李有光 蓝俊康 陆海建

摘 要：野猪江矿区位于地形陡坡的半山腰之上，各平硐等均布置在当地侵蚀基准面以上，矿体充水水源主要为基岩裂隙水（断层蓄水、风化裂隙水、构造裂隙水），其含水介质为泥盆系的砂岩、寒武系的砂岩与泥岩互层，主要充水含水层的富水性为弱——中。为了预测矿坑涌水量对未来采矿活动的危害，利用抽水试验、注水试验等方法来确定矿区含水层的渗透系数，然后采用耦合了达西流和非达西流于一体的GMS软件进行地下水流场三维数值模拟，运用MODFLOW中的排水沟渠子程序包及河流子程序包来模拟冲沟，通过挖空单元体来模拟窿道的现状分布和未来开采后逐年空间变化特征，根据计算结果预测各矿坑在未来开采期间的涌水量。通过建立模型结果表明：各平窿口预测的正常涌水量与目前的实际观测值较接近。根据涌水量的预测认为，未来各主矿坑的涌水量均不大，对开采活动不会构成明显影响。且本矿区各窿道均按内高外低方式开挖，矿坑水可自然排泄，也无须特殊排水措施。

关键词：矿坑涌水量；预测；数值模拟

目前，矿井矿坑涌水量的预测方法常见的有确定性分析法和不确定性分析法两大类[1-5]。其中，确定性分析可分为水均衡法、数值法和解析法等，在我国矿坑涌水量预测普遍采用1973年引进的数值分析法。随着计算机普及，三维的数值模拟得到广泛应用，水文和地质界的专家学者建立了对地下水三维模拟及其优化模型进行了深入研究和探索，获得一些适用预测矿坑涌水量的模型[6]。当前国际主流应用专业软件是FEFLOW[7]、Visual MODFOLW[8-9]和GMS[10-15]。其被广泛应用的是GMS软件，该软件界面可操作性强，具有优良可视效果和强大前处理、后处理功能，得到人们一致认可。

在矿山矿坑涌水量预测方面，数值模拟也做出巨大贡献，我国应用数值模拟比较典型的学者是，朱学愚等人在1983年使用数值模拟来预测湖南斗笠山煤矿裂隙岩溶水的矿井涌水量[16]；成建梅、陈崇希等人（2008年）根据折算渗透系数的概念并建立耦合达西流和非达西流于一体的岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水模型，并利用该模型对广西环江北山矿区岩溶含水系统进行模拟[17]；2011年，宋业杰应用GMS软件预测陕北地区某矿采煤工作面的涌水量变化规律[13]。

野猪江铅锌矿位于广西桂林市灵川县大境乡，属于私营独资企业，已有多年的开采历史，现因采矿证到期，为申请办理延续采矿证服务年限和扩大生产规模，需进行矿山水文地质详查，目的是查明研究区矿区的水文地质条件[18]，预测在正常条件和暴雨条件矿坑涌水对未来采矿活动的威胁。

1. 研究区的环境地质特征

1.1 气象水文

研究区属亚热带向中亚热带过渡带，受季风环流影响明显。年平均气温18.7℃，极端最低气温为-4.9℃，极端最高气温为38.5℃；年平均无霜期318天，据离矿区最近的潮田水文站记载，最大年降水量2271.8mm（2002年），多年平均雨量1980mm，年降雨量多集中在4～8月份，年均降雨天数70天～199天（图1）。

研究区位于珠江水系中的西河（即恭城河左岸支流）河段上游。区内的地表水系有野猪溪、畔江溪等2条小溪，它们在山脚下（黄坭江村西）汇合，汇流后的河水继续向南蜿蜒，流至恭城县的西岭河（又称西河或恭城河），最终经茶江流至广东的珠江。

据研究调查期间测定，2014年1～12月野猪溪流量为0.20m3/s～0.48m3/s，畔江溪流量为0.23m3/s～0.53m3/s。

1.2 地形地貌

研究区内属于中低山剥蚀地貌，地形切割强烈，“V”字形沟谷发育，山脚下黄坭江村的地面高程为400.0m～500.0m，而研究区区内最高峰的山顶标高为1319.5m，切割深度达到700余米，矿区及周边原始生态林木长势良好，植被茂密。

研究区的地势大致呈西高东低的峡谷状地形，山坡陡峻，各山顶标高为700m～1100m，山下为峡谷，峡谷内有地下水逸出形成的溪水（南面为野猪溪，北面为畔江溪），两条溪流常年流水不断，但流不大，且枯丰期流量变化不大，洪水期的流量与枯水期流量仅相差1～1.5倍而已。两条溪流在调查区的东部——山脚（标高约550）处汇流。

1.3 地层岩性

研究区及附近出露主要地层有寒武系边溪组（∈b）的第三段和第四段，泥盆系的郁江组（D2y）、那高岭组（D1n）、莲花山组（D1l），第四系残坡积层（Q）。其中莲花山组（D1l）与边溪组（∈b）呈角度不整合接触。现由新至老简述如下：

1.3.1 寒武系边溪组（∈b）

根据岩性、岩相可分为四段，在研究区出露的为第三段、第四段。第三段（∈b3）：岩性为中厚层——块状不等粒长石岩屑、夹石英杂砂岩、岩屑石英杂砂岩、泥质粉砂岩、板岩、泥页岩，厚度约818m；第四段（∈b4）岩性为上部灰黑页岩、炭质页岩灰绿色石英杂砂岩，中部为灰绿色石英杂砂岩夹页岩，下部为深灰色含泥砾、长石石英砂岩、石英杂砂岩与黑色页岩、炭质泥岩互层，厚度约716m。

1.3.2 泥盆系

（a）中统郁江组（D2y）

主要分布于研究区的东北部，其上段为灰色薄层泥岩夹泥灰岩，中段为灰绿色钙质泥岩与薄层至中层泥灰岩互层，下段为灰色细砂岩夹薄层砂屑泥岩。

（b）下统那高岭组（D1n）

主要分布于研究区东北部，岩性由细砂岩、粉砂岩夹页岩、粉砂质页岩组成。

（c）下统莲花山组（D1l）

主要分布于研究区中部和东北部，底部为砾岩，呈角度不整合覆盖于寒武系之上。底砾岩之上以紫红色浅灰色细砂岩为主，其次为细中粒砂岩、粉砂岩，中—厚层状，厚度466m～660m。

1.3.3 第四系残坡积层（Qel+dl）

广泛分布于研究区的山体表面，为基岩风化后形成的残坡积含角砾粉质粘土、粘土，厚度1.0m～6.0m，土质疏松。该层内角砾呈强-中等风化，粒径一般为5cm～20cm，含量30%～45%；该层还含有15%的细粗砂，局部夹有粒径4～30cm不等的碎石、块石，其余为可塑状粘土、粉质黏土。

1.4 地质构造

大境野猪江铅锌矿区地处老厂穹窿北端近于倾没部位及基底构造泥加湾复式背斜北东翼。基底层总倾向为北东30°～80°，倾角为25°～80°，盖层总倾向为南东110°～170°，倾角为9°～40°，基本成单斜构造，仅局部出现与区域构造方向一致的次级线状褶皱及扭曲。

本区次级断裂破碎带共发育北东、近东西、北西3组，含矿断裂破碎带共发育2条，走向北东、北东东，倾角较陡58°～80°，一条倾向北西，一条倾向南东，断裂带中一般可见舒缓波状平滑面、构造透镜体及棱角分明无定向排列的构造角砾，角砾被重晶石及石英充填胶结。构造透镜体是矿化有利部位，在其裂隙及旁侧，以及构造透镜体与构造透镜体连接段，常有富矿体赋存或单纯重晶石脉形成（脉带上段），反映出这种成矿断裂活动具有明显的压扭—张—压扭的活动特征。

1.5 水文地质条件

本研究区跨越了2个水文地质单元：北面的“畔江河水文地质单元”北以畔江溪为界（第1类边界），南以通过1279.0、1283.2、1156.4山顶的分水岭为界（第2类边界）；南面的“野猪江水文地质单元”北以通过1279.0、1283.2、1156.4山顶的分水岭为界（第2类边界），南以野猪溪为界（第1类边界）。2个水文地质单元之间为山脊，构成共同隔水的边界。2个单元的总面积合计为11.6km2。

研究区内的地下水的补给来源为大气降雨，地下水主要储存于基岩裂隙中，并沿构造裂隙、风化裂隙或层间裂隙排入沟谷，再由沟谷汇入溪流内。北面的“畔江河水文地质单元”中地下水的总体流向由南向北，由西向东，流入畔江溪内；南面的“野猪江水文地质单元”地下水总体流向由北向南，由西向东，向野猪溪排泄，地下水径流方向与地表水基本一致。

2. 矿区涌水特征和开采设计方案

2.1 各矿坑涌（突）水特征

研究区采矿生产因为停产时间很久，现除了PD1、PD2及PD4、PD5洞口还保留之外，其余窿口已被废渣填埋，现能观察到窿口仅有4个，其中1个洞口干枯（PD5），其余3个有矿坑水外排。根据为期1年的观测，各硐口涌水量均随季节变化，一般为0.3L/s～2.0L/s。其中，PD1（1023m）窿口出水量为0.43L/s～1.45L/s，PD2（1045m）窿口出水量为0.588L/s～1.74L/s，PD4（1068m）窿口出水量为0.51L/s～0.71L/s。

根据3个钻孔的水温及窿口水温的监测结果，地下水水温的变化范围为15.0℃～16.0℃，十分稳定。

2.2 开采设计方案

广西灵川县大境野猪江铅锌矿2008年委托某研究院于进行开采设计。设计书认为该矿体埋藏较深，矿体平均厚度为1.72m；根据矿区的地形及矿体赋存条件和以往矿山开采现状，确定最佳的开采方式为地下开采，年采选铅锌矿石3万t/a。还确定Ⅰ、Ⅱ号矿体均采用平硐开拓运输方案，开采顺序为：依次开采Ⅰ、Ⅱ号矿体。

Ⅰ号矿体，该矿体已被开采的有3个平硐，其中：①1号平硐标高+1090m，巷道长189m，其中穿脉长度75m，沿脉长度114m，巷道宽2m，高1.8m～2m。②2号平硐标高+1048m，巷道长233m，其中穿脉长度83m，沿脉长度150m，巷道宽2m，高1.8m～2m。③3号平硐标高+1023m，巷道长399m，其中穿脉长度229m，沿脉长度170m，巷道宽2m，高1.8m～2m。目前该窿口已被2号平硐废渣填埋。Ⅱ号矿体已被开采的有以下4个平硐：①4号平硐标高+1068m，巷道长85m，其中穿脉长度25m，沿脉长度60m，巷道宽2m，高1.8m～2m。②5号平硐标高+1051m，巷道长145m，其中穿脉长度40m，沿脉长度105m，巷道宽2m，高1.8m～2m。本次研究发现，该窿道洞口干燥无水涌出。③6号平硐标高+1035m，巷道长160m，其中穿脉长度58m，沿脉长度102m，巷道宽2m，高1.8m～2m。目前该窿口已被废渣填埋。④7号平硐标高+1015m，巷道长137m，其中穿脉长度67m，沿脉长度70m，巷道宽2m，高1.8m～2m。目前窿口已被废渣填埋（图2）。同一矿体由上而下分中段开采，在同一中段采用后退式回采，即先采端部矿块，向平硐口方向后退式回采，先采正规采场，后回收矿柱、残矿。认为该矿山需进行安全整改后才能满足现设计生产规模的要求，故设计确定矿山的生产服务年限为5年。

3. 模拟与预测

3.1水文地质参数

（a）降雨入渗系数：根据水文地质普查资料，该地块的降雨入渗系数约为0.24。参此，各地层的入渗系数初值和最后反演得到的终值如表1和表2。

（b）含水层的渗透系数：为了简化计算，把含水介质当成各向同性看待，并按地层岩性和裂隙发育程度的差异，把渗透系数划分为2个区，各区的初值参考钻孔注水试验、水位恢复试验、压水试验数据（见表3）。初值与最后通过反演计算的值如表2。

（c）给水度：根据钻孔岩芯的裂隙张开程度，赋予初值0.006，最后经过反演求得给水度μ=0.007。

3.2矿坑涌水量数值模拟计算

3.2.1水文地质概念模型

区域内地下水受气候、地形等自然地理条件以及地层、构造等因素控制，补给来源以大气降水和地表水体为主，径流途径较短，且以泉水、冲沟等形式排泄。因本矿区岩性发育相对较为均一，故将水文地质概念模型概化为均质各向同性的三维非稳定流，其数学模型可用以下公式表示[19]：

3.2.2 边界条件

平面边界：本矿区跨越了2个水文地质单元：北面的“畔江河水文地质单元”北以畔江溪为界（第1类边界），南以通过1279.0、1283.2、1156.4山顶的分水岭为界（第2类边界）；南面的“野猪江水文地质单元”北以通过1279.0、1283.2、1156.4山顶的分水岭为界（第2类边界），南以野猪溪为界（第1类边界）。2个水文地质单元之间为山脊，构成共同隔水的边界。

竖向边界：顶部以潜水面为界，底板则以裂隙不发育的岩石为底板。由于钻探孔最深26m，还未揭穿裂隙发育带，根据坑道水文地质调查，自坑道口向内深入110m后，洞壁就变得干燥，由此推测风化带的深度约为100m左右，故含水层的底板设定在取地面下100m～110m深度处。

内边界：分别按坑道现状分布情况及未来3年坑道的分布情况，用挖空单元体的方法模拟坑道的分布，再把各坑道所处的位置作为定水头边界。

3.2.3 冲沟的处理方法

由于地形切割较深，野猪溪和畔江溪的上游有很多大冲沟，地下水除了向河流排泄外，也向这些大冲沟排泄。为了模拟冲沟对地下水流场的影响，数值时采取GMS沟渠包来计算这些管道水流，并在管道节点处设置每节点的底板高度。管段的水流用等效水力传导系数来描述[20]。

等效水力传导系数的含义如下：当地下水呈非达西流时，地下水流速如仍按达西公式描述则为：

当管道中的水流呈紊流态时，

3.2.4 单元剖分

平面上的剖分：模拟区是边界形状一个很不规则的区域，考虑到网格密度对求解精度，对研究区的网格剖分如下：平面上共为100行，100列。

垂向上的剖分：按含水层的厚度100m剖分为10层，每层厚度10m；地面高程以2DScatter point的形式输入到模型中，然后运用IDW插值法进行赋值。

3.3 模拟结果与预测

3.3.1 模拟识别与验证

将2014年1月至12月计算的坑道口流水量与同期观测的流量值进行比较.图3显示的是2014年7月至10月的拟合情况，此图显示拟合程度较为理想。

3.3.2 窿道涌水量预测

（a）矿坑正常涌水量预测

按开采设计方案，本矿山可开采年限为4.16年，且未来开采的窿道标高较低些，分别为野猪江Ⅰ号矿体的PD8（1000m）、PD9（1117m）和开采畔江河Ⅱ号矿体的PD10（990m）。

在新窿道开挖后，其上方的各老窿道均因水位大幅度降低而位居包气带之中，鉴于目前无法利用数值法对包气带的非饱和水进行模拟，其次由于它们的流量不大，对采矿活动影响很小，没有必要作预测。故本文仅对3个新窿道的涌水量进行数值模拟预测。

由于新矿坑位置比老矿坑的低，在新窿道逐渐采挖后，老窿道的涌水量将大幅下降。由表4的结果表明利用GMS数值模拟来预测的矿坑涌水量，根据数值模拟的结果表明预测矿坑涌水量与实际测定的矿坑涌水量值偏差不大，为未来采矿活动提供依据。

（b）矿坑最大涌水量预测

潮田水文站有记录以来的最大24小时降雨量为288.7mm，该值也是百年一遇的特大暴雨。利用该降雨资料进行模拟计算（降雨入渗系数取0.11～0.12），结果为如表4所示。

根据研究矿区所在区域多年的最大24h暴雨量进行模拟计算，结果为PD1、PD2、PD8、PD9、PD10六个坑道的最大涌水量值分别为77.76m3/d、86.40m3/d、95.04m3/d、413.38m3/d、395.71m3/d、428.54m3/d。

4. 结论

（1）在对矿区的冲沟在进行数值模拟时既不能定为第一类（已知）水头边界，但不能忽略它们对地下水有很强的补排作用，进行数值模拟时应该考虑它们对地下水流场的影响。本文实例模拟表明，在现有的科学技术水平下，采用GMS软件中MODFLOW的子程序包—排水沟渠包来模拟冲沟能较好地模拟达西流（裂隙流）与非达西流（冲沟水流）并存、线性流与非线性流它们之间相互转变的运动特点。

（2）采用挖空单元体的方法来模拟坑道的分布，并把各坑道底板标高作为内部定水头边界来模拟矿坑涌水量是一种可行的方法。

（3）由预测结果可知，野猪江各矿坑道涌水量都不大，正常涌水量仅为17.3m3/d～199m3/d，最大涌水量为77.76m3/d～428.54m3/d，这个流量对未来的采矿基本上无影响。本矿区各窿道均按内高外低方式开挖，矿坑排水可自然排泄，无须特殊排水措施。

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