基于裂隙三维空间分布的矿区地下水流动模拟研究

Due to the fracture networks and human activities in (deep) mine area, groundwater flow became very complicated and severely influenced the normal mine activities and the sufficient utilization of groundwater. Thus it is urgent to construct the groundwater flow model by considering the 3D distribution of fracture networks, and to master the rapid flow path and inflow of groundwater. While the existing researches can not reflect the influences on groundwater flow by fracture networks at different scales, and can not understand the whole regional groundwater flow. To support the drainage and utilization of groundwater in mine area, this research aimed to construct the groundwater flow model of mine area by considering the 3D distribution of fracture networks. Based on our preliminary researches on simulating the 3D distribution of fracture networks and collecting abundant sample fractures, the main research contents are focused as the following: 1) integrating the hydrologic characteristics of fracture networks on different scales, 2) constituting the mine product systems, 3) establishing the groundwater flow model in fractured rocks, 4) simulating the process of groundwater flow in mine area, 5) locating the flow path of groundwater, 6) predicating the inflow at specific space-time point, 7) designing the computing method and writing programs, 8) applying to Gaosong field of Gejiu tin mine for validation and modification. This research will support the practice applications in mine drainage and groundwater utilization to reduce the mine disasters, and enrich the groundwater flow theory in fractured racks by breaking through the integration of fracture networks at different scales.

在矿山（深部）开采区域，裂隙网络和人类工程活动使得地下水流动变得非常复杂，严重影响了正常的采矿活动和高效合理的地下水利用，迫切需要开展基于裂隙三维空间分布的矿区地下水流动模拟研究，掌握地下水快速流动的路径和水量。但既有的研究还不能较好地反应不同尺度的裂隙网络对地下水流动的影响，难以从全局上把握整个区域的地下水流动。本研究以构建基于裂隙三维空间分布的矿区地下水流动模型为目标，以前期搜集的大量样本裂隙资料和开展的裂隙三维空间分布模拟研究为基础，整合矿山生产网络系统资料，重点解决裂隙网络的跨尺度融合，构建裂隙岩体的地下水流动模型，模拟矿区地下水的流动过程，分析地下水流动的路径，预测特定时空点上的涌水量，设计算法和编写程序，并以云南个旧锡矿高松矿田为应用案例进行验证和修改。从而为矿山提供疏排水和水资源利用的依据，减少矿难的发生，并可以通过突破裂隙网络跨尺度融合的方法，丰富裂隙岩体地下水流动的理论。

矿区存在的大量人工工程（坑道、钻孔）网络沟通了岩石断裂系统和裂隙网络，使地下水流动过程变的更加复杂，需要模拟地下水介质（尤其是裂隙）的空间分布，构建更精确的矿区地下水流动模型，找出地下水流动路径，防治突水事故，充分利用地下水资源。.本研究分析了地下水介质（孔隙、裂隙、溶穴）、渗透系数和REV的水文内涵，针对地下水介质和渗透率的空间分布、尺度联系（扩大）提出了更精确的模拟模型，整理了地下水流动路径的识别度量，并对地下水资源预测、涌水量计算、影响和防治利用进行了归纳总结。根据个旧锡矿高松矿田多尺度（区域、矿区、坑道）水文调查、现场试验、分析测试及矿山积累的数据资料，模拟了地层岩性、裂隙（遥感、断裂、地表、坑道）、花岗岩顶板、生产网络的三维空间分布，构建了矿区地下水流动模型，计算了地下水流动路径和涌水量，调查了地下水影响，并提出了矿区地下水防治和利用的对策措施。.重要结果有：1）基于地质统计学原理的综合方法（OK、SGS、PCA、STA、MPS、3DOPT等）可更精确的模拟地下水介质的空间位置和方向异质性，同时又能体现空间分布的规律性；2）地下水介质和渗透率空间分布的尺度联系（扩大）可以通过其空间结构规律方程参数的尺度联系（扩大）来实现；参数与尺度尺寸之间一般有幂指数（分形）关系，这种幂指数关系可以通过研究区域的观测（测量、试验）资料进行尺度统计近似，或者参照类似研究区域的参数。3）在建模单元格足够小（较小）的情况，或者将建模单元分隔为次级的较为均一的单元时，渗透率可用REV概念进行计算，进而进行渗透率空间分布的模拟，然后根据渗透大小和方向筛选流动路径。4）生产矿区的地下水流动过程（储量、速度、路径）受坑道和钻孔分布影响极大，尤其是人为工程与地表或大断裂连通时影响更大。.地下水介质和渗透率（张量）的模拟有助于方向性多变量（时间）空间分布模拟理论方法研究，也有助于统计（数值）模拟与物理（解析）模拟之间融合的理论研究。