矿井突水是矿山生产过程中最具威胁的灾害之一，一旦发生矿井突水将造成巨大的人员伤亡和经济损失。如何及时准确地判断突水成因，查找突水水源，是解决和进一步预防突水灾害的关键问题。目前研究较多的是利用数学函数判别矿井突水水源，定性地分析和评价矿井突水现象，而对实际工程的矿井突水三维模拟较少，缺乏对矿井突水宏观认识，以及对突水量的评估。陈红江等^[1-2]运用Fisher判别方法和多组逐步Bayes方法，根据含水层的标型组分和涌水点水样的化学成分，考虑了水化学指标对水源判别的重要性，建立了Fisher的线性判别函数模型和典型判别的函数模型，对该方法进行了验证和分析；闫志刚等^[3-4]采用支持向量机模型建立了SVM模型和H-SVMs模型，有效地分析了两类水源混和情况，根据判决函数值的大小预测水文地质异常，结合RS分析突水决策表，提取预测规则，提高了预测强度；张健等^[5]利用三维可视化技术模拟矿井突水事故的发生过程，直观地了解引起矿井突水灾害的各方面因素，为预防灾害提供技术支持；张许良等^[6]利用数量化理论对矿井突(涌)水水源进行判别; 周健等^[7]应用距离判别分析理论，结合矿井含水层的水化学分析资料对梧桐庄煤矿的突水水源进行了识别; 张瑞钢等^[8]以水质指标为判别因子，应用可拓识别方法，建立了谢桥矿井突水水源判别模型；鲁金涛等^[9]根据水化学成分的差异性，利用主成分分析与Fisher判别分析法对新庄煤矿不同水层的水化学特征进行了模型分析与验证；李忠建等^[10]运用突水系数法和模糊聚类法以南屯下组煤十一采区为例，提取采深、隔水层厚度和水压为关键指标，综合评价了煤层底板突水危险性；杨永国等^[11]利用BP神经网络与灰色关联有效判别矿井突水水源；孙亚军等^[12]基于GIS强大的数据处理功能，直观明确地实现了突水水源的点查询和空间分区。李燕等^[13]综合对比分析了矿井突水水源的判别方法，探讨了各方法的适用条件和优越性。目前，国内外矿山在防治水方面定量分析与仿真模拟技术上应用较多的地下水数值模拟软件主要有GMS、Visual Modflow、Feflow、Visual Groundwater等，胡艳卉等^[14]利用GMS建立1016面开采涌水模拟模型，通过对模型的检验分析，验证模型的准确性，为研究岩层的破坏机理和突水条件以及为煤矿防治水设计提供依据；韩程辉等^[15]介绍了GMS软件的优点以及关于矿井防治水模拟的优势，提出了GMS软件对矿井突水的广阔应用前景；马从安等^[16]运用Visual Modflow建立了某露天矿地下水数值模型，运用Modpath和MT3D对地下水的水质点示踪和三维污染羽进行了模拟，其模型有助于识别地下水污染的污染源及污染途径，为预测地下水位和水质的变化，以及选取保护措施提供了决策依据。但这些研究主要从理论模型入手，没有考虑真实的地形地貌、矿井突水的水文地质和工程地质等影响，采用数学函数模型对矿井突水现象的分析也只能局限在小范围的评价，难以全方位解析突水水源以及影响程度。笔者结合某矿的实际工程背景，在已有资料和数据的支持下，针对地下矿区突水点的实际情况，利用Modpath建立以突水点为研究中心的三维模型，反向示踪突水水源，定性定量分析突水水源来向、影响范围和影响程度。

1 粒子示踪理论及建模思路

粒子示踪技术可分为向前和向后两种方法。示踪理论主要是指将一定数量的示踪水质点连接排泄区和补给区，正向示踪是示踪质点由补给区指向排泄区，反向示踪是示踪质点由排泄区指向补给区。在本次矿井突水点数值模拟中，采用向后示踪方法，通过显示水质点时段分步情况可以显示不同时段矿井突水的补给水源和补给通道。Modpath模块所显示的示踪流线是三维立体的，对准确判别突水情况以及建立对应的帷幕工程、隔水壳等防治水措施提供有效的数据支持。

以某矿突水点为对象，利用GMS 8.0的Modflow和Modpath模块分析并建立了研究区的地下水三维渗流规律模型，以抽水井替代突水点，抽水量为突水量的思路模拟矿井突水现象，利用粒子反向示踪的计算方法定性分析了矿井突水水源的来向以及影响范围，以及大井法定量分析各水源范围的影响程度, 利用粒子反向示踪理论是建立在地下水渗流规律的基础上，所以准确判别矿井突水水源就必要先掌握研究区地下水运动规律。从而宏观控制地下水渗流规律，建立相关防水设施设备。

2 研究区工程背景

以安徽铜陵新桥硫铁矿为例开展的数值模拟，该区域地表水系发育。矿区有关的地表水体主要有新西河和圣冲河。新西河沿F₁、F₂断裂带，流径矿区北部汇入河流。圣冲河由南向北贯穿矿区，在矿区北部与新西河汇流。矿区内的含水层有第四纪含水层，茅口灰岩、栖霞灰岩含水层，构造含水带、矿体含水层等，主要隔水层有：高骊山组及五通组、孤峰隔水层等，各地层的主要地质资料见表 1，地层分布及地形如图 1所示。研究区以新西河和圣冲河为定水头边界，底部为隔水边界，以第四纪含水层的渗透系数分区如图 2所示。第四纪含水层和茅口灰岩含水层的渗透系数见表 2和表 3。

3 矿井突水数值模型的建立与结果分析 3.1 水源地分析

图 3可以清晰看出岩体分层情况，矿井突水时突水点、水流域等特征元素。

3.2 矿井突水水源范围

各含水层之间的隔水层起到了一定了阻水效果，但其主要的水源还是来自其上部含水层的直接补给，导致了矿井突水的直接原因是以栖霞及船山灰岩含水层为顶板。根据其模拟得出的突水点上部各含水层对矿井突水的影响范围见图 4。第四纪含水层突水量影响范围比茅口灰岩含水层突水量范围扩大了一倍。随着反向示踪越来越明晰，可以看出突水水源由下到上，逐渐向西南侧蔓延，最终指向圣冲河。

3.3 矿井突水上部含水层影响分区的涌水量

通过对矿井突水上部含水层的影响范围可以确定突水水源主要来自Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ四个分区，利用大井法估量各分区的涌水量比重，如图 5所示。

从图 5(a)表明：大量水源主要来自于左边界的圣冲河，随着工程的不断加深，地下的溶洞、列队分布以及各岩层特征对地下水的渗流规律以及水量分布起到了至关重要的作用。图 5(b)表明：由于III分区岩溶裂隙带和V分区断裂带的源汇效应，III分区对突水点补给的百分比由25.08%逐渐升高至41.75%，V分区对突水点补给的百分比由13.59%升至20.1%。

含水层涌水量如图 6所示，分区影响程度差别标准见表 4。图 6表明，由第四纪含水层到茅口灰岩含水层，III、IV、V、VI分区的涌水量都有所降低。其中VI分区随着工程的不断加深，降得尤为突出，但VI分区的涌水量也不容忽视，不仅是第四纪含水层还是茅口灰岩含水层在该分区的涌水量占据了相当大的比重；III分区对突水的补给比重越来越大。根据分区影响判别标准，第四纪含水层Ⅳ、Ⅵ两分区的影响程度为高，Ⅲ和Ⅴ两分区的影响程度为中；茅口灰岩含水层Ⅳ分区的影响程度为高，Ⅲ和Ⅵ分区为中，Ⅴ分区为低。由此表明IV和VI分区对矿井突水的影响程度最高，应采取相应的防治水工程措施，如在IV和VI分区与突水点相近处建立隔水层，在栖霞含水层底部建立隔水壳等。

4 结论

1) 用粒子反向示踪理论，根据安徽铜陵新桥硫铁矿各含水层的水文地质条件、工程地质条件，利用抽压水试验得出岩层的渗流系数，针对突水水源识别，建立Modpath的矿井突水可视化模型，并以时步分段量化研究水源渗透规律，分析了矿井突水的水源来向、侵害范围、影响程度等特征元素。

2) 利用Modpath模型处理矿井突水信息，主要依赖周边岩层渗透率、断裂带以及裂隙带的空间分布等信息，更接近工程实例。根据不同矿井的不同地质信息，获取对应水力关系，为合理预测突水规则，选取防治水方案提供依据。

3) 利用GMS数值计算方法，对影响突水点的上部各含水层范围进行划分, 并且通过大井法对各个含水层的涌水量进行定量定性分析，结果直观，可视化强。