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

        2022-03-30 02:36:12
        地下水 2022年1期
        關鍵詞:穩(wěn)定流巖組礦坑

        許 斌

        (安徽省地質礦產勘查局324地質隊,安徽 池州 247100)

        1 礦床類型及簡要地質特征

        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)。構造較為簡單,礦床位于鐘姑山復背斜之次級褶皺—向陽向斜的北轉折端,斷裂構造不甚發(fā)育,未見明顯的斷裂構造,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

        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。上部為粉質粘土,中部為薄層砂質粘土與粘質砂土、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;下部為粉細砂局部夾粉土,q=0.26~0.83 L/s·m,k=1.82~2.01 m/d。水化學類型屬HCO3-Ca·Mg型,礦化度0.8 g/L。地下水位埋深0.5~2.0 m,水力性質為潛水。

        上更新統(tǒng)大橋鎮(zhèn)組(Q3d)厚25~45.5 m,底板標高-43~-68 m,富水性強。上部為粉土質砂質粘土,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砂層,結構松散,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)北部外側鐘九鐵礦區(qū)及東部外側姑山鐵礦區(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。巖性為粉砂質泥巖與泥質粉砂巖互層,層狀(中厚層狀為主夾薄層狀)構造,層面結構緊密。裂隙發(fā)育段分布于風化帶、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、碳酸鈣質或鐵質充填﹚,偶見開口裂隙。經在ZKW1和ZKW3進行穩(wěn)定流抽水試驗,ZKW1結果:q=0.017 L/s·m,k=4.7×10-3m/d;ZKW3結果:q=0.04 L/s·m,k=4.9×10-3m/d。水化學類型屬SO4-Ca·Na·Mg型,礦化度M=1.34 g/L。水力性質為承壓水。

        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。巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和粉砂巖互層,夾白云質灰?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。水化學類型屬HCO3·Cl-Na·Ca型,礦化度M=0.225 g/L,水力性質屬承壓水。

        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;含水斷層帶脈狀承壓水突入坑道,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.水文地質參數(shù)分區(qū);2.實際水文地質邊界;3.簡化水文地質邊界;4.礦體水平投影范圍

        圖2 礦坑涌水量預測剖面概化圖

        3 水文地質條件概化

        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)含水巖組為四層結構,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,用于礦坑涌水量預計的礦區(qū)水文地質條件概化模型:平面上為東、西、北三面直線隔水邊界,南面供水邊界(圖1);剖面上為四層結構的水平含(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)水文地質剖面線上各孔間面積加權平均求得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果及分區(qū)面積加權求得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果求得平均值μ*=0.000 4。

        (4)設計開采面積(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,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 涌水量預測結果

        預測中采用的參數(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)水文地質條件,但結果略偏大,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 解析法預測礦坑正常、最大涌水量結果表

        5 數(shù)值法預計礦坑涌水量

        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)礦坑涌水量進行模擬預測。

        5.1 水文地質概念模型

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

        整個計算區(qū)域雖然介質的滲透性不均一,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方法來研究該區(qū)裂隙介質中的地下水問題。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各向異性三維地下水非穩(wěn)定流模型。

        5.2 數(shù)學模型及數(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)學模型進行數(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格剖分,在水平方向上采用非等距矩形網格剖分(主開采區(qū)域網格加密),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)工程地質巖性分析結果,結合區(qū)內地質、水文地質條件,對模擬計算區(qū)進行水文地質參數(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參數(shù)值,并用于礦坑涌水量的預測。

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

        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],則認為參數(shù)達到了“最優(yōu)”。本次擬合結果顯示滿足規(guī)范要求的水位節(jié)點達到了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定,求解穩(wěn)定流場,計算進入開采坑道的穩(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定礦坑水頭邊界,同時將上升的水位轉換為源匯項,求解穩(wěn)定流疏干模型,計算進入開采坑道的穩(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測表

        表4 各開采水平解析法與數(shù)值法預測礦坑涌水量結果

        6 解析法與數(shù)值法預測礦坑涌水量結果對比

        7 結語

        (1)某鐵礦區(qū)礦坑涌水量預測中采用的參數(shù)均為實測數(shù)據(jù),水文地質解析法和數(shù)值法預測的礦坑涌水量結果基本相近,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,因此數(shù)值模擬的結果更符合實際。

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