理論與實踐:北洺河鐵礦深部開采放水試驗及數值模擬分析
作者：鄭曉敏
北沼河鐵礦位于河北省武安市上團城村北，隸屬于中國五礦邯邢礦業(yè)有限公司，設計年產鐵礦石180萬t，已于2002年投產。礦區(qū)處在邢臺百泉巖溶水系統(tǒng)之北沼河一百泉巖溶水強徑流帶上游，礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r與燕山期閃長巖接觸帶，屬接觸交代型鐵礦床。礦床頂板及其圍巖為厚度較大的奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，頂底板直接進水，為水文地質條件復雜的巖溶裂隙直接充水礦床。目前，礦山運輸中段在-230m水平，生產作業(yè)集中在-155m、-170m水平，下一步計劃開始- 230m水平以下深部開拓工程設計。
為了進一步研究礦區(qū)2#線以東深部灰?guī)r含水層特征，獲得有關水文地質參數，預測礦坑涌水量，為礦山深部礦體的開采提供科學合理的依據，礦山專門開展了群孔干擾非穩(wěn)定流放水試驗，利用井下鉆孔自流放水，形成大范圍、大降深激發(fā)流場，通過觀測試驗過程前、中和后的水量、水位和水質等變化，以查明奧陶系石灰?guī)r含水層的富水性特征及補排條件。相關研究人員在利用放水試驗資料的基礎上，求取水文地質參數，防治礦井突水方面做了一定研究。如楊小剛等研究了放水試驗在岱莊煤礦水害防治中的應用，王雨山等利用放水試驗資料反求水文地質參數，李文東對興隆莊煤礦三含放水試驗做了分析等。
由德國WASY公司所開發(fā)的地下水數值模擬軟件FEFLOW具有獨到的特點，是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一，可用于復雜三維非穩(wěn)定水流和污染物運移的模擬。陳書客等以林南倉礦為研究對象，利用FEFLOW進行了滲流場模擬并預測了涌水量。田麗將新汶礦業(yè)集團公司潘西煤礦結合FEFLOW軟件系統(tǒng)的特點，對采用FEFLOW軟件進行工作面底板突（涌）水量預測的可行性進行了分析。本文利用FEFLOW軟件對放水試驗資料進行數值模擬，反演水文地質參數，為礦井涌水量預測提供基礎資料。
1 礦區(qū)地質及水文地質概況
礦區(qū)主要地層有古生界奧陶系、石炭系和二迭系及新生界第四系，燕山期閃長巖呈復雜的似層狀侵入到奧陶系中統(tǒng)及其他地層中。水平上，北沼河礦區(qū)南臨武安巖體中團城一崇義一上泉一線巖體，北接礦山巖體南端的焦寺巖體，東部邊緣為玉泉嶺一郭二莊斷裂帶之東的石炭系、二迭系，礦區(qū)內為順北洺河河床呈NW-SE展布的北洺河巖體。垂向上，礦區(qū)灰?guī)r上覆有第四系砂礫卵石層、砂質黏土礫石層和底部黏土層，下為燕山期火成巖托底。礦床地段，火成巖巖體呈復雜的層狀、似層狀侵入到奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r地層，在垂向上侵入體將石灰?guī)r分為多層。礦床背斜軸部石灰?guī)r含水層較��；南北兩翼較厚，且越往外越厚。
奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層為礦區(qū)主要含水層。該含水層分布廣泛，其南部西部有武安巖體，北有礦山巖體，阻礙或隔斷與區(qū)域石灰?guī)r含水層的聯系，東部與區(qū)域含水層相連，上部有第四系地層覆蓋，下部為火成巖托底，中間還有侵入巖穿插。礦床在平面上以2#線為界劃分為東西兩區(qū)，其中2#線以西35個鉆孔做了71次注水試驗，24個鉆孔做了41次抽水試驗，鉆孔單位涌（耗）水量多小于0. lL/s·m，滲透系數多小于0.05m/d，灰?guī)r含水層總體透水性較弱。對于2#線以東，受原有勘探深度不足等因素影響，有必要通過放水試驗對其富水性進一步研究。
2井下放水試驗
2.1 放水孔與觀測孔
根據地下水井流理論和現場條件，確定本次放水試驗為一次最大降深、群孔干擾非穩(wěn)定流放水試驗。放水試驗的目的層為奧陶系灰?guī)r含水層，井下疏水系統(tǒng)完整，因此試驗采用井下放水，地表、井下聯合觀測的方法，利用新施工的3個奧灰孔進行干擾非穩(wěn)定流放水試驗，其中TKOS-2位于- 230m水平，出水量78 m3／h；TKPD-2、TKPD-3位于-245m水平，出水量分別為120 m3／h、180 m3/h。觀測孔分井下及地表兩部分，井下觀測主要是對-230m、-245m水平出水點的水量變化進行觀測，并對已安裝的壓力表進行讀數，地表觀測系統(tǒng)主要是利用礦區(qū)范圍內現有GX1、GX6、GX7、GX8、GX10、GX11、GX12共7個觀測孔。
2.2放水試驗過程
放水試驗過程總體分為地下水起始動態(tài)觀測、正式放水、水位恢復觀測等三個階段，自2014年9月2日10時開始，至2014年9月30日10時止，歷時28天。
放水試驗前三天對礦區(qū)觀測孔以及外圍觀測孔進行地下水位統(tǒng)測，并對井下壓力表進行讀數，掌握放水試驗初始地下水流場，同時對放水時需要測量的出水點進行水量觀測。
放水試驗開始后，分別打開放水孔TKOS-2、TKPD-3、TKPD-2，其中TKOS-2的水量采用
JDUF-H型超聲流量計進行測量，TKPD-2及TKPD-3的水量采用ST-LDE200型電磁流量計進行測量，壓力觀測采用壓力表直接讀數的方法，礦區(qū)內觀測孔水位為自動觀測，外圍觀測孔采用電表測繩觀測。
9月16日上午10點，關閉各放水孔進行水位恢復觀測，各放水孔、礦區(qū)觀測孔以及外圍觀測孔的觀測頻率均與放水試驗開始時觀測頻率一致，水位恢復觀測至9月30日。
放水試驗過程中，各觀測孔水位歷時變化不一，隨著放水的進行，水位發(fā)生相應的變化。通過本次放水試驗，研究了降落漏斗的形態(tài)、大小及擴展過程，分析含水層之間的水力聯系，為礦井防治水工程的設計提供可靠的水文地質依據。
3地下水流數值模擬模型
3.1 水文地質概念模型
為避免數值模型過小造成的誤差，本次數值模擬范圍不局限于北沼河礦區(qū)，而是將區(qū)域內各個礦山置于統(tǒng)一地下水系統(tǒng)中進行研究，將模擬范圍擴展至整個百泉泉域，總面積1603km2。
南部邊界為南洺河斷層，該斷層南北水位差110多米，斷層具有隔水性，處理為隔水邊界；北至內丘西北嶺一帶地下分水嶺；西南部邊界為南叢井龍霧一活水斷層，該斷層斷距大，東盤寒武系頁巖、泥巖抬升，處理為隔水邊界；東部邊界為團城-郭二莊-馮村-沙河市-邢臺-內邱一線的隱覆阻水斷裂，該斷裂以東奧陶系埋藏很深，與石炭二疊系直接接觸，巖溶不發(fā)育，為隔水邊界；西部灰?guī)r與中上元古界地層直接接觸，處理為流量邊界。
在考慮資料占有程度的基礎上，根據礦區(qū)的空間介質結構、含水層的形成時代、埋藏深度、水力聯系等，將該區(qū)在垂向上自上而下劃分為：第四系上部砂礫石強含水層；第四系中部黏土礫石弱含水層；第四系底部粘土相對隔水層；石炭、二迭系薄層裂隙含水層；奧陶系灰?guī)r含水層；閃長巖相對隔水層。其中奧陶系灰?guī)r含水層再細分為四層（模型第五層至八層），整個模型在空間共劃分為九層。
開采條件下，深部排水使中下部灰?guī)r含水層地下水壓力釋放并向上傳導，控制著中上部灰?guī)r和第四系地下水流場分布，垂向上存在水頭梯度，形成了以疏干巷道為中心的從源到匯的三維空間流場分布特征，因此，將含水系統(tǒng)概化為非均質各向異性含水系統(tǒng)，地下水流系統(tǒng)概化為三維非穩(wěn)定流。
3.2數學模型
根據前述的水文地質條件，可寫出相應的數學模型，見下式。
式中：H為地下水位(m)；Kz、K y.Kz為分別為z、y、z方向的滲透系數( m/d)；μ、μ為分別為貯水率和給水度；Qi為地下水開采量或排水量( m3/d)；Ho(z，y，z)為初始水位(m)；qe(z，y，z，t)為流量邊界的單位面積流量( m/d)；Q、S、r為分別表示滲流區(qū)域、地下水自由面、流量邊界；e為降水人滲強度( m/d)。
3.3數值模型
3.3.1空間離散
上述數學控制方程的求解采用DHI-WASY公司開發(fā)的基于有限單元法的FEFLOW軟件。將數值模擬區(qū)離散為不規(guī)則三角剖分網格，在網格剖分時水文地質條件復雜的區(qū)域剖分時要細化；觀測孔盡量位于剖分單元的中心節(jié)點；礦坑排水和集中出水的地方，由于水力坡度及流場變化趨勢較大，剖分時要適當加密。平面共剖分單元20815個，節(jié)點10562個，空間共剖分187335個單元格，節(jié)點105620個。
3.3.2水文地質參數的選取
在收集整理前人關于研究區(qū)滲透系數及給水度等方面研究成果的基礎上，根據研究區(qū)含水層埋藏和補給條件的差異、巖溶發(fā)育情況、地下水位動態(tài)、區(qū)域地下水流場特征等水文地質條件，對含水層作了分區(qū)，并給每個參數分區(qū)賦予相應的初值。待模型識別時最終確定。
3.3.3 源匯項的處理
根據FEFLOW軟件的要求，需要對地下水系統(tǒng)的補給和排泄條件進行相應的處理，然后才能帶入模型中應用。礦區(qū)內地下水補給項主要為降雨入滲補給、側向補給以及河渠等地表水的滲漏補給，排泄項為生活生產用水、礦坑排水等。
3.4模型識別
以2013年9月2日的地下水流場作為模型識別的初始流場，選擇了礦區(qū)8個地下水位觀測孔的實測水位動態(tài)曲線進行擬合，共分兩個階段。
第一階段擬合期為2013年9月2日至2014年9月1日，共365天，將模擬時間進行離散，時間步長設為1天，共365個時段(time steps)。以前面所給出的各種水文地質參數及源匯項初值為基礎，對模型進行反演計算，讓模型運行365個時段，記錄下每個時段各觀測孔所在結點的水位，以及最后時段地下水流場。若各種初值給的合理，計算得( H-t)曲線應與實測的( H-t)曲線基本吻合，否則要反復調整水文地質參數，直到擬合程度滿意為止。經過反復調試，上述參數作為放水試驗模擬的基礎。
第二階段為利用放水試驗動態(tài)資料進行模型識別，在第一階段模型識別的基礎上，加上- 230m水平，-245m水平放水孔的排水量，時間步長取為o．5天，讓模型運行28個時段，來擬合各觀測孔的水位動態(tài)，通過相應的參數調整，來確定數值模型的水文地質參數序列。
識別期內，各觀測孔水頭與計算水頭的平均殘差為-0.23m，平均絕對殘差為0.45m，標準誤差估計為0. 07m，均方根為1.87m，標準化均方根比例為2.9%，說明誤差占總水頭差異的很小一部分；相關系數為0.97，表明相關程度比較好。
部分觀測孔擬合曲線見圖1、圖2�？芍^測水頭動態(tài)曲線與計算水頭動態(tài)曲線基本吻合，說明識別后的水文地質參數是符合客觀實際的，所建模型基本反映了模擬區(qū)的地下水運動規(guī)律。模擬區(qū)水文地質參數分區(qū)見圖3，參數取值見表1、表2。
3.5 涌水量預測
3.5.1 礦坑涌水量預測的基本設置
1)根據礦床賦存條件，本次工作設置的開采水平為-320m、-410m。因此利用數值模型預測-320m、-410m開采水平時礦坑的疏干水量和正常涌水量。
2)根據當地水文氣象情況，豐水年、平水年和枯水年的降雨量設置分別為800mm、550mm、300mm。
3)為了求得正常的礦坑涌水量，在各開采水平上，使相應水平排水巷道上的結點水位保持為該水平標高，先讓模型運行兩個偏枯的平水年(降雨量400mm)，再運行豐水年、平水年和枯水年求其礦坑涌水量。
3.5.2礦坑涌水量預測模型所需的基本數據
1)利用數值模型進行礦坑涌水量預測，其水文地質參數保持不變。
2)邊界側向補給量、降水入滲量、河水滲入量均按我們設置的枯水年、平水年、豐水年的降水量，參考模型識別時相應降水量年份的補給量給出。
3)在礦坑涌水量預測時，地下水開采量保持2014年開采量不變。
3.5.3 礦坑涌水量預測
礦坑涌水量預測過程見框圖4。表3、表4分別為開采至預測水平時，該水平中段礦坑涌水量及礦區(qū)礦坑總涌水量。
4放水試驗結果分析
根據放水試驗成果資料，放水試驗2#線以東各觀測孔均受到放水的影響，總的規(guī)律是距離放水孔近的觀測孔水頭降低多，且反應迅速；距離放水孔遠的地方水頭降低少，且反應滯后。放水開始后半小時，距離放水孔lOOm左右的GX6孔水位下降3. 4m，18h后達到穩(wěn)定狀態(tài)，水位下降37.30m;放水開始6h后位于放水孔東南約300m的GX12水位開始下降，放水結束前水位共下降3. 42m;放水開始17h后位于放水孔東300m的GX7水位開始下降，放水結束前水位共下降1. 08m;位于放水孔東北約600m的GX8水位下降0.52m。放水結束后，2#線以東GX6水位降至-109.9m，而東段三個孔水位仍在十幾米左右，兩者水頭差達130m，形成了較高的水力坡度，說明該處含水層具有明顯的弱透水性。
此外，2#線以西GX1、GX9、GX10水位分別下降了7. 36m、2.8m、0.92m，巷道各出水點水量也均有不同程度的減少，如出水點TKP-1反應迅速，出水量在2h內由51.43m3／h降至20.57m3／h，且有大量黃泥涌出，放水結束后各觀測孔水位均有不同程度的上升，出水點水量迅速增大，說明2#線東西兩側具有一定的水力聯系。
綜上，礦區(qū)2#線以東灰?guī)r地下水位較上世紀70年代已下降了200多米，上部強含水層已經被疏干，其深部灰?guī)r含水層同2#線以西一樣，具有明顯的弱透水性；2#線兩側地下水具有明顯的水力聯系；礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層不能再以2#線為界將劃分為東強西弱的兩區(qū)，而應作為一個統(tǒng)一的含水體。
5結 論
1)在放水試驗的基礎上，結合礦山開采方案，采用數值模擬反演礦區(qū)水文地質參數，分別預測了開采至-320m、- 410m水平時，礦山各水平中段的礦坑涌水量及礦坑總涌水量。本次計算綜合考慮了礦區(qū)甚至整個百泉巖溶地下水系統(tǒng)的地下含水系統(tǒng)、流動系統(tǒng)、邊界條件等因素，并進行了科學合理的概化，預測結果可作為深部開采的設計依據。
2)通過井下放水試驗，進一步查清了礦區(qū)水文地質條件，即：礦區(qū)2#線以西灰?guī)r含水層總體透水性較弱；2#線以東灰?guī)r地下水位較上世紀70年代已下降了200多米，上部強含水層已經被疏干，深部含水層透水性弱；礦區(qū)2#線兩側地下水存在明顯的水力聯系；礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層為一個統(tǒng)一的含水體。
3)對于- 230m水平以下礦山深部開采，由于北沼河礦區(qū)巖溶含水層透水性弱，地下水呈空間流場分布，短期內難以大規(guī)模降低地下水頭，為了消除或減少高水頭壓力對礦坑的威脅，在采掘過程中遇到接觸帶、構造破碎帶及掌子面接近灰?guī)r局部富水地段，需用超前鉆孔查明周圍水體、含水構造等的具體位置、產狀，并集中施工一些放水孔進行放水降壓，通過疏干工程和施工在強含水段的放水降壓孔，將采掘水平強含水段的地下水釋放排走，為采掘創(chuàng)造良好的作業(yè)條件。
6摘 要：
為了進一步研究北洺河鐵礦2#線以東水文地質條件，為深部礦體開采提供科學合理的依據。本次研究利用井下及地表現有的水文地質觀測孔，對礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層進行了大型群孔干擾非穩(wěn)定流放水試驗，并利用FEFLOW軟件進行數值模擬分析，計算水文地質參數，預測了深部開采礦坑涌水量。結果表明：礦區(qū)2#線以東深部灰?guī)r含水層透水性較弱，2#線兩側灰?guī)r含水層存在一定的水力聯系，整個北洺河礦區(qū)灰?guī)r含水層為一個統(tǒng)一的含水體。
