西南某铅锌矿区三维流数值模拟研究

赵斌 刘大金 赵珍 张宇 张晶

摘 要：西南某铅锌矿为复杂型大水矿山，随着矿山开采深度的不断加大，防治水问题越来越凸出，亟须进一步查明矿区+350中段以下的深部水文地质条件，预测深部各水平的涌水量，为矿山竖井开拓和建设提供技术支撑。本研究合理构建了该铅锌矿山水文地质概念模型，分析矿区深部水文地质条件，研究矿床深部的充水因素等，利用有限元差分法构建矿区较为合理的数值模型，采用较为领先的地下水数值模拟软件，预测了矿山深部+520 m、+260 m等中段的涌水量，预测结果合理，可有效指导矿山生产。

关键词：水文地质条件;矿坑涌水量;数值模拟;矿山生产

中图分类号：TD853.34     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）9-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.014

Numerical Simulation of Three-Dimensional Flow in a Lead-Zinc

Mining Area in Southwest China

ZHAO Bin    LIU Dajin    ZHAO Zhen    ZHANG Yu    ZHANG Jing

（North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：A lead-zinc mine in Southwest China is a complex large water mine. With the continuous increase of mine development depth， the problem of water prevention and control is becoming more and more prominent. It is urgent to further find out the deep hydrogeological conditions below the+350 middle section of the mining area， predict the water inflow at all levels in the deep， and provide technical support for the development and construction of mine shaft. This study reasonably constructs the hydrogeological conceptual model of the lead-zinc mine， analyzes the deep hydrogeological conditions of the mining area， studies the water filling factors in the deep of the deposit， constructs a more reasonable numerical model of the mining area by using the finite element difference method， and uses the leading groundwater numerical simulation software to predict the water inflow in the middle sections of+550 m and+260 m min the deep of the mine. The prediction results are reasonable， It can effectively guide mine production.

Keywords： hydrogeological conditions; pit water inflow; numerical simulation; mine production

0 引言

某鉛锌矿为我国西南地区较为典型的岩溶充水型“大水矿山”，矿区面积近9 km2，开采历史悠久，以往开采多集中在当地最低侵蚀基准面上，随着开采规模的不断扩大，当前开采已深入最低侵蚀基准面之下，并且多年涌水量持续稳定在30 000 m³/d以上，随着开拓系统向深部不断延伸，涌水量有明显增大的趋势，围岩承受的地下水压力也在逐渐增大，给矿山深部安全开采带来了较为明显的防治水压力，排水费用也逐年增大，已成为矿山开发一项沉重负担，亟须查明矿床深部水文地质条件[1]。本研究建立了该矿区三维立体的地下水概念模型和渗流数值模型，采取Felow软件分别预测了+260 m、

+520 m等水平的涌水量，分析了深部水文地质条件可能的演变情况，并提出相关建议。

1 矿区地质概况

1.1 地质

矿体赋存于区域性背斜核部，整体上为一套碳酸盐岩建造（见图1），该背斜核部地层为泥盆系上统宰格组（D3zg）白云岩，向两翼依次为石炭系丰宁统（C1f）、威宁统（C2w）、二叠系下统（P1l）煤系地层，外围覆盖着二叠系栖霞茅口组石灰岩，此外，区内还存在有二叠系峨眉山玄武岩及少量第四系（Q）松散层。

1.2 构造

矿区处在区域性南北向、东西向构造复合部位，矿区的主要构造格架由小江断裂左行走滑作用形成的矿区倒转背斜和压扭性断裂构成。受倒转背斜和压扭性断裂等构造的影响，区内还分布着NE-SW和NW-SE向的次级构造。此外，矿区主地应力方向为北西-南东向，受地应力影响，在背斜西翼深部还发育着层间挤压滑动剥离构造带和层间隐伏断裂。

1.3 水文地质条件

该矿区位于长江上游的滇东北地区，地形切割十分强烈，多高山峡谷，峡谷中发育有河流，河水悬于矿床之上，碳酸盐岩（石灰岩、白云岩）覆盖广泛。整个岩溶地下水系统受控于区域性大背斜和大断裂，中小型断裂构造发育且空间分布不均，导致各含水层透水性、富水性、不均一性极强，此外，矿区地下水与地表水之间存在一定的水力联系[2]。

以往勘察资料显示，矿区地层在垂向上存在着较为明显的水文地质特征差异，本研究以背斜核部轴部为阻水带，将矿区地下水系统分为了两部分（见图1）。其中，上部子系统包括碳酸盐类岩溶裂隙水、风化裂隙水、第四系孔隙水以及构造裂隙水等多个含水层（带），富水性中等;其下部“阻水带”厚度80～120 m，以柱状、长柱状的泥晶质炭质白云岩为主，钻至该层后，出现承压水涌喷现象，流量为0.4～0.9 m3/h，渗透系数为0.002～0.005 m/d，为深部相对隔水层，穿过该层后，岩性变为粗晶白云岩，涌水量明显增加，达50～108 m³/h，显示下部子系统富水性、透水性均较强。

2 地下水三维流数值模拟

2.1 水文地质概念模型

为了准确预测矿坑涌水量，本研究围绕矿区，准确划分了区内水文地质单元，矿区南部、东部以地表分水岭为界，设为零通量边界，矿区北部、西部至峨嵋山组玄武岩，设为隔水边界，模拟面积67.28 km2。根据区域水文地质条件、动态观测数据、抽（放）水试验数据，建立了包含矿区的完整的水文地质单元数值模型，该模型中地下水概化为各向异性的空间三维非稳定流。

在垂直方向上，将矿区概化成由断层及其影响带导通的多个岩溶裂隙水含水层和碎屑岩构造裂隙含水带相间分布的，浅部和深部两个含水层子系统组成的统一地下水系统。矿区的主要充水水源为北部二迭系栖霞茅口强含水层，浅部以北部和南部地下水侧向补给为主，河水垂向入渗补给。深部以北部茅口强含水层侧向补给为主，并于670 m水平部分区域向上越流补给浅部含水层[3]。

2.2 数值模型

根据上述矿区水文地质条件的分析和概化，采用数值模拟软件，建立了该铅锌矿区的數学模型和数值模型，有限元法网格剖分如图2所示。

矿区内地下水补给项包括其他含水层的侧向补给、降水补给、地表水渗漏，排泄项包括生产用水、矿坑排水等。模型参数赋值过程中考虑到了矿区地层岩性的特点及构造分布。依据区内含（隔）水层的地层岩性、构造的空间展布，将模拟区进行参数的初步分区。以1985年10月的区域地下水流场作为初始流场，用于模型识别，研究区的初始等水位线采用本次研究期间矿区各地下水位动态观测孔的观测资料[4]。

2.3 模型识别

本研究开展了矿区群孔抽（放）水试验、单（多）孔抽水试验、单孔注水试验、单孔放水试验等多种水文地质试验，利用试验数据，在模型识别的基础上，加上群孔抽水试验期间的排水量，让模型运行43个时间段，时间步长选取为取为1 d，拟合了SBZK670-114-1、DZK670-92-280等各个水文地质观测孔的水位变化，调整参数后，确定该模型的参数序列（见图3、图4）。

本次群孔抽（放）水试验期间的钻孔水位动态变化曲线与模型的计算水位动态变化曲线拟合效果较好，说明该数值模型建立的较为理想，能够较好地反映矿区不同深度地下水的渗流运动特征，可以将该数值模型用在未来深部不同水平的涌水量预测。

2.4 矿坑涌水量的预测

矿山开拓系统未来计划向深部延伸，根据开采设计，利用本次建立的数值模型对该矿区+520 m、

+260 m两开采中段的丰水年、平水年、枯水年的涌水量进行预测。

以群孔抽（放）水试验结束后稳定的地下水流场为模型预测的初始流场进行模拟，按月将侧向补给、降水补给、地表水流量等各源汇项依次赋值到模型中，参数及分区与初始一致。依据当地气象站数据，降雨量分别设置为枯水年（500 mm）、平水年（750 mm）和丰水年（1 000 mm）。

参照矿区疏干水文地质钻孔的布置，合理分配各钻孔疏干水量，确定总疏干量，并将疏干水文地质钻孔按第二类边界处理，计算出合理的疏干时间，当水位降至计算+520 m、+260 m水平后，把疏干水文地质钻孔作为第一类边界进行处理，并进行定水头阶段的疏干模拟，达到相对稳定状态后所得的涌水量即为稳定的矿坑涌水量。

根据本次研究制定的涌水量预测方案运行模型，计算所得的疏干流量及涌水量结果见表1，图5、图6为+520 m水平、+260 m水平开采预测流场图。

3 结语

本研究通过分析西南某铅锌矿区的深部含（隔）水层空间分布和矿区地下水含水系统、流动系统特点，合理构建了矿区的水文地质概念模型，在此基础上准确建立了地下水数值模型，结合矿山开采方案，采用国际先进的Feflow软件，预测矿山开采至+520 m、+260 m水平时的涌水量。预测结果显示平水年时，矿山开采至+520 m水平时，总矿坑涌水量为43 865 m3/d;矿山开采至+260 m水平时，总矿坑涌水量达到48 545 m3/d。模型拟合较好，预测结果较为合理，能够指导矿山未来开采排水设计。

矿山深部开采将揭露深部含水子系统中的高承压水，含水层透水性及富水性整体不强，深部开采矿坑涌水量不大，特别是深部含水子系统被揭露时，浅部含水子系统矿坑涌水量将减小，矿坑总涌水量增加幅度不大，理论上采用疏水降压方案是可行的。

参考文献：

[1] 李保珠.会泽铅锌矿区水文地质条件及麒麟厂深部矿坑涌水量预测[D].昆明：昆明理工大学，2001.

[2] 毛邦燕.复杂岩溶介质矿井涌水量的三维数值模拟研究[D].成都：成都理工大学，2005.

[3] 魏军.矿井涌水量的数值模拟研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2007.

[4] 李颖智，折书群，许广明，等.安徽李楼铁矿矿床充水因素及地下水三维流数值模拟研究[J].工程勘察，2010（9）：49-54.