基于数值法的控矿构造带矿坑涌水量预测研究

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　　摘  要：焦家断裂带金矿密集，相邻矿山开采相互干扰明显，单一矿坑的涌水量研究工作已经不能满足矿山生产需求。通过建立多矿山联合开采的焦家控矿构造带地下水流数值模型，模拟预测干扰开采条件下不同开采中段的矿坑涌水量及随时间的变化规律，为矿山开采制定防治水方案提供依据。模型中采用barrier障碍边界模拟控矿构造阻水带对地下水水平流的阻碍作用，在传统水位及观测孔拟合的基础上，进行矿坑涌水量拟合校正，进一步提高模型模拟精度。
　　关键词：焦家断裂;数值模拟;矿坑涌水;矿山联合开采;GMS
　　中图分类号：P641.4+1 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）11-0117-03
　　Abstract： The gold deposits in Jiaojia fault zone are dense， and the mining of adjacent mines interferes with each other obviously. The research work of water inrush from a single mine can no longer meet the needs of mine production. By establishing a numerical model of groundwater flow in Jiaojia ore-controlling structural zone of multi-mine joint mining， the water inflow of pits in different mining sections under disturbed mining conditions and its variation with time are simulated and predicted. It provides the basis for the formulation of water prevention and control scheme in mining. In the model， the barrier boundary is used to simulate the hindrance of the ore-controlling structural water blocking zone to the horizontal flow of groundwater. On the basis of the traditional water level and observation hole fitting， the mine water inflow is fitted and corrected， and the simulation accuracy of the model is further improved.
　　Keywords： Jiaojia fault; numerical simulation; mine water gushing; combined mining; GMS
　　1 研究背景
　　矿坑涌水是困扰矿山开采的重要隐患[1]，矿坑涌水量预测是矿山开采的先行步骤和必要环节，可为矿山开采设计中制定防、治水方案提供重要依据[2]。
　　对于开采条件较简单的单个矿区，涌水量预测多采用水文地质比拟法[3]、大井法[4]、水均衡法[5]、涌水量曲线方程法[6]、基于裘布依稳定井流理论的解析法以及数值法[7]。本文采用数值法进行焦家控矿构造带矿坑水模拟研究。采用国际通用的可视化软件GMS（Groundwater Modeling System）[8]，建立焦家控矿构造带地下水流数值模型，预测矿山联合开采条件下不同时段、不同开采深度的矿坑涌水量，为后期矿山开采提供技术指导。
　　2 研究区概况
　　焦家断裂带位于烟台莱州市境内，南邻青岛，东接威海。大地构造位置位于沂沭断裂带北段东侧，胶北隆起西缘，南接胶莱凹陷。焦家断裂带属压扭性断裂带，走向10°～30°，倾向北西，倾角29°～56°，规模较大，影响范围较广，不仅控制着金矿体的分布与埋藏，同时也控制着地下水的富集、运移及水力特性。
　　断裂带中间部位分布连续的断层泥和两侧的碎裂岩具有良好的隔水性。断裂带两侧受构造影响，构造裂隙发育，是地下水赋存和运动的有利场所，是较好的富水部位。下盘的基岩构造裂隙含水层（带）是矿坑充水的直接含水层，也是金矿体的主要赋存部位。顶部为分布比较连续的隔水带，下部是以二长花岗岩为主体的隔水底板，与其它含水层之间的水力联系较弱。
　　3 水文地质概念模型
　　3.1 模型范围及边界条件
　　根据断裂带及附近区域的水文地質条件，确定模型范围及边界条件：北部边界为海岸线，设为定水头边界。南部边界为米山-金华山形成的天然地下水分水岭，设定为流量边界。东西部边界分别为诸流河和朱桥河，设为定水头边界。
　　3.2 断裂带水力性质概化
　　在模拟区中部地区北东-西南向断裂发育，主断裂中心发育有连续稳定主裂面，两侧为碎裂岩，该部位导水性和富水性很差，阻水性强，对地下水流具有控制和阻碍作用。采用MODFLOW模块下的barrier障碍边界对断层进行处理。
　　3.3 地下水流动系统概化
　　矿坑地下水流从空间上看是以垂向运动为主、水平运动为辅，地下水为三维地下水流。地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，地下水系统为非稳定的分布参数系统。地下水系统参数、补排项随空间变化，体现了系统的非均质性，所以参数概化为非均质各向同性。
　　综上所述，将研究区地下水系统概化成非均质各向同性、空间双层结构、非稳定流三维地下水流系统。 　　4 地下水流数值模型
　　4.1 数学模型
　　对研究区的地下水系统进行抽象概化，在建立水文地质概念模型的基础上，进一步转化为数学模型。根据Darcy定律、质量守恒定律以及能量守恒定律，并且不考虑水密度变化的情况下，得到地下水流动偏微分方程：
　　式中：Kxx，Kyy，Kzz-渗透系数在x，y，z方向上的分量，我们假定渗透系数的主轴方向与坐标轴的方向一致，量纲为（LT-1）;h-含水层的水位标高（L）;W-单位体积流量（T-1），用以代表流进汇或来自源的水量;Ss-对非承压含水层为给水度，对承压含水层为贮水率（L-1）;t-时间（T）。
　　4.2 地下水流模拟
　　4.2.1 空间剖分
　　根据研究区域大小及计算精度要求，在平面上将研究区剖分为60行×60列，垂向上分为第四系含水层和构造裂隙含水层两层。其中第一层第四系含水层有效单元642个，第二层构造基岩裂隙含水层有效单元1641个。
　　4.2.2 时间离散和初始条件的确定
　　模拟期确定为2015年1月1日～2016年12月30日，将每个自然月作为一个应力期，共24个应力期。在建立拟合期初始流场时采用各含水层水井水位标高及各长观孔的初始水位标高，然后值赋给模型参与迭代计算。
　　4.2.3 源汇项的处理
　　对源汇项的处理，主要包括两大类。一类是以含水层面状补给率的形式给出，如降水入渗补给;另一类是以点井的形式给出，如矿坑排水、山前侧向径流、河流渗流补给等。这两类源汇项均分配在活动单元格上参与计算。
　　4.3 模型的识别与验证
　　4.3.1 观测孔拟合
　　通过反复调整参数和均衡量，识别水文地质条件，确定模型结构、参数和均衡要素。选取有代表性的观测点进行拟合，计算各拟合点计算水位与观测水位的绝对误差在0.2～0.4之间。
　　长观孔拟合曲线图中圆点为预测值，倒三角为长观孔的实际值。由拟合结果可知，大部分拟合点的平均绝对误差小于0.5m，所建立的模型满足模拟精度要求。
　　4.3.2 矿坑涌水量拟合
　　为进一步提高模型可靠性，提高矿坑涌水量预测精度，本次通过以往大量的涌水量观测数据，对矿区开拓巷道水平的实际涌水量与预测涌水量进行拟合对比（表1）。由拟合结果可知，矿坑涌水量计算值相对误差小于1.7%，拟合效果较为理想。
　　表1 各矿区涌水量拟合对比表（单位m3/d）
　　综上所述，所建立的地下水流数值模型符合研究区水文地质条件，基本反映了地下水系统的动态及涌水量变化特征，故可利用模型进行地下水水位、水量的预测预报。
　　5 矿坑涌水量预测
　　5.1 涌水量预测模型
　　本次矿坑涌水量预测分为两部分：一是不同开采中段涌水量预测;二是各个开采中段涌水量随时间的动态变化趋势预测。针对以上两种需求，将源汇项中的矿坑涌水量用排水沟的形式表达，排水底板標高设置为要预测涌水量的开采水平，模拟矿井随开采深度的增加涌水量动态变化趋势。
　　5.2 不同开采中段涌水量预测
　　在当前矿井开采深度的基础上，考虑未来开采深度不断加大条件下，预测不同开采中段矿坑涌水量（图2）。预测成果表明，随着开采深度的增加，各矿区涌水量随之增加，增幅有差异。开采至-2000中段，新城矿区、焦家矿区、寺庄矿区及望儿山矿区涌水量分别达到4565m3/d、29034m3/d、21140m3/d、45803m3/d，其中望儿山矿区的涌水量最大，新城矿区的涌水量最小，增加幅度也最小。
　　图2 各矿区不同开采中段预测涌水量曲线
　　可见，随着金矿的开采，矿坑涌水量将成为制约矿山开采的重要因素。矿山生产过程中宜根据不同开采中段的涌水量制定相应的防、治水措施，确保安全生产。
　　5.3 涌水量动态变化预测
　　假定5年开采一个水平中段，20年可以开采4个水平中段，利用上述地下水流数值模型对焦家成矿带开展未来20年开采这4个水平的变化趋势进行预测，图3为焦家矿区最后一个中段涌水量动态预测结果。
　　由涌水量预测动态曲线图可见，各矿区的涌水量季节性变化明显，总体夏季呈上升趋势，冬季呈下降趋势。涌水量总体在某一固定值附近波动，最后趋于水平，说明随着开采的进行涌水量最终趋于稳定值。
　　6 结论
　　（1）联合开采条件下，焦家控矿构造带矿坑涌水量开采至-2000中段，新城金矿、焦家金矿、寺庄金矿、望儿山金矿矿坑涌水量将分别达到4565m3/d、29034m3/d、21140m3/d、45803m3/d。
　　（2）受河流通过导水断裂对矿坑水的补给作用影响，寺庄矿坑涌水量随季节性变化不明显，涌水量较为稳定。其它矿区矿坑涌水量具有明显的季节变化特征，随着矿山的开采，需根据涌水量变化特征及时调整疏干排水方案。
　　（3）barrier障碍边界在处理控矿构造阻水带对地下水水平流的阻碍作用方面，模拟效果良好。通过矿坑涌水量拟合校正，提高模型预测的准确性。
　　参考文献：
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　　[8]贺国平，张彤，赵月芬，等.GMS数值建模方法研究综述[J].地下水，2007（03）：32-35+38.
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