2條平行隔水邊界干擾井礦坑涌水量預(yù)算方法
——以道真縣洛龍鋁土礦為例

2016-09-16 07:09:27侯江勇羅陽喬黃海韻

西部探礦工程 2016年6期

侯江勇，羅陽喬，黃海韻

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊，貴州貴陽550018）

侯江勇*，羅陽喬，黃海韻

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊，貴州貴陽550018）

通過對道真縣洛龍鋁土礦區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概述、分析，劃分了含、隔水巖組，明確了礦床主要充水含水層為二疊系中統(tǒng)棲霞、茅口組（P2q+m）。根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，建立了礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型，通過概念模型，建立了2條平行隔水邊界穩(wěn)定流干擾井計算數(shù)學(xué)模型，最后將各參數(shù)帶入數(shù)學(xué)模型預(yù)算出礦坑涌水量。

涌水量預(yù)算方法；2條平行隔水邊界；干擾井

礦區(qū)涌水量預(yù)算精確度的高低，直接影響到未來礦山的安全度及經(jīng)濟(jì)效益，一直以來，從事礦區(qū)水文地質(zhì)工作的工作者對礦區(qū)涌水量預(yù)算較為頭疼，預(yù)算出的礦坑涌水量與礦山開采后實際涌水量偏差相當(dāng)大，造成這種偏差實際上是預(yù)算時選則的預(yù)算方法不妥。采用大井法預(yù)算礦坑涌水量時，有部分礦區(qū)，在工具書、教課書上往往沒有適合該礦區(qū)條件現(xiàn)成的公式，只能自己推導(dǎo)。本人在預(yù)算道真縣洛龍鋁土礦礦坑涌水量時，在工具書、教課書、網(wǎng)上都無法找到適合該礦區(qū)邊界條件的預(yù)算公式，即2條平行隔水邊界的“穩(wěn)定流潛水完整干擾井”涌水量預(yù)算公式。本人采用2條平行隔水邊界單井涌水量預(yù)算公式，通過映射原理、疊加原理等推導(dǎo)出了2條平行隔水邊界的“穩(wěn)定流潛水完整干擾井”涌水量預(yù)算公式，解決了礦坑涌水量預(yù)算問題。

1　水文地質(zhì)概況

從區(qū)域上看，礦區(qū)位于芙蓉江流域大塘向斜水文地質(zhì)單元中段。礦區(qū)總體地勢北高南低，東西高、中間低，主干河流洛龍河從礦區(qū)中部穿過，洛龍河為當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面和集中排泄場所。出露的含水巖組有：三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）、二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P3w）、二疊系上統(tǒng)梁山—茅口組（P2l+q+m），出露的相對隔水巖組有：志留系下統(tǒng)韓家店群（S1Hj）、志留系下統(tǒng)石榴欄、龍馬溪組（S1l+sh）。區(qū)內(nèi)構(gòu)造中等發(fā)育，發(fā)育一大塘向斜匯水構(gòu)造，F(xiàn)1斷裂構(gòu)造，構(gòu)造線總體走向近南北向。見圖1。

礦區(qū)含礦層為二疊系下統(tǒng)大竹園組（P1d），礦層直接頂板為梁山—茅口組（P2l+q+m），間接頂板為吳家坪組（P3w）、夜郎組（T1y），頂板為碳酸鹽巖，遍布于整個礦區(qū)。直接頂板梁山—茅口組巖性主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r，底部為0.18～2.71m厚的炭質(zhì)粘土巖，該層總厚395.05～484.60m，巖溶管道較發(fā)育，含裂隙溶洞水及暗河水，富水性強(qiáng)，泉點流量為0.26～385.90L/s，在水文孔中對棲霞、茅口做混合抽水試驗，其單位涌水量平均值1.74L/（s·m），平均滲透系數(shù)（K）為0.396m/d，為礦坑直接充水含水層；間接頂板吳家坪組（P3w）、夜郎組（T1y）底部為2～5m厚的碎屑巖相對穩(wěn)定，起到一定的隔水作用，且離含礦層較遠(yuǎn)，對未來礦井充水可能性較小。直接底板主要為韓家店群（S1Hj），巖性為碎屑巖，厚度大于500m，含水性弱，透水性較差，為較穩(wěn)定的相對隔水層。

2　礦坑涌水量預(yù)算

2.1礦坑充水因素

未來礦坑的主要充水水源地表水主要為洛龍河河水，地下水主要為棲霞、茅口巖溶水；充水通道主要為溶洞、暗河、溶蝕裂隙等巖溶管道，頂板采動裂隙以及斷層；充水方式主要為頂板直接充水。

2.2礦坑涌水量預(yù)算

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，采用大井法預(yù)算未來礦井的正常涌水量和最大涌水量。經(jīng)勘查，所圈定的礦體為南北2個不相連的礦體，即Ⅰ號和Ⅱ號礦體，本次預(yù)算的礦坑涌水量，Ⅰ號礦體預(yù)算到資源量最低標(biāo)高+280m水平，Ⅱ號礦體預(yù)算到資源量最低標(biāo)高+430m水平。

圖1　水文地質(zhì)略圖

2.2.1礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型

（1）水文地質(zhì)邊界條件：

底板邊界：以韓家店群（S1Hj）隔水底板為界，礦層上覆直接巖溶充水層棲霞、茅口組（P2q+m）。

側(cè)向邊界：東西兩側(cè)以韓家店群（S1Hj）與棲霞組（P2q）地層界限為側(cè)向隔水邊界。南北為無限邊界。

（2）含水介質(zhì)特征：主要充水含水層為棲霞、茅口組（P2q+m）巖溶含水巖組，其含水介質(zhì)為構(gòu)造裂隙、層間裂隙、溶蝕裂隙組合巖型，含水性不均勻，其含水性可近視為各項同性。

（3）地下水動力類型：天然條件下地下水動力特征為潛水。

（4）地下水徑流場：礦區(qū)地下水的運動為有限含水層中潛水自然運動。但在開采條件下，其流速、運動方向、水位都會改變，但其運動仍為潛水運動。

（5）概念模型的確定：由于大井位于東西2條平行隔水邊界內(nèi)，未來開采條件下，2口大井將形成相互干擾，地下水的運動形成2平行隔水邊界附近地下水向積水構(gòu)筑物（礦井）的無壓運動。通過測量和計算（見圖2），礦坑離東西2條隔水邊界線的距離小于影響半徑的一半，根據(jù)邊界條件的概化，選擇平行帶狀2條隔水邊界的“穩(wěn)定流潛水完整干擾井”公式預(yù)算礦坑涌水量，見圖2。

圖2　概念模型圖

2.2.22條平行隔水邊界穩(wěn)定流干擾井計算數(shù)學(xué)模型

由于礦段內(nèi)充水含水層厚度大，而排水水位降深與含水層厚相差不大，因此，為簡便計算，可將含水系統(tǒng)近似地視為潛水水系統(tǒng)來處理。

對于潛水含水層降深（S）不是線性函數(shù)，不能進(jìn)行簡單的疊加，故有：

Δh2=H02-h2，令u=H02-h2，使u成為線性函數(shù)后再進(jìn)行疊加。采用2條平行隔水邊界單井涌水量預(yù)算公式進(jìn)行疊加

同理：

式中:R1、R2——Ⅰ、Ⅱ號礦體未來開采井影響半徑；

L——2條平行隔水邊界之間的垂直距離；

b——大井距西邊隔水邊界的距離；

r1、r7——Ⅰ、Ⅱ號礦體未來開采大井的半徑；

x——兩大井之間的距離；

Q1、Q2——Ⅰ、Ⅱ號礦體未來開采大井涌水量。

2.2.3計算參數(shù)取值

（1）滲透系數(shù)（K）：取鉆孔SZK52442抽水試驗成果平均數(shù)0.396m/d。

（2）潛水含水層厚度（H）：由23個鉆孔水位平均標(biāo)高（872.81m）與礦段內(nèi)含水層最低標(biāo)高之差確定，礦段內(nèi)含水層最低標(biāo)高為280m，由此可得含水層厚度H為592.81m。

圖3　礦坑涌水量預(yù)算平面圖

（3）排水降深（S）：由23個鉆孔水位平均標(biāo)高（872.81m）與礦體最低開采標(biāo)高確定，Ⅰ、Ⅱ號礦體最低開采標(biāo)高分別為+280m，+430m，由此得Ⅰ號礦體排水降深為592.81m、Ⅱ號礦體排水降深為442.81m。

（4）大井半徑（r）：將Ⅰ號礦體概化成不規(guī)則的圓形，由公式確定，公式中的F為未來開采區(qū)的面積；Ⅱ號礦體概化成橢圓形，由公式r7=d1+d2/4確定。d1、d2為橢圓形長軸、短軸的長，在礦坑涌水量圖（圖3）上量取。

Ⅱ號礦體：r7=d1+d2/4=1012m

（5）影響半徑（R）：

（6）引用影響半徑（R0）：

Ⅰ號礦體：R0=R+r0=15041m

Ⅱ號礦體：R0=R+r0=7797m

（7）大井中心點距西邊隔水直線邊界的垂直距離（b）：在礦坑涌水量圖（圖3）上量取，經(jīng)測量得b= 3622m。

（8）2條隔水直線邊界的垂直距離（L）：在礦坑涌水量圖（圖3）上量取得L=9298m。

（9）2大井之間的距離（x）：在礦坑涌水量圖（圖3）上量取得x=3750m。

2.2.4礦井涌水量預(yù)算結(jié)果

根據(jù)建立的數(shù)值模型和水文地質(zhì)參數(shù)，以Ⅰ號礦體最低開采標(biāo)高+280m水平之上，Ⅱ號礦體最低開采標(biāo)高+430m水平之上預(yù)算礦坑涌水量，將其各參數(shù)代入公式（1）、（2）聯(lián)立求解關(guān)于Q1、Q2的二元一次方程組，其計算結(jié)果見表1。