霍晨琛，肖詩(shī)偉，陳 帥，王新銳，趙凱培

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

地下水流場(chǎng)對(duì)地浸采鈾浸出效率、溶質(zhì)運(yùn)移和地下水環(huán)境保護(hù)具有重要意義?；诘亟赦櫟牡叵滤鲌?chǎng)分布特征，可以模擬鈾濃度范圍[1]、確定采區(qū)合理抽注比[2-3]和提高鈾礦山資源利用率及優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等[4]。地下水位是反映地下水流場(chǎng)的重要指標(biāo)，地下水位動(dòng)態(tài)變化是氣象和人為因素對(duì)地下水系統(tǒng)作用的綜合反映[5]。

中國(guó)鈾礦山通過(guò)布置監(jiān)測(cè)井，進(jìn)行含水層地下水狀態(tài)監(jiān)測(cè)。目前，地浸鈾礦山監(jiān)測(cè)井通常布置在井場(chǎng)內(nèi)的上下含水層和井場(chǎng)外圍的含礦含水層中[6-7]，而對(duì)井場(chǎng)抽液井地下水位動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)較少。實(shí)際上，抽液井的地下水位變化會(huì)直接影響礦山生產(chǎn)，增大抽液井內(nèi)水位降深可顯著提高鉆孔涌水量[8]；若抽液井內(nèi)動(dòng)水位太低，超出了潛水泵下潛深度，則會(huì)出現(xiàn)潛水泵抽空、絕緣燒損等問(wèn)題[9]。

根據(jù)地下水位降深、抽注液量和礦山水文地質(zhì)條件，可得出開(kāi)采條件下的導(dǎo)水系數(shù)分布規(guī)律[10]，對(duì)井場(chǎng)布置具有一定的指導(dǎo)意義。筆者以某地浸鈾礦山為研究對(duì)象，對(duì)抽液井進(jìn)行開(kāi)采條件下的動(dòng)水位監(jiān)測(cè)，分析抽液井地下水位變化特征，闡明地下水位變化的控制因素；同時(shí)建立礦山地下水流數(shù)值模型，揭示礦山地下水流場(chǎng)分布特征，為該礦山開(kāi)采過(guò)程中抽注液量調(diào)整和提高資源回收率提供依據(jù)。

1 研究概況

礦床位于二連盆地馬尼特坳陷西部，礦區(qū)范圍內(nèi)自下而上揭露有下白堊統(tǒng)下段(K1s1)、賽漢組上段(K1s2)、古近系伊爾丁曼哈組(E2y)、第四系(Q)。其中，賽漢組上段(K1s2)為礦床含礦含水層，巖性為砂巖、砂質(zhì)礫巖夾泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，厚度30～100 m，呈單一厚層狀，分布穩(wěn)定連續(xù)。含礦含水層具有地下水位埋深淺、承壓性較強(qiáng)、富水性、滲透性良好的特點(diǎn)，靜水位埋深18.99～26.02 m，承壓水頭40.01～71.48 m，單孔涌水量135.60～467.32 m3/d，滲透系數(shù)2.9～13.2 m/d[11]。

礦床地下水主要接受北東鄰區(qū)地下水的側(cè)向補(bǔ)給，以及北西和南東的側(cè)向微弱補(bǔ)給。地下水總體從北東向南西緩慢徑流，排泄于礦床南西部。含礦含水層的上部分布有5～20 m厚的泥巖隔水層，下部分布有5～15 m厚度的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾褐煤隔水層，具有穩(wěn)定連續(xù)的泥-砂-泥地層結(jié)構(gòu)，含礦含水層與其他含水層無(wú)水力聯(lián)系。

2 抽液井動(dòng)水位變化特征

2.1 監(jiān)測(cè)方案

選取C9采區(qū)進(jìn)行抽液井動(dòng)水位監(jiān)測(cè)，水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。C9采區(qū)采用酸法地浸采鈾工藝，注入的酸性浸出劑使地下水pH降低，因此在進(jìn)行地下水監(jiān)測(cè)時(shí)選擇耐酸水位計(jì)。為盡量不影響礦山正常生產(chǎn)開(kāi)采，選擇具有自動(dòng)采集且能存儲(chǔ)高密高頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的地下水水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 C9采區(qū)水位觀測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of water level observation points in C9 mining area

研究采用英國(guó)Impress-Sensor IMCL-G4000防酸水位計(jì)，水位計(jì)由數(shù)據(jù)采集端、水位監(jiān)測(cè)探頭和電纜組成，精度<±0.25%FS，響應(yīng)時(shí)間10 ms，工作溫度-20～+60 ℃，直徑25 mm，長(zhǎng)150 mm。

2.2 結(jié)果分析

各抽液井原始地下水位埋深見(jiàn)表1。根據(jù)地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和抽液井抽液量，繪制抽液井地下水水位埋深-抽液量綜合動(dòng)態(tài)曲線，如圖2所示。

表1 抽液井原始地下水位埋深Table 1 Initial groundwater depth of pumping holes

圖2 抽液井地下水位埋深-抽液量綜合動(dòng)態(tài)曲線Fig.2 Comprehensive dynamic curve of underground depth and pumping volume of pumping wells

從圖2看出：1)水位變幅不均。在采區(qū)開(kāi)采過(guò)程中，抽液井含礦含水層水位較初始水位發(fā)生了明顯變化，各抽液井水位均有下降。受含水層水文地質(zhì)條件非均勻性、補(bǔ)給條件，以及抽液量等影響，4個(gè)抽液井水位下降幅度不同，水位下降幅度為6.7～26.6 m。其中，KC8638地下水位埋深較大，在生產(chǎn)過(guò)程中要注意調(diào)整潛水泵位置，避免出現(xiàn)潛水泵抽空燒毀等問(wèn)題。2)水位波動(dòng)受抽液量影響明顯。各抽液井水位曲線均隨抽液量呈現(xiàn)多個(gè)峰谷形態(tài)。各抽液井水位埋深整體趨勢(shì)隨抽液量增加而增加，隨抽液量減小而減??；若抽液量出現(xiàn)大幅下降，則地下水位埋深也隨之驟降；抽液量較為穩(wěn)定時(shí)，對(duì)地下水位擾動(dòng)較小。

將各抽液井水位埋深和抽液量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析[12](表2)。Pearson相關(guān)系數(shù)大小體現(xiàn)相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱，當(dāng)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大于0.5時(shí)，相關(guān)關(guān)系較強(qiáng)。從表2看出，各抽液井水位埋深與抽液量均在0.01水平上顯著正相關(guān)。

表2 各抽液井地下水位埋深和抽液量相關(guān)分析Fig.2 Correlation analysis between groundwater depth and pumping volume of pumping wells

3 地下水流場(chǎng)變化特征

3.1 地下水流數(shù)值模型

3.1.1 模擬范圍及邊界條件

結(jié)合地浸采鈾工程分布與礦床附近區(qū)域地下水流場(chǎng)分布，最終圈定的模擬范圍如圖3所示，面積為86.06 km2。以948 m和936 m等水頭線為東北和南西部邊界，設(shè)置為通用水頭邊界，兩側(cè)分別延伸3 km和7 km；西側(cè)邊界設(shè)置為流量邊界；東側(cè)邊界的北部平行于地下水流向，設(shè)置為隔水邊界；南部設(shè)置為流量邊界。

空間上，采用分別平行于x、y軸的2組正交網(wǎng)格對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行平面上的剖分，每個(gè)網(wǎng)格大小為50 m×50 m；在井場(chǎng)范圍對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，加密區(qū)網(wǎng)格大小為5 m×5 m。加密區(qū)網(wǎng)格可以反映抽注液井的位置，相鄰抽注液井之間有多個(gè)網(wǎng)格分隔，避免因網(wǎng)格剖分造成抽注井流量發(fā)生抵消。將整個(gè)模擬區(qū)在平面上沿南北向剖分為676行，沿東西向剖分為781列。

圖3 模擬范圍與邊界條件示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation range and boundary conditions

3.1.2 含礦含水層結(jié)構(gòu)特征

本模型模擬層位為賽漢組上段含礦含水層，根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)勘探孔和水文地質(zhì)孔巖性編錄數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)、水文地質(zhì)及地形地貌等資料，利用Kring方法空間插值，獲得含礦含水層頂?shù)装甯叱虜?shù)值模型(圖4)。含礦含水層底板高程767～890 m，頂板高程851～921 m，含水層厚度為30～100 m。整體上，模擬區(qū)傾向北東方向，含水層南西向北東漸次增厚，礦床集中處于古河谷核部，高程相對(duì)較低。

圖4 模擬區(qū)含礦含水層(賽漢組上段)頂?shù)酌鏀?shù)值高程模型Fig.4 Numerical elevation model of top and bottom surface of ore bearing aquifer (K1s2) in simulation area

3.1.3 源匯項(xiàng)

模擬區(qū)含礦含水層上下部均具有穩(wěn)定連續(xù)的隔水層，模擬區(qū)內(nèi)源匯項(xiàng)主要是礦床開(kāi)采的抽液和注液，目前礦床開(kāi)采的采區(qū)為C1～C9采區(qū)，共有685眼生產(chǎn)井，其中注液井404眼，抽液井281眼。本次數(shù)值模型選取2016年7月1日至2020年5月18日作為識(shí)別驗(yàn)證期，以自然月為應(yīng)力期，統(tǒng)計(jì)每眼井在每個(gè)應(yīng)力期的平均日流量；根據(jù)實(shí)際開(kāi)采進(jìn)度，對(duì)各采區(qū)井場(chǎng)賦值抽注液量作為源匯項(xiàng)。

3.1.4 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，建立如下數(shù)學(xué)模型：

式中：H0為初始水頭，m；Kx、Ky、Kz分別為滲透系數(shù)在x、y、z方向的分量，m/d；h為含水層水頭，m；Ss為彈性釋水率，1/m；H1為第一類(lèi)邊界水位標(biāo)高，m；Г1為一類(lèi)邊界；q為第二類(lèi)邊界上的單寬滲流量，m3/d；n為二類(lèi)邊界外法線方向的單位向量；Г2為二類(lèi)邊界；T為含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；Ω為模擬區(qū)范圍。此處一類(lèi)邊界條件對(duì)應(yīng)948 m和936 m等水頭線邊界，二類(lèi)邊界條件對(duì)應(yīng)設(shè)定的流量邊界。

3.2 地下水流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

3.2.1 模型識(shí)別

結(jié)合礦床詳查和勘探階段區(qū)域流場(chǎng)分布，確定模擬區(qū)天然條件下初始流場(chǎng)，反映礦床投產(chǎn)前水頭分布的初始狀態(tài)。根據(jù)礦山勘查階段所獲取的水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合富水性進(jìn)行賦值，含礦含水層滲透系數(shù)為3～10 m/d，孔隙度為0.3，彈性釋水率為1×10-5(1/m)。

在使用Visual Modflow軟件對(duì)模型進(jìn)行求解時(shí)，大量試算表明WHS求解器對(duì)本模型有較好的適應(yīng)性。在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)定外部迭代最大次數(shù)為5 000，內(nèi)部迭代最大次數(shù)為2 500，水位變化收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01 m，殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.001 m，阻尼系數(shù)為0.8。

為保證建立的數(shù)值模型盡可能反映實(shí)際的水文地質(zhì)條件，需要對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證，校正其方程、參數(shù)及邊界條件等。首先使用模型模擬井場(chǎng)開(kāi)采前地下水流場(chǎng)，結(jié)果如圖5所示。可以看出，計(jì)算初始流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)分布基本一致。利用礦床不同時(shí)間的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別與驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示。可以看出，模型計(jì)算水位與同時(shí)期實(shí)測(cè)水位擬合效果較好，模型可用來(lái)模擬礦山開(kāi)采條件下地下水流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征。

圖5 計(jì)算初始流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)對(duì)比(紅色為計(jì)算流場(chǎng)，藍(lán)色為實(shí)測(cè)流場(chǎng))Fig.5 Comparison between calculated initial flow field and measured flow field (Red is the calculated flow field and blue is the measured flow field)

圖6 監(jiān)測(cè)井水位擬合對(duì)比Fig.6 Fitting comparison of groundwater level of monitoring wells

3.2.2 流場(chǎng)分析

在礦床現(xiàn)狀開(kāi)采條件下，應(yīng)用地下水流數(shù)值模型分別輸出礦山不同時(shí)間區(qū)域地下水流場(chǎng)等值線圖(圖7)?？梢钥闯?，在礦山開(kāi)采初期，采區(qū)面積小，抽注液井的抽注活動(dòng)僅引起采區(qū)及周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的水位波動(dòng)，對(duì)采區(qū)外圍地下水位影響較小。2017年11月開(kāi)始，C6、C7采區(qū)陸續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)，開(kāi)采面積逐漸擴(kuò)大，由于井場(chǎng)抽注液量變化引起的地下波動(dòng)范圍也逐漸增大，其中采區(qū)下游地下水流場(chǎng)受到的影響較大，地下水流場(chǎng)發(fā)生較大變化。2019年11月開(kāi)始，C8和C9采區(qū)也逐步進(jìn)行生產(chǎn)，區(qū)域水位波動(dòng)范圍均進(jìn)一步擴(kuò)大，在C8和C9采區(qū)形成了降落漏斗。由于采區(qū)分布不是完全連續(xù)的，在模擬期末，區(qū)域地下水流場(chǎng)形成了分別以C1～C7-1和C8～C9井場(chǎng)為中心的2個(gè)降落漏斗。

圖7 區(qū)域地下水流場(chǎng)圖Fig.7 Regional groundwater flow field

為了進(jìn)一步分析采區(qū)內(nèi)部地下水流場(chǎng)分布特征，根據(jù)地下水流數(shù)值模擬結(jié)果繪制了井場(chǎng)附近地下水三維流場(chǎng)圖(圖8)?？梢钥闯觯诘亟_(kāi)采活動(dòng)的作用下，采區(qū)內(nèi)地下水流場(chǎng)與開(kāi)采活動(dòng)進(jìn)行前明顯不同，采區(qū)內(nèi)形成了強(qiáng)烈的地浸滲流場(chǎng)，改變了原地下水流場(chǎng)。生產(chǎn)采區(qū)內(nèi)的地下水流場(chǎng)在抽注液井附近，形成多個(gè)封閉的凹陷和凸起。凸起代表注液井，凹陷代表抽液井，溶浸液從凸起區(qū)(注液井部位)向凹陷區(qū)(抽液井部位)運(yùn)移。從采區(qū)整體來(lái)看，由于總抽液量大于注液量，地下水等水位線形成了以C1～C7-1和C8～C9采區(qū)為中心的盆地狀態(tài)。

圖8 井場(chǎng)范圍內(nèi)地下水流場(chǎng)三維形態(tài)平面圖Fig.8 Three dimensional shape plan of groundwater flow field within the well site

4 結(jié)論與建議

對(duì)抽液井進(jìn)行地下水位監(jiān)測(cè)能直觀反映地下水位局部變化，開(kāi)采條件下的抽液井地下水位低于初始水位。各抽液井地下水位埋深變化具有差異性，地下水位埋深動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與各孔抽液量變化趨勢(shì)基本一致。地下水位埋深與抽液量顯著正相關(guān)。

地浸鈾礦山受采區(qū)分布和采區(qū)地下水抽注活動(dòng)的影響，含礦含水層區(qū)域地下水流場(chǎng)與地浸活動(dòng)開(kāi)始前相比發(fā)生了較大變化，在井場(chǎng)及其周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)形成了明顯的降落漏斗。采區(qū)內(nèi)部地下水流場(chǎng)變化較為強(qiáng)烈，以注液井為中心形成高液壓區(qū)，以抽液井為中心形成低液壓區(qū)。

建議在礦山開(kāi)采前、試驗(yàn)階段及生產(chǎn)階段開(kāi)展抽液井長(zhǎng)期水位監(jiān)測(cè)，從而為抽液量調(diào)整、潛水泵調(diào)整以及精細(xì)化刻畫(huà)含礦含水層非均勻性提供指導(dǎo)。