀粉砂巖、泥質粉砂巖和粉砂質泥(頁)巖，厚度約為177 m。

1.1.3 羅嶺組 見3個巖性段：第1巖性段下部為灰白色粗、細粒石英砂巖，局部含礫，上部為灰黃-灰綠色薄層狀粉砂巖、泥質粉砂巖，夾灰紫色含炭質粉砂質泥巖、頁巖，厚度約為170 m；第2巖性段下部為灰白-灰黃色薄層狀粉砂巖、泥質粉砂巖，夾細粒石英砂巖，上部為淺灰、灰黃、深黃色層狀斑點狀粉砂巖和斑點狀泥質粉砂巖，厚度約為460 m；第3巖性段巖性為灰白、淺灰色薄層狀粉砂巖，灰白、淺灰、灰黃色中—厚層狀中粒石英砂巖和長石石英砂巖，厚度>238 m。

1.1.4 龍門院組 分為2個巖性段：第1巖性段主要為紫灰色粗安質火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r、含礫粗安巖、粗安巖、紫紅色沉凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r以及凝灰質粉砂巖等，厚度約為100 m；第2巖性段主要為1套灰綠色角閃安山巖、安山巖，并夾有紫紅色薄層狀沉凝灰?guī)r、凝灰?guī)r及凝灰質粉砂巖，角閃安山巖為該段的典型巖石，厚度為300 m(安徽省地質礦產勘查局327地質隊，2011)。

1.2 巖漿巖

礦區(qū)內巖漿巖主要有超淺成相的黃屯閃長玢巖、淺成相的焦沖正長斑巖，以及龍門院旋回的次火山巖(岳山粗安斑巖)和噴發(fā)巖(安徽省地質礦產勘查局327地質隊，2011)。

1.3 構造

1.3.1 褶皺 基底地層總體呈一單斜構造，走向NE 70°～80°，傾向SW，傾角40°～60°，局部見小褶曲。粗安斑巖巖體頂部砂巖殘留體受粗安斑巖侵入影響，產狀轉變?yōu)閮A向S 210°～230°、傾角10°～25°(安徽省地質礦產勘查局327地質隊，2011)。

1.3.2 斷層 礦區(qū)主要發(fā)育NNE、NNW、NW走向的斷層。① F1斷層為礦區(qū)內1條規(guī)模較大的逆斷層，具壓扭性，地表未見岀露，深部為鉆孔工程控制，長度>1 200 m，斷層水平寬5～30 m，垂直斷距為30～60 m。走向NE 15°～20°，傾向SE，傾角約為70°～90°。鉆孔揭露時出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，富水性強并具承壓性，對礦床充水有一定的影響。② F2斷層位于礦區(qū)東側外圍，斷層北部走向近NS，南部走向NNW 345°，斷層面傾向近東或NEE，傾角63°～74°，斷層延長>1 200 m，左行平移斷層。斷層兩盤均有不同程度的水平和上下位移，常造成正斷層或逆斷層假象。據鉆孔抽水試驗，認為該斷層未受到構造破碎帶影響，具隔水性質。③ F3斷層位于礦區(qū)南側，斷層走向近EW 90°，斷層面傾向近N，傾角約為70°，斷層水平寬約18 m，延長近1 200 m，屬張性正斷層，斷裂帶裂隙發(fā)育。巖芯較破碎，裂面見硫化礦物、硅質薄膜，為含水構造，具導水性質(湖南省勘測設計院，2012)。

2 礦區(qū)水文地質

礦區(qū)含水巖(組)主要為松散類孔隙水含水巖組、火山碎屑巖與熔巖類孔洞-裂隙水含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽類巖溶-裂隙水含水巖組(楊柱等，2014；孫晶晶，2018；王亞莉，2018)。

地球物理勘查表明礦區(qū)內存在多條低阻異常帶，結合物探異常特征及鉆孔揭露情況分析，礦區(qū)發(fā)育多條構造破碎帶，主要呈NE、NEE或NW向展布。鉆孔揭露顯示張性裂隙發(fā)育，表面附硅質薄膜，群孔抽水試驗結果表明裂隙具良好的導水性。綜合物探成果分析，礦區(qū)地下水在破碎帶中發(fā)生了運移，破碎帶可能為礦區(qū)內的集中徑流帶(安徽省地質礦產勘查局327地質隊，2011)。

礦區(qū)地下水主要接受大氣降水入滲和地表水下滲補給。受地形因素影響，地下水徑流方向總體由東西兩側山區(qū)向河谷徑流；受地質構造影響，局部區(qū)段地下水順斷裂兩側和構造破碎帶徑流，形成集中徑流帶，最終流向北部的天河及其以東地區(qū)。排泄方式主要為側向徑流排泄、人工開采和地下徑流排泄。

3 礦床充水因素分析

礦區(qū)構造破碎帶均切穿礦床內主要含水層，斷層兩側附近巖石破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、硅化較強，鉆孔揭露時出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，富水性強并具承壓性，對礦床充水有一定的影響。礦體頂?shù)装寮皣鷰r多為富水性中等—極強的火山碎屑巖、熔巖類孔洞-裂隙水含水巖組。受區(qū)域各向構造的影響，構造裂隙較發(fā)育，特別是構造帶兩側次級裂隙尤為發(fā)育，沿裂隙常伴有小孔洞分布，加之巖芯大部分破碎，為地下水活動提供了良好的通道，給地下水循環(huán)交替帶來了有利條件，對礦床充水有較大的影響。龍門院組第1和第2巖性段粗安巖、含礫粗安巖、凝灰?guī)r為礦區(qū)主要含水層巖組(火山碎屑巖與熔巖類孔洞-裂隙水含水巖組)，其節(jié)理、裂隙發(fā)育，沿裂隙及硅化處多發(fā)育有孔洞，具連通性，與礦體構成統(tǒng)一的含水體(含水巖組)，成為礦坑主要的直接充水來源。

礦區(qū)第四系沖洪積孔隙含水層中，含水介質在空間上變異較小。主要充水巖層為磚橋組粗安巖及粗安斑巖，該含水介質主要發(fā)育成巖過程中形成的孔隙介質，以及在后期構造運動中形成的構造裂隙、大型斷層和構造破碎帶，斷層和構造破碎帶的富水及導水性明顯強于成巖孔隙和構造裂隙，導致該含水層不同部位因含水介質的差異表現(xiàn)出高度非均質性。

礦區(qū)內部發(fā)育斷層及破碎帶，導致斷層帶及其附近的圍巖巖石相對較破碎，裂隙發(fā)育，滲透性較強，沿斷層或破碎帶走向形成地下水的強富水和導水通道，地下水沿破碎帶相對集中并沿破碎帶徑流。群孔抽水試驗揭示，構造破碎帶在抽水條件下形成近EW向強徑流帶，對礦床充水有較大影響。

4 礦坑涌水量預測

4.1 水文地質概念模型

分析礦區(qū)水文地質條件，將礦區(qū)水文地質概念模型概化為1個近似梯形(南寬北窄)的平面，東西兩側以隔水邊界為主，南北兩側為導水邊界，垂向5層結構，內部由5條相互交叉的強導水破碎帶組成高度非均質非穩(wěn)定的地下水流模型(圖1)。

圖1 研究區(qū)地下水流模型剖分示意圖

嚴格來說，這類復雜的水文地質模型無法用解析法求解，故礦坑涌水量評價主要運用水文地質數(shù)值法進行參數(shù)識別和涌水量預測，輔以近似等效的均質等厚帶狀含水層模型，運用解析法求參和礦坑涌水量預測，并與數(shù)值法進行對比(王亞莉，2018)。

4.2 水文地質參數(shù)及計算方法

水文地質參數(shù)主要依據大型群孔非穩(wěn)定流抽水試驗資料，計算方法為解析法、數(shù)值法(國家技術監(jiān)督局，1991；王亞莉，2018)。

4.2.1 解析法 用泰斯標準曲線配比法和直線圖解法確定水文地質參數(shù)(張心山，2018；王曉軍，2019)。根據26個觀測孔求參結果，標準曲線配比法的導水系數(shù)平均值為475.3 m2/d，變異系數(shù)為28%；彈性給水度平均值為2.99×10-3，變異系數(shù)為252%。直線圖解法的導水系數(shù)平均值為285.3 m2/d，變異系數(shù)為44%；彈性給水度平均值為1.79×10-4，變異系數(shù)為179%。

可見，礦區(qū)裂隙-孔洞含水層的導水性較強，但不同區(qū)域的導水性及儲水性差異較大，反映了礦區(qū)含水層受后期構造斷裂和剪切破碎的影響呈現(xiàn)非均值性特征。

4.2.2 數(shù)值法 (1)模型結構及模擬范圍。為數(shù)值計算的需要，根據礦區(qū)地質、水文地質條件及礦床的空間分布等情況，將礦區(qū)簡化概括為垂向5層結構：表層第四系沖洪積亞黏土弱透水層(Ⅰ)、第四系沖洪積砂礫石孔隙微承壓含水層(Ⅱ)、第四系殘積黏土及火山巖強風化高嶺土弱透水層(Ⅲ)、侏羅系火山巖裂隙-孔洞承壓含水層(Ⅳ)和三疊系沉積巖裂隙弱含水層(Ⅴ)。地下水數(shù)值模型范圍：礦區(qū)北側以陳拐一帶為界，南側以F3為界，東側以F2-2為界，西側以F1為界，圈定的數(shù)值模擬面積為1.43 km2(圖1)。

(2)地下水運動的數(shù)學模型。礦區(qū)概化為5層結構的非均質各向同性非穩(wěn)定流水文地質概念模型，數(shù)學模型如下：

(x,y,z)∈ω1

(x,y,z)∈ω2

(x,y,z)∈ω3

(x,y,z)∈ω4

(x,y,z)∈ω5

(x,y,z)∈ω2

(x,y,z)∈ω2

v3=-v2

(x,y,z)∈ω4

ε4=Q4

(x,y,z)∈ω4

ε5=Q5

(x,y,z)∈ω4

H1(x,y,t)|t=0=H1,0(x,y)

(x,y)∈ω1

H2(x,y,t)|t=0=H2,0(x,y)

(x,y)∈ω2

H3(x,y,t)|t=0=H3,0(x,y)

(x,y)∈ω3

H4(x,y,t)|t=0=H4,0(x,y)

(x,y)∈ω4

H5(x,y,t)|t=0=H5,0(x,y)

(x,y)∈ω5

HB1(x,y,t)|(x,y)∈B22=HB1(x,y,t)

(x,y)∈ω5

(1)

式(1)中：x為EW向坐標，y為SN向坐標，z為垂向坐標；K1、K2、K3、K4、K5分別為各含水巖組的滲透系數(shù)函數(shù)，m/d；μs1、μs2、μs3、μs4、μs5分別為各含水巖組的儲水系數(shù)，1/m；H1、H2、H3、H4、H5分別為各含水巖組某空間(x，y，z)在t時刻的水頭函數(shù)，m；H1,0、H2,0、H3,0、H4,0、H5,0分別為各含水巖組在t0時刻的水頭函數(shù)，m；v1、v2、v3分別為各含水層垂向越流補給或排泄量，m；ε4、ε5分別為抽水或礦坑排水量，m3/d；HB1為第1類邊界水頭函數(shù)，m；q2為第2類單寬補給量，m2/d；T2、T4分別為第2類Ⅱ、Ⅳ含水層已知流量邊界法向導水系數(shù)，m2/d；B22、B24分別為滲流區(qū)域的第2類Ⅱ、Ⅳ含水層的流量邊界；t為時間，d；ω為模擬區(qū)。

(3)模型剖分。采用FEFLOW有限元數(shù)值模擬軟件進行礦區(qū)地下水流場數(shù)值反演和預測。根據礦區(qū)地質、水文地質、邊界等條件，尤其是考慮到礦區(qū)含水介質的非均質性，采用非均勻三角形單元剖分，在抽水井附近以及斷層、破碎帶、邊界附近進行加密剖分(孫訥正，1981；王大純等，1995；中國地質調查局，2012；王亞莉，2018)，以便更細致地刻畫含水介質的高度非均質特點。平面上共剖分為1.827 81×107個單元，垂向上分為5層(圖1)。

(4)邊界概化。主要依據群孔抽水試驗進行礦區(qū)水文地質條件的反演識別。礦區(qū)東部的F2-2斷層具有較好的隔水性，故以該斷層作為模擬區(qū)的東部隔水邊界；西部F1斷層總體也具有一定的隔水性，故以該斷層作為模擬區(qū)的西部隔水邊界，但其中段的隔水性因受近EW向破碎帶的穿切而被破壞，此段在模型中按流量邊界處理；礦區(qū)南部和北部均無自然水文地質邊界存在，故將其概化為流量邊界。

(5)初始流場的確定。根據群孔抽水試驗初始地下水水位統(tǒng)測資料編制群孔抽水試驗的初始等水位線圖，并據此離散化到各單元節(jié)點，得到模擬的初始流場。

(6)水文地質參數(shù)分區(qū)及初值。水文地質參數(shù)分區(qū)的依據主要考慮礦區(qū)地質勘探揭示的含水介質的特點、類型及分布，群孔抽水試驗地下水降落的形態(tài)及其擴展特征，以及試驗期間相同距離水位觀測孔地下水水位降深的變化規(guī)律等。首先將模擬區(qū)劃分為3個大區(qū)，即東南第四系厚度薄的基巖裂隙水淺埋區(qū)(Ⅰ)、斷層及破碎帶區(qū)(Ⅱ)、一般裂隙-孔洞含水介質區(qū)(Ⅲ)，再結合抽水試驗流場形態(tài)及各水位觀測孔的水位變化細分為若干亞區(qū)，最終確定礦區(qū)水文地質參數(shù)分區(qū)(圖2)。

圖2 研究區(qū)水文地質參數(shù)分區(qū)圖

根據群孔抽水試驗，以解析法求得礦區(qū)水文地質參數(shù)作為反演初始猜測值，在此基礎上以礦區(qū)各觀測孔水位降深為目標函數(shù)進行數(shù)值法反演求參。

(7)反演求參(模型識別)。水文地質模型(參數(shù))的識別主要依據群孔抽水試驗所得模擬區(qū)內各觀測孔的水位動態(tài)曲線，以地下水降落的平面形態(tài)特征作為該區(qū)模型識別的目標函數(shù)。在考慮初始水文地質參數(shù)分區(qū)、參數(shù)初始推測值并滿足水文地質條件定性的條件下，不斷調整各分區(qū)的水文地質參數(shù)值，直到獲得既符合水文地質條件的定性認識，又能最佳擬合群孔抽水試驗的水文地質參數(shù)。

水文地質參數(shù)直接反映了該處含水介質的水文地質條件，表征區(qū)內斷層帶、構造破碎帶、局部徑流帶的水文地質特性。滲透系數(shù)最小值0.07 m/d歸為近隔水區(qū)域，0.71～1.77 m/d為弱透水區(qū)域，2.65～6.36 m/d為滲透性一般區(qū)域，7.07～14.14 m/d為滲透性良好區(qū)域，17.68～35.36 m/d為強滲透性區(qū)域(圖2)。

模擬共選取有數(shù)據的觀測孔34個，多數(shù)鉆孔擬合程度較高，最大絕對誤差為2.94 m，平均相對誤差約為10%。模型選用數(shù)據樣本總體擬合程度較好，結果質量較高，可作為下一步模型預測的基礎。

4.3 礦坑涌水量計算

4.3.1 解析法 設計-140、-240、-340 m 3個開采水平對礦區(qū)進行涌水量預測。模型概化及計算原理：主要礦體分布在火山巖裂隙-孔隙含水層中，在疏干排水條件下，區(qū)域地下水水位將顯著下降，低于火山巖裂隙-孔隙含水層頂部的相對隔水層，轉化為無壓含水層，因此采用潛水含水層水平坑道法和大井法進行礦坑涌水量預測(孫訥正，1981；王亞莉，2018)。

(1)水平坑道法涌水量計算。礦體-140、-240、-340 m的開采水平高于火山巖裂隙-孔隙含水層隔水底板，所以按潛水非完整式水平坑道的公式(式2)計算，其剖面如圖3。

(2)

式(2)中：Q為涌水量，m3/d；B為坑道長度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；h1、h2分別為礦體開采水平以上的含水層厚度，m；M為坑道底部與隔水底板間的距離，m；S為水位降深，m；b為坑道寬度，m；R1、R2為影響半徑，m。

圖3 水平坑道法涌水量計算的水文地質剖面示意圖

(2)大井法涌水量計算。根據礦區(qū)水文地質條件，以礦區(qū)東部的F2-2斷層為直線隔水邊界，以西部的F1斷層總體為隔水邊界，中段受構造影響設為透水邊界，此種復雜的邊界條件實際上無解析解。為便于解析計算，根據水量等效原理對F1邊界的位置進行適當調整，將F1和F2-2概化為相互平行的2條隔水邊界，并使此2條隔水邊界之間的距離(2d)等于實際模型中南北2條透水邊界長度與西側F1斷層透水段長度之和的1/2。概化后礦區(qū)解析模型的邊界條件如圖4所示，按公式3計算。

圖4 大井法涌水量計算的水文地質平面示意圖

(3)

式(3)中：Q為涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d，根據2次大型群孔抽水試驗資料，采用面積加權平均法算出的平均滲透系數(shù)(3.86 m/d)；H為含水層厚度，m，采用砂巖隔水層頂板標高與平均水位標高之差；S為水位降深值，m，分別取不同時期地下水水位標高與預測開采水平之差值；d為大井距隔水邊界的距離，m；r0為礦坑引用半徑，m，用式(4)計算；R0為礦坑引用影響半徑，m，用式(5)計算。

(4)

式(4)中，F(xiàn)為多邊形礦坑的面積，m。

(5)

根據上述計算得到研究區(qū)礦坑涌水量(表1)。

4.3.2 數(shù)值法 運用數(shù)值法進行礦坑涌水量預測，能夠較好地刻畫含水系統(tǒng)的復雜邊界條件以及含水層參數(shù)的非均質特點。由于礦區(qū)邊界條件和非均質都較復雜，故礦坑涌水量主要采用數(shù)值法對-140、-240、-340 m 3個開采水平進行預測。

用數(shù)值法進行預測的難點在于礦區(qū)屬于區(qū)域地下水系統(tǒng)中的一小部分，區(qū)內地質、水文地質勘査程度遠高于外圍地區(qū)，外圍的勘査程度低，因此不具備建立整個區(qū)域高精度地下水系統(tǒng)的數(shù)學模型并直接用于區(qū)內礦坑涌水量預測的條件(孫訥正，1981)。對于已建立的礦區(qū)地下水數(shù)值模型，雖然礦區(qū)內部結構、水文地質參數(shù)、邊界位置與性質、現(xiàn)狀條件下的邊界條件等已獲得理想的成果，但由于未開展抽水或放水試驗，故在未來不同排水工況條件下，南部、北部及西部F1斷裂中段3處邊界段的邊界流量難以獲得。

因此，礦坑涌水量預測數(shù)值法模擬分2步進行，即建立區(qū)域完整地下水系統(tǒng)模型和礦區(qū)地下水系統(tǒng)模型，預測結果見表2。

對比表1、表2可知，水文地質解析法和數(shù)值法預測的礦坑涌水量結果相近，由于礦區(qū)含水系統(tǒng)無論是含水介質特征還是邊界條件都不完全符合解析的假定條件，故認為數(shù)值模擬結果更符合實際。

5 結 論

(1)礦區(qū)主要含水層為龍門院組的火山碎屑巖及熔巖類裂隙孔洞水，富水性中等—極強；次要含水層為礦床基底沉積巖裂隙水，為相對弱含水層。兩者之間無穩(wěn)定的隔水層存在，礦體及其頂?shù)装寰鶠榈V區(qū)內主、次要含水層，且各層垂直方向上沒有連續(xù)穩(wěn)定的隔水層存在。

表1 水文地質參數(shù)取值及解析法涌水量預測結果

表2 礦坑涌水量數(shù)值法模擬預測結果

(2)礦區(qū)內構造裂隙發(fā)育，斷裂兩側的裂隙發(fā)育帶及破碎帶節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙呈網狀密布，連通性好，是地下水的集中徑流帶。

(3)礦區(qū)因初始水位高，開采水平低，含水層富水性及導水性好，天然條件下礦坑涌水量較大，尤其是初見涌水量很大，礦坑正常涌水主要來源于邊界補給，南北2條邊界的補給量占礦坑總涌水量的90%。礦區(qū)特大暴雨條件下的最大涌水量較正常涌水量約增加(1.28～2.68)×104m3/d。

(4)根據礦區(qū)水文地質條件建立概念模型，運用解析法和數(shù)值法進行礦坑涌水量預測能較好地刻畫含水系統(tǒng)的復雜邊界條件及含水層參數(shù)的非均質特點。

由于礦區(qū)含水系統(tǒng)含水介質特征和邊界條件不完全符合解析的假定條件，故認為數(shù)值模擬的結果更符合實際。