趙 雷 侯克鵬 者亞雷 何全松 何 平

（1.云南磷化集團(tuán)有限公司尖山磷礦分公司；2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院）

露天開采雖然礦體埋藏較淺，但由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜，開采范圍處于含水層異常發(fā)育區(qū)域，礦坑日涌水量可達(dá)上萬立方，導(dǎo)致露天開采深受水患的影響。邊坡穩(wěn)定性、地下水資源遭到破壞，治水成本高，治水與采礦活動難以和諧處理等問題時常困擾著露天大水礦床的開采。礦區(qū)滲流場的準(zhǔn)確分析和涌水量預(yù)測是治水方案制定的前提以及治水效果好壞的保障［1-3］。

我國對露天大水礦床的相關(guān)研究起步較早，自1950 年以來，國內(nèi)便開始了大水礦床的開采及研究工作，在研究初期，由于技術(shù)條件的限制，研究方法較為單一，主要是基于礦山地質(zhì)資料，推算礦區(qū)的涌水量。林嵐等［4］在建立水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上，分別計算了疏干和不疏干情況下研究區(qū)的水量和水位，進(jìn)而分析疏干排水對區(qū)域水資源的影響；李響［5］利用礦區(qū)長年排水觀測資料，采用比擬法對礦坑地下水涌入量進(jìn)行了預(yù)測，提出了礦坑疏干排水應(yīng)立足于坑排及井排的方式。王衛(wèi)衛(wèi)［6］通過計算礦床疏干水量、采坑排水量和地面防水量，提出了適應(yīng)于該區(qū)露天礦防治水工程的詳細(xì)方案，并進(jìn)行了工程量測算。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，統(tǒng)計分析、數(shù)值模擬等手段在露天大水礦床的研究中越來越廣［7-9］。熊鵬等［10］利用Visual Modflows 數(shù)值模擬軟件對剛果（金）迪茲瓦露天礦地下水流場分布進(jìn)行了模擬，分別預(yù)測了礦區(qū)開采第3年、第6年、第10年的平均涌水量，同時對不同季節(jié)的涌水量也進(jìn)行了研究；趙研等［11］采用GMS 數(shù)值模擬軟件對撫順西礦地下水涌水量進(jìn)行了預(yù)測，同時提出了排水井布置方案；李孝朋等［12］基于回歸分析原理，研究了采區(qū)面積、采厚等因素對礦井涌水量的影響，得到了礦井涌水量的非線性預(yù)測公式。

上述研究表明，數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為露天大水礦床涌水量預(yù)測與分析的有效手段，能夠?yàn)楦黝惵短齑笏V山涌水量預(yù)測提供參考。因此，本文結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，應(yīng)用目前國際上最受歡迎的地下水模擬軟件GMS，對礦區(qū)地下水進(jìn)行模擬對礦坑涌水量預(yù)測，同時研究帷幕不同布置方式條件下的防治水效果。

1 礦床開采條件概況

尖山磷礦礦區(qū)巖體為湖相沉積巖，層狀構(gòu)造，工程巖體相對穩(wěn)定，開采過程中東采區(qū)采場逐漸形成一陡傾向外的順層巖坡，近東西向傾向北，產(chǎn)狀351°∠46°，隨山形向東、西兩側(cè)逐漸降低。自1 910 m 以下，礦體傾角變緩（8°～12°）。據(jù)已有水文地質(zhì)資料，尖山磷礦地下水位標(biāo)高1 910 m，現(xiàn)已經(jīng)開采至地下水位下，涌水量較大，坑內(nèi)已形成多個積水塘，由于采場內(nèi)水不能外排，礦山在生產(chǎn)過程中，為了采礦作業(yè)正常生產(chǎn)，將水在礦區(qū)內(nèi)各水塘間進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，最大積水塘水量約137 萬m3。隨著開采深度的延伸，礦坑涌水量會逐步增大，對采礦影響較大。因此，為解決該礦水患問題，保證采礦生產(chǎn)的正常運(yùn)行，有必要開展礦區(qū)開采滲流場分析及防治水方案的研究工作。

2 滲流場模型的建立及分析

由于礦山西部礦界和南部礦界為過水流量邊界，需為后繼礦區(qū)數(shù)值模擬提供該2條邊界的流量依據(jù)，故遵循“區(qū)域—礦區(qū)”的思路，先進(jìn)行區(qū)域滲流場的模擬。

2.1 區(qū)域滲流場模擬

本次模擬范圍北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)至區(qū)域地下水分水嶺，東側(cè)至滇池湖岸，東北側(cè)至螳螂川上游?？诤樱M區(qū)面積100 km2。

邊界條件的概化處理對于數(shù)值模型的建立和計算具有至關(guān)重要的作用，合理的邊界條件概化能夠減小模型的復(fù)雜程度，提高計算精度。通常情況下，地下水位受周邊環(huán)境變化影響較大，一旦周邊環(huán)境發(fā)生較大變化，地下水的流量和其他參數(shù)均會發(fā)生較大變化。因此，為了準(zhǔn)確地預(yù)測地下水的流量，研究外部條件變化對地下水位的影響，需要根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，對邊界條件進(jìn)行合理概化。

對于滲流場邊界條件的處理，通常進(jìn)行如下3類概化處理：第一類，當(dāng)模擬區(qū)域的邊界兩側(cè)水量互不交換，邊界條件可為定水頭邊界；第二類，當(dāng)模擬區(qū)域范圍內(nèi)的地下水流量以一定規(guī)則變化時，邊界條件為定流量邊界，如果地下水水位等值線垂直于邊界上，邊界左、右不發(fā)生水量交換，邊界為零流量邊界；第三類，模擬區(qū)域邊界地帶的水頭和水流量之間滿足線性聯(lián)系，此時邊界條件稱為混合邊界。

根據(jù)礦區(qū)以往區(qū)域水文地質(zhì)工作，結(jié)合本次水文地質(zhì)勘探成果，將模型北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)邊界概化零流量邊界；東側(cè)概化定水頭邊界，水頭取滇池水位1 886 m；東北側(cè)?？诤痈呕癁槎ㄋ^邊界，水頭取河床底部標(biāo)高（1 883～1 886 m）。

根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，結(jié)合地層巖性組合和地下水賦存條件，將模擬區(qū)內(nèi)含水層結(jié)構(gòu)概化4層，分別為礦層頂板含水層組、賦礦層含水層、礦層底板寒武系下統(tǒng)梅樹村組第一段（?1m1）巖溶裂隙水含水層和礦層間接底板震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbdn）巖溶裂隙水含水層。因賦礦層與礦層頂板含水層組之間有寒武系下統(tǒng)筇竹寺組（?1q）及梅樹村組第三段（?1m3）相對隔水層，其巖性以頁巖、泥巖為主，2 個含水層組之間水力聯(lián)系較弱。寒武系梅樹村組第一段和震旦系燈影組，巖性主要為白云巖，巖性相近，其間無較穩(wěn)定的隔水層，兩者之間水力聯(lián)系較為緊密。

模擬區(qū)潛水、承壓水含水層主要接受大氣降水補(bǔ)給，主要排泄方式為蒸發(fā)排泄、人工排泄和由模型東部、東北部邊界（滇池、?？诤樱┑膫?cè)向徑流排泄。其中，人工排泄量為目前礦山露采采礦的排水量。

綜上所述，從空間上看，模擬區(qū)地下水流整體上以水平運(yùn)動為主、垂向運(yùn)動為輔，地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。在常溫常壓下地下水運(yùn)動符合達(dá)西定律。考慮2 個相鄰含水層之間的水量交換以及軟件的特點(diǎn)，地下水運(yùn)動可以概化為空間三維流。地下水系統(tǒng)的垂向運(yùn)動是由層間水頭差異引起的，輸入輸出隨時間、空間變化，故地下水為穩(wěn)定流，且參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性；在水平方向上，參數(shù)沒明顯的方向性，可視為各向同性。垂直方向與水平方向有一定差異。將模擬區(qū)地下水系統(tǒng)概念模型概化為非均質(zhì)各向同性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

水文地質(zhì)參數(shù)是表征含水層各項性能的指標(biāo)。計算模型中需要輸入的主要參數(shù)有滲透系數(shù)K、貯水系數(shù)或給水度。根據(jù)確定的水文地質(zhì)單元內(nèi)不同含水巖組的實(shí)際情況，驗(yàn)值、礦區(qū)各階段地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探研成果，確定不同含水層的參數(shù)分區(qū)，共分為6 個參數(shù)區(qū)，不同參數(shù)分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)初始值及分區(qū)位置關(guān)系分別如表1和圖1所示。

本次模擬選取5個泉點(diǎn)作為校驗(yàn)點(diǎn)，校驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)及水位如表2所示，極差為0.5 m，置信度為95%。

通過擬合每個觀測點(diǎn)，區(qū)域流場模擬結(jié)果見圖2，校驗(yàn)后的分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)值如表3所示。

通過模型識別，得出模擬區(qū)地下水水量均衡結(jié)果（表4）。可以看出，模擬區(qū)范圍內(nèi)補(bǔ)給資源總量101 662.10 m3/d；排泄資源總量101 476.2 m3/d，其中蒸發(fā)排泄量4 308.75 m3/d，采礦人工排泄總量42 042.49 m3/d，滇池及?？诤觽?cè)向邊界流出總量55 124.93 m3/d。根據(jù)計算，模擬區(qū)內(nèi)地下水水量補(bǔ)排基本平衡，且人工排泄量接近與目前采坑實(shí)際情況，說明模型能夠基本反映實(shí)際水文地質(zhì)條件。

從模擬流場圖2 可以看出，區(qū)域地下水的徑流方向總體自西向東徑流，最高水位在西部分水嶺，約2 040 m，向本區(qū)域最低排泄面滇池及?？诤优判?。在礦坑目前開采水平1 890 m 情況下，礦區(qū)范圍內(nèi)形成了一個最低水位為1 890 m的降落漏斗。其東北側(cè)存在一最高水位約1 915 m 的次級分水嶺，地下水向東、向北自然徑流入最低排泄面，向南西匯流入采坑。

從地下水流場擬合結(jié)果和水均衡情況分析來看，所建立的模型符合實(shí)際水文地質(zhì)條件，區(qū)域數(shù)值模型可為后繼礦區(qū)水文地質(zhì)模型提供依據(jù)。

2.2 礦區(qū)滲流場模擬

在GMS 中提供3 種方法用以建立MODFLOW 地下水?dāng)?shù)值模擬的模型，分別為直接建模法、概念模型法和實(shí)體模型法。本次模擬在區(qū)域上采用概念模型建模方法，對于礦區(qū)，由于已積累大量勘探鉆孔的資料，采用實(shí)體模型法更為有效。先通過鉆孔資料建立礦區(qū)的地質(zhì)實(shí)體模型，再將實(shí)體模型轉(zhuǎn)成水文地質(zhì)模型，加上對應(yīng)的邊界條件，進(jìn)行模擬和計算。

本次礦區(qū)模擬范圍東部至滇池湖岸，北側(cè)至?？诤?，西側(cè)及南側(cè)至礦山礦界，模擬區(qū)面積約11.02 km2。根據(jù)礦區(qū)地層資料，將礦區(qū)地層概化為礦層頂板巖層組、梅樹村組第二段賦礦層、礦層底板寒武系下統(tǒng)梅樹村組第一段和礦層間接底板震旦系上統(tǒng)燈影組等4個材料。

將礦區(qū)45 條地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探線上182 個鉆孔的點(diǎn)位、標(biāo)高、地層分層厚度等輸入模型，通過模型自動剖分剖面、人工核查修改，再經(jīng)過剖面填充形成礦區(qū)的地質(zhì)實(shí)體模型，如圖3所示。

其模擬范圍與礦區(qū)地質(zhì)實(shí)體模型范圍一致，2 處礦界為第二類邊界（流量邊界），據(jù)區(qū)域滲流模擬，西側(cè)邊界流量為15 000 m3/d，南側(cè)流量為50 000 m3/d。地質(zhì)模型中東側(cè)滇池岸及北側(cè)?？诤尤砸缘谝活惗ㄋ^邊界處理，滇池水位取1 886 m，?？诤铀^取河床底部標(biāo)高（1 883～1 886 m）。

模擬范圍內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給項為大氣降水入滲、地下水的側(cè)向補(bǔ)給量；主要排泄項有潛水蒸發(fā)、礦山露采采坑的人工排水等。西側(cè)邊界側(cè)向補(bǔ)給量為15 000 m3/d，南側(cè)邊界側(cè)向補(bǔ)給量為50 000 m3/d；人工排泄量亦用排水溝（drain）方式處理。

通過模型識別，得出模擬區(qū)地下水水量均衡結(jié)果（表5）?？梢钥闯?，模擬區(qū)范圍內(nèi)補(bǔ)給資源總量138 728.8 m3/d；排泄資源總量138 667.98 m3/d，其中蒸發(fā)排泄量2 137.50 m3/d，采礦人工排泄總量40 559.96 m3/d，滇池及海口河側(cè)向邊界流出總量95 970.52 m3/d。根據(jù)計算，模擬區(qū)內(nèi)地下水水量補(bǔ)排基本平衡，且人工排泄量接近與區(qū)域滲流模擬結(jié)果，表明模型能夠基本反映實(shí)際水文地質(zhì)條件。

以開采至1 890 m水平地下水滲流場作為初始流場，僅考慮向下采礦的影響，調(diào)整所建礦區(qū)水文地質(zhì)模型中排水溝（drain）底部至1 880 m，模型其他條件不變，可預(yù)測開采至1 880 m 水平地下水滲流場。依次類推，按1 個中段10 m，以上中段開采后的流場預(yù)測下中段的流場。預(yù)測開采至最深中段1 840 m時滲流場情況，計算結(jié)果見圖4。

隨著礦山開采向下部進(jìn)行，人工疏排水會在采坑周圍一定范圍內(nèi)形成地下水的降落漏斗。但開采至1 880 m流場和開采至1 890 m流場相差不大，從開采至1 870 m 以下中段地下水位下降明顯，且初始北西側(cè)地下水向礦坑滲流疏干較快，地下水位下降明顯；開采至1 850 m 以下采坑?xùn)|部地下水水位下降才較為顯現(xiàn)。

開采至1 840 m 水平，滇池至采坑之間最高水位為1 890 m，形成一較寬的地下水平臺，其僅比滇池正常水位（1 886 m）高4 m，比滇池控制高水位（1 887.5 m）高2.5 m，水位已比較接近。采坑至滇池距離約3 km，水力梯度僅為0.000 83～0.001 3?？紤]到南側(cè)礦界邊界為一流量補(bǔ)給邊界，若地下水上游因干旱等補(bǔ)給量減少，可能會造成滇池和采坑之間的水位會更低。因此，不排除有滇池水倒灌入礦坑的危險性。

通過模型計算各開采中段的礦坑涌水量見表6，隨著開采深度的增加，涌水量逐漸增大，目前礦山采用抽排水方式進(jìn)行積水治理，耗時費(fèi)力尚且能夠達(dá)到開采條件，顯而易見后期采用單一的抽排水方式將不能滿足治水要求，建議采用帷幕注漿的方式對采坑積水進(jìn)行治理。

3 帷幕防治水模擬

以開采至1 890 m水平地下水滲流場作為初始流場，采用已校驗(yàn)好的礦區(qū)水文地質(zhì)模型，其中增加障礙（barrier）模擬堵水帷幕，其障礙系數(shù)取0.001，模型其他參數(shù)與礦區(qū)水文地質(zhì)模型參數(shù)保持一致。

3.1 L型帷幕

為了對比不同注漿帷幕長度下的涌水量和流場變化規(guī)律，考慮30、50、70 m 長帷幕3 種工況，添加長度為70 m 的帷幕后，地下水滲流場見圖5，涌水量計算結(jié)果見表6。

由圖5 可以看出，以L 型帷幕進(jìn)行堵水治理時，地下水仍然以露天礦采坑底部為水位降落中心，水位整體呈漏斗狀降低，模擬區(qū)域內(nèi)滲流場形態(tài)均發(fā)生明顯變化。不同帷幕長度下注漿后的礦坑涌水量減少效果見表7。

由表7 可見，設(shè)置30、50 和70 m 帷幕下治水防治百分比分別為62.32%、81.56%和83.25%，相較于長度較大的50、70 m 帷幕，30 m 帷幕注漿后治水效果相對較差，后兩者防治百分比均較高，說明帷幕注漿可有效減小露天礦地下水涌水量，可為露天礦的正常生產(chǎn)提供重要保障。雖然長度為50、70 m 的L 型帷幕堵水效果較為明顯，但是帷幕設(shè)置后隨著上游地下水位抬升，東側(cè)出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，因此，在擬采區(qū)域東側(cè)、北側(cè)增加帷幕是降低繞流現(xiàn)象的有效手段。

3.2 圈閉型帷幕

為了對比不同帷幕類型的防治效果，仍考慮帷幕長度為30、50、70 m 3種工況，模擬與L 型帷幕參數(shù)相同的圈閉型帷幕的防治效果，添加長度為70 m 的圈閉型帷幕后，地下水滲流場如圖6 所示，涌水量計算結(jié)果見表8。

對比初始流場，長度為30 m 的圈閉型帷幕對流場基本沒改變。50、70 m 帷幕對流場改變明顯，且兩者流場差別不大。不同長度的圈閉型帷幕注漿后礦坑涌水量減少效果見表8。

由表8可知，圈閉型帷幕注漿后防治百分比均比L 型帷幕防治百分比要大，說明圈閉型帷幕防治效果更佳，尤其是50、70 m 帷幕堵水效果良好，同時，這2個工況下帷幕東側(cè)及北側(cè)水位抬升，增加了與滇池水位的高差，有利于防止滇池水回灌入礦坑。

4 結(jié)論

（1）區(qū)域滲流場模擬結(jié)果表明，區(qū)域地下水的徑流方向總體自西向東徑流，最高水位在西部分水嶺，約2 040 m，向本區(qū)域最低排泄面滇池及海口河排泄。在礦坑目前開采水平1 890 m 情況下，礦區(qū)范圍內(nèi)形成了最低水位1 890 m的一個降落漏斗。其東北側(cè)存在一最高水位約1 915 m的次級分水嶺，地下水向東、向北自然徑流入最低排泄面，向南西匯流入采坑。模擬區(qū)內(nèi)地下水水量補(bǔ)排基本平衡，且人工排泄量接近與目前采坑實(shí)際情況，說明模型能夠基本反映實(shí)際水文地質(zhì)條件。

（2）隨著礦體開采深度的增加，礦區(qū)涌水量逐漸增大，目前單一的抽排水方式將不能滿足治水要求，采用帷幕注漿對水患進(jìn)行治理具有明顯效果；當(dāng)帷幕長度為30 m 時，防治百分比達(dá)60%以上，具有較好的堵水帷幕效果。

（3）堵水帷幕的建立，能夠使礦區(qū)東側(cè)及北側(cè)水位抬升，增加了與滇池水位的高差，有利于防止滇池水回灌入礦坑；圈閉型帷幕布置形式較L型半封閉式帷幕堵水效果更好好，帷幕長度選取為50 m，堵水率可達(dá)80%以上。