上窩石灰?guī)r礦礦坑涌水量預(yù)測方法對比分析

李 珊

（廣東省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊，廣東惠州516000）

1 概述

上窩石灰?guī)r礦位于廣東省龍門縣城南部約28km處，資源儲量29274.74×104t，開采深度+231.4～-30m，礦山最終采坑面積約2.6011km2，開采深度至+10m時將形成采坑面積約1.27km2，自2009年5月投入生產(chǎn)至今開采深度至+39.0m，已形成采坑面積約0.4km2。礦區(qū)地勢整體上東西兩側(cè)高、中間低，東西兩側(cè)有石炭系砂頁巖作為隔水邊界，其地下水徑流方向?yàn)橛赡舷虮?，礦區(qū)位于分水嶺的一側(cè)，屬地下水的徑流區(qū)[1-2]。

本文以廣東省龍門縣上窩石灰?guī)r礦礦坑涌水量預(yù)測為例，分別采用水文地質(zhì)比擬法和大井法對上窩石灰?guī)r礦礦坑涌水量進(jìn)行計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，最終確定涌水量大小和最佳涌水量計算方法，為礦山后續(xù)涌水量預(yù)測、準(zhǔn)確制定疏干排水設(shè)計方案及安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 含水層

礦區(qū)地下含水層共3層，分別為第四系松散堆積層、碎屑巖類和碳酸鹽巖類基巖含水層，其地下水類型及各含水巖組特征分述如下[1-2]：

（1）第四系松散堆積層：主要分布在礦區(qū)中部的巖溶盆地，厚度1.3～3.9m，盆地中部見不連續(xù)分布的含粘粒砂礫層，富水性中等，以孔隙潛水為主，接受大氣降水入滲補(bǔ)給、地表水滲漏補(bǔ)給以及周邊山地基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給；盆地邊緣多為粘性土或含砂礫粘性土，厚度1～15m，富水性差，屬于相對隔水層。

（2）碎屑巖類含水巖組：主要分布在礦區(qū)西部的測水組和東部的龍江組地層，多發(fā)育于淺部，以裂隙水為主，表層風(fēng)化裂隙較發(fā)育，主要賦存網(wǎng)狀裂隙水，下部為脈狀裂隙水，呈不連續(xù)分布。地下水多以下降泉形式出露于溝谷，據(jù)水文調(diào)查資料，東部龍江組地層地表出露泉的流量0.336～2.552L/s，平均1.307L/s，屬于弱—中等富水性含水層。

（3）碳酸鹽巖類含水巖組：主要分布在礦區(qū)中部石磴子組灰?guī)r、東部的劉家塘組泥灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，為裂隙巖溶水。地下水徑流模數(shù)為6.0～16.0L/（s·km2），大泉流量達(dá)28.30L/s，小泉流量小于10L/s，屬中等富水含水層。

2.2 隔水層

礦區(qū)為一個碳酸鹽巖類裂隙巖溶水文單元的一部分，東西兩側(cè)均分布有石炭系砂頁巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，隔水作用明顯，為礦區(qū)主要隔水邊界。礦區(qū)深部（標(biāo)高10m以下）發(fā)育的石磴子組灰?guī)r和劉家塘組泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，地層相對完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育，溶蝕、溶溝、溶洞也不發(fā)育，可視為礦區(qū)底部主要隔水層。

2.3 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

礦區(qū)各含水層主要補(bǔ)給來源為大氣降雨?，F(xiàn)階段，大氣降雨一部分經(jīng)由地表流入礦坑，另一部分向下入滲至各含水層。由于第四系粘性土層及砂巖地層透水性弱、富水性差，礦區(qū)地下水資源主要賦存在巖溶含水帶中，其地下水由地勢高向地勢低方向徑流，即在礦區(qū)內(nèi)東西兩側(cè)向中間、由南向北徑流。排泄方式為礦坑周邊向礦坑低洼處排泄，以及礦區(qū)地下水流場由南向北往下游排泄。

鑒于工廠式環(huán)保智能高效碎石制砂生產(chǎn)工藝在實(shí)行過程中不斷改進(jìn)，在改造現(xiàn)有生產(chǎn)工藝后，效果顯著，可以推廣應(yīng)用到全國和“一帶一路”工程，促進(jìn)砂石料行業(yè)的技術(shù)改造和轉(zhuǎn)型升級，更好地參與國家重點(diǎn)工程項目建設(shè)。更好地為國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展作貢獻(xiàn)。

2.4 礦區(qū)巖溶發(fā)育特征

礦區(qū)巖溶是下石炭統(tǒng)石磴子組石灰?guī)r，由于地下水的活動，沿節(jié)理、構(gòu)造裂隙滲透的地下水帶來的空氣中的CO2形成對石灰?guī)r或白云巖有溶解作用的HCO3-離子，在長期大量的溶解作用下，石灰?guī)r或白云巖接觸到此種溶液的部位不斷溶蝕，逐漸形成溶蝕凹槽、溶蝕溝及溶洞。

隨著礦山開采工作的開展，北側(cè)上部覆土剝離后石灰?guī)r呈竹筍狀出露，其基巖面起伏較大，為典型的溶蝕凹槽、溶蝕溝現(xiàn)象，表明礦區(qū)巖溶多發(fā)育于淺表地層。據(jù)鉆孔資料顯示，在72個控礦鉆孔中，有25個發(fā)現(xiàn)溶洞，占34.7%；72個鉆孔總進(jìn)尺約4518m，揭露溶洞總長度為180m，故平均巖溶率為3.98%；其中單個溶洞最大高度為16.7m，最小高度為0.25m，一般在0.5～3.0m之間。礦區(qū)溶洞充填方式有3種，分別為無充填、半充填及全充填，多半以半充填為主；充填物主要是砂礫、巖石碎塊及粘性土等。巖溶發(fā)育在垂直方向呈串珠狀分布，橫向上分布不連續(xù)，絕大多數(shù)溶洞發(fā)育于-20～100m范圍內(nèi)，約占95.7%；其中巖溶率最大的標(biāo)高范圍是40～60m，其值為36.92%。礦區(qū)垂向線性巖溶發(fā)育率統(tǒng)計直方圖如圖1所示。

3 礦坑涌水量預(yù)測

3.1 礦坑充水因素

圖1 礦區(qū)垂向線性巖溶發(fā)育率統(tǒng)計直方圖

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析，礦坑充水主要補(bǔ)給來源為大氣降雨，大氣降雨一部分經(jīng)由地表流入礦坑，另一部分向下入滲至各含水層。礦區(qū)東部在距離其邊界約50m處設(shè)置有排水溝，西部按現(xiàn)有的分水嶺匯水條件下，扣除礦坑面積，實(shí)際地表徑流面積較小，該部分水量很小，可以忽略不計。另一部分向下入滲至各含水層形成的地下水分為3種類型：第一類為第四系松散堆積層孔隙潛水，礦山開采時剝離了盆地中部富水性中等的含粘粒砂礫層，下游由南往北的主要補(bǔ)給被切斷，而盆地兩側(cè)是主要以粘性土為主的富水性差地段，因此該類水對礦床開采影響不大。第二類碎屑巖類基巖裂隙水主要發(fā)育于淺部，同時與未來開采形成的采坑間有厚約150m的劉家塘組泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r阻隔，不是采坑直接充水含水層，對礦床開采影響不大。第三類碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，碳酸鹽巖類石灰?guī)r地層的巖溶發(fā)育特征決定了礦坑涌水量的大小，為礦坑涌水的主要來源。

3.2 礦坑涌水量預(yù)測

通過對礦坑充水因素的分析，確定碳酸鹽類（石灰?guī)r）裂隙巖溶水為礦坑主要充水因素，分別采用水文地質(zhì)比擬法和大井法對上窩石灰?guī)r礦礦坑開采深度至+10m時進(jìn)行涌水量計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，確定最佳涌水量預(yù)測計算方法。

3.2.1 水文地質(zhì)比擬法

水文地質(zhì)比擬法是以相似比擬理論為基礎(chǔ)建立起來的，是利用已知的生產(chǎn)礦區(qū)的地下水和開采資料預(yù)測水文地質(zhì)條件相似的新勘探礦區(qū)涌水量的一種方法。該方法的前提是預(yù)測礦區(qū)的水文地質(zhì)條件與已開采礦區(qū)相似，但現(xiàn)實(shí)中水文地質(zhì)條件完全相似的2個礦區(qū)比較少見，加上開采條件的差異性，故該方法是一種近似的計算方法[6]。一般情況下，水文地質(zhì)比擬法適用于條件比較簡單、充水巖層的透水性比較均一的孔隙或裂隙充水礦床，并且主要表現(xiàn)在對已開采礦區(qū)深部水平和外圍礦段的涌水量預(yù)測，故本次采用此方法進(jìn)行涌水量預(yù)測。

該方法在涌水量預(yù)測過程中，需選取某個水文地質(zhì)指標(biāo)作為比擬因子進(jìn)行計算。本次選取富水系數(shù)作為比擬因子，富水系數(shù)為一定時期內(nèi)礦坑疏排水量與同期內(nèi)采坑面積之比，根據(jù)礦坑涌水量隨采坑面積的增大而增大為基礎(chǔ)進(jìn)行計算。計算公式如下：

式中：Q1——預(yù)測礦坑涌水量，m3/d；

KF——富水系數(shù)，為一定時期內(nèi)礦坑疏排水量Q0與同期內(nèi)采坑面積F0之比，m/d；

F——預(yù)測采坑面積，m2。

根據(jù)2015年上窩石灰?guī)r礦疏干排水資料統(tǒng)計，現(xiàn)階段礦坑疏排水量約為960m3/d，采坑面積約0.4×106m2，當(dāng)?shù)V坑開采深度至+10m時將形成采坑面積約1.27×106m2；將上述參數(shù)代入計算公式中得出礦坑預(yù)測涌水量Q1=3048m3/d。

3.2.2 大井法

大井法是解析法的一種，通過將礦坑水文地質(zhì)條件概化成均值、等厚的含水層，再利用裘布依計算公式進(jìn)行求解預(yù)測礦坑涌水量[4]。礦區(qū)內(nèi)地下含水層呈條帶狀南北向分布，東西兩側(cè)砂頁巖作為隔水邊界，礦坑涌水量預(yù)測的范圍位于礦區(qū)中部巖溶含水層，在空間中可視為巖溶、裂隙發(fā)育程度基本一致的均質(zhì)含水巖體，當(dāng)?shù)V坑開采深度至+10m以下巖層時，可視為隔水層。故計算公式如下：

式中：Q2——礦坑涌水量，m3/d；

K——滲透系數(shù)，m/d；

H——含水層厚度，m；

S——地下水位降深，m；

r——礦坑面積等效半徑，r=0.565，m；

F——礦坑面積，m2；

b——礦坑中心至補(bǔ)給邊界的距離，m。

根據(jù)以往施工的水文孔Y2抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示，滲透系數(shù)K=0.3m/d，含水層厚度H=50m，地下水位降深S=57m（地下水位標(biāo)高為+67m，標(biāo)高+10m以下視為隔水層），未來礦坑面積F=1.27×106m2；礦坑中心至補(bǔ)給邊界的距離在圖中量取，b≈532m。將以上參數(shù)代入到計算公式中，得出礦坑預(yù)測涌水量計算結(jié)果Q2=4496.7m3/d。

3.3 礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果對比分析

利用上述2種方法對礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果為：采用水文地質(zhì)比擬法計算結(jié)果Q1=3048m3/d，采用大井法計算結(jié)果Q2=4496.7m3/d。通過對礦區(qū)水文地質(zhì)特征及充水因素的分析，礦區(qū)含水層充水主要補(bǔ)給來源為大氣降雨，根據(jù)水平衡原理，從長期來看，礦區(qū)涌水量應(yīng)等于大氣降雨量減去蒸發(fā)量并扣除該地區(qū)地下儲水量，故礦坑涌水量應(yīng)略小于當(dāng)?shù)仄骄涤暄a(bǔ)給量。

依據(jù)礦區(qū)所在地廣東省龍門縣氣象觀測站資料（1954～2014年），當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅繛?156.4mm，年平均蒸發(fā)量為1394.3mm，通過計算礦坑面積1.27km2范圍內(nèi)的平均降雨補(bǔ)給量約為5007.55m3/d（入滲系數(shù)取值0.5，蒸發(fā)系數(shù)取值0.6）。該值略大于利用大井法預(yù)測礦坑涌水量計算結(jié)果4496.70m3/d，數(shù)據(jù)較吻合，準(zhǔn)確性高，表明采用大井法預(yù)測上窩石灰?guī)r礦礦坑涌水量更加符合實(shí)際情況。

4 結(jié)論

礦坑涌水量預(yù)測計算方法很多，但要確保礦坑涌水量預(yù)測的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵在于查明礦區(qū)水文地質(zhì)特征及邊界條件，查明礦坑充水因素，獲得準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，并選擇合適的計算方法。本文通過采用水文地質(zhì)比擬法和大井法分別對上窩石灰?guī)r礦礦坑進(jìn)行了涌水量預(yù)測，并對2種計算結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對比，結(jié)果表明利用大井法預(yù)測上窩石灰?guī)r礦礦坑涌水量更加符合實(shí)際情況，當(dāng)?shù)V坑開采深度至+10m時其涌水量約為4496.70m3/d，這為礦山后續(xù)涌水量預(yù)測、準(zhǔn)確制定疏干排水設(shè)計方案及安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李珊，等.廣東省龍門縣龍江鎮(zhèn)上窩礦區(qū)水泥用石灰?guī)r礦水文地質(zhì)勘查報告[R].廣東省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊,2015.

[2] 薛淑萍.上窩石灰?guī)r礦區(qū)水文地質(zhì)特征的分析[J].西部探礦工程,2017,29(5)：149-150，154.

[3] 李偉銘.塔源二支線礦坑涌水量預(yù)測[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2011,27(3)：26-30.

[4] 傅大慶.大井法及水文地質(zhì)比擬法在某礦山礦坑涌水量預(yù)測中的應(yīng)用對比[J].西部探礦工程,2016,28(1)：139-141.

[5] 邱文才,劉旭文,鐘志芳.中洞石灰?guī)r礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測方法[J].西部探礦工程,2006(10)：152-153.

[6] 郭昂青.陜西省鎮(zhèn)安縣東溝金礦生產(chǎn)坑道系統(tǒng)涌水量預(yù)測方法對比[J].地質(zhì)與資源,2012,21(6)：563-565.