王 清，張 強(qiáng)，唐海平，謝懷前

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059;2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都610021)

隨著社會(huì)對(duì)鋼鐵需求量日益劇增，地表的鐵礦資源已經(jīng)不能滿足需要，而經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，地下礦脈產(chǎn)量巨大，且地下采礦技術(shù)條件成熟，地下采礦便成為解決資源缺口的有效途徑。

遷安某礦區(qū)為鞍山式沉積變質(zhì)礦床，在地表開采后，礦山擬進(jìn)行地下開采階段。在巷道的開挖和礦體的采掘過程中，必定會(huì)引起貯存在巖土體中的地下水涌入巷道，進(jìn)而引起采礦區(qū)周邊的地下水滲流場(chǎng)的變化。如果將礦區(qū)巖體視為各向同性的介質(zhì)來建立滲流模型，那么地下水降落漏斗會(huì)在各個(gè)方向均勻擴(kuò)大，形成圓形降落漏斗。這樣不能確定受地下水位下降影響的重點(diǎn)區(qū)域，而忽略原本受影響較嚴(yán)重的敏感點(diǎn)。

而地下水在深部巖體中的滲流主要受裂隙的影響，具有非均質(zhì)各向異性的特點(diǎn)。本文通過滲透張量的實(shí)測(cè)、計(jì)算，建立各向異性的礦區(qū)巖體滲流模型，以期準(zhǔn)確地刻畫地下水滲流場(chǎng)的變化，預(yù)測(cè)采礦區(qū)降落漏斗的幅度與范圍，為礦區(qū)地下水環(huán)境保護(hù)以及供給礦區(qū)周邊村民日常用水提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)特征

由于地下采礦工程主要是在基巖中進(jìn)行，雖然天然巖體都具有孔隙—裂隙兩重性，表征這兩重性的孔隙率、裂隙率、巖石基質(zhì)的水力傳導(dǎo)率和裂隙的水力傳導(dǎo)率均不相同，且基巖中孔隙率極低，裂隙的發(fā)育占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，滲流運(yùn)動(dòng)主要在裂隙中進(jìn)行［1］。地下水在巖體中的滲流有顯著的各向異性和具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性特點(diǎn)。因此，用滲透張量來描述巖體滲透的上述兩個(gè)特點(diǎn)。

巖體滲透張量的獲得主要有以下兩種方法:(1)現(xiàn)場(chǎng)專門壓水試驗(yàn)(Louis三段壓水試驗(yàn)，Hsich＆Neuman交叉孔壓水試驗(yàn))，雖然可較好地反映試驗(yàn)區(qū)段的地質(zhì)環(huán)境，但代表范圍有限而且試驗(yàn)費(fèi)用較高而難以在實(shí)際工程中大量使用。(2)根據(jù)裂隙幾何參數(shù)計(jì)算滲透張量，不僅在理論上是完備的，而且在實(shí)際應(yīng)用中按照一定的抽樣原則大量測(cè)量裂隙幾何參數(shù)，可得大量的巖體滲透張量數(shù)據(jù)，是本文討論的滲透張量的獲取方式［2］。

遷安鐵礦區(qū)屬溫帶大陸性氣候，冬春兩季干旱少雨，蒸發(fā)量大于降水量，多年平均降水量648.48 mm，雨季6～9月份四個(gè)月占全年降水總量的82.1%，多年平均蒸發(fā)量1 629.4 mm(1976～2010年)，常形成旱季。礦區(qū)位于燕山山脈南麓，屬于低山丘陵地貌。地勢(shì)總體西北高、東南低，自西北向東南傾斜，并由低山丘陵逐漸向沖洪積平原過渡，海拔70～446 m，地形起伏較大。礦區(qū)廣泛出露的地層有太古界遷西群古老的變質(zhì)巖系，西部高山地帶的中元古界長(zhǎng)城系地層，二者呈角度不整合接觸，北部及中部有侏羅系后城組礫巖分布，第四系位于平地(平原)及溝谷中。

根據(jù)鉆孔資料和研究礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征以及風(fēng)化程度，垂向上有第四系和太古界遷西群三屯營(yíng)組(Ars)，按滲透性分為覆蓋層，強(qiáng)風(fēng)化巖體，微風(fēng)化及新鮮巖體，其中第一層覆蓋層據(jù)鉆孔資料層厚1～24 m，第二層強(qiáng)風(fēng)化巖體層厚11～25 m，第二層以下的為微新巖體。礦區(qū)南部發(fā)育近東西展布的逆斷層F1，在上盤靠近下盤的地方出露斷層泉，流量為0.014 L/s，即斷層為阻水?dāng)鄬?。礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)分層剖面見圖1。

圖1 礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)圖

本次研究共計(jì)在礦區(qū)測(cè)量裂隙229條，裂隙較為密集，間距均較小，平均0.5～1 mm。通過對(duì)裂隙參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，礦區(qū)主要發(fā)育6組裂隙(見圖2)。

通過圖1的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裂隙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到控制滲流的巖體裂隙的參數(shù)(見表1)。

圖2 礦區(qū)裂隙優(yōu)勢(shì)方位統(tǒng)計(jì)

表1 優(yōu)勢(shì)裂隙參數(shù)

2 礦區(qū)巖體各向異性滲透參數(shù)獲取

巖體裂隙的滲透性取決于裂隙的性質(zhì)和分布。因而，可通過裂隙在空間展布狀況(走向、傾向、傾角、開度和間距)的測(cè)量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法初步確定巖體的滲透張量［3］。

空間直角坐標(biāo)系定義為:x軸對(duì)應(yīng)正東方向，y軸對(duì)應(yīng)正北方向，z軸垂直向上。理論上可證明滲透張量是一對(duì)稱張量，因而可通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)找到一新的直角坐標(biāo)系使k為對(duì)角張量，即是:

取三個(gè)滲透主值的幾何平均值為綜合滲透系數(shù):

在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)裂隙的隙寬和間距很難做出精確的評(píng)價(jià)，而且由于張開裂隙滲透性正比于裂隙隙寬的立方，故裂隙寬度測(cè)量上的誤差將給滲透張量的計(jì)算帶來很大誤差。因此需要對(duì)由統(tǒng)計(jì)學(xué)方法求得的滲透張量進(jìn)行修正［4］。

主滲透張量的方向只取決于裂隙組的產(chǎn)狀。據(jù)ЧЕРНЬⅠЁВ(1979)［5］研究認(rèn)為，風(fēng)化作用、開挖卸荷等表生作用并不能對(duì)裂隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生根本性的改變，而僅僅是有限范圍內(nèi)的改造，其中最明顯的是裂隙面的開度，對(duì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、間距和長(zhǎng)度的影響不甚明顯。因此，對(duì)于某一工程地質(zhì)單元的滲透張量的主方向完全可以通過裂隙樣本法來確定，在此基礎(chǔ)上可充分利用抽水試驗(yàn)取得的綜合滲透系數(shù)數(shù)值，將兩者有效結(jié)合起來，為了利用抽水試驗(yàn)取得的平均滲透系數(shù)數(shù)值來修正裂隙樣本法取得的滲透張量，定義修正系數(shù)m為

根據(jù)(1)式和(3)式，得到反映原位地質(zhì)環(huán)境裂隙巖體的修正滲透張量Km為

依據(jù)前面所述方法，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行裂隙抽樣調(diào)查，共計(jì)調(diào)查裂隙229條，通過對(duì)優(yōu)勢(shì)裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即裂隙寬度，裂隙間距，傾角和傾向的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行滲透張量的計(jì)算，得到Kx=0.010 m/d，Ky=0.012 m/d，Kz=0.017 m/d。根據(jù)(2)式，求得綜合滲透系數(shù)為K0=0.013 m/d。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行鉆孔抽水試驗(yàn)資料的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到綜合滲透系數(shù)，強(qiáng)風(fēng)化巖體0.04 m/d，微新巖體為 0.033 m/d。然后根據(jù)(3)式和(4)式進(jìn)行滲透張量的修正。修正結(jié)果見表2。

表2 修正滲透主值

3 礦區(qū)地下水滲流模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

將修正后的滲透主值應(yīng)用到Visual Modflow中，進(jìn)行各地層的滲透系數(shù)賦值，根據(jù)地下開采空間結(jié)構(gòu)(見圖3)，建立各向異性的滲流模型。將采礦區(qū)基巖上覆蓋層視為均質(zhì)各向同性地層，滲透系數(shù)由雙環(huán)試坑注水試驗(yàn)得到。模型中各層滲透系數(shù)賦值見表3。

圖3 地下開采空間結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)開采方案，確立地下采礦工程的空間結(jié)構(gòu)，以非穩(wěn)定流進(jìn)行運(yùn)行，預(yù)測(cè)建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期各時(shí)段的地下水降落漏斗。

建設(shè)期分為三個(gè)時(shí)段，地下開采層位從淺至深，以建設(shè)期的第一階段和第三階段的地下水位降深等值線圖來表示降落漏斗影響范圍的變化趨勢(shì)，如下圖4和圖5。

表3 模型參數(shù)取值

圖4 建設(shè)期第一階段地下水降深等值線圖

圖5 建設(shè)期第三階段地下水降深等值線圖

建設(shè)期第一階段開挖到海拔-115 m，第三階段開挖到海拔-340 m。對(duì)比圖4和圖5可以看出，隨著建設(shè)向下發(fā)展，研究區(qū)周邊越來越多的地下水匯入開采巷道，地下水降落漏斗的影響范圍逐漸擴(kuò)大，并以近似橢圓形態(tài)出現(xiàn)。建設(shè)期第一階段，地下水位下降影響到了二郎廟村供水井，降幅為8 m，影響面積為2.30×106m2;建設(shè)期第三階段，地下水降落漏斗導(dǎo)致劉莊子村供水井下降7 m，影響面積為2.59×106m2。其中建設(shè)階段時(shí)間為4年，即降落漏斗擴(kuò)大速度為7.31 ×104m2/a。

建設(shè)期完成，地下開礦進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期，地下水繼續(xù)流入生產(chǎn)巷道，降落漏斗的范圍將會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變化，用運(yùn)營(yíng)5 a，10 a，15 a，20 a的地下水降深等值線圖(圖6～9)來顯示研究區(qū)地下水降落漏斗的變化趨勢(shì)，可以預(yù)測(cè)生產(chǎn)對(duì)礦區(qū)周邊居民集中供水點(diǎn)影響程度，進(jìn)而對(duì)可能出現(xiàn)的諸如造成飲水問題的情況進(jìn)行預(yù)防，達(dá)到生產(chǎn)生活順利進(jìn)行的效果。

圖6 運(yùn)營(yíng)5 a地下水降深等值線圖

圖7 運(yùn)營(yíng)10 a地下水降深等值線圖

圖8 運(yùn)營(yíng)15 a地下水降深等值線圖

以上各圖進(jìn)一步表明，運(yùn)營(yíng)期間，地下水降落漏斗繼續(xù)擴(kuò)大:東至孟官營(yíng)村，西到蔡園村和張家窯村，北至大楊莊村，南到新莊村，共影響11個(gè)敏感點(diǎn);影響面積從運(yùn)營(yíng)5 a的5.60×106m2擴(kuò)大到運(yùn)營(yíng) 20 a的 9.00×106m2，擴(kuò)大速度為1.70×105m2/a;影響幅度較大為二郎廟村，李莊子村和劉莊子村，地下水位降幅為30～75 m。

并且降落漏斗在x軸，y軸，z軸上不均勻擴(kuò)大，其影響范圍形狀繼續(xù)以橢圓形態(tài)出現(xiàn)。因此，地下水在巖體中滲流主要受控于巖體的裂隙，與巖體中裂隙發(fā)育形態(tài)和方向有關(guān)。礦區(qū)地下水滲流為在非均質(zhì)各向異性介質(zhì)中的非穩(wěn)定流。

圖9 運(yùn)營(yíng)20 a地下水降深等值線圖

4 結(jié)語

裂隙測(cè)量的滲透張量方法，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法全面對(duì)裂隙巖體做抽樣調(diào)查，測(cè)量裂隙系統(tǒng)的水力參數(shù)，能較快獲得大量計(jì)算滲透張量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲得不同位置空間各主滲透方向的滲透系數(shù)，構(gòu)成一個(gè)三維滲透系數(shù)張量場(chǎng)，準(zhǔn)確地刻畫裂隙巖體的滲透特性。而本文將裂隙抽樣方法得到的滲透張量與抽水試驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)行各主滲透方向的滲透系數(shù)的修正，得到反映原位地質(zhì)環(huán)境裂隙巖體的修正滲透張量，從而得到更與實(shí)際相符合的各向異性地下水滲流場(chǎng)。

將修正了的滲透張量應(yīng)用于數(shù)值模型Visual Modflow中，得到較與實(shí)際情況相符的各向異性的地下水滲流模型，能夠較準(zhǔn)確的描述地下采礦工程在生產(chǎn)過程中其周邊地下水滲流場(chǎng)的變化趨勢(shì)，進(jìn)而較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出敏感點(diǎn)的地下水水位變化幅度，為工程預(yù)防和地下水環(huán)境的保護(hù)提供較為可靠的依據(jù)。

［1］彭進(jìn)夫.裂隙巖體地下水滲流研究［J］.西北水電.1993，(03):1-5.

［2］許模，黃潤(rùn)秋.巖體滲透特性的滲透張量分析在某水電工程中的應(yīng)用［J］.成都理工學(xué)院學(xué)報(bào).1997，24(1):57-63.

［3］田開銘，萬力.各向異性裂隙介質(zhì)滲透性的研究與評(píng)價(jià)［M］.北京:學(xué)苑出版社.1989.

［4］李平，盧文喜.蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)裂隙巖體滲透張量的確定［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2008，(01):76-79.

［5］哈秋舲，陳洪凱.巖石邊坡地下水滲流及排水研究——永久船閘陡高邊坡巖體力學(xué)研究(四)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1997.