某銅礦開采二號礦坑涌水量預測

賈鵬 羅小波

摘 要：該銅礦有兩個礦坑，利用一號礦坑的涌水量長期觀測資料，對即將開采的二號礦坑分別采用大井法，降落漏斗法，相關分析法及鉆孔用水量類比法進行了礦坑涌水量預測，給礦山基建工作提供了設計依據。

關鍵詞：礦坑涌水量預測；大井法；降落漏斗法；相關分析法

解析法是目前礦坑涌水量預測中應用最廣的一種方法，它適用于各種類型礦山的涌水量計算。可以為疏干設計提供各項重要指標。常用“大井”法進行計算，即將各種形態的井巷與坑道系統，用具有等效的“大井”表示，用井流理論進行計算。

礦區地下水的運動基本上是一個非穩定過程，因此，預測計算一般使用非穩定流解析法，在特定條件下，如強越流補給，含水層分布廣，透水性強、補給充足的礦區等，能形成穩定流，可采用穩定流解析法。本次預測的兩個礦區相鄰較近，一號礦區開采時間久，地下水趨于承壓穩定流，二號礦區是將來聯合開采的新礦區，采用承壓含水層穩定流計算方式。

一、礦床主要充水因素

根據該銅礦以往的水文記錄資料，礦坑涌水量與降雨量關系密切，大范圍降雨自然滲透是礦床水量補給的主要原因。地表淺部地下水豐富，深處水量逐漸變小。采礦活動形成的裂隙將使得地下各含水層之間水力聯系增強，特別在構造發育區域地下水豐富。

一號、二號礦區位于區域地表水和地下水向盆地外排泄的通道區域，區域含水層的側向補給和上羅恩含水層的越流補給也成為一號、二號礦體充水的補給來源。

礦床上部地下水及地表水，隨著礦山開采對構造的揭露和對原巖穩定性的破壞，成為礦床頂板間接充水因素，封閉較差的老鉆孔也會成為礦床充水的主要通道。另外，礦體含水層使礦床具備直接充水條件，礦區水文地質調查表明，一號、二號礦區為以上羅恩亞群溶蝕裂隙承壓含水層和燧石白云巖含水層充水為主的礦床，且為頂板間接充水礦床。

一號礦區多級褶皺構造使得水文地質條件更加復雜，二號礦區礦體為產狀較緩的單斜構造，從二號礦體地表探礦鉆孔揭露地層表明，二號礦區的燧石白云巖風化程度較一號礦區弱，使得二號礦區總體富水性弱于一號礦區。

礦體含水層為礦區內的主要含水層之一。主要由硅質碎屑巖組成，夾有少量互層的碳酸鹽巖，該層的富水性隨著其褶皺程度的加強而增強。

二、歷年一號礦體井下涌水量統計分析

從井下涌水量統計中看出，隨著開采深度的增加，開采面積的增大，井下涌水量也相應增大。但當開采到一定深度以后，涌水量增幅變小。

歷年的各中段涌水量統計說明，300中段涌水主要受地表季節性地表降雨補給影響，而400中段至700中段涌水，除了受地表季節性降雨補給影響外，還受下部中段的開采和疏水影響。

根據礦井涌水量統計數據分析得出，涌水量各年、月平均值極值均出現在雨季，涌水量峰值與雨季有相應的滯后關系，即大氣降水對礦坑充水有一定影響。

井下年平均涌水量與礦山開采深度有關，總趨勢為前期生產時礦下涌水量年變幅較小，隨著開采面積擴大和開采水平延深逐漸增大。根據地下水非穩定流理論分析，當開采工作面從高中段進入低一級中段后，含水層水頭亦會相應降至低一級中段。含水層水壓下降，必然引起承壓水的彈性釋放，初期彈性釋放水量較大，其后，隨著地下水降落漏斗擴大，水壓差將逐漸縮小，彈性釋放水量也相應減少，并逐漸趨于穩定，地下水的非穩定流動將轉化為穩定流動。

井下涌水量隨開采水平延伸而增大的另一原因為，低中段水平地下水與補給區地下水頭差值增大，必然引起側向補給或上下越流補給量的增加。同時，低一級中段地下水與排泄區地下水頭差值會減小，引起地下水向下游排泄量的減少，這就是井下涌水量隨開采深度增加而增大且增幅減小的原因。

三、二號礦區開采礦坑涌水量預測

為了安全開采，對直接充水層來說，礦坑疏干排水最大水位降深（Smax）應使地下水位降至巷道底板，取Smax=H（含水層水位）。

1.承壓水完整井大井法

采用公式：

公式中各參數的確定：Q為預測正常涌水量，單位m3/d；K為滲透系數，取 K=0.059 m/d；M為承壓含水層厚度，單位m，取50m；S為水位降深，單位m，開采中段為400中段-700中段，S分別取160m、260m、360m、460m；r0為折算的引用大井半徑，單位m。根據開采400中段-700中段中段范圍內的礦體的面積換算分別得出，r0=530 m、583 m、641 m、679 m。（0.882、1.069、1.291、1.448；單位：Km2）；R為影響半徑，單位m。R=10S√K；R0為引用影響半徑，單位m。利用西哈脫公式，R0=r0+R

計算結果：300中段-700中段涌水量分別為：Q300中段正常=5906 m3/d；Q400中段正常=5392 m3/d；Q500中段正常=6566m3/d；Q600中段正常=7755m3/d；Q700中段正常=8764 m3/d；該區域開采至700中段時井下各中段正常涌水量合計：34384m3/d。

2.自2700勘探線——4260勘探線。根據目前700中段和西礦體300中段放水鉆孔的單孔涌水量測量數據，劃分為不同區域，以每間隔60m/1個鉆孔進行估算涌水量如下：2700線——3360線，11個鉆孔，單孔涌水量按633 m3/d；3360線——4080線，12個鉆孔，單孔涌水量按400 m3/d；4080線——4260線，3個鉆孔，單孔涌水量按230 m3/d；

700中段涌水量估算為：Q0=633*11+400*12+230*3=12453 m3/d。（初始最大涌水量）根據統計數據顯示鉆孔涌水量穩定后為初始涌水量的0.708，所以700中段穩定涌水量為Q0*0.708=8822 m3/d。

3.降落漏斗法推測涌水量

將西礦體300中段看做一口大井，降落漏斗視為該井排水造成的，現假設這口大井降深與涌水量的關系式為：

α為區域單位降深值，即大井涌水1000m3/d時的降深值，根據西礦體涌水情況取Q=4000m3/d，S=300m，求的α=75

Q=40S/3

計算結果：300中段-700中段涌水量分別為：Q400中段正常=5333 m3/d；Q500中段正常=6667m3/d；Q600中段正常=8000m3/d；Q700中段正常=9333 m3/d

該區域開采至700中段時，井下各中段正常涌水量合計：33333m3/d，與承壓大井法結果比較，誤差率為：（34384-33333）/33333*100%=3.2%

另外：考慮采礦作業揭露不明構造導水形成突水，按2000 m3/d -3000 m3/d估算；地表鉆孔封孔不嚴情況下導水，開采區域共計有35個孔深達300中段以下的鉆孔，按鉆孔數的一半，每個孔200 m3/d計算，預計涌水量：35*50%*200=3500m3/d；前面通過對一號、二號礦體井下涌水量統計，涌水量與雨季降雨有正相關關系，涌水量峰值多出現較雨季滯后1～2個月。每年雨季一般持續5個月左右（11月～次年3月）。

降雨入滲補給量，按照降雨入滲公式：

α：降雨入滲系數0.3；H：多年平均降雨量 1.141m；Hmax：最大年降雨量1.194m；Hd：日極端降雨量0.379m；Q：降雨入滲量m3/d

綜合上述，西礦體開采至700中段時正常涌水量約為：33000 m3/d-34000 m3/d

最大涌水量合計：3000（構造）+3500（鉆孔導水）+34000（正常）+2519 （ 降雨）≈43000（m3/d）。

四、二號礦區深部開采礦坑涌水量預測

1.參數選擇及模型建立

利用最靠近二號礦區中央的長期觀測孔B1的水位觀測數據和二號礦區井下各中段涌水量長期觀測數據（見表4）來進行預測。

2011年-2013年三個實測井下各中段涌水量數據系列進行均衡性比較，采用對數變異指標-極差系數比較各年度井下中段涌水量平均值，取極差系數相對較小（即數據平均值代表性相對較大）的2012年和2013年的井下中段涌水量平均值參與模型計算。與此對應采用2012年和2013年的B1的水位觀測數據平均值。得出近似二號礦區中心的Q=f（S）曲線（見圖2）。

利用Q=f（S）曲線外推法（一元相關分析法）進行涌水量預測。先用曲度法判別曲線類型：，計算可知n=1.27>1可知Q=f（S）曲線為冪曲線型，符合冪函數曲線方程：。

2.模型計算結果

最小二乘法計算出參數：a=122.19，b=1.27，擬合結果為：。

3.涌水量預測

該模型預測二號礦區開采至500m水平的涌水量為13423m3/d，最大涌水量類比一號礦區為30000m3/d；開采至700m水平的涌水量為18721m3/d，最大涌水量類比一號礦區為40000m3/d。

4.涌水量預測結果評價

主、二號礦區降落漏斗圖顯示，礦坑排水導致主、二號礦區水位產生了不同程度的下降，說明主、二號礦區存在一定水力聯系。二號礦區漏斗形態較緩，推測主、二號礦區之間的古基底隆起對主、二號礦區的含水層有一定隔斷作用。實際水文地質條件和工程地質條件調查顯示，二號礦區的礦體含水層富水性弱于一號礦區，礦體圍巖質量和穩定性好于一號礦區。所以二號礦區的實際涌水量可能會小于預測值。

礦床上部地下水及地表水隨著礦山開采對構造的揭露和對原巖產生破壞，封閉較差的老鉆孔也會成為構造裂隙的導水通道，使得實際涌水量比預測涌水量大，另外排水疏干方式的不同，相應時期的實際涌水量與預測值會有差異。

五.結論

1.本次計算的主、西礦體聯合開采井下涌水量結果

a.主礦體（2700線以東），當西礦體開采至700中段時，井下各中段涌水量總計為： 49000 m3/d—70000m3/d。

500 中段：10000 m3/d ～ 13000 m3/d

700 中段：15000 m3/d ～ 20000 m3/d

878 中段：16000 m3/d ～ 30000 m3/d

b.西礦體（2700線-4200線），開采至

500 中段時，井下涌水量為8100 m3/d ～10500 m3/d；最大涌水量17000 m3/d。

700 中段時，井下涌水量為21800 m3/d ～25200 m3/d；最大涌水量32000 m3/d。

井下各中段涌水量總計為：34000 m3/d～43000m3/d。

2.本次涌水量預測是基于現有水文地質資料。將礦山區域含水層視為統一均勻含水層，采用理想狀態模式無限邊界穩定承壓水大井法進行的簡化礦坑涌水量計算。

3.本次涌水量計算，采用承壓水大井法。根據水文地質調查，謙比希礦一號、二號礦區礦坑涌水，實際上是地表潛水和深部承壓水對礦床聯合充水的結果。特別是在400中段以上，地表潛水與深部承壓水通過滲流和越流方式相互補充，有密切的水力聯系。西礦體氧化礦的分布特征就是對這一論證的合理解釋。

4.含水層厚度（M）和滲透系數（K），分別采用以往區域水文地質調查的數據，經過分析對比后選取的。因此，預測區域的真實的含水層厚度和滲透系數可能與選取數值有一定偏差。另外，相關分析預測流量是建立在數理統計的基礎上，在注重數據的代表性和獨立性同時，只能盡可能地選取有代表性的實測數據。該方法外推范圍有限，更深部的預測結果只可用來做定性分析。

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