帷幕注漿條件下礦井涌水量預測及評價

韓竹東，樂 應，汪 杰

（中南勘察基礎工程有限公司，湖北 武漢 430000）

近年來，為了有效保護環境水資源，實現礦產資源的安全開采，許多水文地質條件復雜的巖溶大水礦山通過采用地面帷幕注漿的手段對地下水患進行防治，以達到減少礦井涌水量和保障采礦安全的目的。

注漿帷幕形成后，對幕外充水含水層中地下水進入礦坑起到了較好的截流作用，可以認為在一定程度上改變了礦床地下水的逕流條件，但同時也應考慮到帷幕墻并非是完全隔水，仍然具有一定的滲透性，不能視為完整的隔水邊界，礦山開采時礦坑仍然會出水。因此在礦山帷幕形成后，有必要對礦井涌水量進行預測評價。

1 工程背景

鯉泥湖銅鐵礦床屬水文地質條件復雜的巖溶充水礦床，礦區位于大冶湖盆區，湖區常年洪水水位標高17.31m，歷年最高洪水位標高23.31m。本礦床礦體產狀陡傾斜，礦體傾角60°～80°，礦體下盤巖體為花崗閃長巖隔水體，礦坑的東、北、西三面均為三疊系大理巖巖溶裂隙含水層，水文地質邊界條件復雜。礦體分布在當地侵蝕基準面以下，礦坑主要充水圍巖為裂隙溶洞含水層，平均底板標高-118m，其巖溶發育，富水性強，根據礦區詳查補充水文地質報告，-205m中段正常礦坑涌水量達20497m3/d，在湖水下滲條件下的礦坑涌水量可達25995m3/d。為解決礦山開采面臨的水患問題，礦山實施了地面帷幕防治水工程。

帷幕注漿設計范圍為鯉泥湖礦Ⅱ號、Ⅲ號礦體，采用單排等距離布孔，注漿孔間距8m，帷幕軸線全長1016m，帷幕軸線東西端點均落在花崗閃長巖隔水巖體上，帷幕軸線與花崗閃長巖隔水體共同形成封閉式帷幕，共布置128個鉆孔，鉆探總進尺43405m。帷幕幕體設計透水率為5Lu以下。

2 礦井涌水量預測

由于注漿帷幕形成后，幕墻的截水效果較為顯著，可以認為在一定程度上改變了礦床的水文地質邊界條件，若采用大井法進行估算與實際情況不大相符。本次擬采用地下水動力學法和比擬法對-245m水平中段和-285m水平中段涌水量進行預測。

2.1 地下水動力學法

本次采用地下水動力學法預測時，將進入礦坑的地下水分解為側向進水（通過帷幕墻滲入）Q1、底板進水（帷幕墻未封底處滲入）Q2和地表水入滲（汛期湖水及地表水滲入）Q3三個部分，計算模型如圖1、2所示。

圖1 側向進水計算示意圖

圖2 底板進水計算示意圖

2.1.1 計算公式

本次地下水動力學法采用達西定律計算公式進行礦坑涌水量預測，其計算公式如下：

式中：K-注漿后含水層平均滲透系數（m/d）；i-水力梯度；A-計算斷面面積（m2）；F-幕內含水層底板進水面積（m2）；K’-湖積粘土滲透系數（m/d）；F’-汛期湖水淹沒影響半徑范圍內湖積粘土覆蓋大理巖的面積（m2）；H’-汛期湖水對湖積粘土底板的水頭高度（m）；L’-湖積粘土平均厚度（m）。

2.1.2 計算參數的選擇

（1）注漿后含水層平均滲透系數K：含水層平均滲透系數采用帷幕注漿結束時主豎井抽水試驗成果，綜合平均滲透系數為K=0.028m/d。

（2）水力梯度i：幕外取離帷幕線較近的觀3孔水位標高3.14m，幕內最低取至擬估算的中段水平標高，滲流長度取觀3至擬估算的水平中段揭露含水層的平均距離296.19m。

（3）側向進水斷面面積A：根據帷幕軸線地質剖面圖測算擬計算中段標高以上含水層的垂向過水斷面，-245m中段、-285m中段分別為203255m2、238439m2。

（4）幕內含水層底板進水面積F：-245m中段、-285m中段分別為61045m2、59082m2。

（5）滲透系數K′：取中心河河床粘土、一般湖積粘土的滲透系數與其分布面積的加權平均值，為0.005877m/d。

（6）湖積粘土覆蓋大理巖的面積F’：汛期湖水淹沒引用影響半徑范圍內湖積粘土覆蓋大理巖的面積取643112m2。

（7）湖積粘土隔水層厚度L′：全礦區各孔平均厚度為11m。

（8）汛期湖水對湖積粘土底板的水頭高度H’取16m。

2.1.3 各中段涌水量計算結果

根據公式⑴、⑵、⑶及以上計算參數得出各中段礦井涌水量，其中正常礦坑涌水量為Q=Q1+Q2，當考慮汛期湖水入滲條件下的最大涌水量為Q=Q1+Q2+Q3。計算結果見表1。

表1 地下水動力學法計算礦坑涌水量結果

2.2 坑道面積比擬法

據已有地勘資料中抽水試驗成果表明，礦坑單位涌水量與降深基本成線性關系，而據礦山開采歷史，礦坑涌水量與坑道開采面積的大小也基本成線性相關。

2.2.1 比擬法計算涌水量公式如下

式中：q0-單位降深涌水量（m3/d·m）；Si-計算水平中段水位降深(m)；V0-當前工況下-205m水平中段坑道面積(m2)；Vi-未來坑道(-245m、-285m)水平中段坑道面積(m2)。

2.2.2 計算參數的選擇與確定

（1）單位降深涌水量q0：根據礦山2012年7月疏干清淤至2012年12月底的排水記錄，-205m中段日平均排水量為4603m3/d，地下水位降深218.44m，平均單位降深涌水量q0=21.07m3/d.m。

（2）-205m水平中段開拓系統影響面積V0：當前-205m中段開拓系統面積為V0=22125m2。

（3）未來坑道(-245m、-285m)水平中段坑道面積Vi：-245m、-285m中段礦坑坑道面積分別為23103m2、22880m2。

2.2.3 計算結果

根據公式⑷，采用坑道面積比擬法的計算結果見表2。

表2 坑道面積比擬法計算結果

3 礦井涌水量預測成果評價

地下水動力法計算的結果與坑道面積比擬法計算結果比較接近，-245m水平中段相對誤差為2.57%，-285m水平中段相對誤差為20.6%。分析認為隨著開采深度的增加，大理巖巖溶發育程度逐漸減弱，滲透性亦隨之減弱，若仍以帷幕注漿后抽水試驗降深至-193m的平均滲透系數計算深部的涌水量，結果明顯偏大，計算深度越大誤差也就越大。綜上所述，推薦采用坑道面積比擬法計算的礦坑涌水量做為礦井排水設計的依據，即-245m中段礦坑正常涌水量為5564 m3/d，湖水下滲條件下的礦坑通水量為11062 m3/d；-285m中段礦坑正常涌水量為6327 m3/d，湖水下滲條件下的礦抗涌水量為11825 m3/d。

4 結語

根據礦山后期開拓排水情況看，-245m及-285m中段巷道實際排水量比預測結果略低，說明本礦山帷幕注漿條件下采用比擬法預測礦坑涌水量相較地下水動力學計算方法更為準確合理。