凹陷式开采石灰岩矿区地下水渗流数值模拟_刘豪.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：刘豪，龚星，李昱成，等 凹陷式开采石灰岩矿区地下水渗流数值模拟 科学技术与工程，（）：.，（）：.凹陷式开采石灰岩矿区地下水渗流数值模拟刘豪，龚星，李昱成，田凌宁，吕建兵（广东工业大学土木与交通工程学院，广州）摘 要 露天凹陷式开采石灰岩矿区的疏干降水过程将形成降水漏斗，并改变区域地下水流场；定量刻画开采条件下的地下水渗流对矿区涌水量预测及相关环境地质问题防治有重要的实际意义。以广东某石灰岩矿区为例，采用地下水渗流数值模型模拟了矿坑开采速度分别为、条件下的地下水流场变化过程。模拟结果表明：在开采条件下，研究区地下水位不断降低，水位下降速率与开采速度之间呈正相关关系；开采形成的降落漏斗将延伸至矿区所在水文地质单元边缘，形成时间与速度成反比；区域范围内的地下水位年内动态与降雨季节变化一致，波动幅度随与矿坑距离增加而减小、随渗透系数降低而增加，但受开采速度影响不明显。开采初期，矿坑涌水量随开采深度和开采速度增加而增大；但当矿坑开采深度达 时，研究区浅层第四系孔隙水和溶洞裂隙水基本疏干，涌水量基本不再随开采深度增加，以、速度开采的矿区稳定涌水量分别为 、。该研究结果可为类似石灰岩矿区开采方案设计及周边地下水位动态监测提供参考。关键词 石灰岩矿区；地下水渗流；涌水量；数值模拟中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（）；广东省重点领域研发计划（）第一作者：刘豪（），男，汉族，湖南衡阳人，硕士研究生。研究方向：地下水数值模拟。：。通信作者：龚星（），女，汉族，湖南湘潭人，博士，讲师。研究方向：地下水数值模拟。：。，（，），；国民经济的飞速发展迫切需要开采利用金属及非金属矿产资源，中国碳酸盐岩分布广泛，具有开采价值的石灰岩矿面积达.万，储量共计.亿，开采方式主要为凹陷式露天开采。石灰岩矿区通常岩溶发育程度较高，地下水流系统复杂，在凹陷式开采条件下，采场排水极大地改变了流域内的地下水流动模式，并成为岩溶水系统的主要排泄区。若开采速度过快，区域地下水水位快速下降，形成降落漏斗，从而诱发路基变形、岩溶塌陷等常见的矿山地质环境问题。龙门县某石灰岩采石场在开采过程中意外揭穿岩溶导水裂隙带，造成北投稿网址：侧地下水向采坑排泄，日均涌水量约 ，地下水水位迅速下降造成矿区 处岩溶塌陷，威胁当地居民安全。密苏里州的一处石灰岩采石场大量涌水，岩溶管道中的充填物涌入采石场，岩溶塌陷灾害导致周边交通设施瘫痪。广西平南县河景矿区凹陷采坑造成地下水降落漏斗影响范围.，最大影响半径.，引发当地 起岩溶塌陷。矿山开采导致的岩溶塌陷，主要分布于采石场抽排水强径流带及沿构造发育的岩溶强发育带。因此，揭示凹陷式开采导致的岩溶塌陷与地下水径流变化的关系，合理准确地预测矿坑涌水量及其周围地下水位的动态是石灰岩矿凹陷式采场水文地质工作的核心问题，也是设计部门制定疏干措施的主要依据。水均衡法和数值解析法在矿坑涌水量及水位动态预测中应用广泛，但由于水文地质参数和边界条件的空间非均质性，导致分析结果存在较大误差。数值模拟法作为计算机与离散数学相结合的一种技术手段，能真实地刻画水文地质特征、模拟边界的复杂几何形态，较好地描述边界性质和水力特征，已成为研究开采方式对矿区地下水系统影响效应的有效方法。目前，已有不少学者采用数值模拟法建立研究凹陷式开采矿区地下水流场变化和岩溶塌陷之间关系的模型。林训伟通过有限元分析软件 模拟研究，分析地下水在短时间内快速下降，排泄、径流发生改变，会产生了较大动水压力，导致覆盖层失去支撑力，从而造成地面塌陷的发生。等利用耦合流动和地下水反应运移模型模拟采石场间石膏地层和岩溶塌陷处的溶解过程，结果表明该模型能准确地预测塌陷坑周边溶洞的生长方向及速度。等采用有限元数值模型 来评估并量化采石场不同开采活动对附近区域地下水位的影响，结果表明采石场排水较大地改变了流域内的地下水流动模式。但是，不同开采速度下矿区的地下水系统演变模拟成果较为少见，石灰岩矿区凹陷式开采方案的定量分析方法仍有待深入研究。现以广东某石灰岩矿区为研究对象，基于区域水文地质调查结果将研究区岩溶含水介质概化为等效多孔介质，构建矿区三维地下水数值模型，模拟预测不同凹陷式开采速度下的区域降落漏斗、水位、涌水量详尽的年内和年际动态变化，揭示矿区开采过程中的地下水流系统变化规律，以及对周边基建设施和环境的影响。以期为石灰岩凹陷式开采矿区开采方案设计提供依据，并为相近石灰岩矿区地下水系统演变数值模拟研究提供参考。研究区概况研究区属丘陵地貌，地势总体西侧排土场、中部矿区、北侧山体和东侧山体高，中西部、南部和中东部各个山体间的沟谷低，某高速公路从北至南横穿研究区，地表河流自北向南流。气候属亚热带季风湿润区，受东南季风影响明显，据当地气象局资料，降水丰沛，降水量年内分布不均匀，干湿季节明显，一年中降水主要集中在 月。基于区域资料收集、水文地质调查、地球物理勘探、水文地质钻探、抽水试验等工作手段，查明了研究区水文地质岩溶地质特征。.地质条件区域内出露地层为第四系、白垩纪、侏罗纪、二叠系、石炭系、侵入岩，各地层空间分布见图。第四系残坡积层主要为含硅质岩碎块的黏土，厚度为.；冲洪积层主要分布于矿区中偏西部的山沟周边，岩性主要为冲洪积含砾砂黏土层，厚度为 。侏罗纪和白垩纪地层主要为细粒花岗岩，位于区域的西北边。侵入岩主要为花岗斑岩脉，在区域成脉状出露。二叠系出露下统栖霞组和孤峰组，栖霞组以生物碎屑灰岩、含燧石灰岩为主，厚度大于 ，大面积分布于区域中部；孤峰组以泥质粉砂岩和硅质岩为主，厚度约为 ，位于区域南部。石炭系上统船山组、中统大埔组和黄龙组均以灰岩和白云质为主，总厚度约为 ，广泛分布于区域中部和北部；石炭系下统忠信组以砂岩为主，厚度大于 ，位于区域中部，矿区的西北侧。区域内地质构造形迹以断裂构造为主，对区域地下水流动系统有控制意义的断裂带有 条，其中南北向有 条（图）。断裂 位矿区外西侧 处，主要由破碎岩、硅化岩、构造角砾岩及断层泥组成，导水性较弱；断裂 从矿区西侧穿越，发育挤压片理、构造透镜体和构造角砾岩，破碎带位于断裂的北部，为拉张性导水断裂；断裂 位于整合后矿区外东侧 处，断裂由多条相互平行的挤压破碎带组成，两侧岩性以灰岩为主，导水性良好。东西向断裂 位于矿区外北侧.处，岩性多为花岗斑岩及粉砂岩，导水性较差。.岩溶发育特征岩溶系统的结构决定着岩溶水的赋存与分布。根据矿区水文地质钻探及地球物理勘探结果，区域范围内溶洞主要发育在标高 .以上，水文地质钻探见洞 个，最大洞高.，最小洞高.，平均洞高约.，钻孔的见洞率范围为.，地下蜂窝状溶孔和溶蚀裂隙发育较为科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：为第四系；为二叠系下统孤峰组；为二叠系下统栖霞组；为石炭系上统船山组；为石炭系中统黄龙组；为石炭系中统大埔组；为石炭系下统忠信组；为石炭系下统大湖组；为泥盆系上统老虎头组；为白垩纪花岗班岩；为侏罗纪细粒（斑状）钾长花岗岩；为侏罗纪中粒斑状黑云母二长花岗岩；为侏罗纪细粒花岗岩；为花岗斑岩脉；为岩层产状；为正断层；为整合后矿区范围；为研究区边界；为水文地质图范围图 研究区所属区域地质图 均匀，溶洞多为充填或半充填，充填物为灰岩碎渣、砂粒及黏土，溶洞的总体规模及频率随深度的增加逐渐减弱。地表岩溶地貌以溶沟溶槽为主，未见岩溶洼地、落水洞、大型岩溶泉等岩溶地质现象。.水文地质条件根据区域地层岩性，区域地下水类型可分为松散岩类孔隙水、层状块状岩类裂隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水 种（图 和图），其中松散岩类孔隙水赋存在第四系残坡积、冲洪积层中；层状岩类裂隙水含水岩组为石炭系忠信组砂岩和泥盆系老虎头组石英砂岩；碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水岩组为二叠系栖霞组、石炭系船山组和黄龙组灰岩和白云岩。根据区域岩溶发育特征，可以将标高.以上的岩溶水划分为溶洞裂隙水，标高 .以下的岩溶水划分为溶隙裂隙水。二叠系孤峰组砂页岩、侏罗纪细粒花岗岩含水性较差，为区域相对隔水层。根据区域地层空间分布，垂直方向上的不同地下水类型不存在连续隔水层，水力联系密切，区域地下水位监测及抽水试验结果也表明不同含水层地下水流连续，具有统一的流场，属于同一个地下水流系统。区域地下水以大气降雨为主要补给来源，径流方向沿沟谷由北向南，以河流为主要排泄项。地下水渗流数值模拟.水文地质概念模型研究区岩溶发育程度较低，孔隙水、岩溶水、裂隙水水力联系密切，地下水渗流连续，因此将研究区含水层均概化为等效连续多孔介质。根据区域水文地质条件，以矿区所在地下水流系统为对象，矿区东侧存在地表分水岭，作为流域的边界，可作为系统东侧零通量边界；二叠系下统孤峰组灰岩层不透水，为隔水层，可作为系统南侧的隔水层边界；西侧以走向北北东的断裂发 及二叠系下统孤峰，（）刘豪，等：凹陷式开采石灰岩矿区地下水渗流数值模拟投稿网址：图 研究区水文地质图 图 研究区水文地质剖面图 组灰岩、侏罗纪细粒花岗岩层作为零通量边界，北侧以花岗斑岩脉和断裂 作为零通量边界（图）。研究区含水介质自上而下分为 层，分别为第四系孔隙含水层，砂岩裂隙水和溶洞裂隙水含水层（以上），砂岩裂隙水和溶蚀裂隙水含水层，其中孔隙含水层高程大于 区域划分为残积层，小于 区域划分为洪积层。大气降水通过第四系下渗补给是系统的主要补给源，初期矿坑开挖时地下水以河流汇出为主要排泄项，后期以开采造成的矿坑地下水涌水为主要排泄项。.地下水渗流数学模型通过对水文地质概念模型的分析，以地下水位定水头表达矿坑开采定降深条件，依据渗流连续性方程和达西定律，建立评价区地下水系统水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型为()()()（）（，），（，）（）科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：（，），（，）（）（，），（，）（）（）式中：为地下水渗流区域，；为初始地下水位，；为河流水位，；为指定水位，；为第一类边界；为第二类边界；为单位储水系数，；、分别为、主方向的渗透系数，；为源汇项，包括蒸发、降雨入渗补给，井的抽水量，；（，）为在边界不同位置上不同时间的流量，；为水力梯度在边界法线上的分量。.地下水渗流数值模型通过对水文地质概念模型的分析，依据渗流连续性方程和达西定律，建立水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型。是基于有限单元法建立地下水渗流数值模型的常用软件，能够灵活地概化处理复杂的地质边界条件，对复杂的非稳定地下水流场演变规律和溶质迁移进行模拟。采用地下水数值模拟软件 为平台，构建矿区三维模型，模拟开采条件下的地下水流场并预测矿坑涌水量。.模型概化与网格剖分数值模拟研究区面积为.，根据钻孔揭露地层厚度分为三层，应用 算法将模型离散成三角形网格；同时，对模型内部排泄边界范围进行加密处理，最终得到研究区三维剖分结果，其中结点数 个，有限单元数 个，三维数值模型长、宽、高分别为 .、.、，如图 所示。图 研究区三维地质模型结构图 .水文地质参数及源汇项地表河流设为定水头排泄边界，大气降雨从第四系地层按照残积层和洪积层分区下渗补给，分区如图 所示。因大气降雨主要以蒸发的形式流失，渗入第四系的量不超过一半，且冲洪积层的入渗系数一般大于残积层，洪积层和残积层降雨入渗系数分别为.和.。入渗量根据当地月降雨量计算（图），地下水流系统侧边界均为零通量边界。根据各地层岩性对渗透系数概化分区，含水层各个方向上的渗透系数取值关系为：.，水文地质参数的选取主要依据矿区抽水实验、经验值确定，具体水文地质参数取值如表 所示。.模型验证为验证模型的可靠度，将模拟水位值与项目建设区工程勘探孔及本次现状调查实测水位值进行对比分析，实测水位和模拟水位的绝对误差最大为.，最 小 达 到.，平 均 绝 对 误 差 仅 为.左右，相关系数为.，模拟水位值相对准确。模型按照稳定流模拟的数值结果开始，非稳定流校验，得到疏干排水前自然条件下流场水位等值面如图 所示。图 第四系覆盖层分区 图 降雨量及渗入量 ，（）刘豪，等：凹陷式开采石灰岩矿区地下水渗流数值模拟投稿网址：表 研究区含水层及