基于Dimine与Visual Modflow协同建模的矿区水文地质模型研究

韩汝宁

(西藏华泰龙矿业开发有限公司，西藏 拉萨 850200)

0　引　言

矿井涌水量是矿山安全生产建设的重要影响因素，其直接决定着矿山采矿方法的选择与排水方案的制定。对于涌水量较大的地下矿山而言，开展井下涌水量的评价与预测具有重要意义，其直接决定着矿山能否安全有序生产。多年来，准确预测矿井涌水量一直是矿山水文地质工作者需要解决的难题，主要表现在：矿山水文地质调查不充分；地质条件区域差异性大，变化多样；预测及计算方法众多，难以统一；水文地质资料缺失且不一致等。本文从矿区水文地质实际情况出发，结合Dimine与Visual Modflow软件联合构建水文地质模型，实现了水文地质参数的模拟与预测，具有重要的现实意义。

1　矿山基本情况

矿区地下赋存大量缓倾斜薄沉积铝土矿，赋存较深，开采难度高。主要原因是其矿床有着极其复杂错乱的水文地质情况，顶板薄且不能有效隔水。随着空区暴露面积增大，矿层顶板部分的稳定性可能遭到一定破坏，将导致矿层顶板倒塌，严重时还会发生安全事故；其稳定性一旦被破坏，其位于含水层中的通道，若遇到溶洞或者暗河，即产生突水和泥石流等。

矿山采用主平硐开拓，平硐标高575 m，长约800 m，其主要问题是通道内水、泥多次涌入，这条主通道作为矿山整个运输系统的咽喉，涌水、涌泥造成的后果非常严重。矿山在基础设施建设过程中，也曾多次发生过矿层岩溶破坏等涌入事故，虽未造成施工人员伤亡，但致使建设工程进度严重滞后，造成了很大的经济损失。

2　矿区水文地质

2.1　充水水源分析

水文地质资料显示，矿区充水类型主要是大气降水、地下水、地表水。

1) 大气降水。地表的大气降水为主要充水类型，以5～7月暴雨季节为最大，其他月份对井下充水的影响有限，地表的降水大多汇集于山沟地带。

2) 地下水。地下水也为矿区主要的充水类型，包括二叠系中统茅口组(P2m3+4+5)含水组、二叠系中统栖霞组及茅口组(P2q+P2m1)，以及一般含水组和二叠系上统龙潭组+长兴组(P3l+P3c)弱含水组。

3) 地表水。地表有小河流，季节性流量较大，对矿床充水无较大影响，暴雨时节，地表水对矿床的充水作用将明显提高。

2.2　充水通道分析

从水文地质条件调查结果来看，该区域并不存在较大断层，主要存在的充水通道为顶板冒落裂隙带型通道、点状岩溶型通道、面状裂隙型通道。

1) 顶板冒落裂隙带型通道。通过探矿坑道的水文地质工程地质编录，稳定性较差，直接顶板易冒落，一旦发现裂隙冒落带型突水，则水量相对会较大。冒落裂隙还有沟通地下暗河或者地表的危险。

2) 点状岩溶型通道。根据矿区水文地质资料显示，茅口组灰岩裂隙率约为30%，地表的岩溶率为48%；栖霞组岩溶率约18%，地表的岩溶率约42%，且以溶洞为主。

3) 面状裂隙型通道。在地下开采的影响下，之前闭合的裂隙将会打开呈现张性，而且裂隙相互沟通也将随之加大，联系紧密，进而会产生突水。

2.3　矿区综合水文地质情况分析

矿区地表有小河，流量不大，但是季节性的变化较为明显，小河的流量一般为100.8 L/s。矿区的水文地质条件为中等复杂，主要充水补给来源为地表降水，类型为顶板充水的裂隙岩溶矿床，图1为区内水文地质剖面图。

直接充水含水层富水性较为一般，且富水不均，低处富水性高于山坡高处，绝大多数矿床分布在水位下面，有部分分布在本区侵蚀基准平面下部。

图1　水文地质剖面图

缓倾斜薄沉积铝土矿赋存深，开采难度高，仅水文地质这块就存在很多难题，主要包括以下三个方面。①矿体顶板很薄，不能有效地隔断上部含水层，而且随着地下开采，拉开的空区暴露面积将越来越大，逐渐破坏上部顶板的稳定，一旦顶板失稳，上部含水层随机冒落造成突水；②不仅是采空区，布置在岩溶岩层中的开拓采准巷道，也极易遭遇暗河、溶洞等，极易产生巷道突水或者泥石流；③前期施工的地质钻等钻孔打通了含水层，若后期封闭不好，遇隐伏的破碎带或者断层时,极易造成不同含水层系统的联系贯通，上部水经过钻孔和破碎带进入巷道，产生突水灾害。

3　水文地质建模及涌水量预测

3.1　模型原理

本次研究是将矿区水文地质数据转化再通过Dimine数字矿山软件与Visual Modflow水文地质软件将其数据两两耦合衔接，得出拟合数据后，将数据输入Dimine数字矿山软件，从而得到矿区的三维地质模型。而矿山的水文地质力学模型则由Visual Modflow水文地质软件进行模拟合成，地下水数值也将以矿山的水文地质力学模型进行数据模拟，此外还可以对所模拟的数据进行检验和核对。对地下水流的整体流向和水量分布都可进行数据分析，然后进行模拟，以便提前了解矿区内地下水的动态分布情况。

Dimine软件是一款矿山三维建模软件[1-2]，通过该软件可以对将要开发的矿山建立各种类型的三维模型，以便掌握整个矿山的水文地质情况，帮助工程人员设计三维空间状态下的矿山开拓工程，确保矿山稳定、安全、高效生产，减少不必要的伤亡和经济损失。

要想对矿山的地下水进行数值模拟，首先对矿山水文结构信息进行综合分析，得出初步水文地质数据，再运用地下水水流的数学表达式进行计算，最后数学建模成功，就可以对想要模拟的数值进行模拟。Dimine软件对于数学建模来说有确定性模型和随机模型，其中随机数学模型的变量是一定存在的，且这些变量是随机不定的；而确定性数学模型中的各变量则是相互间有明确关系的。

运用渗流连续性方程及水力学达西定律计算，得出其三维非稳定流数学表达式，见式(1)。

(1)

式中：Kzz、Kyy、Kxx为不同方向上的渗透系数，m/d；t为时间，单位可以选择；H为xyz空间坐标系中任意一点在t时刻相应的水头值，m；W为源汇项，L/d；Ω为域，表示立体计算域；Ss为xyz空间坐标系中任意一点的储水率，L/m；S2为第二类水头边界；nz、ny、nx为二类水头边界在不同方向(x轴、y轴、z轴)外法向的单位矢量。

Visual Modflow软件是以Modflow软件程序为基础制作的全新水文地质软件，是加拿大Waterloo公司研究开发。该软件的最大创新点是将水文地质模型、耦合流场模型、地下水方程与三维视窗紧密集聚，灵活组合，最终成为一款数据统计功能强大的软件。三维有限差分是其功能之一，可以模拟地下水流动，并形成模型[3-6]，其模拟过程见图2。

图2　Visual Modflow模拟过程

3.2　模型构建

已有数据显示矿区水文地质情况并没有太过于复杂。本区域地下水的主要来源为地表降雨，多为含水岩层。海拔较高地方的富水性往往比不上海拔低的地方，可见其含水层的富水性有着明显的海拔梯度分布。在地下水下面才是矿层的所在地，甚至侵蚀基准面下方还有矿层的存在。

由图1可以看出，地下岩层按照含水性多少依次划分为5个分层。地表模型和各含水层顶底板模型是该水文模型成功构建必不可少的条件。导入模型的各个高程点是Visual Modflow构建模型的常用手段，如直接运用Visual Modflow软件建模具有相当大的难度，高程点输入较为繁琐复杂。Dimine软件使得该建模过程大大简化，只需将现有的地表等高线数据，导入Dimine软件中系统会自动转换为高程点并转化为地表模型。

为了解该矿区水文地质结构的特征及空间形态，本文对其进行了三维剖分，其各含水层剖面划分见图3。依据岩体水文的特性，该模型在垂直方向上有6个不同类型岩层，且每个岩层的渗透系数都不同，进行水文地质模拟时岩层的渗透系数是必须输入的。

水文地质条件往往较为复杂，边界条件也很难准确界定，对模型来说，边界条件具有动态发展的特性，通常应掌握其发展的规律，研究所有现有的水文地质资料，建立模型时应充分考虑到这些。本次建立的模型，将区内边界都设置为第二类水头，这是简化模型的考虑，同时在导入各层初始水头时，还应兼顾地表降雨对水头造成的影响，将该矿区全年的每月降水量输入Visual Modflow中的recharge项目里，就可初步得到矿区三维水文地质模型，见图4。

图3　各含水层剖面划分图

图4　三维水文地质模型

3.3　模拟分析

将研究区域内的地下水补给量和排出量、边界条件、降雨径流等因素综合计算分析，就可以预测研究区域的涌水量。本次模拟预测涌水量的对象是575m主平窿区域，模拟采用区域水均衡原理进行预测，该方法的原理是依据流入与流出研究区域的水量值关系来进行涌水量的预测，求解出某研究模型区域内总涌水量的近似值，这种方法实用简单。本次模拟时间段采用的是2010年全年。每一个应力期实际上对应每一个月份，每个月份的每一天都需要计算，全年365 d计算完成后，输出结果。该软件的结果输出功能较为强大，输出结果值包括流量、流线、降深、水头值、流速等。

空间物理模型建成后，开始进行初始渗流场的拟合，拟合前需对初始水位进行校正，使计算值在误差允许范围内，模型才可使用到后面的研究内容中。

四个矿山水文地质图(图5～8)是在同一个应力期时所表现的，也可以看出，矿区水头由西向东逐渐变得密集，该变化趋势基本与该地区的高程一致，也符合当地实际情况。对数据进行转化还可以得到区域内各层的三维流场图，见图9。

模型完成解算后，执行Zone budge(区域水均衡)就可得到涌水量与应力期的关系，图10为575m主平窿区域内全年各应力期的涌水量曲线图，从图10中可以看出，涌水量是随季节变化而发生改变的，其中涌水量在7月份左右达到最大，4月份时涌水量则为最小。

图5　流量图

图6　地下水降深图

图7　地下水水头图

图8　地下水流线图

图9　某应力期内模型流场图

图10　各应力期相应的涌水量曲线图

4　结　论

1) 创新性地将Dimine与Visual Modflow软件配套使用，构建成矿山水文地质模型，有效降低了单独使用Visual Modflow软件进行矿山水文地质建模的难度，实现了CAD-Dimine-Visual Modflow这三者之间的数据耦合链接。

2) 利用Visual Modflow软件的有限差分功能完成水文地质的三维建模，通过定义地下水文地质参数， 设定边界条件， 输入外部水源补给， 结合应力

期进行求解，得到应力期内特定研究模型范围内地下水的降深、流量、水头值、流线、流速等参数。

3) 通过Visual Modflow所建立的地下水数值模型对地下水流场变化和区域水均衡情况的计算，得出575m主平窿各个应力期的涌水量值曲线图，其中涌水量在7月份左右达到最大，4月份时涌水量则为最小。

4) 本次研究地区模型较大，建立模型时简化了矿区水文地质条件，前期水文地质参数准确与否对模拟结果影响较大，因模型较为简单粗略，使得模拟结果与实际值难免出现一定偏差，还需对模型精确性做深入研究。