淺談露天凹陷開采石灰?guī)r礦床礦坑涌水量預測

許卓朋 李彥偉

摘要：通過對收集的地質、水文、物探資料進行研究分析，對礦區(qū)及周邊進行詳細的水文地質調查，查明礦區(qū)地下水類型及含水層特征；地下水的補給、徑流、排泄條件；礦坑充水水源及其途徑；通過一系列水文地質試驗，確定各含水層的滲透系數，結合礦床開采預測礦床礦坑涌水量。

關鍵詞：地下水類型；地下水補給、徑流、排泄；滲透系數；礦坑涌水量

1.引言

石灰?guī)r礦作為水泥工業(yè)主要原材料，在我國經濟的高速發(fā)展，城市建設、房地產開發(fā)及基礎設施建設進程高速發(fā)展的大環(huán)境下，大量優(yōu)質石灰石資源正在被大規(guī)模的開發(fā)利用，凹陷型開采的石灰?guī)r礦床也隨之越來越多，伴隨著凹陷開采深度的增加，需要大量抽排地下水（礦坑涌水），確定的預測礦坑涌水量對礦床的開發(fā)具有重要意義。

以化州那洪水泥用石灰?guī)r礦床為例，對露天凹陷開采石灰?guī)r礦床的礦坑涌水量進行預測。

2.礦區(qū)水文地質條件

礦區(qū)位于粵桂隆起與桂湘贛粵褶皺帶交匯處的南端，吳川大斷裂的北西側。礦區(qū)一帶在區(qū)域上位于長達78km，寬8km～16km的中垌-廉江復式向斜的北東端，構造相對較發(fā)育，構造線方向以北東向為主。區(qū)域地貌單元屬于低丘陵地區(qū)，礦區(qū)地處丘前平原地帶，礦區(qū)位于區(qū)域覆蓋型巖溶區(qū)的補給徑流區(qū)，是地下水的富集區(qū)。礦區(qū)地下水的補、徑、排條件主要受氣象水文條件及地形地貌因素的制約。

3.礦區(qū)含水層特征

根據地下水的分布規(guī)律及其賦存條件、地層巖性、水文特征，將礦區(qū)地下水類型劃分第四系松散巖類孔隙潛水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水及層狀巖類裂隙水巖性組三種類型。

（1）松散巖類孔隙水。第四系土層孔隙水賦存于第四系砂質粘土及含礫、含砂粘性土中，含水層厚度在4.0m～ 40.5m之間。總體上礦區(qū)內第四系土層富水性弱，為潛水型孔隙水。第四系土層孔隙水補給來源主要為大氣降水補給。地下水位埋深在0.1m～3.5m。根據地表表層土試坑滲水試驗，其滲透系數K值為1.18×10-5～1.17×10-4cm/s，屬弱透水層。

（2）碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。礦區(qū)石灰?guī)r裂隙溶洞水主要賦存于灰?guī)r巖溶裂隙中，屬于覆蓋型巖溶水，是礦區(qū)的主要含水層。主要賦存層位為灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育帶及溶洞洞穴中其連通性較好，是地下水良好的徑流途徑，富水性較好。灰?guī)r裂隙溶洞水總體上富水性強，其補給來源主要為大氣降水及地表水的下滲補給，同時也接受上部孔隙水的越流補給。該含水層水位埋深在0.5m～2.5m，根據抽水試驗成果資料分析。根據礦區(qū)物探勘查報告及礦山詳查階段鉆孔揭露資料，巖溶裂隙溶洞垂直多分布多在0m～-30m標高范圍，據礦區(qū)9條勘探線89個鉆孔統計，15個鉆孔見有溶洞（未見填充物），見洞率16.8%，線巖溶率為0%～3.26%，溶洞高度為1.3m～17.2m。其中0m以上線巖溶率為0%～6.25%，平均為0.93%；0m～- 30m之間線巖溶率為0% ～4.99%，平均為1.07%；-30m～-60m之間線巖溶率為0%～2.50%，平均為0.30%，全礦區(qū)線巖溶率為0.74%，巖溶發(fā)育程度一般。

根據抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量為0.6 L/s？m ～1.48 L/s？m，根據礦區(qū)含水層富水性劃分等級，屬極中等～強富水性，水質類型HCO3-Ca·Na，礦化度118.66，水溫22℃。

（3）層狀巖類裂隙水。分布于礦區(qū)的北西、南東部。巖性主要為紫色淺紫紅色、暗灰色、淺灰白色、黃褐、土黃色頁片狀泥質頁巖、粉砂質頁巖、粉砂巖夾石英砂巖等。淺部巖體破碎，裂隙發(fā)育，為弱富水性的裂隙水含水層。

4.地下水的補給、徑流、排泄條件

本區(qū)地層與構造較簡單，地下水補給主要為大氣降水，大范圍內地下水水力聯系一般，沿低山～淺丘走向分割成若干區(qū)域性地下水單元。由于有區(qū)內灌渠較多，水流沿灌渠流向平原地區(qū)。各區(qū)地下水和地表水運動方向大體一致，為由北西、南東流向中部。地下水的排泄與消耗主要是潛水的蒸發(fā)、向附近丘前平原或向通過裂隙轉為埋藏型基巖裂隙溶洞水、人工開采。地下水的排泄與徑流條件密切相關，徑流條件好的低山丘或河流的上游地區(qū)，地下水排泄以水平方式為主，徑流條件不好的河流下游，主要是垂直排泄。

5.礦坑涌水量預測

（1）礦坑充水因素。礦床類型為露天凹陷開采型，礦體（層）本來就在含水層（體）之中，含水層中的地下水受大氣降水及地表水的補給，礦區(qū)附近沒有較大的地表水系，有兩條小河流自北東流經礦區(qū)后轉向西南，流量不大，流量分別為2520L/s及1350L/s，未來礦區(qū)開采時可進行河流改道。因此，礦坑充水主要來源于大氣降水及礦坑地下巖層涌水。

（2）預測礦坑涌水量。預測未來礦坑涌水量是一項重要而復雜的工作，它對礦產技術經濟評價有很大的影響，也是開采設計部門制定疏干措施、確定排水設備及生產能力的主要依據，為此進行評價性涌水量計算，本礦區(qū)主要預測開采地段礦坑涌水量。

①邊界條件。根據礦區(qū)資源儲量分布及其初擬礦坑終采坑界大體為一北東-南西展布的矩形，礦區(qū)開采總面積為1166147m2。未來礦坑以大氣降雨和地下巖溶水充水為主，其東部為泥盆系中下統桂頭組碎屑巖，可視為相對隔水邊界；巖溶水含水層向西可視為無限延伸。估算資源儲量的底板仍在巖溶水含水層內，未來預測礦坑涌水量均視為非完整井。

②計算公式的確定。在礦坑疏干過程中，當礦坑的涌水量，包括其周圍的水位降低呈現相對穩(wěn)定的狀態(tài)時，可認為以礦坑為中心形成的地下水輔對流場，礦坑的形狀不規(guī)則，分布范圍大，構成較復雜的邊界，要求將它理想化，在理論上可將形狀復雜的礦坑系統成一個大井在工作，而把不規(guī)則的礦坑系統圈定的面積相當于大井的面積，礦坑在排水過程中，其外圍逐漸形成一個統一的降落漏斗，因此，可將形狀不規(guī)則的礦坑看成一個理想的“大井”。整個礦坑的排水量看為一個“大井”工作時的涌水量。

③抽水試驗。為了確定井的實際出水量，洗井結束后，對含水層進行抽水試驗。試驗方法單孔穩(wěn)定流抽水試驗，對抽水孔一般進行2次～3次降深的抽水試驗。

在整個抽水試驗過程，均安排水文地質技術人員輪流值班，按規(guī)范要求對抽水孔的水位降深、流量等進行觀測記錄，在抽水穩(wěn)定延續(xù)時間里，取連續(xù)觀測資料，水位、涌水量波動相對誤差基本達到規(guī)范要求，各種觀測數據準確可靠。

本次抽水試驗主要采用穩(wěn)定流抽水試驗，根據井管結構及含水層類型，根據試驗過程實際情況，按《水文地質手冊》表8-1-1選用多孔抽水，有一個觀測孔，承壓、非完整井、非淹沒型計算模型及公式來計算滲透系數及影響半徑：

通過計算，礦床開采至-30m標高礦坑總涌水量（最大值）為386190m3/d，-60m標高礦坑總涌水量（最大值）為400522m3/d；礦床開采至-30m標高礦坑總涌水量（平均值）為23719m3/d，-60m標高礦坑總涌水量（平均值）為38051m3/d。

6.結語

礦坑涌水量預測在露天凹陷開采礦山中是必不可少的環(huán)節(jié)，通過一系列水文地質調查及實驗可預測出礦坑的涌水量為礦床開采設計提供了必要的依據；建議在礦床開采期間對礦區(qū)及周邊區(qū)域進行監(jiān)測和巡查，若發(fā)現水位突然下降或者巖溶地面塌陷問題，及時進行應急處理。

參考文獻：

[1]廣東省化州市那洪礦區(qū)水泥用石灰?guī)r礦詳查報告.中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心廣東總隊， 2013.7

[2]礦區(qū)水文地質工程地質勘探規(guī)范.（GB 12719-91）國家技術監(jiān)督局， 1991. 2. 04

[3]水文地質手冊.地質礦產部水文地質工程地質技術方法研究隊主編.地質出版社， 1978. 4