蔣玲，徐振，盧春麗，陳馨怡，剛丹

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥，230000；2.安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 合肥，230000)

礦坑涌水量是影響礦山開采和安全的重要因素，其預(yù)測結(jié)果意義重大。但由于地下礦產(chǎn)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，往往存在預(yù)測模型不夠精確，參數(shù)選取不恰當(dāng)?shù)惹闆r，致使目前常用的一些計算方法，如：比擬法、大井法、指數(shù)平滑法等確定性數(shù)值模型所得預(yù)測結(jié)果，差距較大。這些方法均基于連續(xù)流理論來進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測[1-8]，然而在礦床實際開采過程中，往往會存在非連續(xù)流的情況。此時，以連續(xù)流理論預(yù)測所得結(jié)果就不夠準(zhǔn)確。文章結(jié)合實例，使用非連續(xù)流和傳統(tǒng)連續(xù)流兩種理論方法建立模型，對礦坑涌水量進(jìn)行對比預(yù)測，并在實際工程中監(jiān)測水量數(shù)據(jù)，以驗證模型的可靠性，為礦區(qū)開采提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省和縣十四連圩，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，地勢較為平坦，略有東高西低、北高南低的特點。該區(qū)域處于寧蕪繁兩個中生代火山盆地接壤部位西緣，區(qū)域構(gòu)造線方向為北東，北北東向。

白堊系下統(tǒng)姑山組，礦區(qū)內(nèi)較發(fā)育，分布于第四系沖積層之下，厚170～320m，巖性主要為(輝石)安山巖、安山質(zhì)角礫巖、角礫熔巖、晶屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖。

侏羅系上統(tǒng)大王山組，主要分布于礦區(qū)以南，厚138～251m，巖性有角閃安山巖、安山質(zhì)凝灰角礫巖、角礫熔巖、凝灰質(zhì)粉砂巖等。

侏羅系下統(tǒng)磨山組，分布零星，巖性主要為石英長石砂巖，砂巖、細(xì)砂巖。

三疊系中統(tǒng)黃馬青組，區(qū)內(nèi)分布較廣，厚度可達(dá)490m，主要巖石類型為灰色細(xì)砂巖、紫紅色粉砂質(zhì)、粉砂質(zhì)頁巖，頁巖、泥質(zhì)粉砂巖。研究區(qū)鐵礦即包裹于該層中。

2 模型的建立與識別

2.1 水文地質(zhì)概念模型

依據(jù)勘查成果，礦床所分布的研究區(qū)范圍內(nèi)，地層自上而下分為四層：

第一層為第四系中等至強(qiáng)含水層，主要為松散孔隙水，含水量充足。

第二層為侏羅系黃馬青組弱含水層，該層位裂隙不發(fā)育，含水量較少，可視作隔水層。

第三層為三疊系中徐家山組中等至強(qiáng)含水層，層位較穩(wěn)定，厚度較大，礦床即位于該層位。

4.2.6 散裝食品銷售要求。散裝食品不應(yīng)著地堆放。應(yīng)保留原散裝食品的標(biāo)外包裝簽，直至食品銷售完畢。銷售貯存散裝直接入口食品應(yīng)當(dāng)遵守下列要求：a）散裝直接入口食品應(yīng)設(shè)置隔離設(shè)施，由專人使用清潔的專用售貨工具（如專用夾取工具）提供銷售服務(wù)；b）熱食展示柜的溫度應(yīng)≥60℃，并做好溫度監(jiān)控記錄。

第四層為以閃長巖為主的侵入巖弱含水層，巖性細(xì)密完整，裂隙少，且多被方解石充填，可視為隔水層。又由于其在研究區(qū)東西邊界出露，因此可作為零流量邊界，將南北設(shè)定為一類水頭邊界。

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，可建立研究區(qū)的地下水流數(shù)學(xué)模型[9-10]如下：

式中：K為含水層滲透系數(shù)，m/d；H為地下水水位，m；M為承壓含水層厚度，m；W為單位體積流量，用以代表流進(jìn)源或流出匯的水量，m3；μ*為彈性釋水系數(shù)；H0為地下水初始水位，m；H1為模擬期邊界處的地下水水位，m；t為時間,d；D為模擬區(qū)范圍；Γ1為第一類水頭邊界；Γ2為第二類流量邊界。

2.3 數(shù)值模型的建立與識別

依據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型，采用Visual MODFLOW軟件采用等間距有限差分法[10]建立三維模型，按照地層由上而下順序，如圖1。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)模型圖Fig.1 Geological model map of the study area

在對水文地質(zhì)參數(shù)賦值時，依據(jù)水文地質(zhì)勘察中的抽水試驗資料，采用由Waterloo Hydrogeologic Inc.開發(fā)的Aquifer Test軟件，計算相關(guān)參數(shù)值。結(jié)合抽水試驗采集的兩個觀測孔的地下水水位數(shù)據(jù)，對水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行擬合。由圖2和圖3的水位擬合結(jié)果可知，調(diào)試后的數(shù)學(xué)模型效果良好，可用于進(jìn)一步的預(yù)測工作。

圖2 觀測孔1擬合結(jié)果Fig.2 Fitting results of Observation Hole 1

圖3 觀測孔2擬合結(jié)果Fig.3 Fitting results of Observation Hole 2

3 不同礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果及對比

研究區(qū)的龍?zhí)裂罔F礦包括東埂和金龍兩個相互獨立的礦區(qū)，且包含多個開采水平。現(xiàn)以東梗-180米水平礦體為例。使用上述調(diào)試識別好的模型，將研究區(qū)礦體分布區(qū)內(nèi)，布置相應(yīng)的抽水井。在模型中調(diào)整和設(shè)定各抽水井的抽水量，以該礦區(qū)實際開采方案中的年數(shù)為抽水時間段，使開采區(qū)的水位降至-180m，地下水漏斗擴(kuò)展如圖4。當(dāng)水位降至臨界水位時，各抽水井的抽水量總和，即為所需的礦坑涌水量預(yù)測值。使用同樣的方法，對金龍礦區(qū)-360m的礦體進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)模型的運行結(jié)果，兩次礦坑涌水量的結(jié)果見表1中的連續(xù)流預(yù)測值。

圖4 抽水降至-180米地下水位等值圖Fig.3 The contour of groundwater level when pumping water to-180 meters

在上述傳統(tǒng)預(yù)測方法中，可以發(fā)現(xiàn)，模型的設(shè)定，是認(rèn)為地下水的流場是連續(xù)的。而在實際情況下，由于人工干擾或其他環(huán)境條件的改變，地下水在一個流量連續(xù)的運動場中，不再連續(xù)傳遞靜水壓力，出現(xiàn)了兩個耦合的流場，即連續(xù)介質(zhì)中發(fā)生非連續(xù)流現(xiàn)象[11]。

究其原因，在實際地下開采過程中，巷道的開挖使得巖體本身的自然應(yīng)力平衡受到破壞，卸荷作用使采空區(qū)[12]應(yīng)力發(fā)生變化，甚至山體巖石開裂。裂紋深度分布于10～100m不等[13]。而這種開裂情況，將導(dǎo)致礦床周邊水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，有研究表明，巷道開挖完成后周圍巖體滲透系數(shù)將增大 1～2 個數(shù)量級[14]，而遠(yuǎn)離礦床的巖體滲透性影響較小。如此，便出現(xiàn)了連續(xù)流中上下耦合的兩個流場。

結(jié)合礦床分布和開采方案，如圖5巷道開采平面圖所示，對該水平從南向北分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期分別預(yù)測。依據(jù)以上思路，結(jié)合礦區(qū)實際開采方案，將原有連續(xù)流數(shù)值模型的礦床頂部含水層加以細(xì)化，并調(diào)整水文參數(shù)值。以-180m Ⅰ期2.5年的礦區(qū)涌水量為例。在模型中，在礦體賦存組下方的不活動層中，將東梗一期的礦體范圍單獨設(shè)置為一個活動區(qū)域，單獨設(shè)置相應(yīng)的水文參數(shù)。將這個區(qū)域，設(shè)定為符合實際礦體開采形狀和位置的類似于“盆”的結(jié)構(gòu)，模擬在礦產(chǎn)開采過程中，水流向下滲漏進(jìn)入巷道的一個過程。用流入“盆”中的水量，來預(yù)測相應(yīng)開采時段的礦坑涌水量。在這個過程中，水流的流量是連續(xù)的，而壓力是不連續(xù)的，即為非連續(xù)流。模型平面圖見調(diào)整后的預(yù)測模型平面圖如圖6。

圖5 東梗礦區(qū)巷道開采平面圖Fig.5 Roadway layout of Donggeng mining area

圖6 預(yù)測模型巷道層平面圖Fig.6 Roadway floor layout of prediction model

采用同樣的方法，對東梗礦區(qū)-180m Ⅱ、Ⅲ期，以及金龍礦區(qū)-360m分別進(jìn)行涌水量計算。并相應(yīng)的用連續(xù)流方法預(yù)測不同開采水平下的礦坑涌水量，結(jié)果如下表1。

表1 兩礦區(qū)水量預(yù)測結(jié)果 (m3/d)

由表1可知，兩種方法計算得出的涌水量差別較大，可見模型中是否考慮非連續(xù)流情況，對預(yù)測影響較大。該礦區(qū)目前已投產(chǎn)數(shù)年，通過對礦區(qū)涌水情況的監(jiān)測與統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)實際礦坑涌水量與非連續(xù)流預(yù)測結(jié)果非常接近。

4 結(jié)論

1)本次預(yù)測過程中，對東梗礦區(qū)-180m礦段采用的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期，金龍礦區(qū)-360mⅠ、Ⅱ期情況進(jìn)行預(yù)測?？紤]到采礦是一個循序漸進(jìn)的過程，如果能把預(yù)測分期更加細(xì)致，則模型更加符合實際情況，預(yù)測的水量將更加準(zhǔn)確。

2)在地下水流場中，由于天然或者人為(如礦產(chǎn)的開采)因素，使連續(xù)流場中出現(xiàn)了流量連續(xù)而壓力不連續(xù)的非連續(xù)流，是切合水文地質(zhì)實際情況的。在礦坑涌水量預(yù)測中，應(yīng)結(jié)合礦產(chǎn)開采方案，建立更符合水文地質(zhì)條件的模型，為礦山開采提供更加可靠的依據(jù)。