野豬江礦礦坑涌水量的預(yù)測(cè)

李有光 藍(lán)俊康 陸海建

摘 要：野豬江礦區(qū)位于地形陡坡的半山腰之上，各平硐等均布置在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，礦體充水水源主要為基巖裂隙水（斷層蓄水、風(fēng)化裂隙水、構(gòu)造裂隙水），其含水介質(zhì)為泥盆系的砂巖、寒武系的砂巖與泥巖互層，主要充水含水層的富水性為弱——中。為了預(yù)測(cè)礦坑涌水量對(duì)未來采礦活動(dòng)的危害，利用抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)等方法來確定礦區(qū)含水層的滲透系數(shù)，然后采用耦合了達(dá)西流和非達(dá)西流于一體的GMS軟件進(jìn)行地下水流場(chǎng)三維數(shù)值模擬，運(yùn)用MODFLOW中的排水溝渠子程序包及河流子程序包來模擬沖溝，通過挖空單元體來模擬窿道的現(xiàn)狀分布和未來開采后逐年空間變化特征，根據(jù)計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)各礦坑在未來開采期間的涌水量。通過建立模型結(jié)果表明：各平窿口預(yù)測(cè)的正常涌水量與目前的實(shí)際觀測(cè)值較接近。根據(jù)涌水量的預(yù)測(cè)認(rèn)為，未來各主礦坑的涌水量均不大，對(duì)開采活動(dòng)不會(huì)構(gòu)成明顯影響。且本礦區(qū)各窿道均按內(nèi)高外低方式開挖，礦坑水可自然排泄，也無須特殊排水措施。

關(guān)鍵詞：礦坑涌水量；預(yù)測(cè)；數(shù)值模擬

目前，礦井礦坑涌水量的預(yù)測(cè)方法常見的有確定性分析法和不確定性分析法兩大類[1-5]。其中，確定性分析可分為水均衡法、數(shù)值法和解析法等，在我國礦坑涌水量預(yù)測(cè)普遍采用1973年引進(jìn)的數(shù)值分析法。隨著計(jì)算機(jī)普及，三維的數(shù)值模擬得到廣泛應(yīng)用，水文和地質(zhì)界的專家學(xué)者建立了對(duì)地下水三維模擬及其優(yōu)化模型進(jìn)行了深入研究和探索，獲得一些適用預(yù)測(cè)礦坑涌水量的模型[6]。當(dāng)前國際主流應(yīng)用專業(yè)軟件是FEFLOW[7]、Visual MODFOLW[8-9]和GMS[10-15]。其被廣泛應(yīng)用的是GMS軟件，該軟件界面可操作性強(qiáng)，具有優(yōu)良可視效果和強(qiáng)大前處理、后處理功能，得到人們一致認(rèn)可。

在礦山礦坑涌水量預(yù)測(cè)方面，數(shù)值模擬也做出巨大貢獻(xiàn)，我國應(yīng)用數(shù)值模擬比較典型的學(xué)者是，朱學(xué)愚等人在1983年使用數(shù)值模擬來預(yù)測(cè)湖南斗笠山煤礦裂隙巖溶水的礦井涌水量[16]；成建梅、陳崇希等人（2008年）根據(jù)折算滲透系數(shù)的概念并建立耦合達(dá)西流和非達(dá)西流于一體的巖溶管道-裂隙-孔隙三重介質(zhì)地下水模型，并利用該模型對(duì)廣西環(huán)江北山礦區(qū)巖溶含水系統(tǒng)進(jìn)行模擬[17]；2011年，宋業(yè)杰應(yīng)用GMS軟件預(yù)測(cè)陜北地區(qū)某礦采煤工作面的涌水量變化規(guī)律[13]。

野豬江鉛鋅礦位于廣西桂林市靈川縣大境鄉(xiāng)，屬于私營(yíng)獨(dú)資企業(yè)，已有多年的開采歷史，現(xiàn)因采礦證到期，為申請(qǐng)辦理延續(xù)采礦證服務(wù)年限和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，需進(jìn)行礦山水文地質(zhì)詳查，目的是查明研究區(qū)礦區(qū)的水文地質(zhì)條件[18]，預(yù)測(cè)在正常條件和暴雨條件礦坑涌水對(duì)未來采礦活動(dòng)的威脅。

1. 研究區(qū)的環(huán)境地質(zhì)特征

1.1 氣象水文

研究區(qū)屬亞熱帶向中亞熱帶過渡帶，受季風(fēng)環(huán)流影響明顯。年平均氣溫18.7℃，極端最低氣溫為-4.9℃，極端最高氣溫為38.5℃；年平均無霜期318天，據(jù)離礦區(qū)最近的潮田水文站記載，最大年降水量2271.8mm（2002年），多年平均雨量1980mm，年降雨量多集中在4～8月份，年均降雨天數(shù)70天～199天（圖1）。

研究區(qū)位于珠江水系中的西河（即恭城河左岸支流）河段上游。區(qū)內(nèi)的地表水系有野豬溪、畔江溪等2條小溪，它們?cè)谏侥_下（黃坭江村西）匯合，匯流后的河水繼續(xù)向南蜿蜒，流至恭城縣的西嶺河（又稱西河或恭城河），最終經(jīng)茶江流至廣東的珠江。

據(jù)研究調(diào)查期間測(cè)定，2014年1～12月野豬溪流量為0.20m3/s～0.48m3/s，畔江溪流量為0.23m3/s～0.53m3/s。

1.2 地形地貌

研究區(qū)內(nèi)屬于中低山剝蝕地貌，地形切割強(qiáng)烈，“V”字形溝谷發(fā)育，山腳下黃坭江村的地面高程為400.0m～500.0m，而研究區(qū)區(qū)內(nèi)最高峰的山頂標(biāo)高為1319.5m，切割深度達(dá)到700余米，礦區(qū)及周邊原始生態(tài)林木長(zhǎng)勢(shì)良好，植被茂密。

研究區(qū)的地勢(shì)大致呈西高東低的峽谷狀地形，山坡陡峻，各山頂標(biāo)高為700m～1100m，山下為峽谷，峽谷內(nèi)有地下水逸出形成的溪水（南面為野豬溪，北面為畔江溪），兩條溪流常年流水不斷，但流不大，且枯豐期流量變化不大，洪水期的流量與枯水期流量?jī)H相差1～1.5倍而已。兩條溪流在調(diào)查區(qū)的東部——山腳（標(biāo)高約550）處匯流。

1.3 地層巖性

研究區(qū)及附近出露主要地層有寒武系邊溪組（∈b）的第三段和第四段，泥盆系的郁江組（D2y）、那高嶺組（D1n）、蓮花山組（D1l），第四系殘坡積層（Q）。其中蓮花山組（D1l）與邊溪組（∈b）呈角度不整合接觸?，F(xiàn)由新至老簡(jiǎn)述如下：

1.3.1 寒武系邊溪組（∈b）

根據(jù)巖性、巖相可分為四段，在研究區(qū)出露的為第三段、第四段。第三段（∈b3）：巖性為中厚層——塊狀不等粒長(zhǎng)石巖屑、夾石英雜砂巖、巖屑石英雜砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、板巖、泥頁巖，厚度約818m；第四段（∈b4）巖性為上部灰黑頁巖、炭質(zhì)頁巖灰綠色石英雜砂巖，中部為灰綠色石英雜砂巖夾頁巖，下部為深灰色含泥礫、長(zhǎng)石石英砂巖、石英雜砂巖與黑色頁巖、炭質(zhì)泥巖互層，厚度約716m。

1.3.2 泥盆系

（a）中統(tǒng)郁江組（D2y）

主要分布于研究區(qū)的東北部，其上段為灰色薄層泥巖夾泥灰?guī)r，中段為灰綠色鈣質(zhì)泥巖與薄層至中層泥灰?guī)r互層，下段為灰色細(xì)砂巖夾薄層砂屑泥巖。

（b）下統(tǒng)那高嶺組（D1n）

主要分布于研究區(qū)東北部，巖性由細(xì)砂巖、粉砂巖夾頁巖、粉砂質(zhì)頁巖組成。

（c）下統(tǒng)蓮花山組（D1l）

主要分布于研究區(qū)中部和東北部，底部為礫巖，呈角度不整合覆蓋于寒武系之上。底礫巖之上以紫紅色淺灰色細(xì)砂巖為主，其次為細(xì)中粒砂巖、粉砂巖，中—厚層狀，厚度466m～660m。

1.3.3 第四系殘坡積層（Qel+dl）

廣泛分布于研究區(qū)的山體表面，為基巖風(fēng)化后形成的殘坡積含角礫粉質(zhì)粘土、粘土，厚度1.0m～6.0m，土質(zhì)疏松。該層內(nèi)角礫呈強(qiáng)-中等風(fēng)化，粒徑一般為5cm～20cm，含量30%～45%；該層還含有15%的細(xì)粗砂，局部夾有粒徑4～30cm不等的碎石、塊石，其余為可塑狀粘土、粉質(zhì)黏土。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

大境野豬江鉛鋅礦區(qū)地處老廠穹窿北端近于傾沒部位及基底構(gòu)造泥加灣復(fù)式背斜北東翼。基底層總傾向?yàn)楸睎|30°～80°，傾角為25°～80°，蓋層總傾向?yàn)槟蠔|110°～170°，傾角為9°～40°，基本成單斜構(gòu)造，僅局部出現(xiàn)與區(qū)域構(gòu)造方向一致的次級(jí)線狀褶皺及扭曲。

本區(qū)次級(jí)斷裂破碎帶共發(fā)育北東、近東西、北西3組，含礦斷裂破碎帶共發(fā)育2條，走向北東、北東東，傾角較陡58°～80°，一條傾向北西，一條傾向南東，斷裂帶中一般可見舒緩波狀平滑面、構(gòu)造透鏡體及棱角分明無定向排列的構(gòu)造角礫，角礫被重晶石及石英充填膠結(jié)。構(gòu)造透鏡體是礦化有利部位，在其裂隙及旁側(cè)，以及構(gòu)造透鏡體與構(gòu)造透鏡體連接段，常有富礦體賦存或單純重晶石脈形成（脈帶上段），反映出這種成礦斷裂活動(dòng)具有明顯的壓扭—張—壓扭的活動(dòng)特征。

1.5 水文地質(zhì)條件

本研究區(qū)跨越了2個(gè)水文地質(zhì)單元：北面的“畔江河水文地質(zhì)單元”北以畔江溪為界（第1類邊界），南以通過1279.0、1283.2、1156.4山頂?shù)姆炙畮X為界（第2類邊界）；南面的“野豬江水文地質(zhì)單元”北以通過1279.0、1283.2、1156.4山頂?shù)姆炙畮X為界（第2類邊界），南以野豬溪為界（第1類邊界）。2個(gè)水文地質(zhì)單元之間為山脊，構(gòu)成共同隔水的邊界。2個(gè)單元的總面積合計(jì)為11.6km2。

研究區(qū)內(nèi)的地下水的補(bǔ)給來源為大氣降雨，地下水主要儲(chǔ)存于基巖裂隙中，并沿構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙或?qū)娱g裂隙排入溝谷，再由溝谷匯入溪流內(nèi)。北面的“畔江河水文地質(zhì)單元”中地下水的總體流向由南向北，由西向東，流入畔江溪內(nèi)；南面的“野豬江水文地質(zhì)單元”地下水總體流向由北向南，由西向東，向野豬溪排泄，地下水徑流方向與地表水基本一致。

2. 礦區(qū)涌水特征和開采設(shè)計(jì)方案

2.1 各礦坑涌（突）水特征

研究區(qū)采礦生產(chǎn)因?yàn)橥．a(chǎn)時(shí)間很久，現(xiàn)除了PD1、PD2及PD4、PD5洞口還保留之外，其余窿口已被廢渣填埋，現(xiàn)能觀察到窿口僅有4個(gè)，其中1個(gè)洞口干枯（PD5），其余3個(gè)有礦坑水外排。根據(jù)為期1年的觀測(cè)，各硐口涌水量均隨季節(jié)變化，一般為0.3L/s～2.0L/s。其中，PD1（1023m）窿口出水量為0.43L/s～1.45L/s，PD2（1045m）窿口出水量為0.588L/s～1.74L/s，PD4（1068m）窿口出水量為0.51L/s～0.71L/s。

根據(jù)3個(gè)鉆孔的水溫及窿口水溫的監(jiān)測(cè)結(jié)果，地下水水溫的變化范圍為15.0℃～16.0℃，十分穩(wěn)定。

2.2 開采設(shè)計(jì)方案

廣西靈川縣大境野豬江鉛鋅礦2008年委托某研究院于進(jìn)行開采設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)書認(rèn)為該礦體埋藏較深，礦體平均厚度為1.72m；根據(jù)礦區(qū)的地形及礦體賦存條件和以往礦山開采現(xiàn)狀，確定最佳的開采方式為地下開采，年采選鉛鋅礦石3萬t/a。還確定Ⅰ、Ⅱ號(hào)礦體均采用平硐開拓運(yùn)輸方案，開采順序?yàn)椋阂来伍_采Ⅰ、Ⅱ號(hào)礦體。

Ⅰ號(hào)礦體，該礦體已被開采的有3個(gè)平硐，其中：①1號(hào)平硐標(biāo)高+1090m，巷道長(zhǎng)189m，其中穿脈長(zhǎng)度75m，沿脈長(zhǎng)度114m，巷道寬2m，高1.8m～2m。②2號(hào)平硐標(biāo)高+1048m，巷道長(zhǎng)233m，其中穿脈長(zhǎng)度83m，沿脈長(zhǎng)度150m，巷道寬2m，高1.8m～2m。③3號(hào)平硐標(biāo)高+1023m，巷道長(zhǎng)399m，其中穿脈長(zhǎng)度229m，沿脈長(zhǎng)度170m，巷道寬2m，高1.8m～2m。目前該窿口已被2號(hào)平硐廢渣填埋。Ⅱ號(hào)礦體已被開采的有以下4個(gè)平硐：①4號(hào)平硐標(biāo)高+1068m，巷道長(zhǎng)85m，其中穿脈長(zhǎng)度25m，沿脈長(zhǎng)度60m，巷道寬2m，高1.8m～2m。②5號(hào)平硐標(biāo)高+1051m，巷道長(zhǎng)145m，其中穿脈長(zhǎng)度40m，沿脈長(zhǎng)度105m，巷道寬2m，高1.8m～2m。本次研究發(fā)現(xiàn)，該窿道洞口干燥無水涌出。③6號(hào)平硐標(biāo)高+1035m，巷道長(zhǎng)160m，其中穿脈長(zhǎng)度58m，沿脈長(zhǎng)度102m，巷道寬2m，高1.8m～2m。目前該窿口已被廢渣填埋。④7號(hào)平硐標(biāo)高+1015m，巷道長(zhǎng)137m，其中穿脈長(zhǎng)度67m，沿脈長(zhǎng)度70m，巷道寬2m，高1.8m～2m。目前窿口已被廢渣填埋（圖2）。同一礦體由上而下分中段開采，在同一中段采用后退式回采，即先采端部礦塊，向平硐口方向后退式回采，先采正規(guī)采場(chǎng)，后回收礦柱、殘礦。認(rèn)為該礦山需進(jìn)行安全整改后才能滿足現(xiàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模的要求，故設(shè)計(jì)確定礦山的生產(chǎn)服務(wù)年限為5年。

3. 模擬與預(yù)測(cè)

3.1水文地質(zhì)參數(shù)

（a）降雨入滲系數(shù)：根據(jù)水文地質(zhì)普查資料，該地塊的降雨入滲系數(shù)約為0.24。參此，各地層的入滲系數(shù)初值和最后反演得到的終值如表1和表2。

（b）含水層的滲透系數(shù)：為了簡(jiǎn)化計(jì)算，把含水介質(zhì)當(dāng)成各向同性看待，并按地層巖性和裂隙發(fā)育程度的差異，把滲透系數(shù)劃分為2個(gè)區(qū)，各區(qū)的初值參考鉆孔注水試驗(yàn)、水位恢復(fù)試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表3）。初值與最后通過反演計(jì)算的值如表2。

（c）給水度：根據(jù)鉆孔巖芯的裂隙張開程度，賦予初值0.006，最后經(jīng)過反演求得給水度μ=0.007。

3.2礦坑涌水量數(shù)值模擬計(jì)算

3.2.1水文地質(zhì)概念模型

區(qū)域內(nèi)地下水受氣候、地形等自然地理?xiàng)l件以及地層、構(gòu)造等因素控制，補(bǔ)給來源以大氣降水和地表水體為主，徑流途徑較短，且以泉水、沖溝等形式排泄。因本礦區(qū)巖性發(fā)育相對(duì)較為均一，故將水文地質(zhì)概念模型概化為均質(zhì)各向同性的三維非穩(wěn)定流，其數(shù)學(xué)模型可用以下公式表示[19]：

3.2.2 邊界條件

平面邊界：本礦區(qū)跨越了2個(gè)水文地質(zhì)單元：北面的“畔江河水文地質(zhì)單元”北以畔江溪為界（第1類邊界），南以通過1279.0、1283.2、1156.4山頂?shù)姆炙畮X為界（第2類邊界）；南面的“野豬江水文地質(zhì)單元”北以通過1279.0、1283.2、1156.4山頂?shù)姆炙畮X為界（第2類邊界），南以野豬溪為界（第1類邊界）。2個(gè)水文地質(zhì)單元之間為山脊，構(gòu)成共同隔水的邊界。

豎向邊界：頂部以潛水面為界，底板則以裂隙不發(fā)育的巖石為底板。由于鉆探孔最深26m，還未揭穿裂隙發(fā)育帶，根據(jù)坑道水文地質(zhì)調(diào)查，自坑道口向內(nèi)深入110m后，洞壁就變得干燥，由此推測(cè)風(fēng)化帶的深度約為100m左右，故含水層的底板設(shè)定在取地面下100m～110m深度處。

內(nèi)邊界：分別按坑道現(xiàn)狀分布情況及未來3年坑道的分布情況，用挖空單元體的方法模擬坑道的分布，再把各坑道所處的位置作為定水頭邊界。

3.2.3 沖溝的處理方法

由于地形切割較深，野豬溪和畔江溪的上游有很多大沖溝，地下水除了向河流排泄外，也向這些大沖溝排泄。為了模擬沖溝對(duì)地下水流場(chǎng)的影響，數(shù)值時(shí)采取GMS溝渠包來計(jì)算這些管道水流，并在管道節(jié)點(diǎn)處設(shè)置每節(jié)點(diǎn)的底板高度。管段的水流用等效水力傳導(dǎo)系數(shù)來描述[20]。

等效水力傳導(dǎo)系數(shù)的含義如下：當(dāng)?shù)叵滤史沁_(dá)西流時(shí)，地下水流速如仍按達(dá)西公式描述則為：

當(dāng)管道中的水流呈紊流態(tài)時(shí)，

3.2.4 單元剖分

平面上的剖分：模擬區(qū)是邊界形狀一個(gè)很不規(guī)則的區(qū)域，考慮到網(wǎng)格密度對(duì)求解精度，對(duì)研究區(qū)的網(wǎng)格剖分如下：平面上共為100行，100列。

垂向上的剖分：按含水層的厚度100m剖分為10層，每層厚度10m；地面高程以2DScatter point的形式輸入到模型中，然后運(yùn)用IDW插值法進(jìn)行賦值。

3.3 模擬結(jié)果與預(yù)測(cè)

3.3.1 模擬識(shí)別與驗(yàn)證

將2014年1月至12月計(jì)算的坑道口流水量與同期觀測(cè)的流量值進(jìn)行比較.圖3顯示的是2014年7月至10月的擬合情況，此圖顯示擬合程度較為理想。

3.3.2 窿道涌水量預(yù)測(cè)

（a）礦坑正常涌水量預(yù)測(cè)

按開采設(shè)計(jì)方案，本礦山可開采年限為4.16年，且未來開采的窿道標(biāo)高較低些，分別為野豬江Ⅰ號(hào)礦體的PD8（1000m）、PD9（1117m）和開采畔江河Ⅱ號(hào)礦體的PD10（990m）。

在新窿道開挖后，其上方的各老窿道均因水位大幅度降低而位居包氣帶之中，鑒于目前無法利用數(shù)值法對(duì)包氣帶的非飽和水進(jìn)行模擬，其次由于它們的流量不大，對(duì)采礦活動(dòng)影響很小，沒有必要作預(yù)測(cè)。故本文僅對(duì)3個(gè)新窿道的涌水量進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)。

由于新礦坑位置比老礦坑的低，在新窿道逐漸采挖后，老窿道的涌水量將大幅下降。由表4的結(jié)果表明利用GMS數(shù)值模擬來預(yù)測(cè)的礦坑涌水量，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果表明預(yù)測(cè)礦坑涌水量與實(shí)際測(cè)定的礦坑涌水量值偏差不大，為未來采礦活動(dòng)提供依據(jù)。

（b）礦坑最大涌水量預(yù)測(cè)

潮田水文站有記錄以來的最大24小時(shí)降雨量為288.7mm，該值也是百年一遇的特大暴雨。利用該降雨資料進(jìn)行模擬計(jì)算（降雨入滲系數(shù)取0.11～0.12），結(jié)果為如表4所示。

根據(jù)研究礦區(qū)所在區(qū)域多年的最大24h暴雨量進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果為PD1、PD2、PD8、PD9、PD10六個(gè)坑道的最大涌水量值分別為77.76m3/d、86.40m3/d、95.04m3/d、413.38m3/d、395.71m3/d、428.54m3/d。

4. 結(jié)論

（1）在對(duì)礦區(qū)的沖溝在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)既不能定為第一類（已知）水頭邊界，但不能忽略它們對(duì)地下水有很強(qiáng)的補(bǔ)排作用，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)該考慮它們對(duì)地下水流場(chǎng)的影響。本文實(shí)例模擬表明，在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平下，采用GMS軟件中MODFLOW的子程序包—排水溝渠包來模擬沖溝能較好地模擬達(dá)西流（裂隙流）與非達(dá)西流（沖溝水流）并存、線性流與非線性流它們之間相互轉(zhuǎn)變的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

（2）采用挖空單元體的方法來模擬坑道的分布，并把各坑道底板標(biāo)高作為內(nèi)部定水頭邊界來模擬礦坑涌水量是一種可行的方法。

（3）由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，野豬江各礦坑道涌水量都不大，正常涌水量?jī)H為17.3m3/d～199m3/d，最大涌水量為77.76m3/d～428.54m3/d，這個(gè)流量對(duì)未來的采礦基本上無影響。本礦區(qū)各窿道均按內(nèi)高外低方式開挖，礦坑排水可自然排泄，無須特殊排水措施。

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