礦山涌水量預(yù)測探討
——以某鐵礦為例

程梅，張靜，向陽，楊利均，林紅梅

(1.四川省儀隴縣環(huán)境監(jiān)測站， 四川南充 637600；2.四川農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院， 四川成都 611130；3.四川景星環(huán)境科技有限公司， 四川成都 611130)

地下水的概念在不同領(lǐng)域具有一定的爭議。地下水指的是賦存于地面以下巖石空隙中的水，狹義上它是指地下水位線以下飽和含水層中的水［1］。國家標準《水文地質(zhì)術(shù)語》（GB/T14157-93）中對地下水的定義是指埋藏在地表以下的各種形式的重力水［2］。地下水是我國的重要供水水源，直接或間接維持著全國近70%的生活飲用水，40%的農(nóng)田灌溉用水，它在保證居民生活用水、社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境平衡等各個方面，都起著不可替代的作用［3］。

金屬市場作為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要風向標，直接決定了國家工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。通過礦山開采將地下的礦產(chǎn)資源挖掘出來，并經(jīng)過洗選、精煉等過程，最終將其產(chǎn)品金屬用于其他各個行業(yè)［4］。然而，礦山開采在供給工業(yè)產(chǎn)品的同時，伴隨著大量的環(huán)境問題，例如：采礦廢石丟棄、選礦尾渣的堆存、礦山涌水排放等。我國西部作為主要的礦業(yè)貯備區(qū)域，礦區(qū)往往位于高山峽谷地帶，礦區(qū)附近的河流通常按照地表水II類水質(zhì)目標管理，區(qū)內(nèi)禁止設(shè)置排污口［5-7］。而礦山建設(shè)過程中涌水的產(chǎn)生量及消耗量將直接決定了礦山能否開采。

因此，通過水文地質(zhì)方法或數(shù)值方法，探討礦山開采各個階段的涌水量，判斷礦山開采過程中是否需要排水，或設(shè)置合理的開采方案，盡可能的減少多余礦山涌水對地表水環(huán)境的影響具有重要的意義［8］。本文以我國西部某省的鐵礦為例，通過數(shù)值法探討各個開采階段過程中涌水量的產(chǎn)生和使用，盡可能實現(xiàn)礦山清污分流，減少涌水、污水產(chǎn)生量，實現(xiàn)礦山開采與地下水資源保護、地表水環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究區(qū)域概況

1.1 礦區(qū)概況

本文以西藏某鐵礦為例，礦區(qū)位于西藏高原岡底斯-念青唐古拉山脈南麓，海拔高度5100m以上，平均海拔高度5240m，系雅魯藏布江中游河谷區(qū)，該區(qū)域地貌屬岡底斯-念青唐古拉山脈以南喜山以北地區(qū)的雅魯藏布江中游河谷區(qū)。礦山采用露天采礦方式，開采礦體由3個區(qū)塊構(gòu)成（記為IIc-1、IIc-2及IIc-3），礦區(qū)面積約8.9985km2，開采年限為19年。

開采過程中，將Ⅱc-1礦體、Ⅱc-2礦體所在區(qū)域建立1號露天采坑，Ⅱc-3礦體所在區(qū)域建立2號露天采坑，分區(qū)域依次對地下的Ⅱc-1礦體、Ⅱc-2礦體、Ⅱc-3礦體進行開采，以控制礦區(qū)涌水量。

其中1號露天采坑平均標高5222m，5200m標高以上基本為地表剝離，長250m、寬220m、面積0.055km2；2號露天采坑平均標高5180m，長300m、寬220m、面積0.06km2，兩個露天采坑的總面積0.115km2。

礦區(qū)礦體及采坑分布詳見下圖所示。

圖1 礦區(qū)一覽圖

1.2 礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)內(nèi)分布地層簡單，主要出露白堊系塔克那組（K1t)，廣泛分布于礦區(qū)內(nèi)。第四系僅分布于斜坡坡麓等局部地區(qū)。地層總體走向大致是近東西向；傾向北西，傾角在30°～60°之間。區(qū)域的構(gòu)造發(fā)育，主要是斷裂構(gòu)造，按方向分為東西向、南北、北東以及北西向斷裂。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，主要分布在礦區(qū)西部及南部，呈巖基產(chǎn)出。

礦區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)巖組主要為第四系松散巖組、角巖巖組、碳酸鹽巖組、巖漿巖巖組。礦區(qū)巖（礦）層以堅硬巖組為主，局部破碎帶地段富水性中等，礦體頂?shù)装鍨榛規(guī)r、矽卡巖，巖石堅硬，穩(wěn)定性好。

1.3 礦區(qū)水文

礦區(qū)處于弄勒溝與納普溝的分水嶺-他自拉東部，海拔4900 m～5300m，為極高山地帶。礦區(qū)北至弄勒溝源頭，南到納普溝上游為界，東至納普溝支溝為界，西到他自拉一帶，其中礦區(qū)他自拉山體為弄勒溝與納普溝的Ⅲ級分水嶺，未形成一個涵蓋整個礦區(qū)的完整水文地質(zhì)單元。

礦區(qū)的地形坡度大，切割較強烈，溝谷發(fā)育密集并且縱坡降大，主要是以基巖裂隙水為主，地下水與地表水分水嶺基本一致，礦床地下水受大氣降水、冰雪融水、季節(jié)性泉水、溪流地表水，沿第四系孔隙、基巖裂隙入滲補給，地下水徑流途徑短，分散排泄，溝谷為其主要排泄區(qū)，水文地質(zhì)條件簡單。

1.4 礦區(qū)含（隔）水層

礦區(qū)出露地層為白堊系典中組、白堊系塔克那組、喜山晚期黑云母二長花崗巖和第四系。雖然其下伏新近系（喜山晚期黑云母二長花崗巖）風化程度中等，為一相對隔水層，為上伏第四系構(gòu)成儲水條件。但是地表第四系，其厚度為3.25 m～14.76m，以砂土、礫石為主，孔徑大，厚度較小，加上區(qū)域坡降大，使得第四系富水程度弱，不能構(gòu)成完整含水層。

中生代白堊系塔克那組，其巖性為灰?guī)r夾粉砂質(zhì)板巖、粉砂巖，孔隙較新近系喜山晚期黑云母二長花崗巖大，通過水文地質(zhì)勘查，該層為礦區(qū)的主要含水層，其分水嶺以下露頭接受大氣降雨補給。上伏的新近系喜山晚期黑云母二長花崗巖為其隔水頂板，下伏的白堊系典中組玄武巖、安山巖、英安巖、火山角礫巖和凝灰?guī)r為其隔水底板。

綜上所述，根據(jù)礦區(qū)的地下水賦存條件、水理性質(zhì)以及水力特征，其地下水可以分為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水兩類。

1.5 礦區(qū)地下水

礦山地帶地下水類型有兩種：分別為分布于山體白堊系塔克那組的基巖裂隙水和分布于溝谷地帶的第四系孔隙水。

①基巖裂隙水：在礦體的露采過程中，基巖裂隙水通過側(cè)向排泄和坑底溢出，直接滲入到露采礦坑內(nèi)，地下水成為礦床充水的主要來源；礦區(qū)斷裂構(gòu)造遠離礦體，因此，斷裂構(gòu)造帶地下水對礦床開采并無大的影響；大氣降水(包括降雪融雪入滲)成為礦床充水的另一來源，礦區(qū)降水量不大，年降雨量約350mm，7～9月為雨季，礦體直接頂?shù)装鍑鷰r的張裂隙大部分為泥質(zhì)充填，降水入滲和暴雨沿巖石裂隙灌入對礦床充水影響較小。

②第四系孔隙水：礦區(qū)地下水主要以降雨和降雪融化入滲補給為主，本區(qū)年降雨量約350mm，礦區(qū)內(nèi)第四系松散堆積物孔隙和基巖表面風化張裂隙發(fā)育，使巖石有利于接受降雨入滲的補給。礦區(qū)內(nèi)巖層裂隙、節(jié)理發(fā)育，使巖石有利于接受降雨入滲的補給。

1.6 開采計劃

該鐵礦礦區(qū)藏有Ⅱc-1礦體、Ⅱc-2礦體、Ⅱc-3礦體，礦區(qū)經(jīng)1年基建期后，以每年10萬噸的礦產(chǎn)資源開發(fā)速度開始對礦區(qū)地下鐵礦資源進行開采，開采過程中優(yōu)先開采1號露天采區(qū)的Ⅱc-1礦體，其次再對1號露天采區(qū)的Ⅱc-2礦體進行開采，最后再開采2號露天采區(qū)的Ⅱc-3礦體。具體采區(qū)計劃如下表所示。

表1 開采計劃一覽表

2 礦坑涌水量預(yù)測方法及參數(shù)

2.1 礦坑涌水量預(yù)測方法

如果把礦井整個井巷系統(tǒng)看成為一個具有等效面積的大井，那么流入大井的水量就相當于流入整個井巷系統(tǒng)的水量。利用該方法預(yù)測礦井涌水量被稱為“大井法”［9］。本次研究采用潛水完整井穩(wěn)定流襲布依公式對潛水井的涌水量進行預(yù)測，

上式中，

Q表示礦井涌水量，m3/d；

K表示含水層滲透系數(shù)，m3/d；

H表示水頭高度，m；

S表示水位降深，m；

R表示礦坑的影響半徑，m；

r表示大井的引用半徑，m。

2.2 計算參數(shù)

（1）含水層滲透系數(shù)K：根據(jù)項目區(qū)的水文地質(zhì)報告，項目所涉及的含水層為白堊系塔克那組的基巖風化帶裂隙含水層組和基巖構(gòu)造裂隙脈狀水含水層，獲取的該巖組滲透系數(shù)介于1×10-9～6×10-6cms-1（8.64×10-7～5.184×10-3m/d），取最大的滲透系數(shù)5.184×10-3m/d。

（2）含水層厚度M：礦山本次露采所涉及IIc-1、IIc-2及IIc-3共三個礦脈，三個礦脈所在位置處的白堊系塔克那組的厚度在70m～90m之間。因此，取白堊系塔克那組潛水含水層的厚度為80m。

（3）平均水位降深S：礦山露天開采工程的地下水水位降深深度主要取決于項目開采進度，S為自然水位標高與工程即時開采標高之差。

（4）引用半徑r計算：本項目礦山近似為一個橢圓形，使用礦坑或井群引用半徑計算方法：長軸長為b1，短軸長為b2。引用半徑計算公式為：

（5）影響半徑R

根據(jù)《水文地質(zhì)手冊》，對于使用穩(wěn)定流襲布依公式預(yù)測礦坑影響半徑［11］：

在上式中：

R表示礦山的影響半徑，m；

S表示平均水位降深，m；

K表示滲透系數(shù)，m/d；

r表示礦井引用半徑，m。

3 涌水量預(yù)測結(jié)果與討論

3.1 涌水量預(yù)測結(jié)果

對礦井涌水量分區(qū)預(yù)測，依次預(yù)測1號、2號露天采坑的涌水量，預(yù)測過程中各項參數(shù)的具體數(shù)值及最后涌水量的預(yù)測結(jié)果如下：

（1）1號露天采坑涌水量預(yù)測

1號露天采區(qū)平均標高5222m，地下的Ⅱc-1礦體賦存標高5152m～5221m，深度69m，礦體共58.77噸，以每年10噸的速度進行開采，每年采深約11.7m；Ⅱc-2礦體賦存標高5142m～5213m，深度71m，礦體共49.18噸，以每年10噸的速度進行開采，每年采深約14.4m。

開采1號露天采礦的Ⅱc-1礦體時，涌水量預(yù)測各參數(shù)情況及涌水量預(yù)測結(jié)果如下表：

表2 涌水量預(yù)測結(jié)果及參數(shù)一覽表

開采完Ⅱc-1礦體后，隨即對1號露天采礦的Ⅱc-2礦體進行繼續(xù)開采，開采Ⅱc-2礦體時，涌水量預(yù)測各參數(shù)情況及涌水量預(yù)測結(jié)果見表3。

（2）2號露天采坑的Ⅱc-3礦體涌水量進行預(yù)測

2號露天采區(qū)平均標高5180m，地下的Ⅱc-3礦體賦存標高5019-5167m，深度148m，礦體共73.28噸，以每年10噸的速度進行開采，每年采深約20.2m。

開采2號露天采礦的Ⅱc-3礦體時，涌水量預(yù)測各參數(shù)情況及涌水量預(yù)測結(jié)果如下表：

表3 涌水量預(yù)測結(jié)果及參數(shù)一覽表

表4 涌水量預(yù)測結(jié)果及參數(shù)一覽表

3.2 討論

該鐵礦礦區(qū)分區(qū)域依次對1號露天采區(qū)的Ⅱc-1礦體、Ⅱc-2礦體，2號露天采區(qū)的Ⅱc-3礦體進行露天開采。在進行一年的基建期過后，于第二年至第七年對1號露天采區(qū)的Ⅱc-1礦體進行開采，此階段，礦井平均涌水量441.8m3/d ～510.1m3/d，經(jīng)沉淀池沉淀過后，其中一部分水用于場區(qū)灑水抑塵和綠化用水，約100m3/d，另一部分由于符合國家污水排放標準，直接排入當?shù)匚鬯芫W(wǎng)。隨后第八年至第十二年，對礦區(qū)1號露天采區(qū)的Ⅱc-2礦體進行開采，此時，開采Ⅱc-1礦體時遺留的礦洞，涌水量510.1m3/d，由于無工程擾動，屬于清水，可直接排放進入污水管網(wǎng)，開采Ⅱc-2礦體的礦洞涌水量455.3～512.4m3/d，經(jīng)沉淀池沉淀后，其中每天有100m3用于場區(qū)灑水抑塵和綠化用水，其余的水排入污水管網(wǎng)。在第13年開始，停止對1號露天采區(qū)的開采，1號礦區(qū)礦洞涌水量1022.5m3/d，直接排入污水管網(wǎng)。2號礦坑的礦洞涌水量512.6m3/d～644.5m3/d，并在第19年涌水量達到最大值，644.5m3/d。之后，在開采完礦區(qū)的Ⅱc-1礦體、Ⅱc-2礦體與Ⅱc-3礦體之后，對礦區(qū)進行閉坑處理，填埋礦洞，填埋好之后，將不再產(chǎn)生涌水。

4 結(jié)論與存在問題

4.1 結(jié)論

該鐵礦開采工程基建期預(yù)計一年，隨后開始正式開采，以每年10萬t的速度對礦區(qū)鐵礦資源進行開采，礦區(qū)鐵礦資源賦存與Ⅱc-1礦體、Ⅱc-2礦體與Ⅱc-3礦體之中，以Ⅱc-1礦體、Ⅱc-2礦體賦存區(qū)域為1號露天采區(qū)，以Ⅱc-3礦體賦存區(qū)域為2號露天采區(qū)進行分區(qū)分階段開采。礦區(qū)涌水量預(yù)測結(jié)果見下表。

表5 礦區(qū)涌水量預(yù)測結(jié)果一覽表

從第2年開始，對1號露天采區(qū)的Ⅱc-1礦體進行開采，礦坑涌水量隨著開采深度的增加而增加，與第7年年底，開采完Ⅱc-1礦體時，涌水量達到最大，為510.1m3/d，即18.62萬m3/a；隨后，隨著工程進度的進行，在開采完Ⅱc-1礦體后，開始對1號采區(qū)的Ⅱc-2礦體進行開采，此時，涌水量一部分來自于開采Ⅱc-1礦體時產(chǎn)生的礦洞的涌水，涌水量為510.1m3/d，屬于清水，另一部分來自于開采Ⅱc-2礦體的礦洞涌水，為污水，隨工程進行，涌水量逐步增加，在第12年年底，此礦洞涌水量達到最大，為512.4m3/d。當1號露天采區(qū)的Ⅱc-1礦體、Ⅱc-2礦體均被開采完畢之后，開始對2號露天采區(qū)的Ⅱc-3礦體進行開采，此時，1號露天采區(qū)的日均涌水量為1022.5m3，屬清水，可直接排入城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)，2號露天采區(qū)涌水量在第19年，達到最大值，644.5m3/d，即23.52萬m3/d。

4.2 存在的問題

（1）在使用大井法對礦井涌水量進行預(yù)測時，由于將不規(guī)則的礦坑概化成一個規(guī)劃的幾何模型，存在的不可避免的誤差。

（2）在使用礦井長度、寬度等數(shù)據(jù)資料時，存在的不可避免的測量誤差，也會對最終的涌水量預(yù)測結(jié)果精度造成一定的影響。

（3）礦坑涌水量影響因素較多，雖然區(qū)域降水量不大，礦體直接頂?shù)装鍑鷰r的張裂隙大部分為泥質(zhì)充填，降水入滲和暴雨沿巖石裂隙灌入對礦床充水影響較小，但仍然會對礦區(qū)地下水涌水量造成影響。