基于補充水文地質勘察后礦坑涌水量預測結果分析

高 尚，汪 磊

(合肥工業大學，合肥 230009)

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基于補充水文地質勘察后礦坑涌水量預測結果分析

高 尚，汪 磊

(合肥工業大學，合肥 230009)

礦坑涌水量預測結果，直接影響礦山合理開采和安全生產。以旗桿樓鐵礦為例，通過補充水文地質勘察，新發現礦區第四系底部為透水性極差的弱含水層，對上部孔隙水具有一定的“屏蔽”作用，故重新預測得出礦坑涌水量數值減小，為該鐵礦生產安全、經濟運營及防治水措施設置提供參考。建議在礦坑涌水量預測方面，針對性地開展補充水文地質勘察，深入了解礦區水文地質條件，提高礦坑涌水量預測精度。

補充水文地質勘察；抽水試驗；礦坑涌水量

礦坑涌水量是評價礦井開發經濟技術條件的重要指標之一[1]，對礦山的生產安全、經濟運營有直接影響[2]。是否準確預測礦坑涌水量，對礦山防排水措施設置有重要意義，并且能減少淹井等不良事故發生的概率[3]。基于礦床勘探程度及對礦區水文地質條件認識水平的影響[4]，礦坑涌水量的預測值會有明顯差別。本文以安徽蕭縣旗桿樓鐵礦為例進行分析，該鐵礦詳查地質報告給出礦坑正常涌水量為52 488 m3/d；水文地質報告給出礦坑涌水量為24 073 m3/d，兩種預測結果相差較大。究其原因，是對該鐵礦充水條件認識不充分，前者認為礦體頂、底板富水性弱的礦化蝕變巖類為礦體開拓時的直接充水含水層；后者認為第四系孔隙水為礦坑最終充水水源。基于補充水文地質勘察后，進一步掌握礦區地質條件以計算礦坑涌水量并作結果分析。

1 研究區概況

1.1 區域工程地質概述

該鐵礦處于永城復背斜北部傾沒端東翼，礦區分布地層自陳至新依次為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第三系和第四系，其中與成礦關系密切的地層主要為奧陶系下統蕭縣組，次為奧陶系下統馬家溝組等。地質構造方面，在礦區西側為永城復背斜、礦區東側為蔣河向斜，兩軸均呈北北東向分布。區內主要斷裂有三組，分別是:區域大斷層F1、礦區東斷層F3、礦區南斷層F6，其中北北東向與近東西向斷裂控制本礦區鐵礦的賦存狀態。

1.2 區域水文地質概述

根據地下水賦存空間及巖性特征，本礦區主要涵蓋以下含水層組:

A. 碳酸鹽巖類含水巖組: 包括寒武系中上統灰巖含水巖組，富水程度較差；奧陶系灰巖含水巖組，巖溶發育程度高，以溶隙為主；下部蕭縣組灰巖為礦體直接頂板，巖溶裂隙發育程度低，富水性和透水性均較弱；局部與第四系砂層接觸，富水性強。

B. 碎屑巖類含水巖組: 二疊系砂巖、粉砂巖為主，分布于礦區東南部，裂隙不發育。據礦區抽水試驗資料，單位涌水量約為0.000 24 L/(s·m)，通常視為相對隔水層。

C. 巖漿巖類含水巖組: 該巖體為本區唯一的成礦母巖，在礦區內廣泛分布。主要巖性為酸性二長花崗巖，巖石較完整，裂隙發育程度差，多為閉合裂隙和充填裂隙，通常作為隔水層處理。

D. 松散巖類含水巖組: a.第四系松散沉積物廣布全區，中上部砂層含水層組巖性為粉土、粉細砂及黏性土互層，厚約25～33 m，含孔隙潛水，富水性中等；b.第三系鈣質黏土，富水性在空間上分布不均一，水平連續較差。

2 水文地質勘察工作

2.1 前期成果評價

該鐵礦詳查得出:區內礦體均隱伏于第四系之下，其周邊圍巖多為各種蝕變巖類及灰巖、大理巖。礦體頂底板多由礦化蝕變巖類構成，是礦體開拓時的直接充水含水層。富水性較好的碳酸巖類含水層與礦化蝕變含水層水力聯系密切，多與其直接觸或局部接觸，構成間接充水層。礦段東側及南側為相對隔水邊界，礦坑涌水的來水方向主要為西側和北側。

該礦水文地質勘探得出: 礦床主要充水含水層為奧陶系灰巖含水層，上覆地層為第三系、第四系含水層。開采條件下，深部奧陶系灰巖含水層疏干排水，四周側向徑流補給有限，礦坑涌水主要來源是第四系垂向越流補給。

上述結論相互矛盾，對旗桿樓礦充水條件認識不一致，主要缺陷是未闡述清楚第三系、第四系地層分布及水文地質特征，為此而開展補充水文地質勘探。

2.2 補充勘察成果

補充勘察工作重點開展針對第三系、第四系隔水層，礦床頂、底板的抽水試驗。新增C01、C02、C03、C04四孔水文地質鉆井，共進行了11次分層穩定流抽水試驗，1次注水試驗。結果詳見表1。

表1 補充抽水試驗結果一覽表

補充勘查結果顯示:馬家溝組單位涌水量0.14～2.747 L/(s·m)，滲透系數為0.058～1.326 m/d，按鉆孔單位涌水量(q)富水性分級為強富水性；蕭縣組滲透系數為0.122～0.238 m/d，中等富水性；第三系富水性及透水性弱，平均滲透系數為0.001 m/d；第四系底部為透水性極差的弱含水層，使得第四系淺層地下水越流補給受到限制，這是前期成果中忽略的問題。

2.3 礦床充水條件

根據補充水文地質勘察結果及前期資料得出該礦床開采時，礦區奧陶系灰巖強含水層為相對孤立的含水體，徑流條件差，側向補給有限。蕭縣組巖溶裂隙水為直接充水水源。受灰巖巖溶裂隙含水層富水性及透水性不均一的影響，礦山開采時，奧陶系灰巖巖溶裂隙水將間接流入礦坑，成為間接充水水源。

奧陶系灰巖東、南、北三個方向均為富水性和透水極弱的石炭系或二疊系，西部為區域大斷層F1及富水性較差的下古生界寒武系灰巖，為相對隔水邊界。

3 數值法預測礦坑涌水量

數值法預測礦坑涌水量總體分為四個過程[5]: 建立水文地質概念模型、建立數學模型、模型識別與驗證、礦坑涌水量預測。結合數值模擬軟件會加快運算過程，本文采用Visual MODFLOW軟件[6]進行地下水流數值模擬。實踐證明，Visual MODFLOW即使在處理復雜水文地質條件下的地下水流問題，也有其獨特的優勢并且在科研、生產中應用越來越普遍[7]。

3.1 水文地質概念模型

根據礦區開展的不同階段鉆探工作、礦區水文地質條件，在垂向上，將模擬區的地下水系統概化為第四系淺部粉砂粉土含水層、第四系深部粉質黏土弱含水層、第三系含水層、奧陶系馬家溝灰巖含水層和奧陶系蕭縣組含水層；平面上剖分為150行，100列，在抽水孔分布區域附近，將網絡剖分加密一倍，以提高模型計算精度。

3.2 數學模型

根據礦區水力性質，將地下水流概化成“非均質各向異性準三維水流系統”并建立如下數學模型[8]。

式中: Kx、Ky、Kz為K在x、y、z三個方向上分量，單位m/d；h: 地下水水位，單位m；W: 單位體積流量；μs: 含水巖組的儲水率，單位1/m；h0(x,y,z):已知水位分布，單位m；t: 時間，單位d；D: 模擬區范圍；Γ1，Γ2:分別為一類、二類邊界；q(x,y,z,t):二類邊界上流量分布。

3.3 模型識別與驗證

對模擬區地下水系統進行模型識別，利用試錯法調參。考慮分析對地下水流場形態及水量影響程度大，將滲透系數K與彈性釋水系數μ作為重要的調參對象。結合抽水試驗資料及其水文地質條件，識別得到模擬區參數取值如表2所示。識別結果理想，如圖1所示。

表2 模型參數取值表

為提高精度，對模型進行進一步驗證，選取抽水試驗時間2016年9月12日為模型驗證期開始時刻，以C03抽水孔實測水位與計算水位為對比對象，得到水位擬合過程線如圖2所示，擬合情況良好。故可以認為數值模型能正確反映模擬區實際情況，可以對礦區礦坑涌水量做預測分析。

圖1 識別期C02水位擬合過程線Fig.1 C02 water level fitting line in identification period

圖2 驗證期C03水位擬合過程線Fig.2 C03 water level fitting line in validation period

3.4 預測結果

根據該礦開發利用方案，一期開采水平最底為-500 m，因此以該段處巷道布置圖為參考，預測礦坑涌水量。模型的預測期與礦山服務年限一致，為14年。預測得到的涌水量隨時間的變化過程如圖3所示，初期涌水量為11 791 m3/d，隨著礦床開采的進行，礦坑涌水量逐漸減小，遞減幅度逐漸減小，水量逐漸趨于平穩，約為8 513 m3/d。

圖3 礦坑涌水量變化過程線Fig.3 Changing line of mine water inflow

4 結論

本文給出該鐵礦初期涌水量為11 791 m3/d，正常穩定涌水量約為8 513 m3/d，與已有結果52 488 m3/d(詳查報告)，24 073 m3/d(水文地質報告)相比，前期已有結論涌水量數值偏大。對比分析: 前期已有結論認為第四系垂向補給是礦區主要充水水源，排水初期，奧陶系灰巖上覆第四系土層大面積釋水，通過第三系的傳導作用涌入礦坑；而補充勘察結果發現，第三系巖層富水性及透水性弱，且第四系底部存在一層富水性及透水性極差的極弱含水層，對上部孔隙水具有一定的“屏蔽”作用，得出的礦坑涌水量比已有成果值小。

受礦床賦存條件復雜性、勘探程度及認識水平的影響，礦坑涌水量預測結果往往會與實際相差較大，為提高預測精度，需要有針對性開展補充水文地質勘測。本文重點針對第三系、第四系隔水層及礦床頂底板進行抽水試驗，更新水文地質參數，確定更合理的礦坑涌水量，為該鐵礦安全、經濟生產及防治水條件提供參考。建議今后在礦坑涌水量預測方面，應該在深入識別礦區水文地質條件基礎上作涌水量預測，以提高礦坑涌水量預測精度。

[1] 鄭世書，陳江中，劉漢湖.專門水文地質學[M].徐州:中國礦業大學出社，1999.

[2] 周如祿，戴振學，李穎.礦井涌水量預測的理論與實踐[J].煤炭科學技術，1998，(06):49-51.

[3] 管恩太，武強.礦井涌水量預測評述[J].中州煤炭，2005，(01):7-8.

[4] 邢艷允，陶月贊，劉佩貴. 礦坑涌水可利用量研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2012，(06):794-798.

[5] M.Olias，J.C.Ceron，I.Fernandez，J.Delarosa．Distribution of rare earth elements in alluvial aquifer affected by acid mine drainage-the Guadiamar aquifer(SW Spain)[J].Environmental Pollution，2005，(135):53-64．

[6] 馮潔.可視化地下水數值模擬軟件(VISUAL MODFLOW)在國內的應用[J]. 地下水，2013，(04):34-36.

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[8] 蔣輝，郭訓武.專門水文地質學[M].北京:地質出版社，2007．

Analysis of prediction results of mine water inflow based on supplementary hydrogeological survey

GAO Shang, WANG Lei

(Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Mine water inflow directly affects the reasonable mining and safe production of deposits. Taking a certain iron ore as an example, it discovered that the bottom of the Quaternary System is a weak aquifer with poor water permeability by supplementary hydrogeological survey, and it has a certain “shielding” effect on the upper aquifer. The results provide a reference for the iron ore safety, economic production and control of water measure installation. It is suggested that the hydrogeological survey should be carried out to improve the prediction accuracy of the mine water inflow.

Supplementary hydrogeological survey; Pumping test; Mine water inflow

2016-12-26

高尚(1991-)，男，碩士研究生。 汪磊(1991-)，男，碩士研究生。

P641.4+1

A

1674-8646(2017)02-0049-03