王振偉，王智濤，李 斌，董黎明，韋永豪，李營作

（1.北方工業(yè)大學，北京 100041；2.華能伊敏煤電有限責任公司，內蒙古 呼倫貝爾 021134）

煤炭占有我國能源發(fā)展的戰(zhàn)略性地位，其中露天礦開采作為采煤的主要方式之一被廣泛應用。由于露天采礦作業(yè)形成的深凹地形為降雨和徑流創(chuàng)造了大量的匯水區(qū)，地下水從周圍地層流向采坑。當存在承壓含水層的情況下，隨著剝離的進行，隔水層逐漸失效，導致高壓水流入采礦開挖區(qū)。地下水的流入會導致露天礦出現(xiàn)許多安全和環(huán)境問題[1-3]。通常會采取超前疏干的方式保障礦體高效安全的開采。國內礦山普遍使用礦山降水、引流、截水帷幕的方法或者這些方法的組合實現(xiàn)地下水控制。其中礦山降水是運用最廣泛的技術，然而降水的關鍵是疏干量的確定。這需要預測實際抽采地下水的抽采量，以更好的規(guī)劃降水工程。因此，掌握超前疏干條件下地下水流場規(guī)律是礦產(chǎn)安全及礦山工程的重要工作。

近年來，我國眾多學者采用地下水數(shù)值模擬方法預測了各種形式的礦山流場變化，保護露天礦免受地下水的侵害[4-7]。但是當露天礦存在斷裂構造時地下水的流動呈現(xiàn)不連續(xù)性、各向異性等獨特性質，其運移規(guī)律復雜多變。通常情況下斷層會表現(xiàn)為導水或隔水的特征，但是許多學者發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)高滲透壓時，或者水頭值發(fā)生改變，都可能會影響斷層的隔水性質[8-9]。斷層性質的改變嚴重威脅了礦山安全，增加了礦山地下水控制的難度，使超前疏干量難以確定。所以如何能在地下水模擬中描述斷層的影響與變化也顯得非常重要。在以往的研究中，地質條件復雜往往對模型的正確構建造成了極大的困難。有學者發(fā)現(xiàn)眾多的地下水模擬軟件中GMS 在刻畫復雜地質條件時更優(yōu)越，國內學者通過GMS 很好的研究了礦區(qū)含水層結構模型[10]，文獻［11－12］對露天礦不同剝采順序的涌水量進行了預測，文獻［13－14］基于GMS 對露天礦進行了全時段涌水量預測。文獻［15］對復雜斷層礦區(qū)地下水進行了模擬。以上學者利用GMS 的特點針對礦山地下水流場進行了不同程度不同類型的分析，但均未考慮近礦區(qū)斷層受疏排水的影響、未考慮分階段礦山形態(tài)的變化。例如，當斷層的存在影響露天采礦時如何定義斷層參數(shù)，以及斷裂帶在不同階段的開采和抽排水過程中對地下水的影響程度如何都沒有充分討論。而這些因素會直接影響模擬結果進而威脅礦山安全。

為此，以內蒙古東北部某富水露天礦為背景，利用GMS 特性建立復雜地質實體模型并使用不同開采階段的露天礦地形變化進行地下水模擬，通過連續(xù)增大抽采量以研究斷層導水規(guī)律，并預測不同階段的超前疏干水量，在水文地質模型中實現(xiàn)露天礦地形變化的階段分析，驗證新方法Lak3 在估計人工抽采量的可行性與優(yōu)越性，為地下水模擬在露天礦的應用中提供了新思路。

1 水文地質概況

研究區(qū)位于大興安嶺西坡，為半封閉型盆地，盆地位于沖積平原，海拔標高一般為671～673 m，屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，冬長夏短，年均降水量323.9 mm，年均蒸發(fā)量1 053 mm，礦區(qū)內原有水系已被露天礦疏干排干。區(qū)內地層分為伊敏組、新近系和第四系：①伊敏組主要包含灰白色礫巖，泥巖，粗砂巖、含礫石粗砂巖等，該地層含巨厚煤層；②新近系主要包含灰白、灰褐色礫巖、含礫石粗砂巖、紅褐色泥巖等，與伊敏組不整合接觸；③第四系全區(qū)發(fā)育由灰色礫石，灰白色砂礫、黃色黏土、亞黏土、砂土等組成。存在F5正斷層，斷層落差46.0～157.0 m、控制長度2 289.0 m。研究區(qū)位于原采區(qū)西北側，現(xiàn)階段處于原始地層狀態(tài)，根據(jù)采礦計劃接下來主要回收F1、F5斷層東南側的16＃煤層。礦區(qū)地下水的補給來源有2 個：①大氣降水：它是本區(qū)地下水主要的補給來源，補給時間為每年4 月中旬的冰雪融水和7、8 月份的大氣降水，大氣降雨通過盆地兩側的丘陵，低山區(qū)的基巖裸露區(qū)及礫石層直接入滲，進入第四系含水層，再通過煤層露頭或煤系地層越流，補給各含水層；②地表水體伊敏河水和季節(jié)性湖泊水體的補給：由于各地層的滲透性能的差異，地下水在各地層中以順著巖層徑流為主，在疏干的流場的影響下，向露天礦疏干區(qū)排泄。

結合露天礦工程地質條件，研究區(qū)域地下水的補給來源主要為礦坑的西北向，地下水從礦坑的西北側順著含水層向礦坑補給；通過抽水試驗初步判定F5斷層為相對隔水斷層。研究區(qū)內主要含水層為第四系砂礫含水層、15＃煤層裂隙含水層、16＃煤層間砂礫巖。隔水層主要為煤系地層中的泥巖、泥質粉砂巖和碳質泥巖等。通過水文地質調查，分析得知超前疏干水量的設計值會受到斷層的影響，進而影響到降水工程的設計。所以有必要針對超前疏干的設計需求，采用地下水數(shù)值模擬的方法對礦山進行超前疏干量的預測。由于實際工程的復雜性與研究數(shù)據(jù)的局限性，在合理范圍內對工程進行簡化，使模型具備可參考價值。

2 模型的建立

2.1 確定邊界條件

礦山地下水流場計算的準確性取決于對礦場地下水邊界條件的合理概化，如何能將邊界條件合理的貼近真實的自然邊界是一個合理的地下水模擬模型首要考慮的問題。整個煤田區(qū)域補給主要通過大氣降雨及地表水體通過基巖裸露區(qū)直接入滲，由煤層露頭或煤系地層越流補給各含水層。研究區(qū)處于礦坑西北側，現(xiàn)階段處于原始地層狀態(tài)，補給的主要來源主要為西向，故將模型西北側及西南側概化為定流量補給邊界，研究區(qū)南側存在隔水斷層F8，將南側邊界定義為0 流量邊界即隔水邊界，又由于礦坑位于研究區(qū)東側，受多年疏干影響，地下水向礦坑向排泄，故將東南側邊界定義為定流量排泄邊界，其余模型邊界定義為自由邊界。邊界條件及研究區(qū)位置示意圖如圖1。

圖1 邊界條件及研究區(qū)位置示意圖

2.2 三維實體模型

1）生成鉆孔數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場收集研究區(qū)實際鉆孔資料，首先對鉆孔資料進行合理概化，采用加權平均滲透系數(shù)法對巖層進行概化，在確保相同滲流形態(tài)的基礎上盡可能簡化巖層層數(shù)。簡化后整理為GMS 中Borehole 模塊可識別數(shù)據(jù)格式，導入GMS 中進行調整。

2）生成鉆孔。研究區(qū)內共有實際工程地質鉆孔13 個。傳統(tǒng)的建模方法主要基于鉆孔資料，因此少數(shù)鉆孔無法精確刻畫地層結構。有學者采用GMS 軟件補充虛擬鉆孔方法，建立研究區(qū)的含水層結構模型，結果表明此建模方法精度遠高于鉆孔建模方法。所以我們?yōu)闈M足地質構造需求根據(jù)礦區(qū)資料地質勘探線增添虛擬鉆孔。通過合理加密鉆孔的方式在一定程度上更好的表達了地質復雜性。

3）生成地質實體模型。通過Map 模塊劃定區(qū)域邊界，由區(qū)域邊界生成25 228 個TIN 三角網(wǎng)格。使用Horizon to soilds 成實體模型，模型分為9 塊地質實體，實體模型中斷層外觀構造如圖2。

圖2 實體模型中斷層外觀構造

2.3 地下水計算模型

通過實體模塊下的Solids to Modflow 指令將地質實體模型轉化至網(wǎng)格計算模型。在此過程中網(wǎng)格劃分方法使用Boundary Matching。正如文獻［16］所述，常規(guī)網(wǎng)格劃分方法通常以水平及豎直方向分布，然而針對地層復雜的情況時需要選用合適的網(wǎng)格劃分方法為了適應模型的復雜性。同時為了適應模型特點，參數(shù)賦值采用材料賦值方法，便于分析地形開挖變化后的地下水流場，不將含水層與隔水層簡單分層，提高模型與真實地層的匹配程度。加強計算網(wǎng)格與網(wǎng)格之間的各項水力流通關系，更好的模擬非均質含水層的地下水流規(guī)律。模型剖分為100×100×9 個網(wǎng)格，有效活動網(wǎng)格43 827 個。并在地下水網(wǎng)格模型中利用Barrier[17]設置斷裂帶阻礙系數(shù)，同時為模型賦予上文所述補排條件，設置材料各項屬性參數(shù)。

2.4 模型初始流場識別與擬合

靜止水位插值與擬合后流場圖如圖3。

圖3 靜止水位插值與擬合后流場圖

在現(xiàn)有觀測井資料中選取首月有效數(shù)據(jù)，將實測靜止水位整理為散點值格式導入模型，利用克里金插值法進行插值計算圖3（a）；由于觀測井數(shù)據(jù)有限且靜止水位的插值并不能體現(xiàn)斷層的阻隔水效應，所以將插值后水頭值導入模型與抽水試驗的觀測井數(shù)據(jù)進行識別與擬合；使用GMS 內嵌的PEST模塊，利用觀測水位進行參數(shù)反演計算，得出最優(yōu)模型參數(shù)，為使模型達到校核要求，使用置信度的方式說明計算值與實際值的擬合關系。由圖3（b）模型計算結果表現(xiàn)斷層隔水效應良好，可見斷層線南北兩側出現(xiàn)跌水現(xiàn)象。換言之，斷層在原始地層未開挖情況下阻隔水效應良好，斷層模擬效果貼合實際。模型巖組的各項水文地質參數(shù)見表1。擬合優(yōu)度R2＝0.924 模型擬合度較好，可用做模擬研究初始條件。

表1 模型巖組的各項水文地質參數(shù)

3 多階段模型及數(shù)值模擬

3.1 各階段模型概況

在GMS 等地下水流計算軟件中模擬露天礦的水頭變化通用手段是使用定流量方式疏干含水層，再使用Drain 模塊定水頭的方法模擬地下水流場[18]。這種方法已經(jīng)被國內學者廣泛應用，但這種方式并不能體現(xiàn)采掘進程中地形的變化。國外學者利用GMS 的Lak3－Package 模塊解決了這一問題，在流場分析中體現(xiàn)了礦坑形態(tài)。所以采用Lak3－Package 來設置不同階段的礦坑形態(tài)變化。將散點導入模型插值生成TIN 網(wǎng)格，在Lak3 模塊中將TIN 網(wǎng)格識別為坑底面，利用Map to Modflow 將礦坑設置導入到模型中。

研究區(qū)主采煤層底板標高為＋480 m，將整個開采計劃概化分為4 個階段，分為地表向下標高分別為＋640、＋600、＋540、＋480 m，第1 階段與第四階段對比地形示意圖如圖4。

圖4 第1 階段與第4 階段對比地形示意圖

3.2 數(shù)值計算結果

將擬合的流場作為初始水頭導入模型，通過不斷調整抽采量進行反復運算，得出結果后利用Gage－Package 確定最低水位線已經(jīng)降至目標位置以下為止。

第1 階段降水流場圖如圖5，第1 階段超前疏干至標高為＋640 m 流場結果，因初始水頭在礦坑西南向已經(jīng)基本接近坑底標高，所以第1 階段疏排量。抽采量1 200 m3/d 時礦坑坑底的水位降至＋639 m 處，達到第1 階段疏排水要求。圖中斷層北側水頭與初始流場比較而言變化不大，斷層兩側水位差10 m，由圖可見斷層的阻隔水效應受第1 階段開挖與疏排水微小影響，沒有發(fā)生較大變化。

圖5 第1 階段降水流場圖

在第1 階段流場基礎上逐漸增加疏排水量直至水位低至第2 階段目標值。此階段礦坑坑界向北向西均有推進，相較第1 階段邊界更接近斷層構造帶，目標水位需從上階段＋639 m 疏干至＋600 m 標高以下。第2 階段降水流場圖如圖6，抽采量1.1 萬m3/d時礦坑底部水位降至＋585 m，礦坑周邊形成明顯降水漏斗。因疏排水量的提升，斷層的北側水頭較上一階段出現(xiàn)小幅度水頭降低現(xiàn)象，斷層南北兩側水頭差升高至20～30 m，相對應的水頭差的加大會導致更高的滲透壓，高滲透壓使斷層隔水效應減弱，斷層呈現(xiàn)弱導水趨勢，模擬中體現(xiàn)了這一變化趨勢。為了更好的研究斷層的阻隔水效應變化，在此基礎上逐漸增大抽采量來觀察斷層兩側水位變化。發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定水位的前提下，少量的增加抽取量不會使斷層南側水位發(fā)生變化，而斷層北側會出現(xiàn)同程度的水位降低現(xiàn)象，表明斷層北側持續(xù)補給南側。抽采量增大至1.8 萬m3/d 時，斷層北側水位大幅降低，斷層基本變?yōu)閷當鄬?，當抽采量大?.8 萬m3/d 時礦區(qū)內水位開始由＋585 m 標高明顯下降。

圖6 第2 階段降水流場圖

在第3 階段，因斷層變?yōu)閷當鄬?，? 階段中抽采量大幅度增加到5.82 萬m3/d 時，水位降至坑底標高＋540 m 之下。需要說明的是，在Modflow 中模擬水頭低于單元格底部標高時，此單元會被模型識別為干燥單元，流場圖中表現(xiàn)為網(wǎng)格缺失。第3 階段降水結束后流場圖如圖7，與上一階段比較，降水漏斗范圍的擴大導致多層單元格出現(xiàn)不同程度干燥。礦區(qū)西北側地下水跌水現(xiàn)象消失，斷層上部失去隔水作用。礦區(qū)東部水位降至＋540 m，礦坑底部水位降低至＋525 m。

圖7 第3 階段降水結束后流場圖

最終階段礦山采掘深度要求達到＋480 m，礦界會向北推進至斷層位置。當抽采量大幅增至9.82 萬m3/d 時，水位降至＋469 m。礦區(qū)標高＋480 m 之上的靜儲水量基本疏干，降水漏斗范圍進一步擴大，在研究區(qū)北側體現(xiàn)明顯。

為了更好的研究礦區(qū)水位變化以及斷層由隔水斷層逐漸活化導水的規(guī)律，在模型中設置多個水位監(jiān)測點，并選取5 個代表性點位進行水位數(shù)據(jù)分析。抽取量與各監(jiān)測點的水位變化關系如圖8。

圖8 抽取量與各監(jiān)測點的水位變化關系

5 個監(jiān)測點以最終坑底監(jiān)測點為圓心向外根據(jù)研究區(qū)位置與斷層位置依次選取另外4 點。整體水位降低趨勢呈現(xiàn)降水漏斗態(tài)勢，由研究區(qū)底部監(jiān)測點開始、各測點水位受抽取量影響程度依次降低，最終水位呈階梯式上升。在第2 階段的抽取率達到1.1萬m3/d 之前，位于斷層南側的3 個監(jiān)測點水位下降迅速，與其相比較斷層北側以及北邊界的2 個監(jiān)測點由于斷層阻隔水效應水位下降速率較低，斷層兩側的水頭差會隨著抽取量增加逐漸增大。在抽采量1.1.～1.8 萬m3/d 之間斷層南側3 點水位相對穩(wěn)定，斷層北側2 點水位下降速率加快，表明在第2 階段礦坑深度達到＋600 m 且抽取量達到1.1 萬m3/d時由于斷層兩側水壓的增大斷層開始活化導水，斷層北側在此階段補給斷層南側。當抽取量大于1.8萬m3/d 后，5 點水位同時開始下降，直至礦區(qū)底部水位降至＋469 m 模擬結束。

4 結語

1）基于GMS 的軟件特性，針對復雜地質條件的露天礦進行了水文地質模型得細致刻畫，并利用Lak3－Package 建立不同地形的露天礦形態(tài)進行了階段劃分。得出了各階段最大人工抽取量的參考值。通過模型計算值優(yōu)化控制地下水抽采，達到更好的維護礦山安全以及保護水資源節(jié)約成本的目的。得出第1 階段降深至＋645 m 所需人工最大抽采量1 200 m3/d；第2 階段降深至＋600 m 所需人工最大抽采量需1.1 萬m3/d；第3 階段降深至＋540 m 最大抽采量需5.82 萬m3/d；第4 階段最終降深至＋480 m 需9.82 萬m3/d，驗證了Lak3－Package 在露天礦抽取量預測的可行性與優(yōu)越性。

2）模擬計算了礦山各階段所需最大疏干量，并通過設置斷層在水文地質模型中來研究不同階段礦山疏排水對斷層隔水效應的影響。第2 階段降深至＋600 m 時抽采量達到1.1 萬m3/d 時斷層因為兩側水頭差的加大導致滲透壓的升高，迫使斷層開始逐漸導水，在抽采量達到1.8 萬m3/d 時斷層徹底變?yōu)閷當鄬?。研究結果有效實現(xiàn)了露天礦斷層的阻隔水效應在不同階段與降水工程影響下變化的模擬，為露天礦降水工程的方案設計提供重要參考，也為類似地質條件的露天礦提供了新的建模方式選擇。