露天大水矿床开采渗流场及帷幕防治水模拟研究

赵 雷 侯克鹏 者亚雷 何全松 何 平

（1.云南磷化集团有限公司尖山磷矿分公司；2.昆明理工大学国土资源工程学院）

露天开采虽然矿体埋藏较浅，但由于水文地质条件复杂，开采范围处于含水层异常发育区域，矿坑日涌水量可达上万立方，导致露天开采深受水患的影响。边坡稳定性、地下水资源遭到破坏，治水成本高，治水与采矿活动难以和谐处理等问题时常困扰着露天大水矿床的开采。矿区渗流场的准确分析和涌水量预测是治水方案制定的前提以及治水效果好坏的保障［1-3］。

我国对露天大水矿床的相关研究起步较早，自1950 年以来，国内便开始了大水矿床的开采及研究工作，在研究初期，由于技术条件的限制，研究方法较为单一，主要是基于矿山地质资料，推算矿区的涌水量。林岚等［4］在建立水文地质概念模型的基础上，分别计算了疏干和不疏干情况下研究区的水量和水位，进而分析疏干排水对区域水资源的影响；李响［5］利用矿区长年排水观测资料，采用比拟法对矿坑地下水涌入量进行了预测，提出了矿坑疏干排水应立足于坑排及井排的方式。王卫卫［6］通过计算矿床疏干水量、采坑排水量和地面防水量，提出了适应于该区露天矿防治水工程的详细方案，并进行了工程量测算。随着科学技术的进步，统计分析、数值模拟等手段在露天大水矿床的研究中越来越广［7-9］。熊鹏等［10］利用Visual Modflows 数值模拟软件对刚果（金）迪兹瓦露天矿地下水流场分布进行了模拟，分别预测了矿区开采第3年、第6年、第10年的平均涌水量，同时对不同季节的涌水量也进行了研究；赵研等［11］采用GMS 数值模拟软件对抚顺西矿地下水涌水量进行了预测，同时提出了排水井布置方案；李孝朋等［12］基于回归分析原理，研究了采区面积、采厚等因素对矿井涌水量的影响，得到了矿井涌水量的非线性预测公式。

上述研究表明，数值模拟方法已经成为露天大水矿床涌水量预测与分析的有效手段，能够为各类露天大水矿山涌水量预测提供参考。因此，本文结合矿区地质和水文地质条件，应用目前国际上最受欢迎的地下水模拟软件GMS，对矿区地下水进行模拟对矿坑涌水量预测，同时研究帷幕不同布置方式条件下的防治水效果。

1 矿床开采条件概况

尖山磷矿矿区岩体为湖相沉积岩，层状构造，工程岩体相对稳定，开采过程中东采区采场逐渐形成一陡倾向外的顺层岩坡，近东西向倾向北，产状351°∠46°，随山形向东、西两侧逐渐降低。自1 910 m 以下，矿体倾角变缓（8°～12°）。据已有水文地质资料，尖山磷矿地下水位标高1 910 m，现已经开采至地下水位下，涌水量较大，坑内已形成多个积水塘，由于采场内水不能外排，矿山在生产过程中，为了采矿作业正常生产，将水在矿区内各水塘间进行内部循环，最大积水塘水量约137 万m³。随着开采深度的延伸，矿坑涌水量会逐步增大，对采矿影响较大。因此，为解决该矿水患问题，保证采矿生产的正常运行，有必要开展矿区开采渗流场分析及防治水方案的研究工作。

2 渗流场模型的建立及分析

由于矿山西部矿界和南部矿界为过水流量边界，需为后继矿区数值模拟提供该2条边界的流量依据，故遵循“区域—矿区”的思路，先进行区域渗流场的模拟。

2.1 区域渗流场模拟

本次模拟范围北侧、西侧、南侧至区域地下水分水岭，东侧至滇池湖岸，东北侧至螳螂川上游海口河，模拟区面积100 km2。

边界条件的概化处理对于数值模型的建立和计算具有至关重要的作用，合理的边界条件概化能够减小模型的复杂程度，提高计算精度。通常情况下，地下水位受周边环境变化影响较大，一旦周边环境发生较大变化，地下水的流量和其他参数均会发生较大变化。因此，为了准确地预测地下水的流量，研究外部条件变化对地下水位的影响，需要根据实际地质条件，对边界条件进行合理概化。

对于渗流场边界条件的处理，通常进行如下3类概化处理：第一类，当模拟区域的边界两侧水量互不交换，边界条件可为定水头边界；第二类，当模拟区域范围内的地下水流量以一定规则变化时，边界条件为定流量边界，如果地下水水位等值线垂直于边界上，边界左、右不发生水量交换，边界为零流量边界；第三类，模拟区域边界地带的水头和水流量之间满足线性联系，此时边界条件称为混合边界。

根据矿区以往区域水文地质工作，结合本次水文地质勘探成果，将模型北侧、西侧、南侧边界概化零流量边界；东侧概化定水头边界，水头取滇池水位1 886 m；东北侧海口河概化为定水头边界，水头取河床底部标高（1 883～1 886 m）。

根据模拟区内地质、水文地质条件，结合地层岩性组合和地下水赋存条件，将模拟区内含水层结构概化4层，分别为矿层顶板含水层组、赋矿层含水层、矿层底板寒武系下统梅树村组第一段（∊1m1）岩溶裂隙水含水层和矿层间接底板震旦系上统灯影组（Zbdn）岩溶裂隙水含水层。因赋矿层与矿层顶板含水层组之间有寒武系下统筇竹寺组（∊1q）及梅树村组第三段（∊1m3）相对隔水层，其岩性以页岩、泥岩为主，2 个含水层组之间水力联系较弱。寒武系梅树村组第一段和震旦系灯影组，岩性主要为白云岩，岩性相近，其间无较稳定的隔水层，两者之间水力联系较为紧密。

模拟区潜水、承压水含水层主要接受大气降水补给，主要排泄方式为蒸发排泄、人工排泄和由模型东部、东北部边界（滇池、海口河）的侧向径流排泄。其中，人工排泄量为目前矿山露采采矿的排水量。

综上所述，从空间上看，模拟区地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律。在常温常压下地下水运动符合达西定律。考虑2 个相邻含水层之间的水量交换以及软件的特点，地下水运动可以概化为空间三维流。地下水系统的垂向运动是由层间水头差异引起的，输入输出随时间、空间变化，故地下水为稳定流，且参数随空间变化，体现了系统的非均质性；在水平方向上，参数没明显的方向性，可视为各向同性。垂直方向与水平方向有一定差异。将模拟区地下水系统概念模型概化为非均质各向同性、空间三维结构、非稳定地下水流系统。

水文地质参数是表征含水层各项性能的指标。计算模型中需要输入的主要参数有渗透系数K、贮水系数或给水度。根据确定的水文地质单元内不同含水岩组的实际情况，验值、矿区各阶段地质、水文地质勘探研成果，确定不同含水层的参数分区，共分为6 个参数区，不同参数分区的水文地质参数初始值及分区位置关系分别如表1和图1所示。

本次模拟选取5个泉点作为校验点，校验点坐标及水位如表2所示，极差为0.5 m，置信度为95%。

通过拟合每个观测点，区域流场模拟结果见图2，校验后的分区水文地质参数值如表3所示。

通过模型识别，得出模拟区地下水水量均衡结果（表4）。可以看出，模拟区范围内补给资源总量101 662.10 m³/d；排泄资源总量101 476.2 m³/d，其中蒸发排泄量4 308.75 m³/d，采矿人工排泄总量42 042.49 m³/d，滇池及海口河侧向边界流出总量55 124.93 m³/d。根据计算，模拟区内地下水水量补排基本平衡，且人工排泄量接近与目前采坑实际情况，说明模型能够基本反映实际水文地质条件。

从模拟流场图2 可以看出，区域地下水的径流方向总体自西向东径流，最高水位在西部分水岭，约2 040 m，向本区域最低排泄面滇池及海口河排泄。在矿坑目前开采水平1 890 m 情况下，矿区范围内形成了一个最低水位为1 890 m的降落漏斗。其东北侧存在一最高水位约1 915 m 的次级分水岭，地下水向东、向北自然径流入最低排泄面，向南西汇流入采坑。

从地下水流场拟合结果和水均衡情况分析来看，所建立的模型符合实际水文地质条件，区域数值模型可为后继矿区水文地质模型提供依据。

2.2 矿区渗流场模拟

在GMS 中提供3 种方法用以建立MODFLOW 地下水数值模拟的模型，分别为直接建模法、概念模型法和实体模型法。本次模拟在区域上采用概念模型建模方法，对于矿区，由于已积累大量勘探钻孔的资料，采用实体模型法更为有效。先通过钻孔资料建立矿区的地质实体模型，再将实体模型转成水文地质模型，加上对应的边界条件，进行模拟和计算。

本次矿区模拟范围东部至滇池湖岸，北侧至海口河，西侧及南侧至矿山矿界，模拟区面积约11.02 km2。根据矿区地层资料，将矿区地层概化为矿层顶板岩层组、梅树村组第二段赋矿层、矿层底板寒武系下统梅树村组第一段和矿层间接底板震旦系上统灯影组等4个材料。

将矿区45 条地质、水文地质勘探线上182 个钻孔的点位、标高、地层分层厚度等输入模型，通过模型自动剖分剖面、人工核查修改，再经过剖面填充形成矿区的地质实体模型，如图3所示。

其模拟范围与矿区地质实体模型范围一致，2 处矿界为第二类边界（流量边界），据区域渗流模拟，西侧边界流量为15 000 m3/d，南侧流量为50 000 m3/d。地质模型中东侧滇池岸及北侧海口河仍以第一类定水头边界处理，滇池水位取1 886 m，海口河水头取河床底部标高（1 883～1 886 m）。

模拟范围内地下水的主要补给项为大气降水入渗、地下水的侧向补给量；主要排泄项有潜水蒸发、矿山露采采坑的人工排水等。西侧边界侧向补给量为15 000 m3/d，南侧边界侧向补给量为50 000 m3/d；人工排泄量亦用排水沟（drain）方式处理。

通过模型识别，得出模拟区地下水水量均衡结果（表5）。可以看出，模拟区范围内补给资源总量138 728.8 m³/d；排泄资源总量138 667.98 m³/d，其中蒸发排泄量2 137.50 m³/d，采矿人工排泄总量40 559.96 m³/d，滇池及海口河侧向边界流出总量95 970.52 m³/d。根据计算，模拟区内地下水水量补排基本平衡，且人工排泄量接近与区域渗流模拟结果，表明模型能够基本反映实际水文地质条件。

以开采至1 890 m水平地下水渗流场作为初始流场，仅考虑向下采矿的影响，调整所建矿区水文地质模型中排水沟（drain）底部至1 880 m，模型其他条件不变，可预测开采至1 880 m 水平地下水渗流场。依次类推，按1 个中段10 m，以上中段开采后的流场预测下中段的流场。预测开采至最深中段1 840 m时渗流场情况，计算结果见图4。

随着矿山开采向下部进行，人工疏排水会在采坑周围一定范围内形成地下水的降落漏斗。但开采至1 880 m流场和开采至1 890 m流场相差不大，从开采至1 870 m 以下中段地下水位下降明显，且初始北西侧地下水向矿坑渗流疏干较快，地下水位下降明显；开采至1 850 m 以下采坑东部地下水水位下降才较为显现。

开采至1 840 m 水平，滇池至采坑之间最高水位为1 890 m，形成一较宽的地下水平台，其仅比滇池正常水位（1 886 m）高4 m，比滇池控制高水位（1 887.5 m）高2.5 m，水位已比较接近。采坑至滇池距离约3 km，水力梯度仅为0.000 83～0.001 3。考虑到南侧矿界边界为一流量补给边界，若地下水上游因干旱等补给量减少，可能会造成滇池和采坑之间的水位会更低。因此，不排除有滇池水倒灌入矿坑的危险性。

通过模型计算各开采中段的矿坑涌水量见表6，随着开采深度的增加，涌水量逐渐增大，目前矿山采用抽排水方式进行积水治理，耗时费力尚且能够达到开采条件，显而易见后期采用单一的抽排水方式将不能满足治水要求，建议采用帷幕注浆的方式对采坑积水进行治理。

3 帷幕防治水模拟

以开采至1 890 m水平地下水渗流场作为初始流场，采用已校验好的矿区水文地质模型，其中增加障碍（barrier）模拟堵水帷幕，其障碍系数取0.001，模型其他参数与矿区水文地质模型参数保持一致。

3.1 L型帷幕

为了对比不同注浆帷幕长度下的涌水量和流场变化规律，考虑30、50、70 m 长帷幕3 种工况，添加长度为70 m 的帷幕后，地下水渗流场见图5，涌水量计算结果见表6。

由图5 可以看出，以L 型帷幕进行堵水治理时，地下水仍然以露天矿采坑底部为水位降落中心，水位整体呈漏斗状降低，模拟区域内渗流场形态均发生明显变化。不同帷幕长度下注浆后的矿坑涌水量减少效果见表7。

由表7 可见，设置30、50 和70 m 帷幕下治水防治百分比分别为62.32%、81.56%和83.25%，相较于长度较大的50、70 m 帷幕，30 m 帷幕注浆后治水效果相对较差，后两者防治百分比均较高，说明帷幕注浆可有效减小露天矿地下水涌水量，可为露天矿的正常生产提供重要保障。虽然长度为50、70 m 的L 型帷幕堵水效果较为明显，但是帷幕设置后随着上游地下水位抬升，东侧出现绕流现象，因此，在拟采区域东侧、北侧增加帷幕是降低绕流现象的有效手段。

3.2 圈闭型帷幕

为了对比不同帷幕类型的防治效果，仍考虑帷幕长度为30、50、70 m 3种工况，模拟与L 型帷幕参数相同的圈闭型帷幕的防治效果，添加长度为70 m 的圈闭型帷幕后，地下水渗流场如图6 所示，涌水量计算结果见表8。

对比初始流场，长度为30 m 的圈闭型帷幕对流场基本没改变。50、70 m 帷幕对流场改变明显，且两者流场差别不大。不同长度的圈闭型帷幕注浆后矿坑涌水量减少效果见表8。

由表8可知，圈闭型帷幕注浆后防治百分比均比L 型帷幕防治百分比要大，说明圈闭型帷幕防治效果更佳，尤其是50、70 m 帷幕堵水效果良好，同时，这2个工况下帷幕东侧及北侧水位抬升，增加了与滇池水位的高差，有利于防止滇池水回灌入矿坑。

4 结论

（1）区域渗流场模拟结果表明，区域地下水的径流方向总体自西向东径流，最高水位在西部分水岭，约2 040 m，向本区域最低排泄面滇池及海口河排泄。在矿坑目前开采水平1 890 m 情况下，矿区范围内形成了最低水位1 890 m的一个降落漏斗。其东北侧存在一最高水位约1 915 m的次级分水岭，地下水向东、向北自然径流入最低排泄面，向南西汇流入采坑。模拟区内地下水水量补排基本平衡，且人工排泄量接近与目前采坑实际情况，说明模型能够基本反映实际水文地质条件。

（2）随着矿体开采深度的增加，矿区涌水量逐渐增大，目前单一的抽排水方式将不能满足治水要求，采用帷幕注浆对水患进行治理具有明显效果；当帷幕长度为30 m 时，防治百分比达60%以上，具有较好的堵水帷幕效果。

（3）堵水帷幕的建立，能够使矿区东侧及北侧水位抬升，增加了与滇池水位的高差，有利于防止滇池水回灌入矿坑；圈闭型帷幕布置形式较L型半封闭式帷幕堵水效果更好好，帷幕长度选取为50 m，堵水率可达80%以上。