某銅礦開采二號礦坑涌水量預(yù)測

賈鵬 羅小波

摘 要：該銅礦有兩個礦坑，利用一號礦坑的涌水量長期觀測資料，對即將開采的二號礦坑分別采用大井法，降落漏斗法，相關(guān)分析法及鉆孔用水量類比法進(jìn)行了礦坑涌水量預(yù)測，給礦山基建工作提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦坑涌水量預(yù)測；大井法；降落漏斗法；相關(guān)分析法

解析法是目前礦坑涌水量預(yù)測中應(yīng)用最廣的一種方法，它適用于各種類型礦山的涌水量計(jì)算?？梢詾槭韪稍O(shè)計(jì)提供各項(xiàng)重要指標(biāo)。常用“大井”法進(jìn)行計(jì)算，即將各種形態(tài)的井巷與坑道系統(tǒng)，用具有等效的“大井”表示，用井流理論進(jìn)行計(jì)算。

礦區(qū)地下水的運(yùn)動基本上是一個非穩(wěn)定過程，因此，預(yù)測計(jì)算一般使用非穩(wěn)定流解析法，在特定條件下，如強(qiáng)越流補(bǔ)給，含水層分布廣，透水性強(qiáng)、補(bǔ)給充足的礦區(qū)等，能形成穩(wěn)定流，可采用穩(wěn)定流解析法。本次預(yù)測的兩個礦區(qū)相鄰較近，一號礦區(qū)開采時間久，地下水趨于承壓穩(wěn)定流，二號礦區(qū)是將來聯(lián)合開采的新礦區(qū)，采用承壓含水層穩(wěn)定流計(jì)算方式。

一、礦床主要充水因素

根據(jù)該銅礦以往的水文記錄資料，礦坑涌水量與降雨量關(guān)系密切，大范圍降雨自然滲透是礦床水量補(bǔ)給的主要原因。地表淺部地下水豐富，深處水量逐漸變小。采礦活動形成的裂隙將使得地下各含水層之間水力聯(lián)系增強(qiáng)，特別在構(gòu)造發(fā)育區(qū)域地下水豐富。

一號、二號礦區(qū)位于區(qū)域地表水和地下水向盆地外排泄的通道區(qū)域，區(qū)域含水層的側(cè)向補(bǔ)給和上羅恩含水層的越流補(bǔ)給也成為一號、二號礦體充水的補(bǔ)給來源。

礦床上部地下水及地表水，隨著礦山開采對構(gòu)造的揭露和對原巖穩(wěn)定性的破壞，成為礦床頂板間接充水因素，封閉較差的老鉆孔也會成為礦床充水的主要通道。另外，礦體含水層使礦床具備直接充水條件，礦區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查表明，一號、二號礦區(qū)為以上羅恩亞群溶蝕裂隙承壓含水層和燧石白云巖含水層充水為主的礦床，且為頂板間接充水礦床。

一號礦區(qū)多級褶皺構(gòu)造使得水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，二號礦區(qū)礦體為產(chǎn)狀較緩的單斜構(gòu)造，從二號礦體地表探礦鉆孔揭露地層表明，二號礦區(qū)的燧石白云巖風(fēng)化程度較一號礦區(qū)弱，使得二號礦區(qū)總體富水性弱于一號礦區(qū)。

礦體含水層為礦區(qū)內(nèi)的主要含水層之一。主要由硅質(zhì)碎屑巖組成，夾有少量互層的碳酸鹽巖，該層的富水性隨著其褶皺程度的加強(qiáng)而增強(qiáng)。

二、歷年一號礦體井下涌水量統(tǒng)計(jì)分析

從井下涌水量統(tǒng)計(jì)中看出，隨著開采深度的增加，開采面積的增大，井下涌水量也相應(yīng)增大。但當(dāng)開采到一定深度以后，涌水量增幅變小。

歷年的各中段涌水量統(tǒng)計(jì)說明，300中段涌水主要受地表季節(jié)性地表降雨補(bǔ)給影響，而400中段至700中段涌水，除了受地表季節(jié)性降雨補(bǔ)給影響外，還受下部中段的開采和疏水影響。

根據(jù)礦井涌水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出，涌水量各年、月平均值極值均出現(xiàn)在雨季，涌水量峰值與雨季有相應(yīng)的滯后關(guān)系，即大氣降水對礦坑充水有一定影響。

井下年平均涌水量與礦山開采深度有關(guān)，總趨勢為前期生產(chǎn)時礦下涌水量年變幅較小，隨著開采面積擴(kuò)大和開采水平延深逐漸增大。根據(jù)地下水非穩(wěn)定流理論分析，當(dāng)開采工作面從高中段進(jìn)入低一級中段后，含水層水頭亦會相應(yīng)降至低一級中段。含水層水壓下降，必然引起承壓水的彈性釋放，初期彈性釋放水量較大，其后，隨著地下水降落漏斗擴(kuò)大，水壓差將逐漸縮小，彈性釋放水量也相應(yīng)減少，并逐漸趨于穩(wěn)定，地下水的非穩(wěn)定流動將轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定流動。

井下涌水量隨開采水平延伸而增大的另一原因?yàn)?，低中段水平地下水與補(bǔ)給區(qū)地下水頭差值增大，必然引起側(cè)向補(bǔ)給或上下越流補(bǔ)給量的增加。同時，低一級中段地下水與排泄區(qū)地下水頭差值會減小，引起地下水向下游排泄量的減少，這就是井下涌水量隨開采深度增加而增大且增幅減小的原因。

三、二號礦區(qū)開采礦坑涌水量預(yù)測

為了安全開采，對直接充水層來說，礦坑疏干排水最大水位降深（Smax）應(yīng)使地下水位降至巷道底板，取Smax=H（含水層水位）。

1.承壓水完整井大井法

采用公式：

公式中各參數(shù)的確定：Q為預(yù)測正常涌水量，單位m3/d；K為滲透系數(shù)，取 K=0.059 m/d；M為承壓含水層厚度，單位m，取50m；S為水位降深，單位m，開采中段為400中段-700中段，S分別取160m、260m、360m、460m；r0為折算的引用大井半徑，單位m。根據(jù)開采400中段-700中段中段范圍內(nèi)的礦體的面積換算分別得出，r0=530 m、583 m、641 m、679 m。（0.882、1.069、1.291、1.448；單位：Km2）；R為影響半徑，單位m。R=10S√K；R0為引用影響半徑，單位m。利用西哈脫公式，R0=r0+R

計(jì)算結(jié)果：300中段-700中段涌水量分別為：Q300中段正常=5906 m3/d；Q400中段正常=5392 m3/d；Q500中段正常=6566m3/d；Q600中段正常=7755m3/d；Q700中段正常=8764 m3/d；該區(qū)域開采至700中段時井下各中段正常涌水量合計(jì)：34384m3/d。

2.自2700勘探線——4260勘探線。根據(jù)目前700中段和西礦體300中段放水鉆孔的單孔涌水量測量數(shù)據(jù)，劃分為不同區(qū)域，以每間隔60m/1個鉆孔進(jìn)行估算涌水量如下：2700線——3360線，11個鉆孔，單孔涌水量按633 m3/d；3360線——4080線，12個鉆孔，單孔涌水量按400 m3/d；4080線——4260線，3個鉆孔，單孔涌水量按230 m3/d；

700中段涌水量估算為：Q0=633*11+400*12+230*3=12453 m3/d。（初始最大涌水量）根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示鉆孔涌水量穩(wěn)定后為初始涌水量的0.708，所以700中段穩(wěn)定涌水量為Q0*0.708=8822 m3/d。

3.降落漏斗法推測涌水量

將西礦體300中段看做一口大井，降落漏斗視為該井排水造成的，現(xiàn)假設(shè)這口大井降深與涌水量的關(guān)系式為：

α為區(qū)域單位降深值，即大井涌水1000m3/d時的降深值，根據(jù)西礦體涌水情況取Q=4000m3/d，S=300m，求的α=75

Q=40S/3

計(jì)算結(jié)果：300中段-700中段涌水量分別為：Q400中段正常=5333 m3/d；Q500中段正常=6667m3/d；Q600中段正常=8000m3/d；Q700中段正常=9333 m3/d

該區(qū)域開采至700中段時，井下各中段正常涌水量合計(jì)：33333m3/d，與承壓大井法結(jié)果比較，誤差率為：（34384-33333）/33333*100%=3.2%

另外：考慮采礦作業(yè)揭露不明構(gòu)造導(dǎo)水形成突水，按2000 m3/d -3000 m3/d估算；地表鉆孔封孔不嚴(yán)情況下導(dǎo)水，開采區(qū)域共計(jì)有35個孔深達(dá)300中段以下的鉆孔，按鉆孔數(shù)的一半，每個孔200 m3/d計(jì)算，預(yù)計(jì)涌水量：35*50%*200=3500m3/d；前面通過對一號、二號礦體井下涌水量統(tǒng)計(jì)，涌水量與雨季降雨有正相關(guān)關(guān)系，涌水量峰值多出現(xiàn)較雨季滯后1～2個月。每年雨季一般持續(xù)5個月左右（11月～次年3月）。

降雨入滲補(bǔ)給量，按照降雨入滲公式：

α：降雨入滲系數(shù)0.3；H：多年平均降雨量 1.141m；Hmax：最大年降雨量1.194m；Hd：日極端降雨量0.379m；Q：降雨入滲量m3/d

綜合上述，西礦體開采至700中段時正常涌水量約為：33000 m3/d-34000 m3/d

最大涌水量合計(jì)：3000（構(gòu)造）+3500（鉆孔導(dǎo)水）+34000（正常）+2519 （ 降雨）≈43000（m3/d）。

四、二號礦區(qū)深部開采礦坑涌水量預(yù)測

1.參數(shù)選擇及模型建立

利用最靠近二號礦區(qū)中央的長期觀測孔B1的水位觀測數(shù)據(jù)和二號礦區(qū)井下各中段涌水量長期觀測數(shù)據(jù)（見表4）來進(jìn)行預(yù)測。

2011年-2013年三個實(shí)測井下各中段涌水量數(shù)據(jù)系列進(jìn)行均衡性比較，采用對數(shù)變異指標(biāo)-極差系數(shù)比較各年度井下中段涌水量平均值，取極差系數(shù)相對較?。磾?shù)據(jù)平均值代表性相對較大）的2012年和2013年的井下中段涌水量平均值參與模型計(jì)算。與此對應(yīng)采用2012年和2013年的B1的水位觀測數(shù)據(jù)平均值。得出近似二號礦區(qū)中心的Q=f（S）曲線（見圖2）。

利用Q=f（S）曲線外推法（一元相關(guān)分析法）進(jìn)行涌水量預(yù)測。先用曲度法判別曲線類型：，計(jì)算可知n=1.27>1可知Q=f（S）曲線為冪曲線型，符合冪函數(shù)曲線方程：。

2.模型計(jì)算結(jié)果

最小二乘法計(jì)算出參數(shù)：a=122.19，b=1.27，擬合結(jié)果為：。

3.涌水量預(yù)測

該模型預(yù)測二號礦區(qū)開采至500m水平的涌水量為13423m3/d，最大涌水量類比一號礦區(qū)為30000m3/d；開采至700m水平的涌水量為18721m3/d，最大涌水量類比一號礦區(qū)為40000m3/d。

4.涌水量預(yù)測結(jié)果評價

主、二號礦區(qū)降落漏斗圖顯示，礦坑排水導(dǎo)致主、二號礦區(qū)水位產(chǎn)生了不同程度的下降，說明主、二號礦區(qū)存在一定水力聯(lián)系。二號礦區(qū)漏斗形態(tài)較緩，推測主、二號礦區(qū)之間的古基底隆起對主、二號礦區(qū)的含水層有一定隔斷作用。實(shí)際水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件調(diào)查顯示，二號礦區(qū)的礦體含水層富水性弱于一號礦區(qū)，礦體圍巖質(zhì)量和穩(wěn)定性好于一號礦區(qū)。所以二號礦區(qū)的實(shí)際涌水量可能會小于預(yù)測值。

礦床上部地下水及地表水隨著礦山開采對構(gòu)造的揭露和對原巖產(chǎn)生破壞，封閉較差的老鉆孔也會成為構(gòu)造裂隙的導(dǎo)水通道，使得實(shí)際涌水量比預(yù)測涌水量大，另外排水疏干方式的不同，相應(yīng)時期的實(shí)際涌水量與預(yù)測值會有差異。

五.結(jié)論

1.本次計(jì)算的主、西礦體聯(lián)合開采井下涌水量結(jié)果

a.主礦體（2700線以東），當(dāng)西礦體開采至700中段時，井下各中段涌水量總計(jì)為： 49000 m3/d—70000m3/d。

500 中段：10000 m3/d ～ 13000 m3/d

700 中段：15000 m3/d ～ 20000 m3/d

878 中段：16000 m3/d ～ 30000 m3/d

b.西礦體（2700線-4200線），開采至

500 中段時，井下涌水量為8100 m3/d ～10500 m3/d；最大涌水量17000 m3/d。

700 中段時，井下涌水量為21800 m3/d ～25200 m3/d；最大涌水量32000 m3/d。

井下各中段涌水量總計(jì)為：34000 m3/d～43000m3/d。

2.本次涌水量預(yù)測是基于現(xiàn)有水文地質(zhì)資料。將礦山區(qū)域含水層視為統(tǒng)一均勻含水層，采用理想狀態(tài)模式無限邊界穩(wěn)定承壓水大井法進(jìn)行的簡化礦坑涌水量計(jì)算。

3.本次涌水量計(jì)算，采用承壓水大井法。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查，謙比希礦一號、二號礦區(qū)礦坑涌水，實(shí)際上是地表潛水和深部承壓水對礦床聯(lián)合充水的結(jié)果。特別是在400中段以上，地表潛水與深部承壓水通過滲流和越流方式相互補(bǔ)充，有密切的水力聯(lián)系。西礦體氧化礦的分布特征就是對這一論證的合理解釋。

4.含水層厚度（M）和滲透系數(shù)（K），分別采用以往區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析對比后選取的。因此，預(yù)測區(qū)域的真實(shí)的含水層厚度和滲透系數(shù)可能與選取數(shù)值有一定偏差。另外，相關(guān)分析預(yù)測流量是建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，在注重數(shù)據(jù)的代表性和獨(dú)立性同時，只能盡可能地選取有代表性的實(shí)測數(shù)據(jù)。該方法外推范圍有限，更深部的預(yù)測結(jié)果只可用來做定性分析。

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