張志強，劉超飛，張希雨

(1. 河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031；2.河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點實驗室，河北 石家莊 050031)

礦井涌水量不僅是對礦井進行技術(shù)經(jīng)濟評價、合理開發(fā)的重要指標(biāo)，也是設(shè)計和生產(chǎn)部門制定采掘方案和防治措施的重要依據(jù)。目前，常用的礦井涌水量預(yù)測方法大體可分為確定性分析和非確定性分析兩類。確定性分析方法包括：解析法、模擬法、數(shù)值法、水均衡法；非確定性分析方法包括：水文地質(zhì)比擬、相關(guān)分析、模糊數(shù)學(xué)模型、灰色系統(tǒng)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時間序列分析等[1-7]。利用Visual Modflow進行地下水?dāng)?shù)值模擬具有許多明顯的優(yōu)勢，例如軟件的系統(tǒng)化和可視化等特點，從定義剖分建模開始，到模擬計算運行，直到最后以圖形、文字輸出最后結(jié)果，具有一套完整的模塊緊密相連[8]。本文運用Visual Modflow對研究區(qū)建立水文地質(zhì)模型，進行數(shù)值模擬分析，識別后的模型能夠較好地預(yù)測該礦區(qū)涌水量大小，并分析對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域地形地貌

該鐵礦位于南江縣城NW332°方向直線距離20.57 km的楊壩鎮(zhèn)境內(nèi)，米倉山中段南緣，地貌屬高山區(qū)，地勢東西高中心低，地形切割強烈。礦區(qū)內(nèi)無大的地表水體，小的山澗溪流有三條，較大的河流楊壩河流經(jīng)主礦體東側(cè)，呈南北向貫穿全區(qū)。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)屬于米倉山～大巴山工程地質(zhì)亞區(qū)，新構(gòu)造運動表現(xiàn)為大面積間歇性微弱抬升，地貌為高山類型，地形高差較大，河流切割較深。礦區(qū)南部斷層發(fā)育，但規(guī)模較小，走向近東西，多為逆斷層。

1.3 區(qū)域地層分布

礦區(qū)出露的地層主要為元古界火地埡群上兩組和麻窩子組，地層走向北東-南西，傾向北西，傾角約60°。礦區(qū)外分布著大面積的澄江期侵入巖，主要巖石為石英閃長巖、閃長巖、輝石閃長巖，分布于礦區(qū)北東、北西、南西呈“Ω”狀包圍礦區(qū)。

1.4 礦體產(chǎn)出特征

根據(jù)礦體賦存層位和空間分布特征可分為上、中、下三個含礦層，共含14個礦體。這些礦體受地層控制較明顯，一般順層產(chǎn)出，其產(chǎn)狀與圍巖一致。礦體與圍巖接觸界面十分清楚，其頂板大多為大理巖，底板為角巖。礦體形態(tài)為凸鏡狀、似層狀、豆莢狀等。礦石中主要金屬礦物為磁鐵礦，伴生金屬礦物有黃銅礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦、板鈦礦等。

圖1 模型區(qū)邊界類型圖

2 水文地質(zhì)概念模型

2.1 邊界條件的概化

研究區(qū)范圍應(yīng)盡量為一個完整的具有天然邊界的地下水系統(tǒng)，以便能夠準(zhǔn)確得到其邊界條件信息[9]。通過對研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌條件的分析，將研究區(qū)邊界條件概化如下：西北部為貫穿光霧山的地表分水嶺，結(jié)合地下水滲流場特征可將其視為隔水邊界；東部深切河谷楊壩河作為地下水排泄邊界；西部邊界是由二重山等構(gòu)成的一系列山體，也可作為地表分水嶺，其地下水邊界類型視為隔水邊界；南部是一系列逆斷層，斷裂帶成巖程度較好，多已膠結(jié)成巖，屬于隔水?dāng)鄬?，視為隔水邊界。由于無法確定邊界水位隨時間的變化情況，很難預(yù)測水位隨時間的變化，因此，將含水層側(cè)向邊界概化為二類流量邊界(見圖1)。

2.2 含水層參數(shù)的選取

含水層參數(shù)的選取主要根據(jù)地層巖性、富水性、厚度、巖溶發(fā)育規(guī)律和以往抽水試驗資料[10]，將計算區(qū)劃分成3個參數(shù)區(qū)(見圖2)，并設(shè)置不同的滲透系數(shù)和儲水率。

3 模型的建立

3.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)滲流的連續(xù)性方程和達(dá)西定律，在充分了解研究區(qū)水文地質(zhì)條件下，建立相對應(yīng)的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型：

式中：h為含水層水位；h0為初始水位；kxx，kyy，kzz分別為x，y，z方向的滲透系數(shù)；Ss為儲水系數(shù)；q為第二類邊界上的單寬流量；W為源匯項；B1為流量邊界；Ω為滲流區(qū)域；t為時間[11,12]。

圖2 模型滲透系數(shù)分區(qū)圖

圖3 研究區(qū)有限差分剖分圖

3.2 數(shù)值模型

本文利用Visual MODFLOW建立三維滲流模型，MODFLOW是由美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的專門用于地下水三維有限差分法地下水?dāng)?shù)值模擬的軟件，Visual Modflow是加拿大滑鐵盧(Waterloo)水文地質(zhì)公司在MODFLOW軟件的基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)研制而成[13]。由于研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)參數(shù)隨巖性不同而存在差異，所以將研究區(qū)內(nèi)的地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可以用Visual MODFLOW進行建模。

研究區(qū)南北長約5.3 km，東西寬約4.7 km，將研究區(qū)劃分為4 753的網(wǎng)格單元，共計2 491個網(wǎng)格單元，如圖3所示。為了得到更細(xì)的模擬結(jié)果和提高模型精度，需要將礦區(qū)進行列與行的加密，此外，還需要對巷道所在高程處進行層上的加密。

研究區(qū)地下水的補給來源主要為大氣降水的面狀入滲補給，黑水潭附近為第四系沉積地層，降雨入滲系數(shù)較小，阻隔了大氣降水對地下水的補給，其面狀補給可忽略不計，排泄主要為生產(chǎn)礦井排水，可以將生產(chǎn)礦井概化為Drain處理。

圖4 模型水位擬合圖

圖5 開采5 a后地下水等水位線

圖6 開采10 a后地下水等水位線

4 模型的識別與驗證

模型的識別也稱模型反演，通過不斷調(diào)整各水文地質(zhì)參數(shù)、均衡項等，擬合同期地下水位實測值，以達(dá)到滿足精度要求。判斷擬合效果優(yōu)劣包括以下四個方面：(1)擬合前后水量是否均衡；(2)計算水位與觀測水位是否相匹配；(3)擬合后的滲流場是否符合實際水文地質(zhì)條件；(4)擬合后反求出的模型參數(shù)是否與實際的水文地質(zhì)條件匹配[14]。本文通過對研究區(qū)進行水位擬合來驗證模型是否能夠反映礦區(qū)實際水文地質(zhì)特征，擬合結(jié)果如下：

圖4反映了模擬得到的水位變化與觀測水位的擬合結(jié)果，可以看出計算水位與觀測水位基本吻合，誤差為0.12%，小于5%，達(dá)到模型精度要求，模型能夠較好地反映地下水動態(tài)變化。由于季節(jié)性變化造成水位浮動，為保證礦井安全施工，需要不斷進行抽水，使地下水位不得高于950涌水口處水位。

5 涌水量預(yù)測

根據(jù)該礦體的分布特征，預(yù)測礦井開采5 a和10 a后涌水量的變化。圖5與圖6分別是礦井開采5 a和10 a后地下水等水位線圖，從圖中可以看出，隨著礦井的開采，伴隨著礦井疏排水，在其周圍逐漸形成一水位降落漏斗。在礦井開采10 a后隨著礦井開采面積的增加，水位降落漏斗出現(xiàn)擴大的趨勢，地下水位明顯下降，礦井開采已經(jīng)破壞了當(dāng)?shù)氐叵滤奶烊粷B流場，導(dǎo)致當(dāng)?shù)叵滤捎觅Y源量減少，需要采取必要的保護措施。

利用已經(jīng)驗證過的模型，來擬合地下水位可預(yù)測礦井開采5年和10年后的礦井涌水量。預(yù)測結(jié)果顯示，礦井持續(xù)開采5 a后正常涌水量為2 733 m3/d，最大涌水量為3 552.9 m3/d；開采10 a后的正常涌水量為3 392.6 m3/d，最大涌水量為4 240.3 m3/d。礦井開采10 a后的正常涌水量與最大涌水量明顯高于開采5年后的涌水量，主要原因是礦井在未來10 a的開采過程中，開采水平也相應(yīng)下降。另外隨著礦井開采面積的增加，礦井匯水面積也在增大。從預(yù)測結(jié)果還可以看出，雨季的礦井涌水量明顯大于平枯季。

6 結(jié)語

(1)以某鐵礦區(qū)實測資料為依據(jù)，通過對礦區(qū)空間范圍，含水層屬性，邊界條件的概化，建立起該研究區(qū)的地下水?dāng)?shù)值模型，該模型可用于礦井涌水量預(yù)測、區(qū)域水均衡等方面的研究。Visual Modflow地下水模擬軟件能夠較真實的反映研究區(qū)的實際水文地質(zhì)特征，對礦井涌水量預(yù)測和防治水措施起到積極的指導(dǎo)作用。

(2)研究區(qū)位于地下水強徑流帶上，礦井疏排水將造成該區(qū)周圍地下水位大幅度下降，地下水可用資源量減少。對比礦井開采5 a和10 a后，隨開采面積的增大，模型水位降落漏斗明顯擴大，礦井涌水量也明顯增大，當(dāng)?shù)靥烊粷B流場被破壞，影響礦區(qū)周圍居民生活用水，因此，應(yīng)采取必要的防滲措施，減小周邊水位的下降幅度。

(3)礦井水的主要補給來源為大氣降水，尤其是對于降雨集中的7—9月份，礦井涌水量明顯大于枯水期的涌水量，要對礦區(qū)降雨量、徑流條件進行認(rèn)真分析，及時疏排礦井水，做好相應(yīng)的防治措施，減少涌突水事故的發(fā)生。

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