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摘要：本报告系统普查某磷矿隐蔽致灾因素，采用瞬变电磁、三维激光扫描及水文地质分析，查明断层（导水系数2.596 L/（m·s））、岩溶低阻异常及98.92万m²采空区。预测-140m中段涌水量峰值达4.79万m³/d（断层占比超40%），提出混凝土隔水墙、-140m中段500m³/h排水系统优化及塌陷区分层回填（压实度≥93%）等治理措施。

关键词：数值模拟；水文地质风险；岩溶塌陷

1 引言

我国战略性磷矿开采受复杂水文地质条件制约。某磷矿40年开采形成98.92万m²采空区，受断层（导水系数2.596L/（m·s））、岩溶及多含水层影响，-80m中段涌水量峰值达4.79万m³/d，突水风险高。针对多因素耦合地下水运移建模难题，创新融合瞬变电磁、三维激光扫描与历史数据[1]，构建高精度参数化模型量化渗流场动态，突破断层导水性差异与岩溶非均质性建模瓶颈，为涌水量预警与防治水优化提供技术支撑，助力非煤矿山安全开采[2]。

2 磷矿井下水文地质模型构建

2.1 模型边界条件确定

模型边界依据矿区地质构造与水文特征设定。东侧以断层为水力边界（导水系数2.596 L/（m·s）），西侧以页岩隔水层为阻水边界，底部以矿层底板页岩为隔水层，顶部按地表分水岭划定零通量边界。南北边界根据地下水流向设为动态水头边界（水力梯度0.002）关键含水层包括：某组顶部白云岩：厚度24m，岩溶裂隙发育，导水系数0.153–2.596 L/（m·s）；某组白云岩：地表裸露，溶蚀沟槽发育，单位涌水量0.2208 L/（m·s）；断层导水带：破碎带内动储量补给充足，抽水试验显示水位恢复速率快。

2.2 模型参数选取与赋值

参数基于瞬变电磁探测、抽水试验及岩芯测试综合确定：顶板白云岩取0.297 L/（m·s），断层破碎带赋2.596 L/（m·s），隔水页岩设为1×10⁻⁷ m/d；给水度：岩溶裂隙区0.15，致密矿层0.02；孔隙度：岩溶发育区0.25，未扰动岩体0.08；水力传导系数：某组白云岩垂向传导系数降为水平方向的1/10。关键参数通过历史水文数据（日均涌水量8128 m³/d）与三维激光扫描验证，确保空间异质性准确表征。

2.3 模型网格划分

采用GMS软件非结构化网格剖分：平面网格：精度20–100m（断层带加密至10m），按岩溶发育程度动态调整节点间距；垂向分层：5层（矿层、顶板、隔水层独立分层），矿层间垂向间距59m；总网格数：12.6万，重点区域网格密度提升30%。网格设计兼顾计算效率与精度，通过三维激光扫描数据优化采空区网格形态[3]。

3 模型应用与分析

3.1 矿井涌水量预测

基于MODFLOW构建的三维非稳定流模型，模拟了某磷矿不同开采阶段的涌水量动态。模型预测结果显示：-80m中段正常涌水量为1.28万m³/d，最大涌水量达4.08万m³/d；-140m中段正常涌水量升至1.47万m³/d，峰值可达4.79万m³/d。对比2022年实测数据（日均8128 m³/d，峰值4.79万m³/d），模拟误差≤8.5%，验证了模型的可靠性。

3.2 水文地质参数敏感性分析

通过全局敏感性分析，确定渗透系数和给水度为关键敏感参数（如表1所示）。渗透系数每增加10%，-80m中段涌水量上升12%；而给水度变化对岩溶裂隙区涌水量影响显著（敏感性系数0.35）。断层导水系数的敏感性最高，断层参数偏差20%可导致涌水量波动±18%。

采用Morris筛选法对参数排序：断层导水系数＞渗透系数＞给水度＞孔隙度。例如，白云岩垂向渗透系数降至水平方向的1/10时，涌水量减少7%。模型结果表明，优先校准断层与岩溶带参数可显著提升预测精度，为灾害防控提供数据支撑[4]。

3.3 矿井涌水动态监测与预警

依托模型构建了多源监测预警体系：在断层带布设4组渗压计（量程0–1MPa），实时监测水力梯度；建立涌水量-降雨量回归模型（R²=0.85），设定日均涌水量1.2万m³/d为黄色预警阈值，1.5万m³/d为红色阈值。微震监测网络（16通道，定位精度±5m）精准捕捉到4#掌子面前方50m低阻异常区的岩体破裂信号，指导超前探水孔施工（如图1），避免滞后突水事故。

3.4 模型在矿井防治水中的应用

模型指导的防治措施包括：断层周边浇筑1.5m厚混凝土隔水墙，并注浆加固破碎带（水泥-水玻璃双液浆，扩散半径3m），使断层带涌水量减少35%；-140m中段水泵房配置6台大型水泵，排水能力提升至500m³/h，保障深部开采安全。通过涌水路径模拟，优化了井下排水管网布局，缩短应急响应时间30%。

结语

本研究通过瞬变电磁与数值模拟融合，构建高精度水文地质模型，验证断层导水性（水位拟合度R²=0.93）及岩溶发育对涌水的关键影响。提出断层注浆（扩散半径3m）、微震预警（定位精度±5m）等治理方案，有效控制雨季涌水量峰值。敏感性分析表明渗透系数与断层导水性为关键参数，波动可致涌水量变化±18%。创新点在于三维激光动态监测采空区稳定性，未来需深化断层动态修正机制，推广尾砂充填技术，为非煤矿山防治提供技术范式。

参考文献

[1] 姚囝，李鹏程，王其虎，等.复杂地形下缓倾斜磷矿床条带充填分区协同开采技术[J].金属矿山， 2020（5）：8.DOI：CNKI：SUN：JSKS.0.2020-05-018.

[2] 孙唯衡，郭涵雅，李亮，等.基于ABAQUS的宜昌某磷矿缓倾斜两层矿体回采稳定性数值模拟分析[J].资源环境与工程， 2024， 38（3）：292-299.DOI：10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2024.03.007.

[3] 王斌，李夕兵，马春德，等.基于三维地应力测量的岩爆预测问题研究[J].岩土力学， 2011， 32（3）：6.DOI：10.3969/j.issn.1000-7598.2011.03.035.

[4] 杨帆.基于能量法的清水沟磷矿北采场岩质边坡稳定性研究[D].昆明理工大学，2023.

作者简介：厉之宁（1997.1-），女，汉族，湖北武汉，硕士，技术员，主要从事工作：矿产地质与水文地质调查研究相关工作