充水条件对矿区地下水运动特征的影响研究

刘佩贵, 骆 鹏, 吴 亮

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098)

充水条件对矿区地下水运动特征的影响研究

刘佩贵1, 骆 鹏2, 吴 亮1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098)

文章以一数值模型为例,针对充水水源与充水通道,选取水平渗透系数、垂向渗透系数和贮水率3个水文地质参数,研究参数值的变化对矿区周边地下水运动特征和矿坑涌水量的影响程度。分析结果表明:矿坑涌水的直接充水水源是基岩裂隙含水层,但对矿坑涌水量影响最大的并不是直接充水地层的地下水,而是直接充水地层之上的风化带和覆盖层,两者通过越流实现对矿坑涌水量的影响;对地下水运动特征影响较显著的是水平渗透系数;对于矿坑涌水量,影响最大的是直接充水地层的垂向渗透系数,给水度的影响主要体现在充水水源水量的大小,而水平渗透系数的影响则主要体现在矿坑中涌水的快慢。

矿坑涌水量;水文地质参数;水位降深;充水条件

矿床的充水条件包括充水水源、充水通道与充水强度,而当矿床赋存条件及开采条件不变时,充水强度的大小直接取决于充水水源与充水通道的性质与特征。矿床开采时,矿床的充水条件将直接影响矿坑涌水量的大小,两者之间存在密切的关系。目前,国内外大部分的研究主要集中在充水条件或矿床水文地质条件的分析、矿坑涌水量的预测[1-3]、充水水源的判别等方面,判别充水水源方面,主要是利用水化学特征,结合特定的数学模型来识别充水水源,如模糊数学、神经网络、聚类分析、因子分析、灰色系统理论[4-5]、同位素示踪[6-8]等。

明确矿床充水条件是提高矿坑涌水量预测精度的重要途径之一,特别对地下开采方式的矿山,地下开采矿床后,岩体本身的自然应力平衡受到破坏,卸荷作用促使采空区顶板下沉变形,产生拉张力加扭力作用,形成山岩开裂或局部伴有崩坍和沉陷,特别是在构造(或溶蚀)裂隙发育或有地下水补给等地段。矿床上部一旦发生山岩开裂,形成新的裂隙带或导水通道,涌水量将会发生明显变化,而已有研究成果在预测涌水量时未考虑其充水条件的变化对水量产生的影响。本文基于一数值模型,探讨矿床上覆岩层充水通道的变化对周边地下水运动特征及矿坑涌水量的影响。

1 数值模型

1.1 水文地质概念模型

结合实际条件下大部分矿床的赋存条件以及可能的含水岩层的空间分布特征,取一近似理想模型进行分析,将模拟区地层自上而下概化为4层,依次分别为第四系松散沉积物覆盖层、基岩风化带、基岩裂隙含水岩组和矿床赋存层位,厚度相应地分别为5、15、100、80 m;边界均为第2类边界。模拟区范围为5 000 m×5 000 m;天然条件下,地下水初始流场水平,符合达西定律。矿床的直接充水水源为上覆基岩裂隙水,间接充水水源为风化带及第四系孔隙水,间接充水水源通过越流的形式流入矿坑。综合考虑岩性及可能的裂隙发育程度,设定模型中地下水埋深3.0 m。所采用的水文地质参数见表1所列。下文中第1～3层分别指第四系、风化带与基岩含水岩组。

表1 水文地质参数赋值

模拟区范围设有1口抽水井、4口观测井(分层观测,抽水井所在位置也设为观测井),其位置示意图如图1所示。图1中的网格剖分为示意,实际剖分为100行×100列。

图1 模拟区范围示意图

1.2 数学模型

根据概化的水文地质概念模型及含水层水力性质,将模拟区概化成非均质各向异性非稳定准三维地下水流系统,并建立相应的数学模型为:

其中,Kx、Ky、Kz分别为渗透系数在x、y、z方向的分量,假定渗透系数主轴方向与坐标轴的方向一致;H为地下水水头;M为含水层厚度;W为单位体积流量,用以代表流进源或流出汇的水量;μs为含水层的贮水率;H0为初始水头;t为时间;D为模拟区范围;Γ为第2类边界;q为边界流量。

2 充水条件影响分析

从上述水文地质概念模型可知,研究区的直接充水水源为上覆基岩裂隙水,间接充水水源为风化带中的水及第四系孔隙水,充水通道为裂隙导水通道,而基岩裂隙含水岩组中的裂隙发育程度直接影响周边地下水的运动特征,包括水位、水量等,衡量裂隙发育程度的2个主要参数是渗透系数与储水系数,但受勘探程度、认知水平等的影响,参数值的确定具有一定的不确定性,影响评价结果的可靠性,因此,本文针对这2个主要参数,借助Visual Modflow软件,探讨充水条件改变对地下水运动特征的影响。因矿区水量大小直接反映了矿坑涌水量的强度,故在阐述影响分析时,将矿坑涌水量单独进行分析。

2.1 对地下水运动特征的影响

矿区水文地质条件相对较复杂,参数的空间变异性强,含水层多为非均质各向异性,因此,渗透系数的分析从水平渗透系数和垂向渗透系数2个方面展开。

2.1.1 水平渗透系数

水平渗透系数Kx反映了地下水在水平方向的运动情况,为进一步明确直接充水地层与间接充水地层的影响程度,每次仅改变其中1层的渗透系数取值,其他参数均保持不变,通过运行数值模型,分别得到不同参数条件下,中心点处的水位降深变化情况,如图2～图4所示。

图2 不同含水层的Kx与第3层中心点水位降深关系

图3 不同含水层的Kx与第2层中心点水位降深关系

图4 不同含水层的Kx与第3层影响半径关系

由图2～图4可以看出,当某一层的Kx增大时,该层位中心点处的水位降深值随之减小,即地下水位随之升高。但对地下水影响最大的是第3层,其次是第2层,最小的是第1层(第1层水位降深变化极小,受篇幅限制,本文未列出)。例如,当第3层Kx增大1倍时,第3层中心处水位降深变化幅度达57.89%。渗透系数增大时,由达西定律可知,周边向漏斗中心流动的水流速度增大,引起水位发生变化的范围增加,即影响半径增大,与图4所示现象一致。

此外,单位时间内的补给水量增大,地下水水位上升,反映在中心点处的水位降深相应地也会减小。第3层为基岩裂隙含水岩组,富水性比第2层、第1层弱,且储水系数也最小,当单位时间内补给的水量增加时,第3层中心点的水位降深及周边水位变化范围(即影响半径)也相应地最大,与图2和图4所揭示的现象和规律一致,进一步验证了模型结果的合理性。

2.1.2 垂向渗透系数

已有研究成果表明,孔隙含水层的垂向渗透系数Kz一般是水平渗透系数Kx的1/10[3],即Kx/Kz=10,但对于基岩地区,受裂隙发育程度的影响,该比值会发生变化,且Kz的大小也将直接影响越流补给量的大小,进而影响上覆岩层中的水位变化幅度及矿坑涌水量。本研究模型中,第3层是矿床充水的直接层位,下面分析第3层基岩裂隙含水岩组Kz的影响。

第3层中心点处水位降深和影响半径随Kz的变化趋势如图5、图6所示。

图5 Kz与第3层中心点水位降深及影响半径关系

图6 Kz与第2层中心点水位降深关系

由图5、图6可知,随着Kz增大,第3层中心处水位降深呈先减小后略有增大,最后逐渐趋于平稳的趋势;第2层中心点水位降深的变化过程与之相反,一开始先增大,随后趋于平稳。第3层Kz增大,致使第2层的越流补给量相应增大,表现在水位降深方面即为第2层的降深增加,第3层的减小。当第2层中心点水位降深累计增大至17.0 m左右时(第2层的承压水头2.0 m,含水层厚度15.0 m),水位接近含水层底板,降深值不再增大,此时,因第2层部分区域被疏干,越流量开始变小,故第3层中心点水位降深减小至69.15 m后又开始增大。

影响半径方面,由图5可知,随着Kz增大,第3层抽水所形成的影响半径随之减小,其减小的幅度随着Kz增大而逐渐变小,最后影响半径趋于不变,当Kz增大至与Kx相等时,影响半径为1 053 m,约减小了14.94%。当Kz继续增大时,Kz>Kx,地下水水流特征发生明显变化,由水平流为主转变为以垂向流为主。

2.1.3 贮水率

渗流力学中常用贮水率μs表示含水层弹性释水的能力,对于承压含水层可用弹性释水系数μ*表示;而对于潜水含水层,因重力释水量远大于弹性释水量,计算中常忽略弹性释水量,仅考虑重力释水量,因此用给水度μ表示重力排水能力。依据本文所概化的水文地质概念模型,第2层风化带为微承压水(承压水头仅2.0 m),矿区排水后,较短时间内地下水类型由承压水转为无压水,因此,在分析充水条件的变化时,第2层与第1层均选取μ进行分析,第3层选取μ*。参数变化情况见表2所列。

表2 参数变化情况

(1) 给水度μ。调整第四系含水层和风化带含水层的μ,地下水位降深及影响半径变化过程如图7、图8所示。

由图7、图8可知,随着μ增大,第3层中心点处的水位降深随之变小,其变化幅度随着μ的增大而减小,且当μ变化相同幅度(如增大1倍)时,第2层的μ对水位降深的影响比第1层稍大;另外,随着μ变化幅度的增大,矿坑排水形成的影响半径随之减小。μ对地下水运动特征的影响主要是通过越流来实现的;μ越大,表示水头变化1个单位,模拟区所释放或储存的水量越大,矿坑排水时,第1层或第2层水头均要减小;但因μ增大,相同排水条件下所产生的水头变幅减小,相邻层位的水头差增大,越流量相应地也增大,因此,第3层、第2层的水位降深和影响半径均将减小。

图7 不同含水层的μ与第3层水位降深和影响半径的关系

图8 不同含水层的μ与第2层水位降深的关系

(2) 弹性释水系数μ*。调整第3层基岩裂隙含水层的μ*,得到地下水位降深及影响半径的变化过程,如图9所示。

图9 水位降深和影响半径与μ*的关系

由图9可以看出,随着μ*增加,第3层中心点处水位降深与影响半径均随之变小,但变化幅度不大,当该参数值增大2倍时,水位降深仅减小了0.007%,当参数值增大至80倍时,水位降深也仅减小了0.656%。受裂隙发育及裂隙连通性等因素的影响,基岩裂隙含水层的富水性一般较弱,μ*较小,数量级多处于10-6左右,变化幅度较小,体现在释放或储存的水量变化较小,因此,水位降深与影响半径变化幅度都不大。

2.2 对矿坑涌水量的影响

本文以第3层中心点处水位降深均降至相同点为约束条件,开展充水条件改变对矿坑涌水量的影响评价。

2.2.1 水平渗透系数

根据2.1.1节中水平渗透系数Kx的变化幅度,得到矿坑涌水量随不同层位渗透系数的变化过程,如图10所示。

图10 不同含水层的Kx与矿坑涌水量的关系

从图10可以看出,随着Kx增大,矿坑涌水量也随之增加,且对第3层Kx的响应程度比第2层与第1层更为明显,第1层的Kx对抽水流量的影响甚微。这因为Kx的大小直接影响地下水在水平方向的运动速度,当参数值增大时,单位时间内流入巷道的水量增加,达到相同水位降深需排出的水量也增大;其次,第2层对第3层越流量的大小主要受控于Kz。

另外,从理论上分析,矿区涌水量的大小受第3层Kx的影响最大,对第1层和第2层的反映不明显,数值模型分析结果与理论分析相一致。

2.2.2 垂向渗透系数

矿坑涌水量随基岩裂隙含水层垂向渗透系数Kz的变化如图11所示。由图11可知,随着Kz增大,矿坑涌水量呈先增大后减小并逐渐趋于平衡的趋势。

结合上述分析可知,Kz的大小直接影响越流量的大小;当Kz增大时,越流量随之增大,相应的矿坑涌水量也增加。随后水量减小则是由于风化裂隙含水层被疏干,越流量又开始减小。

图11 Kz与矿坑涌水量的关系

2.2.3 贮水率

贮水率μs的物理意义是典型单元体水头下降1个单位所释放的水量。依据表2中参数的变化幅度,矿坑涌水量随给水度μ的变化如图12所示。

图12 矿坑涌水量与不同含水层μ的变化关系

由图12可知,随着第1层或第2层μ的增大,矿坑涌水量均随之增加。μ越大,表示矿坑排水时水头下降1个单位,含水层所释放出的水量越多,以降深降至相同值为约束条件时,需排出的水量就越大,即矿坑涌水量随之增加。

对于基岩裂隙含水层,其富水性一般较弱,弹性释水系数μ*较小,数量级多处于10-6左右,且根据2.1.3的分析,该参数值的变化对水位降深与影响半径影响较小,根据达西定律,水量变化亦较小。当增大80倍时,涌水量仅从500 m3/d增大至501.2 m3/d,增大了0.24%,因此,μ*对矿坑涌水量预测结果可靠性的影响相对较小。

3 结 论

本文通过建立数值模拟模型,详细阐述了水平渗透系数Kx、垂向渗透系数Kz和贮水率μs3个参数的变化对矿区周边地下水运动特征和矿坑涌水量的影响。

对于水平渗透系数Kx,当某一层的Kx增大时,该层位中心点处的水位降深值随之减小;但对地下水影响最大的是第3层基岩裂隙含水岩组,该层Kx值增大1倍时,中心处水位降深变化幅度达57.89%。对于垂向渗透系数Kz,随着Kz增大,第3层中心处水位降深呈先减小后略有增大,最后逐渐趋于平稳的趋势;但影响半径随之减小,其减小的幅度随着Kz的增大而逐渐变小,最后趋于不变;当Kz继续增大时,Kz>Kx,地下水水流特征发生明显变化,由以水平流为主转变为以垂向流为主。对于给水度μ,随着μ增大,第3层中心点处的水位降深变化幅度随着μ的增大而减小;另外,随着μ变化幅度的增大,矿坑排水形成的影响半径随之减小。

对地下水运动特征影响最大的是Kx,其次是覆盖层和风化带的μ,而对矿坑涌水量影响最大的是Kz。另外,各个参数对矿坑涌水量影响的程度也不相同,μ对矿坑涌水量的影响主要体现在充水水源水量的大小;Kx则主要体现在矿坑涌水的快慢。

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(责任编辑 张淑艳)

Effect of water filling conditions on dynamics characteristics of groundwater in mining area

LIU Peigui1, LUO Peng2, WU Liang1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Based on a numerical model, considering the source of water and water passageway, the influence degree of the change of parameter values on the water inflow in mine and features of groundwater movement surrounding the mining area was analyzed. Three parameter values were given, including the horizontal permeability coefficient, vertical permeability coefficient and water storage coefficient. The results show that the direct source of water of pit water is fissured bedrock aquifers, but the weathered zone and overburden above the direct water-filled formation has the largest effect on water inflow in mine instead of the groundwater of the direct water-filled formation. Both of them influence pit water by the leakage. The horizontal permeability coefficient has the largest influence on the groundwater movement. The vertical permeability coefficient of the direct water-filled formation has the largest influence on water inflow in mine. And the influence of specific yield on water inflow in mine is mainly reflected in the amount of the water from the source of water, and the influence of horizontal permeability coefficient is mainly shown in the speed of water flowing into the mine.

water inflow in mine; hydrogeological parameter; drawdown; water filling condition

2015-12-25；

2016-03-07

国家自然科学基金资助项目(51309071;51509064)

刘佩贵(1981-),女,山东莒县人，博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.015

P641.41

A

1003-5060(2017)01-0077-06