岩溶地下水数值模拟研究

摘要：矿山1951年建矿开采至今，开采深度随着中深部矿床的发现加深，矿床开采已经低于该矿区地表水体（牛栏江），当地最低侵蚀基准面540m，开采技术条件难度不断增大，深部地下水文地质条件条件发生改变。由于涌水量变化复杂，运用数值模型的方法，利用已知涌水量、水位，运用GMS软件来计算深部各中段涌水量，为矿山设计提供排水和制定防治水措施提供了科学依据，具有重要意义。

关键词：岩溶地下水；数值模型；马尔科夫预报；动态模拟；水文地质

中图分类号：TV211 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）15-0015-03

1 概述

随着会泽铅锌矿区转入深部开采，矿床深部水文地质条件渐趋复杂，开展矿区深部地下水渗流场及矿坑涌水量动态变化的研究对矿山的生产与安全极为重要。

根据矿山厂水文地质条件，利用GMS软件对矿床不同深度的渗流场及涌水量进行数值模拟，建立矿区岩溶地下水三维数值模型进行模拟，而获取深部矿床开拓各水平涌水量的相关因素以及矿床开采地下水渗流场及涌水量变化规律为矿山计划深部的开采提供依据。

2 概化矿区水文地质条件，建立水文地质模型

本次结合会泽矿山厂已有水文监测数据，概化矿区水文地质条件，建立水文地质概念模型。

矿山厂西部边界为海口组（D2h）弱透水层，具有隔水性质。东部边界为东头压扭性断层，具隔水性质，海口组（D2h）弱透水层与东头断层在北东部相交，使北部封闭。马坪组（C3m）紫红色泥岩层构成了矿床的南部隔水边界。西南边为矿山厂含水层、张扭性断层，视为定水头边界。

模拟范围内矿床的充水含水层为中部碳酸盐岩含水层组（D3zg——C2w），根据矿区溶蚀裂隙含水层的组合特点及地下水动力条件可概化为非均质各向异性的无压-承压三维流。地下水源汇项有：地下水开采量、垂直入渗补给量、蒸发量。

在对模拟区水文地质条件概化后，其物理模型可归结为：非均质各向异性无压-承压裂隙岩溶非稳定流含水系统。

3 数学模型

模拟区虽然溶蚀裂隙发育不均匀，但地下水流具有统一的地下水面，水流运动基本服从Darcy定律，可以近似地运用等效双重介质渗流理论模型对其进行描述和模拟。建立会泽矿区潜水含水层、承压水含水层数学模型。

3.1 潜水含水层数学模型

3.2 承压水含水层数学模型

式中为研究范围相应水文地质参数和已知条件。

矿山厂研究范围约为1.25km2，利用GMS软件实现三维网格生成7500个，节点10404个。利用GMS软件建立三维有限差分模型。据矿坑历年观测数据整理分析来进行模拟研究。

3.3 参数分区

根据抽水试验资料或实际开采的流量和水位资料等，进行数值计算，求得水文地质参数，从而验证数学模型的真实度。根据计算区的构造、岩性、岩溶发育程度等，将计算区分为若干个区，分别给出各区渗透系数、贮水率、给水度、降水入渗系数及蒸发系数等参数的初始经验值。

本次研究将矿山厂含水系统分为两个部分，Ⅰ部分为泥盆系宰格组（D3zg），石炭系下统大塘组（C1d）和石炭系下统摆佐组（C1b），Ⅱ区包括石炭系中统威宁组（C2w）与石炭系上统马坪组（Cm）。

3.4 模型校验

研究利用坑内长期观测孔水位数据（矿山厂DZK1584-0-1、DZK1584-08-1、DZK1584-08-2、DZK1584-010-1）与模型初始流场进行拟合，对模型进行识别验证，得出观测钻孔水位拟合曲线（图1），所建立的三维模型与矿山厂水文条件是一致的。采用GMS软件有限差分模型运算出观测孔的水头，然后和长期观测孔水头进行比对。

调整参数，使目标函数E达到“最小”，则认为参数达到了“最优”。拟合误差符合国家标准《地下水资源管理模型工作要求》（GB/T14479-93）。据此，可得到模拟区较符合实际的各项水文地质参数。

根据井下1584中段观测的钻孔水位资料对模型进行赋值，采用校验后的水文地质参数，分别模拟了2011年6月矿山厂1584中段地下水渗流场（图2），可作为预测时的初始地下水流场。

随着矿区采矿活动时期的延长，地下水开采量增大，矿床概化为的抽水井附近范围地下水位逐渐下降。由模型可知，三维模型内抽水井附近都形成很大降深梳干形态漏斗，近抽水井中心下越明显。随着开采抽水时间的递增加，静储量被疏干，此现象与矿山厂深部开采水文地质条件是吻合的。

4 深部中段现状开拓条件下岩溶水动态模拟

本次研究分为现状开拓条件下的岩溶水动态模拟以及预计开拓水平下的岩溶水动态预测，预测期为两年（2012～2013年）依据矿山的生产开拓进度，2011年矿山厂最低开拓中段仍为1584中段。在GMS三维模型中，将矿山厂含水层垂向上概化成两层结构，三个抽水井。采用调参反演后的各项水文地质参数，在初始渗流场模型基础上对1584中段目前开采条件进行三维研究，通过对抽水井涌水量的多次反复变化，运算地下水头值与实际观测水头值相差在0.5m范围内，获得涌水量即为三维流场下开采的涌水量。涌水量值见表2。

模拟的矿山厂2011年矿坑平均涌水量4730m3/d，据矿山厂该年的矿坑涌水量观测资料统计，矿坑实际涌水量为4500～5200m3/d，模拟结果基本符合实际情况。

在本次研究中，即采用时间序列-马尔科夫预报模型预报了矿区2012年、2013年的逐月降雨量，为其后深部中段岩溶水动态GMS数值模拟提供较为准确的降雨量数据。

利用会泽铅锌矿区2007年1月至2010年12月的降雨量数据进行拟合根据拟合误差，进行状态划分，建立马尔科夫模型。根据相对误差的状态，求出概率转移矩阵，对时间序列模型的预报值进行马尔科夫修正，求得二次拟合值，据此可计算矿区2012年、2013年的逐月降雨量（表1）。

GMS的概念化快速建模。运用GMS三维软件的运行演算。从图3可以看出，着矿区采活动时期的延长，地下水开采量增大，矿床概化为的抽水井附近范围地下水位逐渐下降。由模型可知，三维模型内抽水井附近都形成很大降深梳干形态漏斗，近抽水井中心下越明显。随着开采抽水时间的递增加，静储量被疏干，这现象与矿山厂深部开采水文条件吻合的。然而含水介质储水系数大小较为关键，其决定了涌水量的大小。

从本次以三维模型获得矿井地下水渗流场看，预测矿床地下水位处于设计开拓中段以下，地下水位拟合误差控制在4%～5%区间内。模拟计算预测出涌水量达到技术要求。本次GMS模拟计算涌水量数值，为矿山排水能力的设计和编制防治水方案提供有力支撑。为同类矿山涌水量预测起到很好借鉴。

5 结语

本次主要运用的是数值模型的功能、特点，对矿床各中段涌水量的调试与水位拟合来实现对开采条件下矿坑涌水量的预测。以矿井开采计划中各中段的开采标高为限值，在三维模型中多次运算矿井涌水量使井下地下水平均标高保持在该开采中段下。模拟获得的矿山厂矿坑涌水量预测见表2。由表2可以知，在上述地下水渗流场随着开采深度的增大而发生变化，2012年矿山厂矿坑平均涌水量为5017m3/d，2013年矿山厂矿坑平均涌水量为5426m3/d。涌水量变化遇到富水褶皱、构造带、岩溶带、裂隙发育带规模可能发生突水。也有可能开采深度加大，地应力增大，构造带、岩溶带、裂隙带发育逐渐减弱，矿坑涌水量随之减小。

参考文献

[1] 占学，刘金辉，张卫民，等.专门水文地质学

[M].北京：原子能出版社，1997.

[2] 薛禹群，谢春红.地下水地下水数值模拟[M].北

京：科学出版社，2007.

[3] 易立新，徐鹤.地下水数值模拟：GMS应用基础

与实例[M].北京：科学出版社，2009.

作者简介：李应武（1972—），男，云南大姚人，云南驰宏资源勘查开发有限公司地质工程师，研究方向：矿山水文地质勘查。