基于Visual Modflow的刚果(金)迪兹瓦露天矿地下涌水量预测

熊鹏， 谢永生， 韩冬， 高永涛， 周喻*

(1.北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083； 2.迪兹瓦矿业股份有限公司， 卢本巴希 999069)

在露天矿开采过程当中，采场涌水直接影响到矿山的安全生产，因此准确预测采场涌水量并制定切实可行的防排水方案是十分必要的[1-2]。目前，采场涌水量预测方法较多，如解析法、水均衡法、涌水量曲线方程法、水文地质比拟法、灰色系统法和时间序列分析法等[3-7]。

目前，大量学者采用各种涌水量预测方法，根据已知现场资料，推算未来矿区涌水量。李蔚林等[8]在对矿区岩溶发育特征和充水因素等进行调查后，将研究区构造为理想的水文地质模型，采用解析法和水文地质比拟法对黄石狮子立山矿区涌水量进行了预测。康明敏等[9]在查明矿区含隔水层、补给、径流、排泄等特征后，采用水均衡法对矿区涌水量进行初步预测，为矿区今后的设计施工提供了参考依据。李孝朋等[10]基于多元回归分析法，采用SPSS和MATLAB软件对可能影响涌水量的因素进行多元非线性回归分析，得到矿井涌水量的预测公式，并对实际矿山涌水量进行预测。

上述涌水量预测方法只适用于水文地质条件简单的矿山，对于水文地质条件复杂的矿山则存在局限性。随着计算机的进步发展，地下水数值模拟软件迅速发展，其中Visual Modflow软件具有可视化、适用性强、求解速度快、模拟能力强等优点，使其在地下水研究方面的使用越来越广[11-13]。现以刚果(金)迪兹瓦露天矿为例，在充分分析矿区水文地质条件的基础上，采用数值模拟法对矿区地下涌水量进行预测，以期为矿区今后的防排水方案设计提供参考依据。

1 研究区概况

刚果(金)迪兹瓦露天矿位于刚果(金)东南部低缓丘陵区，属于加丹加高原的一部分，总体地势为东南高、西北低，海拔标高1 200～1 420 m。露天采场位于东西向地表分水岭的中上部，南、东、北三面由丘陵山脉形成地表分水岭，山顶标高1 290～1 428 m，地下水位平均标高1 243.77 m。露天采场以西方向地势缓降至LUALABA河，矿区地表径流及地下水都向西北汇流于LUALABA河，LUALABA河为当地最低侵蚀基准面，标高为1 236.58 m。

该地区为亚热带气候。每年的4—10月为旱季，11月—次年3月为雨季，年平均降雨量1 130 mm，主要是大雷雨。30年和100年一遇的24 h最大暴雨量经计算分别为135 mm和162 mm。全年蒸发量一般都超过降雨量，最干月份以及初夏时的蒸发量最高，年平均蒸发量超过年平均降雨量约850 mm。

矿区发育的地层主要有罗安群和下孔德龙古群Ki1.1、Ki1.2和Ki1.3。根据矿区地层含水介质的不同，可分为基岩风化裂(溶)隙含水组、溶洞溶隙含水组、构造裂隙含水组。

基岩风化裂(溶)隙含水组主要由Ki.1.3、Ki.1.1地层组成，为矿体开采直接充水岩组。Ki.1.3为基岩风化裂隙含水组，岩性主要为褐红色白云质粉砂岩、泥岩，强风化带发育深度70 m，中风化带发育深度180 m。该地层中2个钻孔抽水试验结果单位涌水量q为0.4～0.58 L/(s·m), 渗透系数K为0.2～0.28 m/d，富水性、透水性中等。Ki.1.1为基岩风化溶隙含水组，地层岩性为混积岩、角砾岩、泥质粉砂岩等，强风化带发育深度约70 m，中风化带发育深度约200 m，该地层中2个钻孔抽水试验结果单位涌水量q为0.09～0.47 L/(s·m)，渗透系数K为0.21～0.43 m/d，富水性弱-中等，中等透水。

溶洞溶隙含水组主要为Ki.1.2地层，分布于矿区西部和中部，地层岩性为白云岩、灰岩、白云质页岩等。矿区西部强风化带发育深度60 m，中风化带发育深度200 m，。钻孔见溶洞高度0.50～17.9 m，溶洞中下部充填褐黑色淤泥。西部2个钻孔抽水试验单位涌水量为0.91～1.36 L/(s·m)，渗透系数为1.49～1.63 m/d。富水性强。矿区中部Ki.1.2地层与R地层呈条带状东西向分布，断层破碎带发育，岩石全风化，局部强风化、岩心破碎、泥化，透水性弱。

构造裂隙含水组在矿区中部的背斜轴部推覆体内不同级次的构造极为发育。在采坑中部，钻孔揭露断层破碎带岩心多呈泥柱状、碎块碎屑状，全风化至强风化，透水性弱。在矿区南北部的Ki.1.3和Ki.1.1地层中，断层破碎带少见，主要为风化裂隙弱含水层。

2 水文地质概念模型

2.1 概念模型

研究区含水层由白云质页岩、粉砂岩、泥岩、角砾岩和混积岩等不同岩性组成，水文地质参数随空间变化明显，故研究区含水层系统为非均质；垂直方向和水平方向上的透水性也存在差异，故含水介质是各向异性的；地下水系统水量的输入和输出随着时间和空间的变化而改变，故拟合期和预测期内地下水流为非稳定流。综上所述，刚果(金)迪兹瓦露天矿地下含水层可概化为非均质各向异性非稳定流模型，建立相应的数学模型为[14]

(1)

式(1)中：kxx、kyy、kzz分别为沿x、y、z坐标轴方向的渗透系数，m/d；H0为初始水头，m；H1为已知水头，m；W为源汇项，L/d，流入为正，流出为负；Ss为单位储水系数；H为地下水水头；t为时间，d；Г1为渗流区域的上边界；Г2为渗流区域的第二类边界；Ω为渗流区域；n为第二类边界的外法线方向；q为二类边界上单宽流量，m3/d。

图2 研究区三维地质模型Fig.2 Three-dimensional geological model of the study area

2.2 模型范围

模拟研究区东西长4 577 m，南北宽2 759 m，圈定的范围面积为12.63 km2。模型平面共剖分单元120(行)×200(列)个，模型的建立以未来采坑为中心，东南北3个方向以地表分水岭为界，x取值范围为363 330～367 907 m，y取值范围为8 805 851～8 808 610 m，x和y为地理坐标，研究区平面位置如图1所示。

根据研究区钻孔数据得到采区的地层数据，形成地表及含水层的顶底板高程数据文件，使用Surfer7进行层面插值生成GRD格式文件，导入Visual Modflow中生成的三维地质模型如图2所示。地表标高为1 264.91～1 420.05 m，含水层顶板标高为1 241.45～1 256.68 m，含水层底板标高为1 032.02～1 194.35 m。

2.3 模型边界概化及水文地质分区

研究区地下水主要接受大气降雨入渗补给，降雨主要分布在11月—次年3月，年平均降雨量1 130 mm，蒸发量1 980 mm。矿区地下水自矿区的南东方向以极平缓坡度向北西方向径流，于Lualaba河东岸排泄，将研究区的南部边界和东部边界设为补给边界，北部边界设为排泄边界。矿区以西4 km的Lualaba河与研究区存在联系，一般水头边界可以刻画模拟区域外的大型地表水体对模拟区的影响[15]，将西部边界设为一般水头边界(general head boundary，GHB)条件。

研究区内主要地层为Ki.1.1地层、Ki.1.2地层、Ki.1.3地层和R地层，参考以往水文地质钻孔抽水试验结果，依据各钻孔试验所得渗透系数对研究区进行参数分区，将研究区分为8个参数区，参数分区如图3所示，各分区计算参数初值如表1所示。

Ks为上孔德龙古群，其分为2个组，Ks1.1和Ks1.2；Ki为下孔德龙古群， 其分为3个组，Ki1.1、Ki1.2和Ki1.3;R为罗恩群图1 研究区平面位置图Fig.1 Floor plan location map of the study area

图3 研究区水文地质参数分区图Fig.3 Zoning map of hydrogeological parameters of the study area

表1 各分区水文地质参数初值Table 1 Preliminary values of hydrogeological parameters by region

3 模型识别与验证

图4 模型观测点水位校核图Fig.4 Water level checkmap of the model observation point

模型的识别与验证通常是根据观测点的资料对模型的参数与边界条件进行反复修改，直至误差满足精度为止[16]。本次研究对矿区内8个长观孔在2017年10月30日—2018年10月30日(共365 d)的动态观测数据对模型进行识别验证，模型校正后的各观测水位与模拟计算水位对比如图4所示。横坐标为观测值，纵坐标为模拟值，对角线的角度为45°，观测井距离对角线越近，则模拟效果越好[17]。由对比结果得，校正后的模型模拟水位与观测水位的拟合程度为0.97，误差小于5%，模型满足精度要求，所建模型可以反映矿区及周围地下水的稳定流场分布。优化后的水文地质参数如表2所示。

表2 各分区水文地质参数优化结果Table 2 Optimization results of hydrogeological parameters by region

4 涌水量预测

根据中国瑞林工程技术股份有限公司《迪兹瓦铜钴矿基本设计说明书》中的一期境界和终了境界的采剥作业逐年推进情况，设计采用分段接力排水方式进行排水，在封闭圈以上布置截水沟，封闭圈以下分别在各平台布置截水沟、储水池、固定接力泵站，坑底设移动泵站。在生产第3年、第6年、第10年排水系统将发生较大变化，为了防止矿坑涌水，保障矿区的安全生产，本次研究对该3种工况下的涌水量进行预测：①生产第3年开采至1 210 m标高；②生产第6年开采至1 165 m标高；③生产第10年开采至1 120 m标高。以计算分析所需抽水泵数量和布置方案，为矿区防排水设计提供参考依据。

通过Visual Modflow预测涌水量时，可将涌水量概化为抽水井的抽水量[18]。矿区涌水量预测属于正演问题，通过Visual Modflow预测涌水量时，利用识别好的模型，根据工程开采年限和采区最低高程在矿区范围内均匀布置抽水井，并不断调整抽水井的数量、位置和抽水速率，使矿区内含水层水位下降并稳定在开采标高，形成稳定的降落漏斗，此时矿区内处于动态储排平衡状态，各抽水井抽水总量即为矿区地下涌水量。调试后抽水井布置如图5所示，在矿区范围内均匀布置了12个抽水井。表3为各工况下的涌水量预测情况，其中抽水井W1～W12抽水量之和即为该工况条件下的涌水量。图6为各工况地下水等值线图。随着采深的不断增加，涌水量也不断增加，开采第3年、第6年、第10年的平均涌水量分别为12 100、13 400、14 400 m3/d。

1～12为抽水井编号图5 抽水井分布Fig.5 Distribution of pumping wells

图6 模拟开采至不同标高地下水等值线图Fig.6 Groundwater contour map of simulated exploitation to different elevations

表3 各工况条件下涌水量预测结果

同时，本次研究还通过改变降雨量的大小，对一年中的最大和最小涌水量进行了预测，讨论了丰水期(11月—次年3月)和枯水期(4—10月)对地下涌水量的波动影响，预测一年中的最大、最小和平均月份下的地下涌水量。预测结果如表4所示。

从图6可知，随着开采深度不断增大，地下水位不断下降，形成以工作面为中心的降落漏斗，且漏斗范围不断扩大，向工作面汇水面积也越来越大，导致各工况条件下枯水期、平水期和丰水期涌水量也不断增大。同时，由表4可知，降雨补给条件对地下涌水量影响较大，不同季节矿区涌水量差异较大，在丰水期降雨入渗大的条件下，矿区涌水量约为平水期的1.5倍，约为枯水期的2倍，因此该季节需重点加强矿区防排水措施，具体防排水方案设计如表5所示。

表4 不同降雨量下各工况涌水量预测Table 4 Prediction of water inflow under different rainfall conditions

5 结论

(1)采用Visual Modflow软件对刚果(金)迪兹瓦露天矿建立了数值模型，所建模型拟合程度较好，取得了较好的预测结果，可为矿区防排水设计提供参考依据。

表5 生产各阶段露天坑排水设备布置情况Table 5 Layout of open pit drainage equipment at each stage of production

(2)本次采用数值模拟法对矿区开采第3年、第6年、第10年涌水量进行了预测，预测结果分别为12 100、13 400、14 400 m3/d。

(3)矿区涌水量随季节降雨量的变动而发生变化，丰水期涌水量约为平水期的1.5倍，约为枯水期的2倍，降雨量的变化对矿区涌水量有较大影响。