水文地質觀測資料在礦坑涌水量預測中的應用

曲偉勛,王旭明,邵明明,陳兵宇

(山東黃金集團三山島金礦, 山東萊州市 261442)

水文地質觀測資料在礦坑涌水量預測中的應用

曲偉勛,王旭明,邵明明,陳兵宇

(山東黃金集團三山島金礦, 山東萊州市 261442)

山東黃金集團三山島金礦是我國典型的裂隙充水礦床,礦體離海最近部位僅 100余米,全部埋藏在海平面以下,礦區構造裂隙較為發育,富含構造裂隙水。根據三山島金礦深部中段的水文地質編錄資料以及涌水點監測數據,確定了深部礦坑的充水條件、充水通道,運用解析大井法,根據實測數據確定了各項參數值,對礦坑深部中段涌水量進行了預測,為礦山深部中段的疏干設計提供了依據。從而保證了礦工的人身安全及礦山的安全生產,為瀕海礦山開采提供了寶貴的實踐經驗,具有重要的現實意義。

三山島金礦;水文地質;解析大井法;礦坑涌水量預測

礦坑涌水量是礦山制定疏干排水設計的主要依據,是評價礦坑充水條件復雜程度的主要標志。做好礦坑涌水量的預測工作,對保證礦工的人身安全及礦山的安全生產十分重要。

地下開采一般要求預測各開采水平坑道涌水量及全礦最大涌水量,而正確預測礦坑涌水量,首先要求正確分析礦坑充水條件,合理選用計算參數,在詳盡查明礦坑充水因素及獲得可靠計算參數的基礎上,根據礦床開采設計,選擇相應的公式進行計算[1]。不論選用什么計算方法,如果充水條件分析不正確或者選用計算參數原始數據有誤,都無法保證涌水量的預測精度,甚至有可能導致嚴重錯誤[2]。本文利用原始水文地質觀測資料,正確分析礦床深部的水文地質條件,利用實際觀測數據確定了大井法預測計算所需的各項參數,較為準確地預測了深部中段的正常最大涌水量。

1 礦區自然地理概況[3]

山東黃金集團三山島金礦位于山東省萊州市三山島特別工業區,該區為新建的萊州港所在地,南距萊州市 27 km,東距招遠市區 45 km。文 (登)-三(山島)公路 (304省道)由礦區向東 16 km與煙(臺 )-濰 (坊 )公路 (206國道 )相接,再向東 10 km入剛修建的威 (海)-烏 (海)高速公路;正在建設的黃 (驊)—煙 (臺)鐵路從礦區東側 8 km處通過,交通極為方便。

礦區位于向萊州灣突出的小半島—三山島,三面環海,僅南東方向與陸地相連。礦區地表水體有渤海和王河,礦體北部距海約 100 m,西部距海 400～600 m,南部伸入王河之下,王河屬間歇性河流,礦區南部為王河入海口。

2 前人工作概況

礦區位于區域水文地質單元地下水的徑流排泄區。礦區三面瀕臨渤海,僅南東方向與陸地相連。由于其特殊的地理位置,同時基建時期多次發生突水事故,并導致工期延誤,礦山及主管部門高度重視,自 1989年 1月至 2003年底 2次同長沙礦山研究院合作,開展防治水科研攻關。第一期科研為國家“八五”重點科技攻關項目。隨著礦山深部開拓的進展,深部水文地質條件發生了一定的變化,隨后礦山防治水項目又被列入 2001年山東省科學技術發展計劃。

經過 2次科研攻關,基本查清了礦床的水文地質條件。三山島金礦為裂隙充水礦床,除第四系含水層外,礦區主要的裂隙含水層 (帶)有 F3斷裂含水帶 (Ⅰ)、F1上盤裂隙含水巖體 (Ⅱ)和 F1下盤構造裂隙含水帶 (Ⅲ)。礦坑充水水源主要是海水和封存鹵水,進水通道為 F3斷裂及其北部的一系列斷裂構造,是水文地質條件中等復雜的構造裂隙充水礦床[4]。

但是隨著礦山深部開拓中段的揭露,加上礦山四期深部開拓方案的改變,疏干范圍發生了變化,礦坑涌水量也會相應發生變化,礦區存在涌、突水,甚至海水潰入的潛在危險。因此需對深部礦坑的水文地質條件進行調查,對礦坑深部中段的涌水量進行預測。

3 深部中段地質條件分析

3.1 流量動態分析

坑內地下水流量沒有日、月間的周期性變化,季節性變化也很小,流量動態類型為開拓階段的人為干擾型和開拓結束后的自然衰減型。根據萊州氣象臺提供的 2007和 2008年降雨量數據,與礦山同年礦坑總排水量統計資料兩相對比 (見圖1),可以看出地表降雨量對于地下水流量影響很小,這也說明了降水對Ⅰ、Ⅲ含水帶的補給通道不暢,補給量非常有限。

圖1 2007和 2008年降雨量與礦山同年礦坑總排水量對比

在 -510 m中段平巷掘進時Ⅲ含水帶涌水量約為 70～80 m3/h,通過 -555 m中段 F3斷裂帶的放水疏干,涌水量銳減為 20 m3/h。這一規律表明,礦坑涌水中有相當的靜儲量,通常上部中段的涌水點都會隨下部中段的突水而逐漸干枯,只有極少數流量很小的涌水點能夠長期存在。根據對礦坑總涌水量的動態觀測,總涌水量與地下水位的降深有關,降深越大,總涌水量越大。礦坑總涌水量的動態與各主要涌水點的動態相類似,即基本上不受氣候因素的影響,其動態類型也與礦山所處的時期有關,可分為回采階段的平穩衰減型和基建階段的人為干擾型。

3.2 水質動態分析

根據水樣化學分析中的各項指標分析,礦化度M與 Cl-、、等離子濃度之間存在顯著的線性正相關,而與 pH值、HCO3-濃度呈線性負相關。坑內水水質變化特征可歸納為以下 2點:

(1)剛開拓時,坑內出水點以鹵水流量占多數,一般為礦化度大于 30 g/l的鹵水。當降落漏斗形成后,漏斗的北西側水質逐漸淡化,接近海水水質,并基本穩定,說明北西側的礦坑充水水源為海水。降落漏斗南東側最低高程的坑道仍主要排泄礦化度約28 g/l的鹵水,淡化不明顯直至干枯,即南東側的礦坑充水水源,絕大部分為鹵水;

(2)降落漏斗北西側的坑內鹽水的水質不隨季節變化,南東側的鹵水水質也無趨勢性的變化。

3.3 礦坑充水水源和通道

本礦礦坑涌水組成成分主要是海水和封存鹵水,此外還有少量的第四系地下水,通過 -510 m中段和 -555 m中段的取樣分析,水質與海水幾乎完全一致,說明這些部位的涌水直接來源于海水 (從出露位置看,這些部位處于地下水疏干漏斗的臨海一側)。由此可見,海水是本礦最主要的充水水源。

根據原始水文地質編錄和構造條件分析,礦區西部和南部的花崗巖體致密完整,是良好的隔水體,礦區東北部有 F1隔水斷裂的阻擋,海水難以進入下盤巖體,海水進入礦坑的通道只能是 F3斷裂破碎帶和其北部的一系列節理構造。通過編錄統計并繪制成節理走向玫瑰花圖 (見圖2～圖5),礦區內的導水節理主要為NW及近 EW走向的節理,兩組節理傾角均大于 75°。NW向節理走向 300°～330°,是礦區內最發育的一組導水節理;近 EW向節理走向50°～80°。這些節理無論縱向上還是橫向上都時而張開時而閉合,這就給地下水的存儲和運移提供了很好的條件。導水節理發育部位,即是地下水富集部位。在礦坑深部裂隙的發育具有明顯的分帶性,富水帶分為 4個區,即:F3斷裂以南至 1540線;F3斷裂帶;F3以北、2200線以南及 F2以東;2560線以北及 F2以東。

圖2 -510m中段南巷節理走向玫瑰花圖

圖3 -510m中段北巷節理走向玫瑰花圖

根據物探結果,渤海岸邊的海砂底部的粘性土隔水層不連續,因此海水可直接通過海砂滲入基巖裂隙,然后向礦區徑流。從 F3以北的涌水淡化速度較快可知,海水通過 NW向節理組進入礦坑是較直接和快捷的。海水補給基巖裂隙水的方式應該是以垂直滲漏為主,在海水到達基巖地下水面之前先要經過一段非飽水裂隙巖體。在這種補給方式下,海水的補給量便主要取決于巖層 (體)的透水性,與海水和基巖裂隙水的水頭差關系不大。正是這一原因,決定了本礦在疏干水位不斷下降的條件下,礦坑內海水的排泄量卻沒有明顯增大。

圖4 -555 m中段南巷節理走向玫瑰花圖

圖5 -555 m中段北巷節理走向玫瑰花圖

F3從礦區中部穿過后進入渤海,使海水沿 F3進入礦坑具備了基本的構造條件。但由于 F3在淺部或第四系底部隔水層的封閉條件,其導入海水的能力是有限的,這從 F3及其南部的水質淡化速度較慢、水溫較高也可以看出。通過十多年的疏干,上部中段的 F3斷裂帶已基本干枯也證實了此點。

3.4 地下水水力特征

根據十多年的長期觀測資料,在礦山基建階段,由于有部分地下水儲存量的釋放,礦坑涌水量和地下水位都處于非穩定狀態。進入回采階段后,便能趨于穩定。基建階段的礦坑總涌水量與掘進速度、注漿堵水的工程量和效果等因素有關 (亦即與開拓高差內地下水儲存量的釋放速度有關),從觀測到的涌水量數據看,如果對 F3及其北側的幾條大的斷裂作了有效的預注漿處理,掘進中坑內的總涌水量不會出現災害性的增大現象。因此,本次涌水量預測計算只需 (而且也只能)確定各疏干高程的礦坑穩定涌水量。

在天然狀態下,礦區 F1下盤的基巖裂隙水具有微承壓性質,但在礦床疏干后,大部分區域內的基巖地下水均處于無壓狀態,而 F1覆蓋下的深部和降落漏斗的邊緣還具有承壓性質。因此需要考慮承壓 -無壓混合流動的情況。

綜上所述,本次涌水量預測計算采用承壓 -無壓穩定流滲流模型。

4 涌水量預測

4.1 計算公式的選擇

涌水量預測計算方法有水文地質比擬法、涌水量曲線方程法、穩定流解析法和數值法。前 2種方法簡便易行,但僅適用于水文地質條件比較簡單的礦床,而數值法計算工作量巨大,必須借助計算機進行,它對工程控制的要求較高,僅用于工程控制程度較高的復雜大水礦床,再加上計算軟件還是比較昂貴的,經濟條件制約了該方法的應用。而解析法適用于任何類型的井巷和坑道系統,其方法是根據地下水動力學原理,用數學分析方法,對特定模式的地下水運動建立解析模型,達到預測礦坑涌水量的目的,具有對井巷類型適應能力強、快速、簡便、經濟等優點,是最常用的基本方法[1]。

根據上述分析決定采用解析法中的“大井”法,本次計算引用俅布依公式中承壓 -潛水完整井的涌水量計算公式[5]:

式中:Q——礦坑涌水量,m3/d;

K——滲透系數 ,m/d;

M——含水層厚度,m;

綜上，黃鐵礦與鉛鋅礦的極化率接近，變化范圍交叉，算數平均值低于鉛鋅礦，但黃鐵礦亦是近礦產物，對尋找鉛鋅礦有指示作用；鉛鋅礦石和強黃鐵礦化巖石具有明顯的低阻高極化特征，具備開展激電工作的物性前提。

H—水頭高度,m;

Ro——引用影響半徑,m;

r0—引用半徑,m。

4.2 模型計算參數的確定

(1)大井引用半徑 r0的確定,因為開采系統在地面的垂直投影為矩形,a、b為矩形的長、短邊的邊長,在水文地質平面圖中分別量取各中段 a、b的值,所以采用公式:

計算得出:-510 m中段 r0=179.05 m;-555 m中段 r0=136.025 m;-600 m中段 r0=87.225 m。

在預測 -645 m和 -690 m中段涌水量時,由于深部礦體形態規模和采準設計與 -510 m中段變化不大,所以計算時采用 -510 m中段 r0=179.05 m。

(3)含水層厚度M為從中間隔水帶底界至底板無水巖體頂界的垂直距離,按剖面及中段統計的平均真厚度,取為M=45 m。

(4)水頭高度 H為靜止水位標高與各預算中段的差。2009年 9月觀測的穩定水位為 -495 m,水頭高度 H即是穩定水位與各預算中段的差。

(5)滲透系數 K的確定根據 2009年 9月-510,-555,-600 m中段實測的礦坑涌水量 (見表1)和以上參數,利用公式 (1)反算求出,取其平均值。通過計算得出:K=0.0186 m/h。

表1 礦區各中段監測點流量匯總

具體參數見表2。

表2 坑道涌水量預測計算參數

4.3 涌水量預測計算

根據礦山的開采計劃,三山島礦區四期深部設計采用盲豎井輔助斜坡道聯合開拓,盲豎井為混合井,井深 542 m(-531～-1180 m),基建期輔助斜坡道從 -600 m中段到 -690 m中段,長度 705 m,由于盲豎井位于 1280線以南花崗巖強隔水帶,不作為疏干中心考慮,因此,只預測 -645 m和 -690 m中段的涌水量。

根據上面確定的計算公式 (1),將表2參數代入,通過計算得出 -645,-690 m中段穩定涌水量:

-645 m中段:Q=341.6 m3/h;

-690 m中段:Q=453.9 m3/h。

5 結論與建議

(1)本文通過對水文地質觀測資料的整理統計,分析了三山島金礦的深部水文地質條件,查清了礦坑充水水源和通道,并運用解析法根據實測涌水量確定了各項參數,進行了深部中段的正常最大涌水量預測計算。

(2)大井法作為地下水動力學方法,為理想化的模型,而礦床巖體構造裂隙發育的不均勻性,決定了礦區地下徑流強度的差異性,在計算過程中視為均質層計算求得滲透系數,影響了預算的精度,因此會出現預算結果與實際的偏差[6]。

(3)本次計算的結果為礦坑疏干期正常的最大涌水量,局部的水文地質變化無法預料,在坑道揭露時不可避免會有突水發生,因此建議深部開拓按 45 m高程依次延伸,在 F3及其以北強含水帶部位采取預注漿通過,以盡量避免局部淹井的危害。

[1]張本臣,劉喜信,孫傳斌.礦坑涌水量預測的影響因素分析[J].吉林地質,2006,25(1):58-61.

[2]王學杰.馬路坪礦段深部開采涌水量預測及防治研究[D].長沙:中南大學,2004.

[3]史維全,柳儼桓,金 剛,等.2006年資源儲量核實報告 [R].濟南:山東正元地質資源勘查有限責任公司,2006.

[4]黃樹勛,黃筱軍,鄭長成,等.三山島礦水文地質鑒定報告[R].長沙:長沙礦山研究院,2003.

[5]楊成田.專門水文地質學[M].北京:地質出版社,1981.

[6]馬洪超,林立新.大井法預測礦坑涌水量[J].采礦技術,2009,9(2):54-55,79.

2010-05-25)

曲偉勛 (1976-),男,山東萊州人,助理工程師,主要從事礦山地質現場管理工作,Email:ssdqwx@163.com。