孫剛友, 胡清珍, 康欽容, 夏緣帝, 袁威, 張衛(wèi)中*

(1.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司, 石家莊 050021; 2.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 武漢 430073)

在礦山開(kāi)采的過(guò)程中,礦井突涌水這一災(zāi)害時(shí)常發(fā)生,不僅阻礙了資源的開(kāi)發(fā),而且對(duì)人員的安全也存在隱患[1]。如若在礦坑建設(shè)生產(chǎn)前期,通過(guò)合理科學(xué)的方法對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)[2-3],將極大程度地服務(wù)于礦坑后期各階段的水文地質(zhì)調(diào)查工作的開(kāi)展,對(duì)礦山在實(shí)際開(kāi)采時(shí)安全地開(kāi)展工作,以及防止災(zāi)害事故發(fā)生,都有極大的作用[4]。

礦坑涌水量的預(yù)測(cè)方法有數(shù)值模擬法[5-7]、水文地質(zhì)比擬法[8-9]、水均衡法、解析法[10-12]。近年來(lái)也研究出了很多相關(guān)分析方法,施龍青等[13]對(duì)不同時(shí)間下的涌水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析兩者間的函數(shù)關(guān)系;李占利等[14]提出互補(bǔ)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與門(mén)控循環(huán)單元相結(jié)合的礦井涌水量預(yù)測(cè)模型;姜小妮等[15]采用非完整大井法計(jì)算礦坑涌水量,提高了計(jì)算精度;李建林等[16]用稱(chēng)重標(biāo)極差分析(rescaled range analysis,R/S)法分析涌水量序列的周期變化趨勢(shì)并采用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè),提供了一種新思路。但這些方法也存在不足之處,水文地質(zhì)比擬法適用于開(kāi)采同一礦井或者地質(zhì)環(huán)境基本相同的區(qū)域,每個(gè)礦區(qū)都有其不同的水文地質(zhì)條件,所以此方法的使用具有局限性;和時(shí)間序列有關(guān)的分析法需要建立在觀測(cè)數(shù)據(jù)之上,觀測(cè)時(shí)間久,數(shù)據(jù)收集困難,結(jié)果易受影響;大井法[17-18]因其簡(jiǎn)捷的計(jì)算得到了廣泛的應(yīng)用,但礦山實(shí)際上并沒(méi)有完全滿(mǎn)足公式的前提條件,因而其預(yù)測(cè)結(jié)果將會(huì)與礦山實(shí)際涌水量偏差較大,單一方法計(jì)算涌水量的說(shuō)服力不強(qiáng),準(zhǔn)確性不夠。

因此現(xiàn)以礦坑涌水量預(yù)測(cè)精確度[19-20]為主,研究調(diào)查該礦坑豐富的水文地質(zhì)數(shù)據(jù),在采用大井法預(yù)測(cè)后又使用適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)測(cè)精度高的地下水模型系統(tǒng)(groundwater modeling system,GMS)水文地質(zhì)軟件對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)。使用大井法進(jìn)行預(yù)測(cè)由于實(shí)際環(huán)境條件不完全匹配公式的要求,會(huì)出現(xiàn)誤差導(dǎo)致精確度不夠,采用GMS數(shù)值模擬軟件加以檢驗(yàn),兩種方法的相互補(bǔ)充驗(yàn)證使該礦坑在預(yù)測(cè)涌水量的精確范圍上得到提升,為礦山開(kāi)采提供有力的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善右旗東北部某地段,地勢(shì)較為平坦,地表大多被第四系沙土和沙丘覆蓋,區(qū)內(nèi)水系多為季節(jié)性水流和干河床,植被稀少,斷裂構(gòu)造以壓扭型斷裂為主。

1.2 礦床水文地質(zhì)特征

1.2.1 主要含、隔水層及富水性

據(jù)鉆探結(jié)果顯示該礦床主要的含水組分為3層:下層埋藏較深,以泥巖和粉砂巖為主,泥巖穩(wěn)定性較好,具有分隔作用,而且該層位于礦床下部,因此作為隔水底板;中層含礦量較多,無(wú)明顯擠壓破碎帶發(fā)育,巖心塊度相對(duì)完整,通過(guò)巖心編錄對(duì)6個(gè)鉆孔的節(jié)理和裂隙進(jìn)行了詳細(xì)研究,發(fā)現(xiàn)所有水文地質(zhì)孔的過(guò)濾器段裂隙發(fā)育程度低甚至不發(fā)育,開(kāi)啟裂隙占裂隙總數(shù)比重較低,是主要的含水層;上層由含泥砂巖組成,不易透水的特質(zhì)使其作為隔水層。

1.2.2 地下水補(bǔ)徑排條件

由于泥巖的厚度大且分布穩(wěn)定,作為隔水頂板可隔絕大氣降水的滲入,含礦含水層地下水的主要補(bǔ)給是地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給,在礦床的西南部約10 km的地方,設(shè)置了一個(gè)孔隙為800 m的地質(zhì)孔,在該孔中出現(xiàn)了冒水及氣泡溢出的情況,說(shuō)明在地下水徑流過(guò)程中在礦床的西南部遇到阻隔,最終確定總體徑流方向?yàn)橛杀睎|向南西徑流。

2 大井法預(yù)測(cè)礦坑涌水量

2.1 計(jì)算公式的選擇

在實(shí)際開(kāi)采時(shí),開(kāi)采場(chǎng)地需達(dá)到合理安全的開(kāi)采條件,地下水位的降低使在礦坑和遠(yuǎn)離礦坑的地下水部位的壓強(qiáng)不一致。因此在進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測(cè)時(shí),需選用地下水動(dòng)力學(xué)的大井法的承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓公式,公式如下。

(1)

R0=R+r0

(2)

(3)

(4)

式中:Q為礦坑涌水量預(yù)測(cè)值,m3/d;Kcp為平均滲透系數(shù),m/d;K為滲透系數(shù),m/d;S為地下水位降深,m;M為含水層平均厚度,m;R0為引用影響半徑,m;r0為大井引用半徑,m;R為影響半徑,m;P為圈定的大井面積,m2。

2.2 參數(shù)確定

2.2.1 抽水試驗(yàn)取得的資料

統(tǒng)計(jì)整理了每個(gè)孔承壓含水層的厚度,以及作為抽水孔、觀測(cè)孔以及采用水位恢復(fù)法時(shí)的滲透系數(shù),如表1所示。

表1 抽水試驗(yàn)成果表

2.2.2 滲透系數(shù)的確定

在預(yù)測(cè)礦坑涌水量時(shí),因各段含水層滲透性分布不均,滲透系數(shù)的取值由抽水孔、觀測(cè)孔以及水位恢復(fù)法這3種方法每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的滲透系數(shù)值與含水層厚度的加權(quán)平均值確定,其值見(jiàn)表2。

表2 滲透系數(shù)的加權(quán)平均值計(jì)算表

2.2.3 礦床地下水平均水位標(biāo)高的確定

10個(gè)水文地質(zhì)孔一個(gè)水文年的地下水位標(biāo)高觀測(cè)值,如圖1所示,取這10個(gè)水文地質(zhì)孔地下水位標(biāo)高觀測(cè)值的平均數(shù),得出礦床地下水平均水位標(biāo)高為1 273.66 m。

圖1 地下水位標(biāo)高統(tǒng)計(jì)圖

2.2.4 地下水位降深的確定

為保證礦床正常生產(chǎn),在生產(chǎn)時(shí)地下水位必須降至礦體底板以下。對(duì)8個(gè)主要礦體埋深的最低標(biāo)高和最高標(biāo)高進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),如圖2所示,計(jì)算得出主要礦體埋深最低標(biāo)高平均值為773.49 m,最高標(biāo)高平均值為793.90 m。

圖2 主要礦體埋深標(biāo)高統(tǒng)計(jì)圖

礦床在生產(chǎn)時(shí)要保持采場(chǎng)作業(yè)環(huán)境,因此需要地下水位降至礦體埋深底板以下5 m位置,即水位降深應(yīng)在上述標(biāo)高平均值的基礎(chǔ)上再加5 m,故所得地下水位降深為地下水位標(biāo)高與礦體底板標(biāo)高之差,如表3所示。

表3 常規(guī)開(kāi)采時(shí)地下水位降深值

2.2.5 含水層厚度的確定

在施工過(guò)程中,對(duì)含有水文地質(zhì)孔的巖心進(jìn)行了標(biāo)記,在進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)時(shí),確定了各個(gè)水文地質(zhì)孔的含水層厚度,取13個(gè)水文地質(zhì)孔的算術(shù)平均值M為82.45 m。

2.2.6 大井引用的確定

(1)礦體面積的圈定。根據(jù)礦體分布形態(tài)來(lái)圈定礦體面積見(jiàn)圖3,最終測(cè)得礦床疏干面積P為1 549 726 m2。

圖3 礦床疏干范圍圖

(2)大井引用半徑的確定。根據(jù)前述大井法引用半徑的計(jì)算公式,求得大井引用半徑r0為703 m。

2.2.7 影響半徑及引用影響半徑的確定

結(jié)合確定的滲透系數(shù)及降深,根據(jù)前面的公式分別確定最高礦體標(biāo)高及最低礦體標(biāo)高的影響半徑及引用影響半徑數(shù)值如表4所示。

表4 影響半徑及引用影響半徑表

2.2.8 礦坑涌水量計(jì)算

根據(jù)公式和確定的參數(shù),對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 礦坑涌水量預(yù)測(cè)表

從表5可以看出,3種方法求得的滲透系數(shù)計(jì)算的礦坑涌水量差別并不大,在同一降深深度內(nèi),差值分別為2 904 m3/d和2 802 m3/d,誤差分別為5.9%和5.8%。最終由2個(gè)降深、3個(gè)滲透系數(shù)計(jì)算的最大降深平均涌水量為47 948 m3/d,最小降深平均涌水量為46 501 m3/d,從而得知由于承壓水頭高,在抽水孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí),水頭損失并不明顯,同時(shí)也說(shuō)明該礦床礦坑涌水量較大。

3 地下水?dāng)?shù)值模擬預(yù)測(cè)礦坑涌水量

抽水試驗(yàn)得到了很多的滲透系數(shù)值,在以上工作的基礎(chǔ)上結(jié)合前人工作資料,對(duì)該礦床的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析,初步分析了地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄,對(duì)水文地質(zhì)單元進(jìn)行了詳細(xì)劃分,建立三維可視化地下水模型。

3.1 水文地質(zhì)概念模型

3.1.1 研究區(qū)范圍

以某礦區(qū)所在地為凹陷盆地作為一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元,以第四系松散沉積物與白堊系基巖為分界線(xiàn),模型范圍確定了一個(gè)水文地質(zhì)單元,礦床位于模型范圍的中部,避免邊界條件在計(jì)算中對(duì)結(jié)果的影響。

3.1.2 水文地質(zhì)條件概化

將研究區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行逐一分析,對(duì)水文地質(zhì)條件中的含水層結(jié)構(gòu)、地下水徑流及動(dòng)態(tài)特征、模型邊界條件等進(jìn)行確定。

(1)含水層結(jié)構(gòu)。模擬的深度以研究區(qū)所得的鉆孔深度為參考,結(jié)合DEM提取標(biāo)高確定,礦區(qū)的開(kāi)采深度約在地下500 m。含水層水平方向不再分層,含水層結(jié)構(gòu)垂向上分為上下兩層,第一層含水少,砂體含量少;第二層為主要含礦含水層,從模型角度分析主要含水層的滲透系數(shù)大于第一層,地下水垂向流動(dòng)速度相比于第二層中的地下水流動(dòng)速度差2個(gè)數(shù)量級(jí)。研究區(qū)含水層受構(gòu)造影響,導(dǎo)水構(gòu)造對(duì)含水層的影響很大,故在模型中將構(gòu)造影響加入計(jì)算中。含水層結(jié)構(gòu)在三維地下水模型中概化為兩層,見(jiàn)圖4,地下水的垂向運(yùn)動(dòng)速度比水平運(yùn)動(dòng)速度低2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖4 含水層結(jié)構(gòu)圖

(2)地下水徑流及動(dòng)態(tài)特征。地下水徑流方向?yàn)楸睎|至南西方向流動(dòng),受水文地質(zhì)單元地理?xiàng)l件影響,有一定的側(cè)向補(bǔ)給來(lái)源。北東方向?yàn)檠a(bǔ)給來(lái)源,南西為排泄方向,由于構(gòu)造影響,上下兩層在構(gòu)造發(fā)育位置存在一定的水力聯(lián)系。

(3)模型邊界條件。在側(cè)向上,北部是宗乃山-沙拉扎山隆起區(qū),為地下水的補(bǔ)給區(qū),因此北部邊界可作為流入邊界;南部為巴音諾爾公隆起,東部由那仁哈拉凸起和畢級(jí)耳臺(tái)凸起相隔成半封閉狀,作為隔水邊界或者弱透水邊界;西部為巴丹吉林沙漠,可作為隔水邊界,如圖5所示。

圖5 模型邊界劃分三維圖

3.2 地下水流數(shù)值模擬

3.2.1 地下水的數(shù)學(xué)模型

承壓含水層在進(jìn)行礦井排水時(shí),地下水會(huì)由承壓水變?yōu)闈撍?首先承壓水可用式(5)控制方程描述為

(5)

式(5)中:Ss為貯水率,1/m;H為承壓含水層的水位標(biāo)高,m;Kx、Ky、Kz分別為水平和垂向滲透系數(shù),m/d;ε為含水層的源匯項(xiàng),1/d。

潛水可用式(6)控制方程描述為

(6)

式(6)中:S為貯水系數(shù);h為承壓含水層的水位標(biāo)高,m。

3.2.2 模擬計(jì)算軟件

1)模型網(wǎng)格剖分

本次研究區(qū)的范圍為礦床勘探區(qū)域,根據(jù)GMS數(shù)值模擬軟件要求對(duì)研究區(qū)進(jìn)行矩形網(wǎng)格剖分,初步確定在平面上進(jìn)行正方形網(wǎng)格剖分,礦區(qū)作為典型重點(diǎn)研究地段,可采用局部加密技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行局部加密,見(jiàn)圖6。網(wǎng)格剖分以200×200尺度進(jìn)行,剖分后對(duì)某礦床研究區(qū)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密,即對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

圖6 三維水文地質(zhì)模型網(wǎng)格剖分示意圖

2)水文地質(zhì)參數(shù)

用于該模型的水文地質(zhì)參數(shù)主要是承壓含水層的滲透系數(shù)(包括水平滲透系數(shù)和垂向滲透系數(shù))和儲(chǔ)水系數(shù)。水文地質(zhì)參數(shù)的表示包括空間位置和參數(shù)值,空間位置可用Shape格式中的線(xiàn)或面給出,水平滲透系數(shù)和儲(chǔ)水系數(shù)參照前人的工作成果以及本次工作鉆孔的抽水試驗(yàn)計(jì)算得到初值以及礦區(qū)環(huán)境條件。建模時(shí)將得到的初值根據(jù)礦坑環(huán)境條件進(jìn)行參數(shù)分區(qū),然后通過(guò)水位擬合進(jìn)行參數(shù)識(shí)別,參數(shù)調(diào)整時(shí)考慮到了構(gòu)造影響,在構(gòu)造發(fā)育位置對(duì)透水構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)刻畫(huà),見(jiàn)圖7,最后對(duì)各分區(qū)的識(shí)別參數(shù)值進(jìn)行確定。

圖7 水文地質(zhì)滲透系數(shù)分區(qū)圖

3)源匯項(xiàng)確定

根據(jù)地下水補(bǔ)徑排條件,確定地下水均衡要素,并采用相應(yīng)計(jì)算公式,研究區(qū)承壓含水層的補(bǔ)給量為側(cè)向流入量,根據(jù)各層地下水位等值線(xiàn),用達(dá)西斷面法求各邊界流入量初值,并通過(guò)模型進(jìn)行校正。研究區(qū)承壓含水層的地下水排泄量主要如下。①斷層排泄:先根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件估測(cè)一個(gè)初值,然后通過(guò)代入模型進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證;②礦井抽水排泄:通過(guò)識(shí)別驗(yàn)證后的模型進(jìn)行逆運(yùn)算。

4)模型檢測(cè)

調(diào)參過(guò)程中對(duì)于研究區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行不斷修正,達(dá)到水位線(xiàn)與觀測(cè)值基本吻合,經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)對(duì)比以后確定,通過(guò)圖8最終可以看出模型經(jīng)過(guò)10階段調(diào)參后,模擬的東部等水位線(xiàn)水力梯度與觀測(cè)值基本吻合,地下水模擬流場(chǎng)的西部位置流場(chǎng)與觀測(cè)值亦基本吻合,地下水的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和觀測(cè)值基本一致,誤差較小。

圖8 第10階段調(diào)參后等水位線(xiàn)圖

5)涌水量預(yù)測(cè)

對(duì)調(diào)參后基本吻合地下水觀測(cè)值的水文地質(zhì)模型進(jìn)行降深運(yùn)算,逐步得到涌水量數(shù)值,涌水量計(jì)算在模型中進(jìn)行,抽水量通過(guò)逐步分析得到。涌水量計(jì)算數(shù)值通過(guò)數(shù)次計(jì)算得到,僅展示計(jì)算變化比較大的圖件,圖件數(shù)與實(shí)際計(jì)算次數(shù)比例約為1∶20。在模型調(diào)參過(guò)程中導(dǎo)出礦體模型,將礦體模型輸入了GMS軟件中,對(duì)礦體和水文地質(zhì)模型關(guān)系進(jìn)行分析,從而更形象地得到礦體與含水層的關(guān)系,如圖9所示。

圖9 礦體與水文地質(zhì)三維模型關(guān)系圖

如圖9所示的礦體位置可以看出礦體的一部分處于含水層中,另一部分不在含水層中,屬于非滲透性礦體,理清了礦體和含水層的關(guān)系后,進(jìn)一步對(duì)涌水量數(shù)值進(jìn)行確定。

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)參,模型運(yùn)行多次后,對(duì)模型運(yùn)行和計(jì)算結(jié)果分析后得到了礦床開(kāi)采時(shí)的涌水量數(shù)值,調(diào)參數(shù)過(guò)程中確定了涌水量數(shù)值范圍在26 000～43 000 m3/d。在第11次進(jìn)行涌水量數(shù)值32 000 m3/d輸入后,含礦含水層的等水位線(xiàn)疏干形態(tài)幾乎覆蓋了整個(gè)模型的東部區(qū)域,此時(shí)在三維圖(圖10)中可以看出在礦床位置第一層含水層和第二層含礦含水層的疏干范圍都覆蓋了礦床,第二層滿(mǎn)足礦床的范圍處于完全疏干的狀態(tài),由于構(gòu)造影響,第二層構(gòu)造位置也有一定的疏干,符合地下水與構(gòu)造有水力聯(lián)系的實(shí)際情況,確定礦床開(kāi)采時(shí)的涌水量為32 000 m3/d。

圖10 涌水量計(jì)算第11次輸入后含礦含水層底板等水位線(xiàn)三維圖

4 結(jié)果對(duì)比評(píng)價(jià)

通過(guò)大井法預(yù)測(cè)的礦坑最大降深平均涌水量為47 948 m3/d,最小降深平均涌水量為46 501 m3/d;GMS軟件預(yù)測(cè)的平均礦坑涌水量為32 000 m3/d,最大涌水量為38 000 m3/d。兩種方法預(yù)測(cè)的礦坑涌水量有所差異,大井法預(yù)測(cè)公式是在含水層水平、等厚、均質(zhì)等嚴(yán)格條件下推導(dǎo)出的,礦山實(shí)際上很難完全滿(mǎn)足公式的前提條件,因而其預(yù)測(cè)結(jié)果將會(huì)與偏大,但也提高了一定范圍的參考。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)測(cè)精度高,已經(jīng)被大量應(yīng)用于各個(gè)方面,而且此次對(duì)該礦坑水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的收集較為全面,因此由數(shù)值模擬得出的參考范圍將會(huì)更精確。兩種預(yù)測(cè)方法相結(jié)合,互相補(bǔ)充驗(yàn)證,為實(shí)際的礦坑涌水量提供了有力的參考。

5 結(jié)論

(1)礦坑涌水量隨礦坑開(kāi)拓面積的擴(kuò)大而增加,單一預(yù)測(cè)方法所建立的模型存在預(yù)測(cè)精度不高、誤差大的問(wèn)題,且其適應(yīng)范圍窄, 大井法預(yù)測(cè)公式是在嚴(yán)格條件下推導(dǎo)出來(lái)的,其預(yù)測(cè)結(jié)果偏大;數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)精度高,由該方法得出的數(shù)據(jù)將會(huì)比大井法得出的數(shù)據(jù)范圍小且更為精確。

(2)在計(jì)算礦坑涌水量的過(guò)程中,大井法和GMS數(shù)值模擬法兩種預(yù)測(cè)方法相互補(bǔ)充驗(yàn)證,得出該礦坑涌水量的大范圍和小范圍預(yù)測(cè)值,計(jì)算得到的礦坑涌水量更加可靠,可為實(shí)際開(kāi)采礦坑時(shí)涌水量數(shù)值提供精確范圍的參考。通過(guò)雙重預(yù)測(cè)方法的結(jié)果表明該礦床礦坑涌水量較大,研究成果將為開(kāi)采礦山提供技術(shù)支撐。