含断层富水露天矿超前疏干条件下渗流场演化规律研究

王振伟，王智涛，李 斌，董黎明，韦永豪，李营作

（1.北方工业大学，北京 100041；2.华能伊敏煤电有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021134）

煤炭占有我国能源发展的战略性地位，其中露天矿开采作为采煤的主要方式之一被广泛应用。由于露天采矿作业形成的深凹地形为降雨和径流创造了大量的汇水区，地下水从周围地层流向采坑。当存在承压含水层的情况下，随着剥离的进行，隔水层逐渐失效，导致高压水流入采矿开挖区。地下水的流入会导致露天矿出现许多安全和环境问题[1-3]。通常会采取超前疏干的方式保障矿体高效安全的开采。国内矿山普遍使用矿山降水、引流、截水帷幕的方法或者这些方法的组合实现地下水控制。其中矿山降水是运用最广泛的技术，然而降水的关键是疏干量的确定。这需要预测实际抽采地下水的抽采量，以更好的规划降水工程。因此，掌握超前疏干条件下地下水流场规律是矿产安全及矿山工程的重要工作。

近年来，我国众多学者采用地下水数值模拟方法预测了各种形式的矿山流场变化，保护露天矿免受地下水的侵害[4-7]。但是当露天矿存在断裂构造时地下水的流动呈现不连续性、各向异性等独特性质，其运移规律复杂多变。通常情况下断层会表现为导水或隔水的特征，但是许多学者发现，出现高渗透压时，或者水头值发生改变，都可能会影响断层的隔水性质[8-9]。断层性质的改变严重威胁了矿山安全，增加了矿山地下水控制的难度，使超前疏干量难以确定。所以如何能在地下水模拟中描述断层的影响与变化也显得非常重要。在以往的研究中，地质条件复杂往往对模型的正确构建造成了极大的困难。有学者发现众多的地下水模拟软件中GMS 在刻画复杂地质条件时更优越，国内学者通过GMS 很好的研究了矿区含水层结构模型[10]，文献［11－12］对露天矿不同剥采顺序的涌水量进行了预测，文献［13－14］基于GMS 对露天矿进行了全时段涌水量预测。文献［15］对复杂断层矿区地下水进行了模拟。以上学者利用GMS 的特点针对矿山地下水流场进行了不同程度不同类型的分析，但均未考虑近矿区断层受疏排水的影响、未考虑分阶段矿山形态的变化。例如，当断层的存在影响露天采矿时如何定义断层参数，以及断裂带在不同阶段的开采和抽排水过程中对地下水的影响程度如何都没有充分讨论。而这些因素会直接影响模拟结果进而威胁矿山安全。

为此，以内蒙古东北部某富水露天矿为背景，利用GMS 特性建立复杂地质实体模型并使用不同开采阶段的露天矿地形变化进行地下水模拟，通过连续增大抽采量以研究断层导水规律，并预测不同阶段的超前疏干水量，在水文地质模型中实现露天矿地形变化的阶段分析，验证新方法Lak3 在估计人工抽采量的可行性与优越性，为地下水模拟在露天矿的应用中提供了新思路。

1 水文地质概况

研究区位于大兴安岭西坡，为半封闭型盆地，盆地位于冲积平原，海拔标高一般为671～673 m，属于中温带半干旱大陆性季风气候，冬长夏短，年均降水量323.9 mm，年均蒸发量1 053 mm，矿区内原有水系已被露天矿疏干排干。区内地层分为伊敏组、新近系和第四系：①伊敏组主要包含灰白色砾岩，泥岩，粗砂岩、含砾石粗砂岩等，该地层含巨厚煤层；②新近系主要包含灰白、灰褐色砾岩、含砾石粗砂岩、红褐色泥岩等，与伊敏组不整合接触；③第四系全区发育由灰色砾石，灰白色砂砾、黄色黏土、亚黏土、砂土等组成。存在F5正断层，断层落差46.0～157.0 m、控制长度2 289.0 m。研究区位于原采区西北侧，现阶段处于原始地层状态，根据采矿计划接下来主要回收F1、F5断层东南侧的16＃煤层。矿区地下水的补给来源有2 个：①大气降水：它是本区地下水主要的补给来源，补给时间为每年4 月中旬的冰雪融水和7、8 月份的大气降水，大气降雨通过盆地两侧的丘陵，低山区的基岩裸露区及砾石层直接入渗，进入第四系含水层，再通过煤层露头或煤系地层越流，补给各含水层；②地表水体伊敏河水和季节性湖泊水体的补给：由于各地层的渗透性能的差异，地下水在各地层中以顺着岩层径流为主，在疏干的流场的影响下，向露天矿疏干区排泄。

结合露天矿工程地质条件，研究区域地下水的补给来源主要为矿坑的西北向，地下水从矿坑的西北侧顺着含水层向矿坑补给；通过抽水试验初步判定F5断层为相对隔水断层。研究区内主要含水层为第四系砂砾含水层、15＃煤层裂隙含水层、16＃煤层间砂砾岩。隔水层主要为煤系地层中的泥岩、泥质粉砂岩和碳质泥岩等。通过水文地质调查，分析得知超前疏干水量的设计值会受到断层的影响，进而影响到降水工程的设计。所以有必要针对超前疏干的设计需求，采用地下水数值模拟的方法对矿山进行超前疏干量的预测。由于实际工程的复杂性与研究数据的局限性，在合理范围内对工程进行简化，使模型具备可参考价值。

2 模型的建立

2.1 确定边界条件

矿山地下水流场计算的准确性取决于对矿场地下水边界条件的合理概化，如何能将边界条件合理的贴近真实的自然边界是一个合理的地下水模拟模型首要考虑的问题。整个煤田区域补给主要通过大气降雨及地表水体通过基岩裸露区直接入渗，由煤层露头或煤系地层越流补给各含水层。研究区处于矿坑西北侧，现阶段处于原始地层状态，补给的主要来源主要为西向，故将模型西北侧及西南侧概化为定流量补给边界，研究区南侧存在隔水断层F8，将南侧边界定义为0 流量边界即隔水边界，又由于矿坑位于研究区东侧，受多年疏干影响，地下水向矿坑向排泄，故将东南侧边界定义为定流量排泄边界，其余模型边界定义为自由边界。边界条件及研究区位置示意图如图1。

图1 边界条件及研究区位置示意图

2.2 三维实体模型

1）生成钻孔数据。根据现场收集研究区实际钻孔资料，首先对钻孔资料进行合理概化，采用加权平均渗透系数法对岩层进行概化，在确保相同渗流形态的基础上尽可能简化岩层层数。简化后整理为GMS 中Borehole 模块可识别数据格式，导入GMS 中进行调整。

2）生成钻孔。研究区内共有实际工程地质钻孔13 个。传统的建模方法主要基于钻孔资料，因此少数钻孔无法精确刻画地层结构。有学者采用GMS 软件补充虚拟钻孔方法，建立研究区的含水层结构模型，结果表明此建模方法精度远高于钻孔建模方法。所以我们为满足地质构造需求根据矿区资料地质勘探线增添虚拟钻孔。通过合理加密钻孔的方式在一定程度上更好的表达了地质复杂性。

3）生成地质实体模型。通过Map 模块划定区域边界，由区域边界生成25 228 个TIN 三角网格。使用Horizon to soilds 成实体模型，模型分为9 块地质实体，实体模型中断层外观构造如图2。

图2 实体模型中断层外观构造

2.3 地下水计算模型

通过实体模块下的Solids to Modflow 指令将地质实体模型转化至网格计算模型。在此过程中网格划分方法使用Boundary Matching。正如文献［16］所述，常规网格划分方法通常以水平及竖直方向分布，然而针对地层复杂的情况时需要选用合适的网格划分方法为了适应模型的复杂性。同时为了适应模型特点，参数赋值采用材料赋值方法，便于分析地形开挖变化后的地下水流场，不将含水层与隔水层简单分层，提高模型与真实地层的匹配程度。加强计算网格与网格之间的各项水力流通关系，更好的模拟非均质含水层的地下水流规律。模型剖分为100×100×9 个网格，有效活动网格43 827 个。并在地下水网格模型中利用Barrier[17]设置断裂带阻碍系数，同时为模型赋予上文所述补排条件，设置材料各项属性参数。

2.4 模型初始流场识别与拟合

静止水位插值与拟合后流场图如图3。

图3 静止水位插值与拟合后流场图

在现有观测井资料中选取首月有效数据，将实测静止水位整理为散点值格式导入模型，利用克里金插值法进行插值计算图3（a）；由于观测井数据有限且静止水位的插值并不能体现断层的阻隔水效应，所以将插值后水头值导入模型与抽水试验的观测井数据进行识别与拟合；使用GMS 内嵌的PEST模块，利用观测水位进行参数反演计算，得出最优模型参数，为使模型达到校核要求，使用置信度的方式说明计算值与实际值的拟合关系。由图3（b）模型计算结果表现断层隔水效应良好，可见断层线南北两侧出现跌水现象。换言之，断层在原始地层未开挖情况下阻隔水效应良好，断层模拟效果贴合实际。模型岩组的各项水文地质参数见表1。拟合优度R2＝0.924 模型拟合度较好，可用做模拟研究初始条件。

表1 模型岩组的各项水文地质参数

3 多阶段模型及数值模拟

3.1 各阶段模型概况

在GMS 等地下水流计算软件中模拟露天矿的水头变化通用手段是使用定流量方式疏干含水层，再使用Drain 模块定水头的方法模拟地下水流场[18]。这种方法已经被国内学者广泛应用，但这种方式并不能体现采掘进程中地形的变化。国外学者利用GMS 的Lak3－Package 模块解决了这一问题，在流场分析中体现了矿坑形态。所以采用Lak3－Package 来设置不同阶段的矿坑形态变化。将散点导入模型插值生成TIN 网格，在Lak3 模块中将TIN 网格识别为坑底面，利用Map to Modflow 将矿坑设置导入到模型中。

研究区主采煤层底板标高为＋480 m，将整个开采计划概化分为4 个阶段，分为地表向下标高分别为＋640、＋600、＋540、＋480 m，第1 阶段与第四阶段对比地形示意图如图4。

图4 第1 阶段与第4 阶段对比地形示意图

3.2 数值计算结果

将拟合的流场作为初始水头导入模型，通过不断调整抽采量进行反复运算，得出结果后利用Gage－Package 确定最低水位线已经降至目标位置以下为止。

第1 阶段降水流场图如图5，第1 阶段超前疏干至标高为＋640 m 流场结果，因初始水头在矿坑西南向已经基本接近坑底标高，所以第1 阶段疏排量。抽采量1 200 m3/d 时矿坑坑底的水位降至＋639 m 处，达到第1 阶段疏排水要求。图中断层北侧水头与初始流场比较而言变化不大，断层两侧水位差10 m，由图可见断层的阻隔水效应受第1 阶段开挖与疏排水微小影响，没有发生较大变化。

图5 第1 阶段降水流场图

在第1 阶段流场基础上逐渐增加疏排水量直至水位低至第2 阶段目标值。此阶段矿坑坑界向北向西均有推进，相较第1 阶段边界更接近断层构造带，目标水位需从上阶段＋639 m 疏干至＋600 m 标高以下。第2 阶段降水流场图如图6，抽采量1.1 万m3/d时矿坑底部水位降至＋585 m，矿坑周边形成明显降水漏斗。因疏排水量的提升，断层的北侧水头较上一阶段出现小幅度水头降低现象，断层南北两侧水头差升高至20～30 m，相对应的水头差的加大会导致更高的渗透压，高渗透压使断层隔水效应减弱，断层呈现弱导水趋势，模拟中体现了这一变化趋势。为了更好的研究断层的阻隔水效应变化，在此基础上逐渐增大抽采量来观察断层两侧水位变化。发现在稳定水位的前提下，少量的增加抽取量不会使断层南侧水位发生变化，而断层北侧会出现同程度的水位降低现象，表明断层北侧持续补给南侧。抽采量增大至1.8 万m3/d 时，断层北侧水位大幅降低，断层基本变为导水断层，当抽采量大于1.8 万m3/d 时矿区内水位开始由＋585 m 标高明显下降。

图6 第2 阶段降水流场图

在第3 阶段，因断层变为导水断层，第3 阶段中抽采量大幅度增加到5.82 万m3/d 时，水位降至坑底标高＋540 m 之下。需要说明的是，在Modflow 中模拟水头低于单元格底部标高时，此单元会被模型识别为干燥单元，流场图中表现为网格缺失。第3 阶段降水结束后流场图如图7，与上一阶段比较，降水漏斗范围的扩大导致多层单元格出现不同程度干燥。矿区西北侧地下水跌水现象消失，断层上部失去隔水作用。矿区东部水位降至＋540 m，矿坑底部水位降低至＋525 m。

图7 第3 阶段降水结束后流场图

最终阶段矿山采掘深度要求达到＋480 m，矿界会向北推进至断层位置。当抽采量大幅增至9.82 万m3/d 时，水位降至＋469 m。矿区标高＋480 m 之上的静储水量基本疏干，降水漏斗范围进一步扩大，在研究区北侧体现明显。

为了更好的研究矿区水位变化以及断层由隔水断层逐渐活化导水的规律，在模型中设置多个水位监测点，并选取5 个代表性点位进行水位数据分析。抽取量与各监测点的水位变化关系如图8。

图8 抽取量与各监测点的水位变化关系

5 个监测点以最终坑底监测点为圆心向外根据研究区位置与断层位置依次选取另外4 点。整体水位降低趋势呈现降水漏斗态势，由研究区底部监测点开始、各测点水位受抽取量影响程度依次降低，最终水位呈阶梯式上升。在第2 阶段的抽取率达到1.1万m3/d 之前，位于断层南侧的3 个监测点水位下降迅速，与其相比较断层北侧以及北边界的2 个监测点由于断层阻隔水效应水位下降速率较低，断层两侧的水头差会随着抽取量增加逐渐增大。在抽采量1.1.～1.8 万m3/d 之间断层南侧3 点水位相对稳定，断层北侧2 点水位下降速率加快，表明在第2 阶段矿坑深度达到＋600 m 且抽取量达到1.1 万m3/d时由于断层两侧水压的增大断层开始活化导水，断层北侧在此阶段补给断层南侧。当抽取量大于1.8万m3/d 后，5 点水位同时开始下降，直至矿区底部水位降至＋469 m 模拟结束。

4 结语

1）基于GMS 的软件特性，针对复杂地质条件的露天矿进行了水文地质模型得细致刻画，并利用Lak3－Package 建立不同地形的露天矿形态进行了阶段划分。得出了各阶段最大人工抽取量的参考值。通过模型计算值优化控制地下水抽采，达到更好的维护矿山安全以及保护水资源节约成本的目的。得出第1 阶段降深至＋645 m 所需人工最大抽采量1 200 m3/d；第2 阶段降深至＋600 m 所需人工最大抽采量需1.1 万m3/d；第3 阶段降深至＋540 m 最大抽采量需5.82 万m3/d；第4 阶段最终降深至＋480 m 需9.82 万m3/d，验证了Lak3－Package 在露天矿抽取量预测的可行性与优越性。

2）模拟计算了矿山各阶段所需最大疏干量，并通过设置断层在水文地质模型中来研究不同阶段矿山疏排水对断层隔水效应的影响。第2 阶段降深至＋600 m 时抽采量达到1.1 万m3/d 时断层因为两侧水头差的加大导致渗透压的升高，迫使断层开始逐渐导水，在抽采量达到1.8 万m3/d 时断层彻底变为导水断层。研究结果有效实现了露天矿断层的阻隔水效应在不同阶段与降水工程影响下变化的模拟，为露天矿降水工程的方案设计提供重要参考，也为类似地质条件的露天矿提供了新的建模方式选择。