露天礦坑涌水量預測的應用

■曾向東 高會彬 楊福鵬

（遼寧省核工業地質局241大隊遼寧鳳城118100）

露天礦坑涌水量預測的應用

■曾向東 高會彬 楊福鵬

（遼寧省核工業地質局241大隊遼寧鳳城118100）

礦產資源開發和利用為國家經濟發展帶來了巨大的經濟效益和社會效益，同時礦山開采的安全性問題也日益突出顯現，尤其是礦山突水事故的頻繁發生，給國家和人民生命財產帶來巨大損失，因此，在對礦床勘查工作中，對礦床開采技術條件提出更加嚴格的要求，尤其是對礦床開采過程中礦坑涌量的預測要求更加規范、科學、準確、有效，能夠更好地指導礦山采礦中的給排水工作，減少和避免發生礦坑突發性涌水，導致淹礦災害的發生，更加科學、合理、有效地開發利用礦產資源，確保礦山生產安全起著至關重要的作用。本文以遼寧省某地一礦山勘查工作中有關開采技術條件中的礦坑涌水量預測為例，淺析露天礦坑涌水量預測的應用。

礦床開采技術條件 水文地質條件 礦床充水因素 礦坑涌水量預測

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-368-2

0 前言

隨著我國經濟和社會的高速發展和進步，國家對礦產資源的需求與日俱增，礦業開發為國家經濟發展帶來了巨大的經濟效益和社會效益。同時礦山開采的安全問題也日益突出顯現，尤其是礦山突水事故的頻繁發生，給國家和人民生命財產帶來巨大損失，因此，對礦床勘查有關開采技術條件中礦坑涌水量預測的科學有效性提出更加嚴格的要求，要能夠更好地指導礦山采礦中的給排水工作，減少和避免發生礦坑突發性涌水，導致淹礦災害的發生，確保礦山生產安全起著至關重要的作用。本文以遼寧省某地一礦山勘查工作中有關開采技術條件中的礦坑涌水量預測為例，淺析一下礦山開采技術條件中礦坑涌水量預測的應用。

1 水文地質條件

1.1 礦山概況

礦區地處千山山脈南麓低山丘陵區，屬構造侵蝕地貌。總體地勢東部高，西部低。區內地形標高一般在225m～300m之間，最高海拔高程為385m，最低海拔高程為210m，一般相對高差為75m，最大相對高差為175m。區域侵蝕基準面標高約為158m±，地形坡度平均約為23°，局部地帶較為陡峻。區內地表植被較發育，原始地貌保持較好，現有礦山露天開采區、渣石堆放區地形及植被破壞較大。

礦山目前主要采用露天采礦方式，礦區鐵礦體分布標高一般為100m～280m，最低標高為20m。由于礦區所處山溝中尾礦庫區的存在，抬高了礦區內的地下水位，使礦區最低侵蝕基準面標高抬高至195m±，使本區最低礦體標高低于侵蝕基準面約175m。

1.2 水文氣象

礦區氣候屬北溫帶濕潤區大陸性季風型氣候，中緯度東亞季風區，氣候溫暖，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季多雨，氣溫變化幅度大，每年七、八月份氣溫較高，一、二月份氣溫較低，最高氣溫可達37.3℃，最低氣溫可達-32.6℃，年平均氣溫8.2℃。結冰期為十一月至翌年三月，凍土層深度138mm，霜凍期206天。雨季降雨多集中在七、八月份，年最大降水量1692.3mm，最小降水量567.6mm，年平均降水量998.2mm，春秋季節少雨。

區內水系屬愛河水系上游支流，礦區內沒有大的地表水體通過，多為季節性山間溪流。礦區所處砬子溝匯水面積約為0.76km2，主溝坡度約9.15°，坡降約6.55‰。各山間溪流河水徑流量受季節性變化影響明顯，雨季徑流量明顯增大，旱季徑流量大減以致枯竭，礦區內地表及地下水多排入山間溪流河中，并沿山間溝谷或人工排水渠道經尾礦庫區向區外排泄或經人工排水管道向礦區外圍北部的曲大溝中排泄。礦區地下水主要靠大氣降水和融化雪水補給，地下水動態明顯受季節性制約，水量在枯水期及豐水期有明顯差異，地下水位隨季節變化變幅明顯，表現為氣象型特征，對礦區生產有一定影響。

1.3 礦區地下水類型及含水巖組的分布特征

礦區內地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和構造裂隙水。區內出露地層巖性主要有下遠古界遼河群里爾峪組中的各種變粒巖以及呂梁期、燕山期的各類斑巖、混合巖等和第四系松散堆積物。依據區內巖性特征及其賦水條件可劃分以下含水巖組：

1.3.1 第四系松散巖類孔隙含水巖組

1.3.1.1 全新統沖洪積孔隙含水巖組

主要分布于區內河谷地帶。物質組成為砂質粘土、粘質砂土、砂及礫卵石，厚度不等，富水性不均，為中等—強富水性。補給源主要為大氣降水，徑流條件較好，多以人工開采形式排泄或部分補給基巖裂隙水。

1.3.1.2 第四系上更新統殘坡積孔隙含水巖組

主要分布在山坡、山麓、溝谷地帶及巖石表層強風化帶中，物質組成為薄層亞砂土、亞粘土、砂礫石及風化碎石層等，厚度不均。含水層直接接受大氣降水滲入補給，通過地表徑流、下滲補給基巖裂隙、構造裂隙含水層排空，含水不均，富水性隨含水層結構、厚度、巖性等變化較大，水位標高受季節性降水量控制，為一中等富水性層位，此層水與基巖裂隙水聯系密切。

1.3.2 塊狀巖類裂隙含水巖組

大面積分布于區內遼河群里爾峪組中各種變粒巖及各類巖獎巖和脈巖中。巖石均含有微弱的風化裂隙水和弱的構造裂隙水，水量一般不大，如遇強含水構造破碎帶，地下水量可能增大。地下水補給來源主要為大氣降水下滲或接受區域性地下徑流補給，徑流條件較差，以地下徑流形式排泄為主。為微弱—弱富水性。

1.4 地下水的補徑排條件及含水巖組之間的水力聯系

區內地下水的補給、徑流、排泄主要受地形地貌、地層巖性、地質構造及水文氣象等因素綜合控制。礦區地形地勢有利于地下水的排泄。各含水層主要接受大氣降水的滲入補給，地下水動態變化嚴格受大氣降水的控制。

區內各含水巖組地下水均直接或間接接受大氣降水補給，大氣降水后，一部分水呈地表徑流匯入小溪注入主河道形成地表水體，另一部分水則通過植被根系或直接沿松散巖類孔隙、基巖裂隙、構造裂隙下滲，分別形成孔隙水、基巖裂隙水、構造裂隙水。各含水層之間相互連通、補給，存在一定程度的水力聯系，其間的徑流條件好壞與補給程度、巖石孔隙、基巖裂隙及深部構造裂隙的發育程度、破碎程度和充填物性質等有關。本區地下水徑流條件一般，主要以人工開采、地下徑流形式排泄為主，蒸發及植物蒸騰作用也是重要排泄途徑，各含水層（帶）之間存在一定程度的水力聯系。由于礦山地表及地下采礦多年，礦坑長年排水，因此區內地下水位有以礦區露天采坑及地下坑道系統為中心形成降落漏斗的趨勢。

2 礦床充水因素分析

區內地表基巖表面風化強烈，裂隙發育，透水性良好，直接受大氣降水和融化雪水補給，形成松散層類孔隙水，并沿孔隙、裂隙向下滲透補給基巖裂隙水、構造裂隙水，同時接受區外遠途側向地下徑流的遙補，并通過基巖裂隙、構造裂隙及斷裂破碎帶進入礦坑，因此，區內基巖裂隙水和構造裂隙水是礦床充水的主要因素之一，同時局部巖脈穿插及構造破碎形成的充水構造帶，也是礦床充水的主要因素之一。

礦區采礦多年，地表形成多處采坑，極易匯集地表及地下水，尤其雨季露天采坑匯聚大量大氣降水，加大地下水滲入補給量，同時區內探礦坑道亦是匯集地表及地下水的重要場所，并在坑內形成積水，加大地下水滲入補給量。因此，區內地表及地下的新老采礦工程匯水、積水也是礦床充水的主要因素之一。

礦區外圍建有一尾礦庫，庫中尾水及地表水徑流匯聚，將會使庫區及周邊地下水位抬高，改變區內地表及地下水的徑流條件，進一步加大區內地下水的滲入補給量，并可能通過基巖裂隙，構造裂隙及斷裂破碎帶進入礦坑，如地下開采突遇大的儲水構造，地下水會突入礦坑，因此，區內尾礦庫區匯水、積水也是礦床充水的主要因素之一。

3 預測礦坑涌水量

礦區含水層主要以基巖裂隙含水層為主，第四系松散層類孔隙水、構造裂隙水為輔，礦體及圍巖中的裂隙充水性不強，層間裂隙水微弱，礦體位于當地侵蝕基準面以上。礦體及圍巖均為屬非可溶性巖石，礦區內斷裂構造及脈巖較發育，構造及破碎帶容水性及充水性較強，施工過程中可能會出現大量滲水、滴水、淋水、涌水等現象。區內塊狀巖類裂隙含水巖組含水層主要分布在近地表10m～45m風化殼及其下部彼此貫通的區域性構造裂隙帶中，地下水埋深隨地形起伏而異，一般在5m～40m之間。區內塊狀巖類裂隙含水巖組單位涌水量q=0.0086～0.1080L/s.m，滲透系數K=0.0041～0.055m/d。礦坑涌水量預測應根據礦山開采方案及相應開拓工程的進展情況，并隨著對礦區水文地質條件認識的深化逐步地修正和完善。

式中：Q—預測礦坑的涌水量（m3/d）

Q1—大氣降水的影響量（m3/d）

Q2—地下水的涌水量（m3/d）

F1—為露天采坑面積（m2）

F2—扣除露天采坑面積后的大氣降水影響面積（m2）

W—歷年平均降水量（m）

α—大氣降水滲入系數

t—時間（d）

患者接受治療之前，FMA評分和BI評分沒有顯著差異，接受六個月的康復治療之后，相關患者的評分都有提升，康復組的提升幅度更高，和對照組情況對比，差異有統計學意義（P＜0.01）。見表1。

Kcp—平均滲透系數（m/d）。

H—含水層厚度（m）

S—露天采場中的水位降低（m）

r0—露天采場引用半徑（m）

R0—引用影響半徑（m）

計算參數的確定：

①露天采坑面積F1在經實地測量為F1=157963.03m2

②露天采礦坑降水影響范圍及邊界，以采坑所處小匯水盆地降水補給面積及地表分水嶺界線或溝谷為邊界，作為降水的影響范圍，露天采坑所處區域降水補給面積約為763934.99m2，則扣除露采坑面積后的大氣降水影響面積為：

F2=763934.99-157963.03=605971.96m2。

③大氣降水量W為歷年平均降水量998.20mm（0.9982m）。

④泉水歷年平均徑流量約為 40150m3，補給面積為763934.99m2，由泉水歷年平均徑流量與補給面積和歷年平均降水量的積相比，求得大氣降水滲入系數α=0.05265。

⑤時間t按年365天計算。

⑥平均滲透系數Kcp根據以往本區鉆孔水文地質試驗成果計算求得為0.02955m/d。

⑦含水層厚度H根據勘查鉆孔水文地質觀測結果，該區裂隙含水層靜止水位平均標高約為230.42m，向下擴界開采至100m水平計算，按潛水完整井考慮，H=230.42-100=130.42m。

⑧露天采場中的水位降低S=H=130.42m。

⑩引用影響半徑R0=R+r0（其中為露天采場的影響半徑），則R0=R+r0=439.19+224.23=663.42 m。

將上述各計算參數分別代入（1）、（2）、（3）式后，計算求得露天采坑涌水量為Q=Q1+Q2=519.17+1457.43=1976.60m3/d

本次礦坑涌水量計算是符合礦山開采實際情況的，計算參數的選擇確定是適宜的、合理的，說明本次礦坑涌水量預測的水文地質模型概化合理、計算結果可靠，但對于總涌水量來說如果考慮月或日最大降水量因素，其計算結果可能偏小，因此，開采中應以日最大降水量考慮礦坑涌水量，指導礦山建設中的排水工作，配備相應的排水設備，確保礦坑排水的安全。

礦山未來地下深部開采礦坑涌水量預測，應以上部開拓工程實施狀況和礦坑長期觀測實際排水量情況，依據“水文地質比擬法”預測礦坑深部涌水量，則更加符合實際。

4 結束語

隨著我國的物質文明和精神文明建設的不斷向前推進，隨著國家綜合國力的不斷提高，強大的礦產資源儲備與科學安全開發利用，是國家經濟不斷向前發展的強大推進動力，隨之而來的礦業開發的安全問題也日益突出顯現，尤其近幾年的礦山突水安全問題更加明顯，國家有關部門也非常重視礦山開采中所遇到的水文地質問題，因此，在礦山勘查中要重視對礦床水文地質問題，特別是礦坑涌水量的預測，要嚴格執行國家有關技術規范，為礦山安全開采提供科學有效的預測數據，更好的指導礦山開采過程中的給排水工作。

［1］ 《水文地質手冊》 [M]，地質出版社，1990.

［2］ 《礦區水文地質工程地質勘探規范》 [S]，（GB12719-1991）.

［3］ 《供水水文地質勘察規范》 [S]，（GB50027-2001）.

［4］ 《固體礦產地質勘查規范總則》 [S]，（GB/T13908-2002）.

［5］ 《礦山地質環境保護與治理恢復方案編制規范》，（DZ/T 223-2009）.

［6］ 《專門水文地質學》 [M]，長春地質學院，1985.

［7］ 《1/20萬綜合水文地質調查報告》 [R]，遼寧省第一水文地質調查大隊，1973.

［8］ 《1/20萬區域地質調查報告》 [R]，遼寧省地質局第一區域地質調查隊，1975.