CN114330077A - 一种基于gms的露天矿地下水涌水量预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，涉及矿井水文地质技术领域。利用地下水数值模拟软件GMS对研究区的地下水流运动进行数值模拟，对模拟区域内矿井涌水量进行预测分析方法。在分析矿区及其周边区域地质及水文地质条件的基础上，针对地层岩性和地质构造特点，通过分析区域含水层水文地质特征等条件，对模拟区含水层进行了概化，对研究区边界条件进行了设定。根据边界条件，依据所建立的数学模型，并且结合工作区地质勘探资料及对充水因素的分析，采用网格法建立研究区的水文地质模型。通过不断调整不同排水量情况下水平井及竖直井的设置情况，模拟出平衡状态时排水井的布置方案。制订研究区水文地质排水方案，确保矿坑安全生产。
Description
技术领域
本发明矿井水文地质技术领域，尤其涉及一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法。
背景技术
地下水是是露天矿生产过程中一个非常棘手的问题。地下水是全球水资源储备的关键组成，能够满足工厂的施工需求和生活的用水需要，但是矿区的涌水量会对矿区的安全带来很大的影响，而且变动很大。故准确的涌水量预测对于施工安全和经济效益具有重要意义。
目前，伴随着科学技术的发展、电子信息化产业的兴起，世界上对于地下水模拟软件的研究愈发专业，GMS软件是在综合Visual MODFLOW、MT3DMS、PEST、MODPATH、FMWATER、AQUA3D等已有地下水模型的基础上建立的图形界面软件。GMS软件的MODFLOW计算模块的工作原理是以划分网格为基础，辅以有限差分法来对地下水运动的秩序进行模拟。首先把选定的研究区进行时间和空间维度的离散处理，然后对划分的网格单独进行水流动方程分析推导，再综合所有的方程进行联立推导出整个研究区的方程组，然后通过迭代求解的方法去计算出每个单独网格的水位数值，通过以上步骤，求出方程组的解。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，通过利用应用在地下水流数学模拟的软件程序GMS对矿区的涌水量进行预测，继而为该矿区的安全生产提供保障。
一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，包括以下步骤：
步骤1、根据露天矿的水文地质研究资料，确定露天矿水文地质条件；
所述露天矿水文地质条件包括露天矿矿区地形地貌、流经河流、气象特征；所述气象特征包括主体风向、温度、气压、风的流速以及降雨、出露地下水的来源、含水层的分布、冲积层地势及水流动趋势、基岩含水层种类及地下水给、泾、排条件；
步骤2、对露天矿各泵站涌水量进行统计分析；
对露天矿进行实地勘测并且绘制露天矿各泵站的水文分布图，收集并统计历年各泵站涌水量浮动情况，建立表格并对各泵站进行单独绘图分析，得出各个泵站涌水量随月份的变化趋势以及近n年来的对比图像，根据图像得到近n年涌水量变化；
步骤3、在露天矿选择独立的模拟区域范围，利用GMS地下水模拟软件对地下水运动的秩序进行模拟；
在步骤1得到的露天矿的水文地质条件及步骤2对各泵站涌水量变化的基础上，确定模拟区域范围进行研究建模；通过对模拟区的剖分、源汇项的处理、渗透系数K、给水系数μ值和降雨入渗参数α的确定、边界条件的概化处理、地下水流模型识别验证，对研究区域地下水数值模型进行模拟；并且根据边界条件的实际情况对模型进行调整校核；
步骤4、对矿井的涌水量进行预测分析；通过在模拟区域安插水平井与竖井的方式，不断调整对矿井地理位置的选取、数量的限定以及排水量大小的限定，通过GMS软件的MODFLOW模块对上述限定条件进行预测分析，得到出涌水量模型，结合含水层开采量、水平井排水量以及竖井排水量，制订研究区水文地质排水方案，确保矿坑安全生产。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提出了一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法。本发明填补了对西露天矿涌水量预测的空白，有人利用GMS软件对很多矿井的涌水量进行建模及预测分析，但西露天矿由于其独特性和复杂性，对其进行地下水的模拟极其困难，本发明在研究其水文地质条件和各泵站涌水量的基础上，用GMS建模，实现对该矿区涌水量的预测，从而为煤矿安全生产提供重要的参考依据。
附图说明
图1为本发明涌水量预测方法流程图。
图2是本发明实施例中某露天矿矿坑南帮典型剖面图-E1200水位；
图3是本发明实施例中某露天矿矿坑北帮典型剖面图-E1200水位。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、根据露天矿的水文地质研究资料，确定露天矿水文地质条件；
所述露天矿水文地质条件包括露天矿矿区地形地貌、流经河流、气象特征；
所述气象特征包括主体风向、温度、气压、风的流速以及降雨、出露地下水的来源、含水层的分布、冲积层地势及水流动趋势、基岩含水层种类及地下水给、泾、排条件；
步骤2、对露天矿各泵站涌水量进行统计分析；
对露天矿进行实地勘测并且绘制露天矿各泵站的水文分布图，收集并统计历年各泵站涌水量浮动情况，建立表格并对各泵站进行单独绘图分析，得出各个泵站涌水量随月份的变化趋势以及近n年来的对比图像，根据图像得到近n年涌水量变化；
本实施例中列举了某泵站2016-2019年3年涌水量情况表，如表1所示：
表1某泵站3年涌水量情况统计表
由表格可得知，某泵站的涌水量统计分为两个部分，a油厂和b河流堰。近三年以来，某泵站-a油厂的年排水量呈上涨趋势，其中7月-9月的排水量相对较高，10月-12月的排水量每年的增量都很大。而b河流堰的年排水量呈下降趋势，其中8月-10月的排水量相对较高，2016年、2017年的月排水量波动较大，2018年的月排水量趋于平稳。
步骤3、在露天矿选择独立的模拟区域范围，利用GMS地下水模拟软件对地下水运动的秩序进行模拟；
在步骤1得到的露天矿的水文地质条件及步骤2对各泵站涌水量变化的基础上，确定模拟区域范围进行研究建模；通过对模拟区的剖分、源汇项的处理、渗透系数K、给水系数μ值和降雨入渗参数α的确定、边界条件的概化处理、地下水流模型识别验证，对研究区域地下水数值模型进行模拟；并且根据边界条件的实际情况对模型进行调整校核，让模型更加贴合实际；
本实施例中，如图2所示，矿坑开采区在露天矿的南部，其地下水流按照特点主要是基岩裂隙水和第四系孔隙潜水。因为矿坑排水作用影响，第四系孔隙潜水在地层中的区位一般靠上，而基岩裂隙水的区位靠下。
如图3所示，北部边坡冲积层有很宽的人为制作堆下来的物料，对于水流的穿透性很大，水能经过其渗入深层的地层中。工业的发展和居民的生活排水也会随着其流到地下去。北帮基岩分别为两条深大断裂所切割，断裂地带对水的阻隔效果特别好，因为它的夹层材料的材质是角砂砾石岩。
步骤4、对矿井的涌水量进行预测分析；通过在模拟区域安插水平井与竖井的方式，不断调整对矿井地理位置的选取、数量的限定以及排水量大小的限定，通过GMS软件的MODFLOW模块对上述限定条件进行预测分析，得到出涌水量模型，结合含水层开采量、水平井排水量以及竖井排水量，制订研究区水文地质排水方案，确保矿坑安全生产。
本实施例中数学理论基础是地下水研究过程中常用到的达西定律(Darvy’slaw)，达西定律是用来解释土壤饱和状态下水在其中下渗的流速与水力坡降这两个参数之间线性关系的定律，所以达西定律又被称为线性渗流定律。
模拟区域内的水流运动方式包括水平和竖直两个方向，地下水流的各个运动系数随着空间和时间的迁移不断发生着变化，所以模拟区地下水的运动方式可以概述为三维非稳定的水流运动，根据水流渗流的相关理论及达西定律，可以求得模拟区域符合下列模型：
其中，h—地下水水头(m)；Kx，Ky，Kz—x,y,z方向渗透系数(m/d)；h1—含水层第一类边界水头(m)；W—源汇项强度(包括开采强度等)(m3/d)；Σ1—含水层第一类边界；D－研究区；μ－给水系数。
模拟区域水文地质环境的特点与地下水流动的主要特征，研究区域在垂直方向上可以分为7层：第四系砂砾石潜水含水层、鞍山群片麻岩裂隙含水层、第三系基岩裂隙含水层：包括绿色页岩含水层、油母页岩层、煤层、玄武岩层，和基底。-
对矿坑排水量模拟包括以下方面：
(1)北帮第四系砂砾石含水层开采量
第四系砂砾石含水层为花岗岩层上部较薄的一层，本实施例模拟所截取的E600-E1000之间的模拟区靠近北帮浑河附近井开采量约为1500m3/d，通过截流浑河对矿坑附近地下水的补给，避免矿坑涌水风险。
(2)矿坑内水平井排水量
本模型通过设置排水井的方式来进行模拟分析，在矿坑南北两侧分别布置5口水平井，通过均匀布置的原则，对所设置模型的排水量不断进行调整试算，当矿坑不再有水溢出时达到理想状态，此时对应的排水井的个数、区位、及排水量即为模拟结果。
水平井的设置是水流进行疏导的关键设施，为了模拟演算的过程更清晰，本实施例设置的水平井的深度和长度均一致，深度为-100m，而长度均为100m，排水量设置为10-20m3/d。
具体的布设情况如下表所示：
表2水平井布设位置及开采量
由表可知，当10口水平井每口每天模拟排水量为10-20m3时，矿坑不会有水溢出，总计排水量约为100-200m3/d。
(3)矿坑底部竖井排水量
本实施例模型在矿坑最低洼处布置4口竖井，间隔100米布设，每口井井深70-100m，抽水量20m3/d，四口井一天共计抽水80m3。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (7)
1.一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据露天矿的水文地质研究资料，确定露天矿水文地质条件；
步骤2、对露天矿各泵站涌水量进行统计分析；
步骤3、在露天矿选择独立的模拟区域范围，利用地下水模拟软件对地下水运动的秩序进行模拟；
步骤4、对矿井的涌水量进行预测分析，制订研究区水文地质排水方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，其特征在于，步骤1中所述露天矿水文地质条件包括露天矿矿区地形地貌、流经河流、气象特征；所述气象特征包括主体风向、温度、气压、风的流速以及降雨、出露地下水的来源、含水层的分布、冲积层地势及水流动趋势、基岩含水层种类及地下水给、泾、排条件。
3.根据权利要求1所述的一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，其特征在于，所述步骤2具体为，对露天矿进行实地勘测并且绘制露天矿各泵站的水文分布图，收集并统计历年各泵站涌水量浮动情况，建立表格并对各泵站进行单独绘图分析，得出各个泵站涌水量随月份的变化趋势以及近n年来的对比图像，根据图像得到近n年涌水量变化。
4.根据权利要求1所述的一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，其特征在于，所述步骤3具体为，在步骤1得到的露天矿的水文地质条件及步骤2对各泵站涌水量变化的基础上，确定模拟区域范围进行研究建模；通过对模拟区的剖分、源汇项的处理、渗透系数K、给水系数μ值和降雨入渗参数α的确定、边界条件的概化处理、地下水流模型识别验证，对研究区域地下水数值模型进行模拟；并且根据边界条件的实际情况对模型进行调整校核。
5.根据权利要求1所述的一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，其特征在于，步骤3中所述地下水模拟软件为GMS。
6.根据权利要求1所述的一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，其特征在于，所述步骤4具体为，通过在模拟区域安插水平井与竖井的方式，不断调整限定条件，通过地下水模拟软件对上述限定条件进行预测分析，得到出涌水量模型，结合含水层开采量、水平井排水量以及竖井排水量，制订研究区水文地质排水方案，确保矿坑安全生产。
7.根据权利要求6所述的一种基于GMS的露天矿地下水涌水量预测方法，其特征在于，所述限定条件包括对矿井地理位置的选取、数量的限定以及排水量大小的限定。
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| CN117726045A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 山东大学 | 基于隧道沿线水文场反演的涌水量预测方法与*** |
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