银山铅锌矿矿井涌水量预测与分析★

肖文舟　匡文龙　文武飞（湖南科技大学土木工程学院，湖南　湘潭　411201）



银山铅锌矿矿井涌水量预测与分析★

肖文舟匡文龙文武飞
（湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201）

摘要：介绍了银山铅锌矿区的水文地质条件相对简单，通过有限的资料，对研究区水文地质条件进行分析，利用Visual Modflow建立数值模拟模型，在无观测井水头数据的情况下进行特殊情况下的拟合，反演求出矿井涌水量，通过预测矿井涌水量对矿山的安全生产提供依据，并提出了一种特殊情况下拟合的新方法。

关键词：水文地质，数值模拟，矿井涌水量

★：国家高等学校特色专业建设点项目（项目编号：TS11027）；湖南省国土资源厅科技项目（项目编号：2014-05）；湖南科技大学研究生创新基金项目（项目编号：S140010）

0　引言

Visual Modflow是由加拿大water-loo水文地质公司开发，目前国际上较为先进的模拟地下水渗流和溶质运移的标准可视化专业软件，用于模拟三维地下水流数值模拟模型的软件，可以模拟井流、河流、排泄、蒸散和补给对非均质和复杂边界条件的水流系统的影响，是目前世界上应用最广泛的地下水模拟软件之一。

本文采用Visual Modflow对银山铅锌矿区地下水资源进行了计算和评价，在相对简单的水文地质条件下采用一种特殊的拟合方法反演求得矿坑涌水量，与实测对比取得了比较真实的结果。

1　研究意义与研究现状

矿坑涌水量预测是一项重要而复杂的工作，是矿床水文地质勘探的重要组成部分，也是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一（钱学溥，2007）。分析矿区地下水水流系统的演变规律，有助于加深对矿区地质条件和水文地质条件的认识，确定矿坑充水水源及途径，对于防止矿井突水、淹井等矿山恶性事故具有积极的作用，研究矿区地下水系统预测矿区矿坑涌水量对矿区的安全生产有着重要的意义（邢冬梅，2011）。

在区域、矿区的地质和水文地质资料可满足建立地下水水流数值模型的条件下，数值模型概化是一种计算涌水量较为精确的方法。全国有大量地区及矿床通过数值模拟的方法进行过涌水量的预测，并取得了较好的效果（张迎秋，2008）。本文研究区为江西银山铅锌矿，水文地质条件简单，在大量数据缺失的情况下，合理简化模型，通过已知地下水与地表水无水力联系的情况下进行反演，提供了无实测水头数据拟合的条件下进行水文地质建模的一种方法。

2　研究区水文地质概况

银山矿田位于江西省上饶地区德兴县境内，地理坐标东经117°34'15″～117°36'15″，北纬28°56'50″～28°59'08″，大银山主峰标高307.63 m，沿大银山—西山—北山之山脊为矿区分水岭，分水岭之外的东、北、西三面地表水，地表水对矿区充水影响极微。在大银山西北城祝南—北山东坡的地表水汇集以后，流经银山矿区小河注入泊水，银山小河全长约5 km，流域受水面积为8 km2，流量在114.48 m3/h～28 800 m3/h（刘木顺，2000）。

矿区是一个独立的水文地质单元，岩石坚硬，含水性微弱（杨荣丰等，2003）。矿体多分布于当地侵蚀基准面以下，顶底板围岩中双桥山群浅变质千枚岩和火山岩系火山碎屑岩、熔岩和次火山岩构成了两层含水层（刘盛祥等，2001）（见图1）。

图1　银山矿区构造地质简图

矿区地表水和地下水主要由大气降水补给。由于地形陡峻，第四系地层薄，地表水排泄条件好，地下水补给能力较差。本区大致可分为四个含水层（带）：第四系松散孔隙含水层，火山岩系风化带含水层（带），双桥山群浅变质岩风化带含水层（带）和构造裂隙含水带（见图1）。各岩层含水情况如下：

1）第四系松散孔隙含水层：矿区内的第四系残积、坡积、冲积层不发育，呈零星分布，面积小，故不考虑在模型中。断续分布于山谷谷底及两边山坡，厚度0.5 m～4 m，在谷底较厚，一般不超过4 m，山脊或山坡一般小于1 m。主要为冲洪积泥砾层或洪—残坡积粘土碎石层，成分以风化大小不一的砾石砾块为主，少量粘土，呈半胶结或不胶结之松散砂土层。

2）火山岩系风化带含水层（带）：为矿区上覆含水岩层，矿区火山岩系按岩相分为火山碎屑岩、熔岩和次火山岩，主要有层状凝灰岩、流纹岩、英安质熔岩、石英斑岩、英安斑岩和爆破角砾岩等，在南山、北山、西山、银山和九区均有分布（徐积辉等，2001）。矿区火山岩系种类较多，但水文地质特征基本相同。矿区曾在银山CK1孔的流纹岩中进行抽水试验，单位涌水量小于0.010 64 L/（s·m），渗透系数为0.01 m/d～0.08 m/d。

3）双桥山群浅变质岩风化带含水层（带）：为矿区下伏含水岩层，千枚岩是矿区主要岩层，其岩性以绢云母千枚岩为主，含少量砂质千枚岩和凝灰质千枚岩，含水性微弱，岩石坚硬致密本身不含水或弱含水，构造裂隙和风化作用使其疏松形成含水层。九龙上天区CK6孔抽水试验，单位涌水量为0.027 13 L/（s·m），渗透系数为0.060 9 m/d。九区西侧ShK1孔抽水试验，单位涌水量为0.001 92 L/（s·m），渗透系数为0.000 667 m/d。

布鲁杆菌易侵犯全身组织器官，可引起多系统的复杂病变，其并发症在发生、发展过程中的作用越来越受到重视，以骨关节系统最为常见，心内膜炎和脑膜炎是布病中最常见的死亡原因。目前对布病的诊断主要依赖临床症状和实验室检查，由于布病临床表现多不典型，血培养阳性率低，对布病的早期诊断、早期治疗仍然面临重大挑战。

4）构造裂隙含水带：各类岩层受构造破坏后，构成富含地下水的裂隙地段，上层地下水沿裂隙通过未胶结或胶结不好的断层破碎带、接触带进入坑道，该含水带是深部矿坑充水的主要来源。矿区含水构造破碎带并不十分发育，分部少而且深度浅，故不考虑在模型中。矿区平均年降水量2 185.4 mm，降水最多达2 533 mm（1973年），最少的1 300 mm（1963年），全年降水量分配在3月～6月四个月中，占全年降水量的50%～60%，年平均蒸发量为1 199.0 mm。

3　基于Visual Modflow的矿井涌水量研究与分析

3.1模拟范围的确定

根据地下水流动系统理论，地下水渗流场数值模拟的范围应选取流动系统的自然边界，矿区三面环山，可视为地下水天然分水岭（李文跃等，2003），南部边界选取德兴泊水，计算区总面积11 km2，如图2所示。

3.2边界条件概化

矿区内主要地层分为两层，下伏中元古界双桥山组巨厚千枚岩含水层，为主要含水层；上覆侏罗系上统鹅湖岭组流纹岩，作为相对隔水层不整合覆盖在千枚岩含水层之上。整个矿区三面环山，南部为德兴泊水，研究区模型简图见图3。

图2　研究区地形图

图3　研究区模型简图

1）活动单元：图3中最外层细线为矿区周围山脊，可视为地下水天然分水岭，最外层细线之内为研究区，外部为非活动单元。2）含水层：下伏双桥山群浅变质岩风化带含水层（带），为相对含水层。3）隔水层：上覆火山岩系风化带含水层（带），为相对隔水层，其边界作为相对隔水边界处理。4）河流边界：德兴泊水，作为河流边界处理。整个模型空间范围X方向6 141 m，Y方向5 874 m，Z方向最大厚度2 663 m，剖分为30×30×2共1 800个单元。

3.3水文地质参数处理

根据部分研究区资料，通过整理获得研究区参数如表1所示。

表1　研究区水文地质参数表

由于部分数据不足，将模型简化处理：上覆为相对隔水层，下伏千枚岩为含水层，均视为各向同性，整个研究区地下水均处于潜水含水层中。

3.4区域水均衡条件分析

研究区的地下水补给来源均为大气降水入渗补给，降雨一方面入渗补给地下水，一方面作为地表水汇聚成为银山小河的源头，沿银山小河注入德兴泊水；排泄方面地下水一部分通过蒸发排泄，一部分作为矿井涌水排出。已明确探明地下水与地表水之间无水力联系。由于选取的数据均为多年平均数据，此时视为地下水储存变化量为0，补给量等于排泄量。均衡方程式如下：Q降= Q补+ Q河。Q排= Q蒸+ Q井。

其中，Q降为降水补给量；Q补为地下水补给量；Q河为河流流量；Q排为地下水排泄量；Q蒸为蒸发排泄量；Q井为矿井涌水量。

由Q补= Q排，可以得到ΔQ = Q降- Q蒸= Q井+ Q河，即降水量与蒸发量之差等于银山小河流量与矿井涌水量之和。在模型中我们将银山小河流量与矿井涌水量统一作为一项处理，最后算得矿井涌水量减去银山小河流量即为矿井预测涌水量。

3.5矿井涌水量预测与分析

运用数值模拟软件进行涌水量的预测，传统方法是先建立模型，再通过调整涌水量对比实际等水头线进行拟合，当模型的等水头线与实际相符时，输入的涌水量即为预测涌水量。现由于数据的缺失，没有实际观测井的水头数据，涌水量预测难以进行。

本文选取的研究区水文地质条件简单，明确探明地下水与地表水之间无水力联系，即整个研究区并不会有地下水汇聚注入河流的流场存在，所有地下水均通过蒸发和矿井涌水排出，这种情况说明同样通过先设定涌水量的反演方法，通过涌水量的调整直到整个研究区不存在地下水流场，所设定的涌水量即为预测涌水量。

以100 m3/d作为改变量，通过调整矿井涌水量，来观察区域流场图，发现当涌水量ΔQ =Q井+Q河设置为8 700 m3/d～12 900 m3/d之间时，研究区流场不存在，软件无法绘制等水头线图，而涌水量为8 600 m3/d（如图4，图5所示）和13 000 m3/d（如图6，图7所示）时处于临界位置，区域有流场存在。

图4　矿井涌水量8 600 m3/d时上覆隔水层流场图

图5　矿井涌水量8 600 m3/d时下伏含水层流场图

图6　矿井涌水量13 000 m3/d时上覆隔水层流场图

图7　矿井涌水量13 000 m3/d时下伏含水层流场图

将该数值确定为涌水量预测值与银山小河流量之和即ΔQ，而实测银山小河流量如表2所示。

表2　银山小河水流量

去除异常流量取平均值，求得银山小河平均流量为0.04 m3/s，即Q河=3 456 m3/d。所以，减去银山小河流量，求得矿井涌水预测量为Q井=ΔQ - Q河=5 244 m3/d -9 444 m3/d。而部分实测数据如表3所示。

表3　银山矿田涌水量总和

计算得到的结果较5月份的真实涌水量数据相近，而与12月、1月和6月、7月的数据拟合较差，原因是模型计算使用的数据均为多年平均值，与丰水期及枯水期涌水量差别较大是可能的。

4　结语

Visual Modflow软件拥有强大的三维水流场模拟功能，并能可视化显示，在充分收集认识相应水文地质资料，获取准确的参数情况下，利用Visual Modflow软件模拟预测矿坑涌水量大小具有较高的可信度，能为矿区安全开采提供相应的保证依据（胡轶等，2006）。

本文提供了缺失实际水头数据进行拟合时进行建模的一种方法，实质上是已知研究区无流场的情况下进行的一种拟合，运行结果证实是有效的。

参考文献：

［1］刘木顺.银山铅锌矿矿坑水质水量变化规律初探［J］.铜业工程，2000，24（2）：59-63.

［2］钱学溥.预测矿井涌水量的计算级别与精度评述［J］.中国煤田地质，2007，20（5）：48-50.

［3］刘盛祥，张德会.银山矿田九区铅锌矿床深部成矿地球化学及预测［J］.地质地球化学，2001，10（3）：185-190.

［4］徐积辉，薛华山.江西银山矿田西山北东段铜金矿床的地质研究［J］.江西有色金属，2001，12（3）：1-3.

［5］邢冬梅.矿山透水事故致因模型构建及防治对策研究［D］.武汉：武汉科技大学，2011.

［6］张迎秋.复杂充水条件下煤矿水害预测研究［D］.青岛：山东科技大学，2008.

［7］李文跃，张博，洪梅，等.Visual Modflow在大庆龙西地区地下水数值模拟中的应用［J］.世界地质，2003，22（2）：161-165.

［8］胡轶，谢水波，蒋明，等.Visual Modflow及其在地下水模拟中的应用［J］.南华大学学报（自然科学版），2006，20 （2）：1-5.

中图分类号：P641

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0065-03

收稿日期：2015-12-11

作者简介：肖文舟（1991-），男，在读硕士；匡文龙（1966-），男，博士，教授

Inflow forecast and analysis of Yinshan lead-zinc mine★

Xiao Wenzhou Kuang Wenlong Wen Wufei
（School of Civil Engineering in Hunan Science and Technology University，Xiangtan 411201，China）

Abstract：Yinshan lead-zinc zone is relatively simple in hydrogeological conditions，using limited data，analyze hydrogeological conditions of the study area，creat numerical simulation model，fit the special circumstances of the observation wells in the absence of circumstances header data，inversion to find the mine discharge.Through providing the basis of mine safety production by predicting mine discharge，and proposed a new method for fitting a special case.

Key words：hydrogeological，numerical simulation，mine inflow