大水矿山开采条件下的地下水流场影响研究_汪丁瑞.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 020大水矿山开采条件下的地下水流场影响研究汪丁瑞1，康博2，杨杰1，王亚莉3(1 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009;2 合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥230009;3 安徽省交通科学研究院，安徽 合肥 230000)摘要持续高强度的矿山开采可能会导致地面坍塌等灾害，为研究采矿工作对其周围地下水流场的影响，本文以安徽省庐江县黄屯硫铁矿为例，利用 GMS 地下水模拟软件对水文地质参数和初始水位等数据进行识别和验证，建立了地下水数值模拟模型，对采矿区天然状态、开采 3 a 末、开采 5 a 末、开采 10 a 末的地下水流场进行模拟预测。研究结果表明，黄屯硫铁矿矿区开采活动初期对周围地下水流场存在影响，但在第 5a 末地下水流场逐渐趋于稳定，地下水位变化幅度较小，推测存在黄屯河反向补给地下水的情况，或是帷幕防治水工程发挥了作用。本文的研究结果对大水矿山这类矿区开采的安全以及日后的发展提供了一定的工程参考。关键词矿区开采;GMS;地下水数值模拟;帷幕注浆中图分类号P641 2文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0060 03收稿日期2022 11 14作者简介汪丁瑞(1998 )，女，安徽合肥人，在读硕士研究生，主攻方向:水文学及水资源。Study on influence of groundwater flow fieldunder mining condition of large water mineWANG Ding rui1，KANGBo2，YANGJie1，WANG Ya li3(1 School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;2 School of esources and Envi-ronmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;3 Anhui Transportation esearch Institute，Hefei230000)Abstract:Continuous high intensity mining may cause disasters such as collapse，ground work for the study of mining in-fluence on the groundwater flow field around，this paper takes anhuilujiang county Huang Tun pyrite mine as the example，u-sing the GMS groundwater simulation software of hydrogeological parameters and the initial water level data for identificationand verification，such as the groundwater numerical simulation model was established，The groundwater flow field of naturalstate，3a mining end，5a mining end and 10a mining end is simulated and predicted The research results show that thegroundwater flow field around Huangtun pyrite mining area has been affected in the early stage of mining activities，but thegroundwater flow field gradually becomes stable at the end of 5a，and the variation range of groundwater level is small It isspeculated that the Huangtun iver reverse recharge groundwater，or the curtain water prevention project played a role The re-search results of this paper provide a certain engineering reference for the mining safety and future development of large watermineKey words:Mining;GMS;Numerical simulation of groundwater;Curtain grouting0引言我国社会、经济正处于快速发展阶段，人民对美好生活的需要日益增长，这导致国家对资源的利用程度也随之增长。当前，大部分工业的原材料都来源于矿区开采，但随着采矿业不断发展，人们却疏忽了采矿给地下水流场带来的影响。当前，已有大量学者针对矿山开采对于地下水流场影响进行数值模拟分析及研究，杨彪1等人利用 Visual Modflow建立中金岭南凡口铅锌矿的地下水数值模拟模型，分析了研究区地下水动态特征并在此基础上模拟预测了地下水流场的变化。张伟2采用 Visual Modflow 对陇东地区的典型矿井建立地下水流场数值模型并分时段模拟矿井开采所造成的地下水流场变化，分析采矿活动对地下水流场的影响。肖义3等人利用 GMS 建立云南曲靖某煤矿的地下水流场模型，模拟了矿区开采数年后的地下水流场变化情况，并分析流场变化的原因。李贵仁4等为提高推覆体内矿区含水系统刻画的精确度，以刚果 Sicomines 铜钴矿为例，将模型垂向上加密剖分，构建地下水流场数值模拟模型，识别地下水位动态，并对矿区不同开采条件下的矿坑涌水量进行预测。大水矿山是指水文地质条件复杂，每日矿坑疏排水量达数万 m3以上的矿山，我国广泛分布这类矿山5。由于这类矿山地质条件特殊，含水层厚从而导致涌水量、排水量大，可能会导致矿区地面塌陷，给矿山安全带来隐患。徐磊11等人对某大水矿山在帷幕注浆条件下的矿坑涌水量进行了预062023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3测;王李管12等人对大水矿山地下水水灾害致灾机制进行研究分析，最终确定地下水水灾害是由相邻水文地质单元的径流补给、排水系统排水量以及大气降水补给所导致，并且将失效模型与矿山地下水模型结合，得到地下水水灾害强度及其分布特性。通过整合前人对大水矿山的研究资料，不难得知，目前对于大水矿山的研究大都集中在矿坑涌水量预测和帷幕注浆工程等方面。因此，本文通过 GMS 建立黄屯硫铁矿地下水流场数值模型，对矿区地下水位进行动态分析，预测矿区开采后地下水流场的变化情况，分析开采活动对地下水流场的影响。1研究区概况黄屯硫铁矿，位于安徽省合肥市庐江县龙桥镇，作为安徽省典型的大水矿山，位于安徽省合肥市庐江县龙桥镇境内，庐枞火山岩盆地的北东部边缘，大地构造位置处于扬子板块西北缘，靠近扬子与华北板块的拼合带，西邻郯(城)庐(江)断裂带，南为下扬子破碎带。矿区探矿权 1 3 km2范围内均被第四系所覆盖。在其外围东部出露有侏罗系中统罗岭组(J2l)、侏罗系下统磨山组(J1m)，以及三叠系上统拉犁尖组(T3l)，基底地层中的三叠系中统铜头尖组(T2t)仅在在钻孔深部见到;外围西部的龙门院组火山岩出露较少。第四系地层主要为全新统(Q4apl)和中更新统(Q2pl)。2水文地质概念模型2 1矿区范围及边界条件早在 2014 年，黄屯硫铁矿帷幕注浆工程就已开工，2016年工程接近尾声。工程施工后进行长历程、大降深、大流量的群孔抽水过程，大量的抽水导致帏幕范围内直接充水含水层的水力性质发生变化，直接充水含水层由承压转为无压。在矿区四周的帷幕可以看作是人为的相对隔水边界，但抽水试验中验证人为边界内外水头差太大，在地下水流数值模拟模型中，难以准确刻画帷幕附近水位大幅变动对流场的影响。因此，模型选择更大的范围作为边界，然后对帷幕边界内的流场进行数值模拟。选取研究区外相对稳定的天然水文地质边界作为模拟区的边界。距离矿区北边界约 3 km 有一条天河，定为给定水头边界;改道后的废弃黄屯河位于矿区南部，与新黄屯河通过涵闸相连，除特大洪水外河水不外流，可作为给定流量边界;其余南部、西部、东部均以分水岭为界，作为隔水边界。模拟区面积约 28 2 km2。研究区边界条件如图 1 所示。图 1模拟区边界示意图2 2含水层概化矿区进行抽水试验时，导致注浆帷幕范围内部地下水水位下降到强风化高岭土相对隔水层的底板以下，而其充水地层的含水层性质也随之发生变化，由承压转为无压，且在矿区之后的开采活动下，也继续保持无压状态5。模拟区地层垂向概化示意图如图 2 所示。根据研究区地质条件和水文地质特征，在垂向上把模拟区域地层概化为:表层为第四系冲洪积亚粘土层;第二层为第四系冲洪积砂砾石层;第三层为第四系残积粘土及火山岩强风化高岭土层;第四层为火山岩裂隙 孔洞含水层，该层含水层是本区最主要的含水层;第五层为盆地基地沉积岩裂隙水。同时考虑到矿区设计开采水平 340 m 以下的岩层不隔水，因此将模拟区垂向的地下水系统概化为 7 层。图 2模拟区垂向概化示意图3地下水数值模拟模型3 1模型的建立GMS(groundwater modeling system)是地下水数值模拟的软件平台，是美国 Brigham Young University 环境模型研究实验室和美国陆军排水工程实验工作站在综合 MODFLOW、FEMWATE、MT3DMS、T3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的用于地下水模拟的图形界面软件，可以对地下水进行多种模拟，包括水流模拟和溶质运移模拟。本文模型利用 GMS 进行模拟。将模拟区划分为 200(行)200(列)7(层)的网格，其中，有效网格 48 941 个。根据矿区抽水试验结果、水文地质条件等因素的综合分析，确定研究区水文地质参数与分布如图 3及表 1 所示。图 3水文地质参数分布示意图图 4矿区各观测孔水位拟合情况3 2模型的识别与验证考虑到矿山地下水水位数据的统测时期及数据完整性，且16第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月考虑到抽水试验同时进行，矿区直接充水含水层的水力性质由承压转为无压，所以，要选择已转为无压水的时刻开始进行拟合。此次模拟校正过程以 2017 年 4 月 8 日至 2017 年 10 月 28日地下水位观测资料为基础，验证期选为 2017 年 10 月 28 日至 2017 年 12 月 14 日。模型的拟合结果如图 4 所示。表 1校正后水文地质参数一览表分区编号渗透系数给水度弹性释水系数10 150 0234e 520 40 0197e 535 660 025e 543 540 0196e 5512 680 0214e 560 010 021e 571 000 0192e 580 0010 0187e 5910 610 018 53e 5102 830 019 55e 5113 680 0259e 51217 680 0191e 5131e 40 025e 5149e 40 028e 5151e 40 0196e 5167e 40 0221e 5175e 40 0244e 518(整个帷幕)0 030 018 52e 54矿区开采对地下水流场的影响根据矿区的开采计划，利用 GMS 地下水流模拟软件对矿区 2017 2026 年这 10 a