基于GMS模拟预测磨槽江矿矿坑涌水量

黎容伶，蓝俊康，陆海建，夏 源

(桂林理工大学a.广西矿冶与环境科学实验中心;b.环境科学与工程学院，广西桂林 541004)

目前，矿井涌水量的预测方法大体可分为确定性分析方法和不确定性分析方法两大类[1－5]。确定性分析又分为数值法、解析法、水均衡法等等，其中数值法自1973年就被引入我国的水文地质勘察领域。自20 世纪90年代初以来，三维数值模拟得到了迅速发展，许多水文地质学专家学者对地下水流三维模拟和优化管理模型进行了大量的研究和探索，并取得了一定的成果[6]。目前在实际应用方面，国际上已开发出功能强大的相应专业系统软件，其中应用最广泛的是FEFLOW[7]、Visual MODFLOW[8－9]和GMS[10－15]。其中GMS 软件以其较好的使用界面，强大的前、后处理功能及其优良的三维可视效果正得到愈加广泛的应用。

在矿山涌水预测方面，数值模拟也发挥很大的作用[3，12－13，16－18]，如:朱学愚等使用数值模拟来预测湖南斗笠山煤矿裂隙岩溶水的矿井涌水量[16];成建梅等根据折算渗透系数的概念并建立耦合达西流和非达西流于一体的岩溶管道－裂隙－孔隙三重介质地下水模型，并利用该模型对广西环江北山矿区岩溶含水系统进行模拟[17];宋业杰应用GMS 软件预测陕北地区某矿采煤工作面的涌水量变化规律[13]。

磨槽江铅锌矿位于广西桂林市灵川县大境乡，已有多年的开采历史，现因采矿证到期，为申请办理延续采矿证服务年限和扩大生产规模，需进行矿山水文地质详查，目的是查明矿区的水文地质条件[18]，预测在正常条件和暴雨条件下矿坑涌水对未来采矿活动的威胁。

该矿区所处的地貌成因类型为构造侵蚀中低山地貌，地形切割较强烈，山坡陡峻，坡度一般为45° ～80°;河谷多呈“V”字形。矿区内有3条规模较大的冲沟经过，在进行数值模拟时，这些冲沟不能定为第一类定水头边界，但它实际上却对地下水有很强的补排作用，对地下水流场的影响巨大，因此模拟时需要考虑它们对地下水的排泄和补给作用。针对这种有达西流(含水层的裂隙水流)和非达西流(沟谷地表水流)并存的状况，笔者尝试用GMS 软件中MODFLOW 的子程序包(排水沟渠包)模拟冲沟对地下水流场的影响，并用有限差分的求解方法对矿区矿坑涌水量进行预测评价，根据数值计算结果绘制出矿区的等水位线图。

1 研究区的环境地质特征

1.1 气象水文

调查区属亚热带向中亚热带过渡带，受季风环流影响明显。年平均气温18.7 ℃，极端最低气温为－4.9 ℃，极端最高气温为38.5 ℃。据离矿区最近的潮田水文站记载，最大年降水量2 271.8 mm，最小降雨量1 129 mm，多年平均雨量1 980 mm。各年降雨量多集中在4 ～8月，期间的降雨量占全年的60%左右，11月至翌年2月为枯季，枯水期的降雨量约占全年15%，其余月份为平水期，年均降雨天数70 ～199 d。

调查区的地表水系(体)仅为磨槽溪，位于矿区所在山体的坡脚，它由两岸多条冲沟水汇流而成，也是本调查区地下水的排泄基准面。

1.2 地形地貌

调查区宏观地貌属中低山地貌，微观上为陡峻的山坡，山坡北高南低、东高西低，北部的山脊标高为883 ～1 158 m，南部为山谷，沟谷标高414 ～540 m，山顶和山脚的相对高差达469 ～714 m。沟谷内发育有河水(磨槽溪)，因山高林密，沟谷常年有地下水渗出，磨槽溪常年流水不断。

1.3 地层岩性

调查区内的地层有第四系 (Q)残坡积层、冲洪积层;下泥盆统那高岭组(D1n)砂岩、砂岩夹页岩和页岩，莲花山组(D1l)砂岩;寒武系边溪组(∈b)变质长石石英夹砂岩、石英夹砂岩板岩和泥岩。其中莲花山组与边溪组呈角度不整合接触。

1.4 地质构造

调查区的褶皱构造处于广西山字型构造东翼弧外侧，位于基底构造望江界－天岩复式背斜的西端北东翼和盖层构造老厂穹窿北段，基本上呈单斜构造。

调查区内无大断裂经过，仅有构造裂隙和风化裂隙，区域地质较为稳定(图1)。矿区内以北东东向断裂构造发育，矿权区内仅发育有两条构造破碎带，分别为F1和F2(图2)，破碎带内岩石因多次构造活动的叠加或改造，被强烈挤压破碎，是矿区内的重要控矿和容矿构造。

图1 大区域地质构造纲要图Fig.1 Regional structural map

图2 矿区平窿位置及矿道分布Fig.2 Distribution map of mine gallery in orefield

1.5 水文地质条件

调查区内的地下水类型按埋藏条件分属于潜水类，按含水介质分则属于裂隙水和孔隙水类。含水岩组为松散岩类含水岩组和碎屑岩含水岩组，以裂隙发育微弱透水较差的基岩作为本区隔水层。

矿坑的围岩为寒纪纪地层，据钻孔抽水试验测定，寒武系裂隙含水岩组的单位涌水量为0.017 L/(s·m)。按《矿山水文地质工程地质勘探规范》(GB 12719—1991)附录C 的分级标准，该地层裂隙水的富水性等级为“弱”(钻孔单位用水量小于0.1 L/(s·m));而矿区外围的另一含水地层(泥盆系含水岩组)内有泉水出露，故根据其泉水流量判定其富水性的大小等级为“中”。

区内的地下水补给来源为大气降雨，地下水主要储存于基岩裂隙中，并沿构造裂隙、风化裂隙或层间裂隙排入沟谷，再由沟谷汇入磨槽溪内。地下水总体流向由北向南、由东向西，与地表水径流方向基本一致(图3)。

图3 研究区范围Fig.3 Scope of study area

2 矿区涌水特征和开采设计方案

2.1 矿坑充水的主要来源

当地侵蚀基准面为磨槽溪，即使位置最低的老窿PD8 也比河水位高出30 m 以上，故不存在河水渗入矿坑的可能性，各矿坑的充水来源主要为降雨入渗，其次是上方矿硐积水灌入到下部矿坑。上方矿坑的局部积水有可能沿着局部贯穿的采矿洞或爆破形成的冒落裂隙向下渗流至下部矿坑，由于只发生在局部地段，故此部分水量很少。

2.2 各矿坑涌(突)水特征

矿区内的老平窿有4 个，拟采平窿2 个(图3)，分别阐述如下。

老平窿PD4:洞口位于矿部东侧，洞口标高433 m，是废弃约20年的老矿坑，洞内情况无从考证，仅能从洞口观察，发现其岩壁潮湿，渗水点多，对其进行动态观测发现，该洞口流出水量一般1.3 ～2.1 L/s。

老平窿PD5:洞口标高565 m，坑道内的底板里高外低，坑内渗水能自流到坑道内，再由坑道流出洞口。据观测，洞内岩壁干燥，洞口流出水量极少，大约0.1 ～0.3 L/s。

老平窿PD8:洞口标高465 m，是废弃多年的老矿坑，现洞口被杂草掩盖，洞内积有地下水，水位基本上与洞口齐平，洞口流水从乱石缝中流至冲沟，流水量大约1.2 ～2.0 L/s。

老平窿PD9:洞口标高584 m，洞内岩壁干燥，无积水。

平窿PD6:洞口标高541 m，是拟继续开采的矿坑，坑道设计与开采方法同PD5。据观测，洞内岩壁干燥，未发现裂隙出水点，仅在矿脉分布带的矿体范围内节理发育部位及矿体与围岩接触带两侧有裂隙出水点，洞口流出水量极少，大约0.12 ～0.3 L/s。

平窿PD7:洞口标高506 m，是拟继续开采的矿坑，坑道设计与开采方法同PD5 和PD6。据坑道水文地质编录，从洞口向内130 m 范围内因岩石的风化节理发育，岩壁很潮湿，一般出水量小于0.006 L/s，大多流水处有铁绣斑痕。在130 ～200 m 段，节理不甚发育，坑道岩壁较为干燥。据动态观测资料，PD7 洞口流出水量一般1.3 ～2.0 L/s。该洞口流水的水温基本上不受气温的影响，常年保持18 ～19 ℃，较为稳定。

2.3 开采设计方案

2008年某设计院为该矿进行开采设计。根据开采设计方案，本矿在获取延续开采证后，仍将利用现有的平窿PD5、PD6、PD7 和PD8 进行开采，各平窿断面为4.32 m2。

设计未来每年开采矿石3 万t，每年开采工作300 d(即平均100 t/d)，每日需开动3 台班，配备2个工作面，每班8 h，年掘进量1 050 m，日进尺3.5 m。矿山的服务年限为6.5年(不含基建期时间0.5年)。

3 模拟与预测

3.1 水文地质参数

降雨入渗系数:参考水文地质普查资料，该区域属于Ⅱ7 地块(海洋山西坡)，区域内各地层的入渗系数的初值见表1。根据对沟溪测流反算结果，该地块的降雨入渗系数约为0.24。

含水层的渗透系数:以钻孔注水试验、水位恢复试验、压水试验数据综合分析，建议各土岩层渗透系数取值详见表2。

给水度:根据钻孔岩芯的裂隙率，赋予初值0.06。

表1 矿区入渗系数初值分区Table 1 Penetration coefficient in subareas

表2 含水层组渗透系数建议值Table 2 Suggestive penetration coefficients for every groundwater-bearing stratum

3.2 矿坑涌水量数值模拟计算

3.2.1 水文地质概念模型 区域内地下水受气候、地形等自然地理条件以及地层、构造等因素控制，补给来源以大气降水和地表水体为主，径流途径较短，且以泉水、冲沟等形式排泄。因本矿区岩性发育相对较为均一，故将水文地质概念模型概化为均质各向同性的三维非稳定流，其数学模型可表示为[19]

式中:h 为地下水水头(m);Kx、Ky、Kz分别为x、y、z 方向的渗透系数(m/d);Γ1为已知水头边界(第一类边界);Γ2为隔水边界;h1为已知水头的河流水位(m);W 为源汇项强度(m/d);Ω 为渗流区域;μ 为给水度。

3.2.2 边界条件 平面边界:调查区北部边界以矿区所在的山顶为分水岭(第二类边界)。因矿区所在山坡的地形陡峭，地下水顺着山坡向下渗流，流线基本与冲沟平行，分水岭明显，因此，东西两侧的分水岭以矿区外围的沟谷分水岭为界(第二类边界)，南部则以磨槽溪为排泄基准面(作第一类边界)，构成一个相对独立的水文地质单元，该单元面积约为2.18 km2(图3)。

竖向边界:顶部以潜水面为界，底板则以裂隙不发育的岩面为底板。由于钻探孔最深46 m，还未揭穿裂隙发育带，根据坑道水文地质调查，自坑道口向内深入130 m 后，洞壁就变得干燥，由此推测风化带的深度约为100 m 左右，故含水层的底板设定在取地面下100 ～130 m 深度处。

内边界:利用采用挖空单元体来模拟坑道现状空间分布特征以及根据开采设计方案预测未来窿道空间逐年变化，再把各坑道所处的位置作为定水头边界。

3.2.3 冲沟的处理 由于地形切割较深，地下水除了向磨槽溪、矿坑排泄以外，也向冲沟排泄(图3)。在模型中，冲沟不能作为第一类定水头边界，为了正确模拟冲沟对地下水流场的影响，数值模拟时采取GMS 排水沟渠包来计算这些冲沟水流，并在冲沟节点处设置每节点的底板高度，冲沟的水流用等效水力传导系数来描述[20]。

3.2.4 单元剖分 模拟区是一个边界形状很不规则的区域，考虑到网格密度对求解精度的影响，对研究区的网格剖分如下:平面上共为100 行，100 列，垂向剖分按含水层的厚度100 m 剖分为10 层，每层厚度10 m。对于坑道所在的层，则按坑道实际分布情况用挖空单元体方法来模拟，并把坑道定义为定水头边界。地面高程以2D Scatter point 的形式输入到模型中，然后运用IDW 插值法进行赋值(图4)。

3.3 模拟结果与预测

图4 网格剖分Fig.4 Map of mesh generation in study area

3.3.1 模拟效果与验证 建立概念模型后，通过结合自动反演和反复试验方法，调整水文地质参数(含水层的渗透系数、降雨入渗系数、管道底板标高值等)及调整各参数的分区大小来拟合丰水期和枯水期5 个监测孔的实测水位值。当达到最佳拟合度，在要求的精度范围内，则可认为模拟的结果是可信的。将2013年7 至11月计算的平窿坑道口流水量与同期观测的流量值进行比较(图5、图6)，结果显示拟合程度较为理想。拟合所得参数及其分区作为参数拟合的最终结果。

图5 PD7 坑道口出水量的计算值与观测值对比Fig.5 Comparison of mine drainage between calculated values and observed values

图6 GMS 对各观测孔的拟合效果Fig.6 Simulation effect for observation wells by GMS software(绿色柱表示拟合效果好)

3.3.2 窿道涌水量预测(1)矿坑正常涌水量预测。根据开采设计方案，恢复开采头3年主要开采PD5、PD6 两个平窿，后3年则开采PD7、PD8 两个平窿。由于PD5 和PD6 都位于包气带内，且它们的流量更小，对采矿活动没有威胁，可不作预测。另外，目前的技术水平对包气带水的模拟还很困难，需用其他方法预测。

对PD7、PD8 进行预测时，降雨量利用各月份的多年平均值，涌水量预测值结果见表3、表4。从表3可见，利用数值模拟预测出来的涌水量与实际测定值偏差不大。

(2)矿坑最大涌水量预测。根据本矿区所在区域多年的最大24 h 暴雨量进行模拟计算，PD7、PD8 两个坑道的最大涌水量值分别为194.5 m3/d和205.6 m3/d。

表3 恢复开采1年后各平窿月平均涌水量预测结果Table 3 Monthly average of mine drainage prediction for every gallery after 1 year mining resume

表4 恢复开采3年后各平窿月平均涌水量预测结果Table 4 Monthly average of mine drainage prediction for every gallery after 3 years mining resume

3.3.3 地下水位的预测及降落漏斗的确定 按照相关规范要求，矿坑的水文地质详查阶段要求绘制等水位线图，以预测未来矿坑开采后的地下水位降落漏斗的位置及水位降落情况。但矿区地形切割较强烈，山坡陡峻，多数地段无法进行钻探，只在个别地形平缓处才有条件打钻;由于钻孔数量太少且分布极为不均，本矿区如按传统的方法是无法画出调查区等水位线图。而这些要求如根据GMS 软件的模拟结果就很容易做到。

本矿区根据数值模拟绘制的等水位线如图7所示，受矿坑排水的影响，矿坑四周形成一个较大水位降落漏斗，漏斗中心位于在PD5 东北方向约170 m 处，漏斗直径约为90 m，漏斗中心的水位降约为70 m。

图7 研究区2013年11月地下水等水位线图Fig.7 Contour map of groundwater table in study area in November，2013

同时，该等水位线图还显示了矿坑附近的地下水位除了受矿坑排水的影响外，还受到地形的影响，呈现出地下水位由山脊向山脚逐渐降低，在冲沟处等水位线向冲沟上方弯曲。这一现象与实际情况十分吻合。

3 结 论

(1)山区的冲沟在进行数值模拟时虽不能定为第一类(已知)水头边界，但实际上它们对地下水却有很强的补排作用，模拟时又需要考虑它们对地下水流场的影响。本实例模拟表明，在现阶段的技术水平下，利用GMS 软件中MODFLOW 的子程序包——排水沟渠包来模拟冲沟能较好地模拟达西流(裂隙流)与非达西流(冲沟水流)并存、线性流与非线性流相互转变的运动特点。

(2)预测结果认为，磨槽江各矿坑道涌水量都不大，正常涌水量仅为127 ～160 m3/d，最大涌水量为194.5 ～205.6 m3/d，这种流量对未来的开采活动基本无影响。本矿区各窿道均按内高外低方式开挖，矿坑水可自然排泄，无需特殊排水措施。

(3)数值模拟不仅能预测矿坑涌水量，还能对矿坑开采后的地下水位进行预测。根据模拟结果所绘制的等水位线图，能了解矿山开采后引起的水位降落漏斗的位置和漏斗中心的水位下降值。

[1]杨永国，韩宝平，谢克俊，等.用多变量时间序列相关模型预测矿井涌水量[J].煤田地质与勘探，1995，23(6):38－42.

[2]潘志.矿井涌水量的数学模型与预测[J].宁夏大学学报:自然科学出版，1998，19 (3):229－232.

[3]刘国，毛邦燕，许模，等.合山煤田矿井涌水量的数值模拟探讨[J].地质与勘探，2007，43 (4):98－103.

[4] Han Jin，Shi long-qing，Yu Xiao-ge，et al.Mechanism of mine water-inrush through a fault from the floor [J].Mining Science and Technology (China)，2009，19 (3):276－281.

[5]张小燕.矿坑涌水量的预测[J].化工矿物与加工，2013(4):41－42.

[6]宿青山，张佩华，杨天行，等.城市地下水资源科学管理[M].长春:吉林科学技术出版社，1991.

[7]姚文涛，朱炎铭，杭远，等.东欢坨矿延深水平涌水量预测研究[J].煤炭科学技术，2012，40 (8):92－96.

[8]宋颖霞，张耀文，曾一凡.基于Visual Modflow 的矿坑涌水量模拟预测评价——以湖南道县后江桥铁锰铅锌矿为例[J].矿业安全与环保，2012，39 (2):25－31.

[9]肖攀，何凤，潘欢迎.基于Visual Modflow 的矿坑涌水量模拟预测评价[J].工程勘察，2011 (3):45－49.

[10]Yi P，Chen X G，Bao D X，et al.Model simulation of inflow water to the Baltic Sea based on129I[J].Applied Radiation and Isotopes，2013，82:223－231.

[11]Singh R N，Atkins A S.Application of analytical solutions to simulate some mine inflow problems in underground coal ming[J].International Journal of Mine Water，1984，3 (4):1－27.

[12]赵春景，丁立峰，霍志朝.林南仓矿涌水特征和涌水量数值模拟[J].煤炭工程，2011 (5):80－82.

[13]宋业杰.GMS 在矿井涌水量预测中的应用[J].煤矿开采，2011，16 (1):104－107.

[14]Singh R N，Atkins A S.Analytical techniques for the estimation of mine water inflow [J].International Journal of Mining Engineering，1985，3 (1):65－77.

[15]Guo H，Adhikary D P，Craig M S.Simulation of mine water inflow and gas emission during longwall mining[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2009，42(1):25－51.

[16]朱学愚，谢春红.地下水运移模型[M].北京:中国建筑工业出版社，1990.

[17]成建梅，陈崇希.广西北山岩溶管道－裂隙－孔隙地下水流数值模拟初探[J].水文地质工程地质，1998(4):50－54.

[18] Huang Guizhen，Wang Yetian，Zhou Dong.The Expert System of Mine Hydrogeology [J].桂林工学院学报，2000，20 (2):180－185.

[19]HJ 610—2011，环境影响评价技术导则 地下水环境[S].

[20]周焱钰，陈喜，张志才.西南喀斯特小流域地下水数值模拟[J].工程勘察，2011 (4):43－47，51.