李有光 藍俊康 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?shù)厍治g基準面以上，礦體充水水源主要為基巖裂隙水（斷層蓄水、風化裂隙水、構造裂隙水），其含水介質為泥盆系的砂巖、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。為了預測礦坑涌水量對未來采礦活動的危害，利用抽水試驗、注水試驗等方法來確定礦區(qū)含水層的滲透系數(shù)，然后采用耦合了達西流和非達西流于一體的GMS軟件進行地下水流場三維數(shù)值模擬，運用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)計算結果預測各礦坑在未來開采期間的涌水量。通過建立模型結果表明：各平窿口預測的正常涌水量與目前的實際觀測值較接近。根據(jù)涌水量的預測認為，未來各主礦坑的涌水量均不大，對開采活動不會構成明顯影響。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。

關鍵詞：礦坑涌水量；預測；數(shù)值模擬

目前，礦井礦坑涌水量的預測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測普遍采用1973年引進的數(shù)值分析法。隨著計算機普及，三維的數(shù)值模擬得到廣泛應用，水文和地質界的專家學者建立了對地下水三維模擬及其優(yōu)化模型進行了深入研究和探索，獲得一些適用預測礦坑涌水量的模型[6]。當前國際主流應用專業(yè)軟件是FEFLOW[7]、Visual MODFOLW[8-9]和GMS[10-15]。其被廣泛應用的是GMS軟件，該軟件界面可操作性強，具有優(yōu)良可視效果和強大前處理、后處理功能，得到人們一致認可。

在礦山礦坑涌水量預測方面，數(shù)值模擬也做出巨大貢獻，我國應用數(shù)值模擬比較典型的學者是，朱學愚等人在1983年使用數(shù)值模擬來預測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西流和非達西流于一體的巖溶管道-裂隙-孔隙三重介質地下水模型，并利用該模型對廣西環(huán)江北山礦區(qū)巖溶含水系統(tǒng)進行模擬[17]；2011年，宋業(yè)杰應用GMS軟件預測陜北地區(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)，屬于私營獨資企業(yè)，已有多年的開采歷史，現(xiàn)因采礦證到期，為申請辦理延續(xù)采礦證服務年限和擴大生產(chǎn)規(guī)模，需進行礦山水文地質詳查，目的是查明研究區(qū)礦區(qū)的水文地質條件[18]，預測在正常條件和暴雨條件礦坑涌水對未來采礦活動的威脅。

1. 研究區(qū)的環(huán)境地質特征

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，它們在山腳下（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)研究調查期間測定，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)最高峰的山頂標高為1319.5m，切割深度達到700余米，礦區(qū)及周邊原始生態(tài)林木長勢良好，植被茂密。

研究區(qū)的地勢大致呈西高東低的峽谷狀地形，山坡陡峻，各山頂標高為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僅相差1～1.5倍而已。兩條溪流在調查區(qū)的東部——山腳（標高約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——塊狀不等粒長石巖屑、夾石英雜砂巖、巖屑石英雜砂巖、泥質粉砂巖、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、長石石英砂巖、石英雜砂巖與黑色頁巖、炭質泥巖互層，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，中段為灰綠色鈣質泥巖與薄層至中層泥灰?guī)r互層，下段為灰色細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，巖性由細砂巖、粉砂巖夾頁巖、粉砂質頁巖組成。

（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砂巖為主，其次為細中粒砂巖、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，為基巖風化后形成的殘坡積含角礫粉質粘土、粘土，厚度1.0m～6.0m，土質疏松。該層內(nèi)角礫呈強-中等風化，粒徑一般為5cm～20cm，含量30%～45%；該層還含有15%的細粗砂，局部夾有粒徑4～30cm不等的碎石、塊石，其余為可塑狀粘土、粉質黏土。

1.4 地質構造

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造泥加灣復式背斜北東翼?；讓涌們A向為北東30°～80°，傾角為25°～80°，蓋層總傾向為南東110°～170°，傾角為9°～40°，基本成單斜構造，僅局部出現(xiàn)與區(qū)域構造方向一致的次級線狀褶皺及扭曲。

本區(qū)次級斷裂破碎帶共發(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、構造透鏡體及棱角分明無定向排列的構造角礫，角礫被重晶石及石英充填膠結。構造透鏡體是礦化有利部位，在其裂隙及旁側，以及構造透鏡體與構造透鏡體連接段，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具有明顯的壓扭—張—壓扭的活動特征。

1.5 水文地質條件

本研究區(qū)跨越了2個水文地質單元：北面的“畔江河水文地質單元”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個水文地質單元之間為山脊，構成共同隔水的邊界。2個單元的總面積合計為11.6km2。

研究區(qū)內(nèi)的地下水的補給來源為大氣降雨，地下水主要儲存于基巖裂隙中，并沿構造裂隙、風化裂隙或層間裂隙排入溝谷，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)涌水特征和開采設計方案

2.1 各礦坑涌（突）水特征

研究區(qū)采礦生產(chǎn)因為停產(chǎn)時間很久，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，其中1個洞口干枯（PD5），其余3個有礦坑水外排。根據(jù)為期1年的觀測，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個鉆孔的水溫及窿口水溫的監(jiān)測結果，地下水水溫的變化范圍為15.0℃～16.0℃，十分穩(wěn)定。

2.2 開采設計方案

廣西靈川縣大境野豬江鉛鋅礦2008年委托某研究院于進行開采設計。設計書認為該礦體埋藏較深，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號礦體均采用平硐開拓運輸方案，開采順序為：依次開采Ⅰ、Ⅱ號礦體。

Ⅰ號礦體，該礦體已被開采的有3個平硐，其中：①1號平硐標高+1090m，巷道長189m，其中穿脈長度75m，沿脈長度114m，巷道寬2m，高1.8m～2m。②2號平硐標高+1048m，巷道長233m，其中穿脈長度83m，沿脈長度150m，巷道寬2m，高1.8m～2m。③3號平硐標高+1023m，巷道長399m，其中穿脈長度229m，沿脈長度170m，巷道寬2m，高1.8m～2m。目前該窿口已被2號平硐廢渣填埋。Ⅱ號礦體已被開采的有以下4個平硐：①4號平硐標高+1068m，巷道長85m，其中穿脈長度25m，沿脈長度60m，巷道寬2m，高1.8m～2m。②5號平硐標高+1051m，巷道長145m，其中穿脈長度40m，沿脈長度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號平硐標高+1035m，巷道長160m，其中穿脈長度58m，沿脈長度102m，巷道寬2m，高1.8m～2m。目前該窿口已被廢渣填埋。④7號平硐標高+1015m，巷道長137m，其中穿脈長度67m，沿脈長度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，后回收礦柱、殘礦。認為該礦山需進行安全整改后才能滿足現(xiàn)設計生產(chǎn)規(guī)模的要求，故設計確定礦山的生產(chǎn)服務年限為5年。

3. 模擬與預測

3.1水文地質參數(shù)

（a）降雨入滲系數(shù)：根據(jù)水文地質普查資料，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)：為了簡化計算，把含水介質當成各向同性看待，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個區(qū)，各區(qū)的初值參考鉆孔注水試驗、水位恢復試驗、壓水試驗數(shù)據(jù)（見表3）。初值與最后通過反演計算的值如表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)值模擬計算

3.2.1水文地質概念模型

區(qū)域內(nèi)地下水受氣候、地形等自然地理條件以及地層、構造等因素控制，補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)育相對較為均一，故將水文地質概念模型概化為均質各向同性的三維非穩(wěn)定流，其數(shù)學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個水文地質單元：北面的“畔江河水文地質單元”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個水文地質單元之間為山脊，構成共同隔水的邊界。

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)坑道水文地質調查，自坑道口向內(nèi)深入110m后，洞壁就變得干燥，由此推測風化帶的深度約為100m左右，故含水層的底板設定在取地面下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。為了模擬沖溝對地下水流場的影響，數(shù)值時采取GMS溝渠包來計算這些管道水流，并在管道節(jié)點處設置每節(jié)點的底板高度。管段的水流用等效水力傳導系數(shù)來描述[20]。

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

當管道中的水流呈紊流態(tài)時，

3.2.4 單元剖分

平面上的剖分：模擬區(qū)是邊界形狀一個很不規(guī)則的區(qū)域，考慮到網(wǎng)格密度對求解精度，對研究區(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，然后運用IDW插值法進行賦值。

3.3 模擬結果與預測

3.3.1 模擬識別與驗證

將2014年1月至12月計算的坑道口流水量與同期觀測的流量值進行比較.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 窿道涌水量預測

（a）礦坑正常涌水量預測

按開采設計方案，本礦山可開采年限為4.16年，且未來開采的窿道標高較低些，分別為野豬江Ⅰ號礦體的PD8（1000m）、PD9（1117m）和開采畔江河Ⅱ號礦體的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)值法對包氣帶的非飽和水進行模擬，其次由于它們的流量不大，對采礦活動影響很小，沒有必要作預測。故本文僅對3個新窿道的涌水量進行數(shù)值模擬預測。

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的結果表明利用GMS數(shù)值模擬來預測的礦坑涌水量，根據(jù)數(shù)值模擬的結果表明預測礦坑涌水量與實際測定的礦坑涌水量值偏差不大，為未來采礦活動提供依據(jù)。

（b）礦坑最大涌水量預測

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

根據(jù)研究礦區(qū)所在區(qū)域多年的最大24h暴雨量進行模擬計算，結果為PD1、PD2、PD8、PD9、PD10六個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. 結論

（1）在對礦區(qū)的沖溝在進行數(shù)值模擬時既不能定為第一類（已知）水頭邊界，但不能忽略它們對地下水有很強的補排作用，進行數(shù)值模擬時應該考慮它們對地下水流場的影響。本文實例模擬表明，在現(xiàn)有的科學技術水平下，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西流（裂隙流）與非達西流（沖溝水流）并存、線性流與非線性流它們之間相互轉變的運動特點。

（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）由預測結果可知，野豬江各礦坑道涌水量都不大，正常涌水量僅為17.3m3/d～199m3/d，最大涌水量為77.76m3/d～428.54m3/d，這個流量對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。

參考文獻：

[1] 楊永國，韓寶平，謝克俊等.用多變量時間序列相關模型預測礦井涌水量[J].煤田地質與勘探，1995，23（6）：38-42.

[2] 潘志.礦井涌水量的數(shù)學模型與預測[J].寧夏大學學報，1998，19（3）：229-232.

[3] 劉國，毛邦燕，許模等.合山煤田礦井涌水量的數(shù)值模擬探討[J].地質與勘探，2007，43（4）：98—103.

[4] Han Jin，Shi longqing. Mechanism of mine water-inrush through a fault from the floor[J].Mining Science and Technology，2009，（19）：276-281.

[5] 張小燕.礦坑涌水量預測[J].化工礦物與加工，2013，（4）：41-42.

[6] 宿青山，張佩華，楊天行等.城市地下水資源科學管理[M].吉林：吉林科學技術出版社，1991.

[7] 姚文濤，朱炎銘，杭 遠.東歡坨礦延深水平涌水量預測研究[J].煤炭科學技術，2012，40（8）：92-96.

[8] 宋穎霞，張耀文，曾一凡.基于Visual Modflow的礦坑涌水量模擬預測評價[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39（2）：25-31.

[9] 肖攀，何鳳，潘歡迎. 基于Visual Modflow的礦坑涌水量模擬預測評價[J].工程勘察，2011，（3）：45-49.

[10] Yi P， Chen X G，Bao D X. Model simulation of inflow water to the baltic sea based on 129I [J].Applied radiation and isotopes： in cluding data， instrumentation and methods for use in agriculture，industry and medicine，2013，7（34）：223-231.

[11] Singh R N，Atkins A S. Application of analytical solutions to simulate some mine inflow problems in underground coal ming[J].In ternational Jour of Mine Water，1984，3（4）：1-27.

[12] 趙春景，丁立峰，霍志明.林南倉礦涌水特征和涌水量數(shù)值模擬[J].煤炭工程，2011，（5）：80-82.

[13] 宋業(yè)杰.GMS在礦井涌水量預測中的應用[J].煤礦開采，2011，16（1）：104-107.

[14] Singh R N，Atkins A S.Analytical techniques for the estimation of mine water inflow[J].International Jour of Mining Engineering，1985，（2）：65-77.

[15] Guo H，Adhikary D P，Craig M S.Simulation of mine water inflow and gas emission during longwall mining[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2009，（42）：25-51.

[16] 朱學愚，謝春紅.地下水運移模型[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990.

[17] 成建梅，陳崇希.廣西北山巖溶管道-裂隙-孔隙地下水流數(shù)值模擬初探[J].水文地質工程地質，1998，（4）： 50-54.

[18] Huang Guizhen，Wang Yetian，Zhou Dong.The Expert System of Mine Hydrogeology [J].Journal of Guilin Institute of Technology，2000，20（2）：180-185.

[19] HJ601-2011，環(huán)境影響評價技術導則—地下水環(huán)境[S].

[20] 周焱鈺.西南喀斯特小流域地下水數(shù)值模擬[J].工程勘察，2010，（4）：43-51.