基于Visual MODFLOW的石硐溝鉛鋅銀多金屬礦地下水?dāng)?shù)值模擬

鄔 立，韓 旭

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省邢臺(tái)市環(huán)境保護(hù)局，河北 邢臺(tái) 054000)

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基于Visual MODFLOW的石硐溝鉛鋅銀多金屬礦地下水?dāng)?shù)值模擬

鄔 立1，韓 旭2

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省邢臺(tái)市環(huán)境保護(hù)局，河北 邢臺(tái) 054000)

石硐溝鉛鋅銀多金屬礦位于甘肅省肅北縣，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，為探明石硐溝鉛鋅銀多金屬礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，為深部礦體開(kāi)采提供科學(xué)合理的依據(jù)，利用現(xiàn)有的水文地質(zhì)觀測(cè)孔，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行了大型群孔抽水試驗(yàn)，利用Visual MODFLOW軟件構(gòu)建了地下水流數(shù)值模擬模型，利用地下水位動(dòng)態(tài)資料對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合礦山開(kāi)采方案分別對(duì)礦區(qū)未來(lái)開(kāi)采水平的礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，礦山開(kāi)采至3 000 m高程時(shí)，礦床涌水量達(dá)36.2萬(wàn) m3/d，該研究成果可作為礦山深部開(kāi)采條件下礦坑排水的設(shè)計(jì)依據(jù)。

Visual MODFLOW；數(shù)值模擬；抽水試驗(yàn)；涌水量預(yù)測(cè)

石硐溝鉛鋅銀多金屬礦礦區(qū)位于甘肅省肅北縣石硐溝一帶，東起疏勒山，西至石硐山。礦區(qū)海拔3 777～3 170 m，相對(duì)高差500 m左右，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高3 170 m，地形切割較大，山勢(shì)陡峻。區(qū)內(nèi)屬內(nèi)陸高寒半干旱氣侯，高寒、溫差大、蒸發(fā)多、日照長(zhǎng)、四季變化大是氣候主要特征，而干熱風(fēng)又是區(qū)內(nèi)主要災(zāi)害性天氣。石硐溝河從礦區(qū)中部流過(guò)，F(xiàn)1控礦斷裂貫穿礦區(qū)，礦體部分位于侵蝕基準(zhǔn)面以下，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜[1]。為給礦山深部開(kāi)采條件下的礦坑排水提供設(shè)計(jì)依據(jù)，需要對(duì)礦區(qū)未來(lái)開(kāi)采水平的礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

Visual MODFLOW軟件是目前國(guó)際上最為流行的三維地下水流模擬軟件，在礦區(qū)防治水方面具有廣泛的應(yīng)用，尤其是在預(yù)測(cè)礦坑涌水量方面具有較高的精度[2-3]。因此，本次模擬采用Visual MODFLOW軟件對(duì)石硐溝礦的礦坑涌水量進(jìn)行計(jì)算。

1 礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

礦區(qū)出露地層為前長(zhǎng)城系北大河群，為一套中—深變質(zhì)巖系，碎屑巖建造和碳酸鹽巖建造，賦變質(zhì)巖石有大理巖、云母片巖、角閃片巖、含石榴石云母片巖、石英巖、千枚巖等，變質(zhì)相為角閃巖相，典型礦物組合為：斜長(zhǎng)石+角閃石+鐵鋁榴石、斜長(zhǎng)石+白云母+黑云母+石英(鐵鋁榴石)。

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要為NW向?qū)娱g斷裂(F1)，次為NE向切層斷裂。F1為區(qū)內(nèi)主要控礦斷裂，其特征如下：屬層間斷裂，是區(qū)內(nèi)主要導(dǎo)礦、容礦構(gòu)造。破碎帶寬25～30 m，延長(zhǎng)大于5 100 m，產(chǎn)狀230°～250°∠60°～85°，石硐溝河床地段近于直立或向北傾。破碎帶上盤(pán)為大理巖，二者界限清晰，下盤(pán)為灰色絹云石英片巖夾絹云母千枚巖，呈漸變過(guò)渡關(guān)系，破碎帶的主體由灰黑色絹云千枚巖、硅化灰?guī)r、巖粉、膠結(jié)物、金屬礦物等構(gòu)成。

礦區(qū)含水層組主要為第四系松散巖類孔隙含水層組、片巖類基巖風(fēng)化裂隙含水層組、硅化大理巖溶隙裂隙含水巖組以及構(gòu)造破碎含水帶。地下水接受大氣降水和季節(jié)積雪的融水補(bǔ)給后，依地勢(shì)向石硐溝溝谷一帶運(yùn)動(dòng)，在第四系殘坡積物與沖洪積物的接觸帶，部分地下水以潛流形式沿河谷向下游運(yùn)動(dòng)，另一部分地下水溢出地表，形成泉水和沼澤，出露標(biāo)高3 170～3 210 m，其流量變化范圍0.18～2.55 L/S。石硐溝第四系淺部地下水動(dòng)態(tài)嚴(yán)格受氣候條件的控制，雨季地表明流流量增大，可達(dá)5.9 m3/s，水位上升；旱季水位緩慢下降，但在氣溫升高時(shí)，上游冰雪消融后溝谷匯水，石硐溝流量也會(huì)增大。期間硅化大理巖裂隙溶隙含水巖組水頭值也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化[4]。

2 地下水流數(shù)值模擬模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

礦坑開(kāi)采狀態(tài)下，硅化大理巖裂隙含水層作為石硐溝河水進(jìn)入礦坑的通道；第四系孔隙強(qiáng)透水層對(duì)礦坑的垂向補(bǔ)給成為礦坑主要涌水源，為礦坑涌水的一類邊界。硅化大理巖和千枚巖以陡傾角的形態(tài)埋藏在第四系孔隙含水層之下、石英片巖弱透水層之間，礦體賦存在硅化大理巖和千枚巖之間，與硅化大理巖呈整合接觸關(guān)系。礦區(qū)主要含水層為硅化大理巖裂隙含水層，該含水層滲透性強(qiáng)，水平向與石英片巖弱透水層水力聯(lián)系較弱，但整體與第四系孔隙含水層垂向水力聯(lián)系強(qiáng)。

礦床兩側(cè)的片巖、石英巖及花崗巖隔水巖組挾持硅化大理巖含水層，成為礦床的隔水邊界。群孔抽水試驗(yàn)表明，硅化大理巖含水層延走向方向—兩端山體方向來(lái)水量小，石硐溝兩側(cè)山體主要為前長(zhǎng)城系北大河群下隔水巖組，地形陡峭，降雨入滲量小，對(duì)硅化大理巖含水層補(bǔ)給量有限。硅化大理巖含水層延走方向—兩端山體方向?yàn)楦羲吔纭?/p>

第四系孔隙強(qiáng)透水層與硅化大理巖承壓水水力聯(lián)系緊密，因此，礦坑涌水量大小取決于硅化大理巖含水層的滲透性。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)前述分析，本模型的數(shù)學(xué)控制方程為：

2.3 數(shù)值模型

2.3.1 網(wǎng)格剖分

根據(jù)數(shù)值模擬軟件的要求，采用有限差分的方法對(duì)模型進(jìn)行矩形網(wǎng)格剖分，其中抽水孔和觀測(cè)孔附近以及地的層分界線要進(jìn)行加密處理，整個(gè)模型垂向上共剖分46層，平面上共計(jì)剖分109行、89列，累計(jì)剖分單元格共計(jì)446 246個(gè)[5](見(jiàn)圖1)。

圖1 部分觀測(cè)孔水位擬合曲線

2.3.2 水文地質(zhì)參數(shù)的選取

根據(jù)地層巖性的空間展布及抽水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)，整個(gè)模擬去共劃分為16個(gè)分區(qū)，并根據(jù)抽水試驗(yàn)成果對(duì)各分區(qū)賦水文地質(zhì)參數(shù)初值(見(jiàn)圖2)。

2.4 模型識(shí)別

利用群孔抽水試驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)識(shí)別，以前面所給出的各種水文地質(zhì)參數(shù)及源匯項(xiàng)初值為基礎(chǔ)，對(duì)模型進(jìn)行反演計(jì)算，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整初始參數(shù)，通過(guò)對(duì)各觀測(cè)孔水位模擬值與地下水流場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)值的擬合，獲得各區(qū)較為合理的水文地質(zhì)參數(shù)，作為未來(lái)模型的預(yù)測(cè)的依據(jù)。

圖2 硅化大理巖含水層滲透性參數(shù)分區(qū)及取值

3 涌水量預(yù)測(cè)

模型預(yù)測(cè)時(shí)，邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)及分區(qū)與上述模型一致；降水量依據(jù)近十年降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)循環(huán)給出，降雨入滲系數(shù)分區(qū)及取值與識(shí)別模型相同。

根據(jù)抽水試驗(yàn)對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件的分析，石硐溝銀多金屬礦河床段礦床埋藏標(biāo)高為3 000 m高程左右，本次預(yù)測(cè)模擬時(shí)將抽水井均布在石硐溝河床上，采取逐漸加大硅化大理巖含水層抽水量，直到該含水層水頭降低至3 000 m高程為止，此時(shí)的抽水量即為礦床涌水量。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，硅化大理巖含水層抽水強(qiáng)度達(dá)36.2萬(wàn)時(shí)，礦區(qū)含水層水頭降至3 000 m，3 000 m高程礦段出現(xiàn)無(wú)壓區(qū)域。因此，礦山若開(kāi)采至3 000 m高程時(shí)，礦床涌水量為36.2萬(wàn) m3/d。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)石硐溝及第四系沖洪積含水層構(gòu)成了礦區(qū)一類水文地質(zhì)邊界，對(duì)礦床流場(chǎng)起控制作用。

(2)礦區(qū)主要含水層為硅化大理巖裂隙含水層，該含水層滲透性強(qiáng)，水平向與石英片巖弱透水層水力聯(lián)系較弱，整體與第四系孔隙含水層垂向水力聯(lián)系強(qiáng)。

(3)在建立水文地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山開(kāi)采方案，采用數(shù)值法預(yù)測(cè)了礦坑涌水量。礦山開(kāi)采至3 000 m高程時(shí)，礦床涌水量為36.2萬(wàn) m3/d，可以作為礦坑排水設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1]華北有色工程勘察院有限公司.甘肅省肅北縣石硐溝鉛鋅銀多金屬礦水文地質(zhì)報(bào)告[R].石家莊:華北有色工程勘察院有限公司.2011.2.

[2]王慶永，賈忠華．Visual MODFLOW及其在地下水模擬中的應(yīng)用[J]．水資源與水工程學(xué)報(bào).2007，18(5)：90-92．

[3]馮更辰，郝俊杰，譚?。甐isual MODFLOW模型在白澗鐵礦區(qū)礦井涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]．中國(guó)巖溶.2011，30(3)：271-276．

[4]王潤(rùn)堂．石硐溝銀多金屬礦床水文地質(zhì)條件分析[J]．甘肅冶金.2008，30(2): 49．

[5]李賽．個(gè)舊錫礦高峰山礦段開(kāi)采期滲流場(chǎng)數(shù)值模擬及涌水量預(yù)測(cè)[D]．昆明：昆明理工大學(xué).2009．

Numerical simulation of groundwater in the Pb Zn Ag polymetallic ore deposit based on Visual MODFLOW

WU Li1, HAN Xu2

(1.North china nonferrous engineering survey institute limited company, Shijiazhuang, 050021,China；2.Xingtai municipal environmental protection bureau of hebei province, Xingtai Hebei, 054000,China)

Shi Dong-gou Pb Zn Ag polymetallic deposit in Gansu province is located in Subei County, hydro geological conditions of the mine complex hydro geological conditions proved Shi Dong-gou Pb Zn Ag polymetallic deposit, for deep mining to provide scientific and reasonable basis, using hydro geological observation holes existing in the mining area, a large scale pumping test to construct the model of groundwater numerical simulation using Visual MODFLOW software, the model is identified using groundwater dynamic data, combined with the mining scheme respectively to forecast the future mining level of water inflow of mine, according to the results of numerical simulation show that the mining to 3000m elevation, the deposit inflow was 362 thousand m3/d, the research results can be used as based on the design of mine drainage under the conditions of deep mining.

Visual MODFLOW; numerical simulation; pumping test；prediction of water inflow

2017-03-16

鄔立(1981-)，男，湖北孝感人，高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)勘查、礦床水文地質(zhì)研究等工作。

P641.4+63

A

1004-1184(2017)03-0035-02