上窩石灰巖礦礦坑涌水量預測方法對比分析

李 珊

（廣東省地質局第七地質大隊，廣東惠州516000）

1 概述

上窩石灰巖礦位于廣東省龍門縣城南部約28km處，資源儲量29274.74×104t，開采深度+231.4～-30m，礦山最終采坑面積約2.6011km2，開采深度至+10m時將形成采坑面積約1.27km2，自2009年5月投入生產至今開采深度至+39.0m，已形成采坑面積約0.4km2。礦區地勢整體上東西兩側高、中間低，東西兩側有石炭系砂頁巖作為隔水邊界，其地下水徑流方向為由南向北，礦區位于分水嶺的一側，屬地下水的徑流區[1-2]。

本文以廣東省龍門縣上窩石灰巖礦礦坑涌水量預測為例，分別采用水文地質比擬法和大井法對上窩石灰巖礦礦坑涌水量進行計算，并對計算結果進行對比分析，最終確定涌水量大小和最佳涌水量計算方法，為礦山后續涌水量預測、準確制定疏干排水設計方案及安全生產提供了依據。

2 礦區水文地質特征

2.1 含水層

礦區地下含水層共3層，分別為第四系松散堆積層、碎屑巖類和碳酸鹽巖類基巖含水層，其地下水類型及各含水巖組特征分述如下[1-2]：

（1）第四系松散堆積層：主要分布在礦區中部的巖溶盆地，厚度1.3～3.9m，盆地中部見不連續分布的含粘粒砂礫層，富水性中等，以孔隙潛水為主，接受大氣降水入滲補給、地表水滲漏補給以及周邊山地基巖裂隙水的側向補給；盆地邊緣多為粘性土或含砂礫粘性土，厚度1～15m，富水性差，屬于相對隔水層。

（2）碎屑巖類含水巖組：主要分布在礦區西部的測水組和東部的龍江組地層，多發育于淺部，以裂隙水為主，表層風化裂隙較發育，主要賦存網狀裂隙水，下部為脈狀裂隙水，呈不連續分布。地下水多以下降泉形式出露于溝谷，據水文調查資料，東部龍江組地層地表出露泉的流量0.336～2.552L/s，平均1.307L/s，屬于弱—中等富水性含水層。

（3）碳酸鹽巖類含水巖組：主要分布在礦區中部石磴子組灰巖、東部的劉家塘組泥灰巖和白云質灰巖，為裂隙巖溶水。地下水徑流模數為6.0～16.0L/（s·km2），大泉流量達28.30L/s，小泉流量小于10L/s，屬中等富水含水層。

2.2 隔水層

礦區為一個碳酸鹽巖類裂隙巖溶水文單元的一部分，東西兩側均分布有石炭系砂頁巖，節理裂隙不發育，隔水作用明顯，為礦區主要隔水邊界。礦區深部（標高10m以下）發育的石磴子組灰巖和劉家塘組泥灰巖、白云質灰巖，地層相對完整、節理裂隙不發育，溶蝕、溶溝、溶洞也不發育，可視為礦區底部主要隔水層。

2.3 地下水補給、徑流、排泄條件

礦區各含水層主要補給來源為大氣降雨。現階段，大氣降雨一部分經由地表流入礦坑，另一部分向下入滲至各含水層。由于第四系粘性土層及砂巖地層透水性弱、富水性差，礦區地下水資源主要賦存在巖溶含水帶中，其地下水由地勢高向地勢低方向徑流，即在礦區內東西兩側向中間、由南向北徑流。排泄方式為礦坑周邊向礦坑低洼處排泄，以及礦區地下水流場由南向北往下游排泄。

鑒于工廠式環保智能高效碎石制砂生產工藝在實行過程中不斷改進，在改造現有生產工藝后，效果顯著，可以推廣應用到全國和“一帶一路”工程，促進砂石料行業的技術改造和轉型升級，更好地參與國家重點工程項目建設。更好地為國家經濟社會發展作貢獻。

2.4 礦區巖溶發育特征

礦區巖溶是下石炭統石磴子組石灰巖，由于地下水的活動，沿節理、構造裂隙滲透的地下水帶來的空氣中的CO2形成對石灰巖或白云巖有溶解作用的HCO3-離子，在長期大量的溶解作用下，石灰巖或白云巖接觸到此種溶液的部位不斷溶蝕，逐漸形成溶蝕凹槽、溶蝕溝及溶洞。

隨著礦山開采工作的開展，北側上部覆土剝離后石灰巖呈竹筍狀出露，其基巖面起伏較大，為典型的溶蝕凹槽、溶蝕溝現象，表明礦區巖溶多發育于淺表地層。據鉆孔資料顯示，在72個控礦鉆孔中，有25個發現溶洞，占34.7%；72個鉆孔總進尺約4518m，揭露溶洞總長度為180m，故平均巖溶率為3.98%；其中單個溶洞最大高度為16.7m，最小高度為0.25m，一般在0.5～3.0m之間。礦區溶洞充填方式有3種，分別為無充填、半充填及全充填，多半以半充填為主；充填物主要是砂礫、巖石碎塊及粘性土等。巖溶發育在垂直方向呈串珠狀分布，橫向上分布不連續，絕大多數溶洞發育于-20～100m范圍內，約占95.7%；其中巖溶率最大的標高范圍是40～60m，其值為36.92%。礦區垂向線性巖溶發育率統計直方圖如圖1所示。

3 礦坑涌水量預測

3.1 礦坑充水因素

圖1 礦區垂向線性巖溶發育率統計直方圖

根據礦區水文地質特征分析，礦坑充水主要補給來源為大氣降雨，大氣降雨一部分經由地表流入礦坑，另一部分向下入滲至各含水層。礦區東部在距離其邊界約50m處設置有排水溝，西部按現有的分水嶺匯水條件下，扣除礦坑面積，實際地表徑流面積較小，該部分水量很小，可以忽略不計。另一部分向下入滲至各含水層形成的地下水分為3種類型：第一類為第四系松散堆積層孔隙潛水，礦山開采時剝離了盆地中部富水性中等的含粘粒砂礫層，下游由南往北的主要補給被切斷，而盆地兩側是主要以粘性土為主的富水性差地段，因此該類水對礦床開采影響不大。第二類碎屑巖類基巖裂隙水主要發育于淺部，同時與未來開采形成的采坑間有厚約150m的劉家塘組泥灰巖、白云質灰巖阻隔，不是采坑直接充水含水層，對礦床開采影響不大。第三類碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，碳酸鹽巖類石灰巖地層的巖溶發育特征決定了礦坑涌水量的大小，為礦坑涌水的主要來源。

3.2 礦坑涌水量預測

通過對礦坑充水因素的分析，確定碳酸鹽類（石灰巖）裂隙巖溶水為礦坑主要充水因素，分別采用水文地質比擬法和大井法對上窩石灰巖礦礦坑開采深度至+10m時進行涌水量計算，并對計算結果進行對比分析，確定最佳涌水量預測計算方法。

3.2.1 水文地質比擬法

水文地質比擬法是以相似比擬理論為基礎建立起來的，是利用已知的生產礦區的地下水和開采資料預測水文地質條件相似的新勘探礦區涌水量的一種方法。該方法的前提是預測礦區的水文地質條件與已開采礦區相似，但現實中水文地質條件完全相似的2個礦區比較少見，加上開采條件的差異性，故該方法是一種近似的計算方法[6]。一般情況下，水文地質比擬法適用于條件比較簡單、充水巖層的透水性比較均一的孔隙或裂隙充水礦床，并且主要表現在對已開采礦區深部水平和外圍礦段的涌水量預測，故本次采用此方法進行涌水量預測。

該方法在涌水量預測過程中，需選取某個水文地質指標作為比擬因子進行計算。本次選取富水系數作為比擬因子，富水系數為一定時期內礦坑疏排水量與同期內采坑面積之比，根據礦坑涌水量隨采坑面積的增大而增大為基礎進行計算。計算公式如下：

式中：Q1——預測礦坑涌水量，m3/d；

KF——富水系數，為一定時期內礦坑疏排水量Q0與同期內采坑面積F0之比，m/d；

F——預測采坑面積，m2。

根據2015年上窩石灰巖礦疏干排水資料統計，現階段礦坑疏排水量約為960m3/d，采坑面積約0.4×106m2，當礦坑開采深度至+10m時將形成采坑面積約1.27×106m2；將上述參數代入計算公式中得出礦坑預測涌水量Q1=3048m3/d。

3.2.2 大井法

大井法是解析法的一種，通過將礦坑水文地質條件概化成均值、等厚的含水層，再利用裘布依計算公式進行求解預測礦坑涌水量[4]。礦區內地下含水層呈條帶狀南北向分布，東西兩側砂頁巖作為隔水邊界，礦坑涌水量預測的范圍位于礦區中部巖溶含水層，在空間中可視為巖溶、裂隙發育程度基本一致的均質含水巖體，當礦坑開采深度至+10m以下巖層時，可視為隔水層。故計算公式如下：

式中：Q2——礦坑涌水量，m3/d；

K——滲透系數，m/d；

H——含水層厚度，m；

S——地下水位降深，m；

r——礦坑面積等效半徑，r=0.565，m；

F——礦坑面積，m2；

b——礦坑中心至補給邊界的距離，m。

根據以往施工的水文孔Y2抽水試驗結果顯示，滲透系數K=0.3m/d，含水層厚度H=50m，地下水位降深S=57m（地下水位標高為+67m，標高+10m以下視為隔水層），未來礦坑面積F=1.27×106m2；礦坑中心至補給邊界的距離在圖中量取，b≈532m。將以上參數代入到計算公式中，得出礦坑預測涌水量計算結果Q2=4496.7m3/d。

3.3 礦坑涌水量預測結果對比分析

利用上述2種方法對礦坑涌水量預測結果為：采用水文地質比擬法計算結果Q1=3048m3/d，采用大井法計算結果Q2=4496.7m3/d。通過對礦區水文地質特征及充水因素的分析，礦區含水層充水主要補給來源為大氣降雨，根據水平衡原理，從長期來看，礦區涌水量應等于大氣降雨量減去蒸發量并扣除該地區地下儲水量，故礦坑涌水量應略小于當地平均降雨補給量。

依據礦區所在地廣東省龍門縣氣象觀測站資料（1954～2014年），當地年平均降雨量為2156.4mm，年平均蒸發量為1394.3mm，通過計算礦坑面積1.27km2范圍內的平均降雨補給量約為5007.55m3/d（入滲系數取值0.5，蒸發系數取值0.6）。該值略大于利用大井法預測礦坑涌水量計算結果4496.70m3/d，數據較吻合，準確性高，表明采用大井法預測上窩石灰巖礦礦坑涌水量更加符合實際情況。

4 結論

礦坑涌水量預測計算方法很多，但要確保礦坑涌水量預測的準確性，關鍵在于查明礦區水文地質特征及邊界條件，查明礦坑充水因素，獲得準確的水文地質參數，并選擇合適的計算方法。本文通過采用水文地質比擬法和大井法分別對上窩石灰巖礦礦坑進行了涌水量預測，并對2種計算結果與實際情況進行對比，結果表明利用大井法預測上窩石灰巖礦礦坑涌水量更加符合實際情況，當礦坑開采深度至+10m時其涌水量約為4496.70m3/d，這為礦山后續涌水量預測、準確制定疏干排水設計方案及安全生產提供了依據。

參考文獻：

[1] 李珊，等.廣東省龍門縣龍江鎮上窩礦區水泥用石灰巖礦水文地質勘查報告[R].廣東省地質局第七地質大隊,2015.

[2] 薛淑萍.上窩石灰巖礦區水文地質特征的分析[J].西部探礦工程,2017,29(5)：149-150，154.

[3] 李偉銘.塔源二支線礦坑涌水量預測[J].昆明冶金高等專科學校學報,2011,27(3)：26-30.

[4] 傅大慶.大井法及水文地質比擬法在某礦山礦坑涌水量預測中的應用對比[J].西部探礦工程,2016,28(1)：139-141.

[5] 邱文才,劉旭文,鐘志芳.中洞石灰巖礦區礦坑涌水量預測方法[J].西部探礦工程,2006(10)：152-153.

[6] 郭昂青.陜西省鎮安縣東溝金礦生產坑道系統涌水量預測方法對比[J].地質與資源,2012,21(6)：563-565.