上莊礦區礦坑涌水量預測

楊廣立

（招金礦業股份有限公司蠶莊金礦，山東 招遠 265402）

礦井涌水量不僅是礦床開采技術條件的重要組成部分，還關乎礦井的安全生產，因此，較為準確的預測礦井涌水量，對指導礦井的安全和高效生產有重大意義。國內外相關專家也是在這方面做了許多研究。連會青等通過分析相關文獻，對礦井涌水量的預測方法和和適用性進行了評價[1]，溫文富等分析了解析法和比擬法在涌水量預測中的應用[2]，段儉君等探討了在涌水量預測中應用相關分析法來分析[3]，于孝民等應用數值法和大井法對司家營鐵礦進行了涌水量預測[4]。還有其他相關專家也做過相關分析。為了給本礦安全生產提供依據，本文在分析礦井水文地質資料的基礎上，探討了采用大井法和水文地質比擬法來預測礦坑涌水量。

1 區域地質概況

礦區位于山東省招遠市西北方向30km處，行政區劃隸屬招遠市辛莊鎮管轄（鎮政府駐地西南10km）。區域地層劃分屬魯東地層分區，在區域大地構造位置上，處于華北陸塊(Ⅰ)，膠遼隆起區(Ⅱ)，膠北隆起(Ⅲ)，膠北斷隆(Ⅳ)，膠北凸起(Ⅴ)的西北部，西臨沂沭斷裂帶，北鄰龍口斷陷盆地，基底由呈東西展布的新太古代膠東巖群變質巖系構成，區內地層簡單，斷裂構造發育，巖漿巖廣布。區域內出露地層有新太古界膠東巖群、新生界古近系五圖群和新生界第四系。區內以斷裂構造發育為其突出特征，按其展布方向的差異將其大致分為北東向和近南北向兩組。區內巖漿巖廣布，約占總面積的60%以上，主要為中生代玲瓏序列，大面積展布；新太古代五臺—阜平期馬連莊序列、棲霞序列(原劃為膠東群)分布于焦家斷裂帶以西；中生代燕山晚期郭家嶺巖體侵入燕山早期玲瓏序列內，區內派生脈巖不甚發育。

2 礦區地質概況

礦區地處焦家斷裂帶北段，大部分為第四系松散沉積物覆蓋，巖漿巖廣布，斷裂構造發育。區內出露新生界第四系地層廣泛分布，除東部丘陵區有部分基巖出露外，其余均被第四系覆蓋。新太古代膠東巖群呈殘留體狀分布于巖漿巖中。區內以北東向斷裂構造發育為特點，主要分布有焦家斷裂及與其配套的東莊子斷裂、侯家斷裂、望兒山斷裂。區內以望兒山斷裂為界，以西為中生代燕山早期玲瓏序列，以東為中生代燕山晚期郭家嶺序列，新太古代馬連莊序列零星分布。

區內脈巖相對不發育，主要以煌斑巖、輝綠巖、閃長玢巖、石英脈為主，呈北北東或南北向產出。區內沿斷裂構造帶圍巖蝕變作用發育，主要有鉀長石化(紅化)、黃鐵絹英巖化、硅化和碳酸鹽化等，蝕變的強度和規模取決于斷裂、裂隙的性質和礦液動力的強度。其特點是：蝕變作用延續時間長，各蝕變作用相互疊加，蝕變分帶明顯，各帶之間為漸變關系。

3 礦坑涌水量預測

礦體賦存于構造裂隙含水帶中，因此構造裂隙含水帶中的地下水為礦坑充水的主要來源，構造裂隙含水帶的頂底板為花崗巖隔水層，大氣降水僅在地表淺部通過第四系巖層和花崗巖風化裂隙含水層補給構造裂隙含水帶，為礦坑充水的間接補給來源。

礦坑充水主要來自淺部上覆第四系含水層及基巖風化裂隙含水層，補給帶寬度較窄，補給條件較差。由于下盤弱富水巖層的透水性、富水性較弱，為了減化條件，便于計算，將其視為水平分布無限邊界承壓含水層。開采條件下，下盤弱富水巖層是礦床充水的直接來源。

礦床開采過程中會在下盤弱含水帶中施工較為復雜的坑道系統。第一開拓水平應主要在-780m左右。本次研究根據礦體分布的總體情況，選擇長度、深度代表性較強的望兒山構造蝕變帶中③-12號礦體預測礦坑開拓初期的涌水量和最大涌水量。決定選擇-780m中段預測做為礦山開拓初期的代表性礦坑涌水量，選擇③-12號礦體-1555m中段預測礦山開采期內的最大涌水量。

考慮到礦坑排水量是多種復雜因素綜合作用的代表，選擇大井法和水文地質比擬法預測礦坑的涌水量。

3.1 大井法

選擇承壓完整井穩定流計算公式來預測。由于327ZK3鉆孔完全穿過賦存礦體周邊的含水帶，含水帶上有隔水層且厚度較大，底板埋深-1000m以下，且為裂隙水，因此，確定采用大井法估測礦坑涌水量，并選擇承壓完整井公式：

式中：Q—預測礦坑涌水量（m3/d）；

S-預測坑道的水位降深值（m）；

k-滲透系數（m/d）；

m-含水層厚度（m）；

R-影響半徑（m）；

r0-大井引用半徑（m）；

R0-大井引用影響半徑 (m)。

根據已有資料分析，靜水位采用水文孔327ZK3抽水試驗前后觀測的平均值標高為-38.7m。降深采用從靜止水位至預測礦坑底板的垂直距離，即-780m中段水位降深S1=741.3m、-1555m中段水位降深S2=1516.3m。滲透系數-780m中段預測采用水文孔327ZK3上盤抽水試驗含水層最大滲透系數k1=0.00111m/d，-1555m中段預測采用水文孔327ZK3上下盤含水層混合抽水試驗最大滲透系數k2=0.000974m/d，含水層厚度利用327ZK3鉆孔抽水試驗中含水層頂底板數據求得，即-780m中段預測采用水文孔上盤含水層厚度m1=489.6m、-1555m中段預測采用水文孔上下盤含水層厚度m2=620.5m等。根據各種數據，可以得到，采用大井法預測的-780m標高的礦坑涌水量為1840.34m3/d；③-12號礦體-1555m中段的礦坑涌水量為2833.17m3/d，根據鄰近采礦權多年的開采經驗，平均排水與豐水期最大月平均排水量的相關系數約為1.6，則③-12號礦體-1555m中段的最大礦坑涌水量為4533.07m3/d。

3.2 水文地質比擬法

礦床與所比的望兒山斷裂帶-780m中段礦坑在同一個礦區、距離相近、含水層巖性、富水性、地下水賦存狀態、水力特征十分相近，只是在深度和范圍有一定差異，根據上莊采礦權以往礦山排水量統計簡表以及《山東省招遠市上莊礦區金礦資源儲量核實報告》，2014年、2015年以后，隨開采面積的增加，涌水量增加不大，趨于穩定，隨開拓深度的增加而涌水量有所增加，因此開采面積對涌水量的影響可忽略不計。根據這一特征采用比擬法進行礦坑涌水量預測：

公式：

式中：Q—預測涌水量（m3/d）；

Q0—已知平均涌水量（m3/d）；

S—設計巷道預測水位下降值（m）；

S0—已知水位下降值（m）。

根據已有資料分析，Q0采用上文所述礦井涌水量計算值1894m3/d。S采用從靜止水位至預測礦坑底板的垂直距離，即-1555m中段水位降深S=1516.3m，S0采用從靜止水位至-780m中段水位降深即S0=741.3m。

所以，

據坑道排水資料，最大礦坑排水量為4990 m3/d，采用此值預測礦坑最大涌水量。

最大涌水量

因此，采用水文地質比擬法預測的③-12號礦體-1555m中段的礦坑涌水量為2709.79m3/d，最大涌水量為7136.68m3/d。

3.3 預測結果分析

大井法是依據水文孔327ZK3的參數進行計算，與實際開采存在較大差異，參數的代表性較差，因此預測結果精度較差。比擬法是利用位于本礦權范圍內的上莊礦區望兒山斷裂帶-780m中段礦坑的排水資料進行比擬的，地理位置相近，水文地質條件相同，只是礦坑標高和長度有所差異，可比性較強。

預測的礦坑涌水量是多種水文地質因素的綜合體現，代表性強，準確度高。代表著礦坑的實際涌水量，可做為礦山開采設計的主要依據。

預測的實際汛期涌水量代表了礦坑涌水量受大氣降水、拓進中揭露張性裂隙帶等多種情況下的實際礦坑涌水量，基本代表了礦坑的實際最大涌水量。因此，最終估算結果采用比擬法預測的礦坑涌水量。

4 結論

通過分析已有的水文地質資料，分別采用了大井法和水文地質比擬法預測了礦坑用水量，并分析結果，采用比擬法作為最終的涌水量計算值。由于估測結果是在現有開采條件下取得的，如改變開采條件或礦床的邊界條件，則礦坑的實際涌水量也得隨之改變。本次涌水量預計結果將為礦井的安全高效開采提供依據。