基于水文地質概念模型的金銅礦區涌水量預測方法研究

賁世連，張 永，張 偉，郁苗苗

(安徽省煤田地質局水文勘探隊，安徽 宿州 234000)

安徽省廬江縣黃屯硫鐵礦床位于黃屯河下游，水文地質、工程地質條件復雜，為一大型礦山。礦區西部金銅礦體[1]是新增資源，前期的勘探地質及生產地質只認識了資源量的問題，對開采技術條件工作研究較少。因此，查明西部金銅礦體開采技術條件，并進一步查明礦區水文地質條件[2]，為礦山開采防治水提供準確的參數依據至關重要。

1 礦區邊界條件

本礦區在F1斷層西部存在自然隔水邊界，與F1斷層共同作用具有良好的隔水作用、東部發育有F2斷層、南部發育有F3斷層，根據以往對這些斷層帶的水文地質勘探水文地質試驗對這些斷層的水文地質性質分析如下：

1.1 西部邊界

F1斷層：位于礦區西部，為黃屯硫鐵礦床內一條規模較大的斷層，具有多期性，為逆斷層，具壓扭性。鉆孔揭露時出現漏水現象，富水性強并具承壓性。以往資料揭示該斷層具有縱向導水，橫向水的特點，但是在該斷層的中段由于受到北東向和北西向破碎帶的切割，阻水性被破壞，構造帶局部透水。

自然隔水邊界：距金銅礦體西邊界約300 m。據群孔抽水試驗資料，抽水90 d后，抽水主孔水位降低近120 m，西帷幕外圍觀10孔降至83 m，而BG06孔和觀11孔水位無變化；最新礦區內觀測孔水位-263.87 m，而區外孔水位+2.70 m，也進一步證明西部自然隔水邊界的隔水性。

1.2 東部邊界F2斷層

位于本礦床東側的岳山礦區，為一左行平移斷層[3]，該斷層見多期活動性質。斷裂帶中的F2-1的阻水作用稍差，而F2-2有較好的隔水效果，阻隔東部岳山鉛鋅礦與黃屯硫鐵礦的水力聯系。

1.3 南部邊界F3斷層

位于本礦床南部，為張性正斷層。根據資料分析表明該斷層具有較強的富水和導水性能，對礦區南部來水未起到阻水作用。故本礦區南部可視為無限邊界。

1.4 北部邊界

北部以BK6、BK7一線為邊界，無明顯的構造跡象，該邊界在天然條件下，為本區地下水向北部天河運移的排泄邊界，但是在礦區抽排水條件下則構成本礦區的補給邊界，北部含水層及天河地表水可以通過該邊界進入礦區，構成礦坑涌水的一部分。

1.5 上邊界

本區地表均有穩定的第四系粘土組成，其透水性差，為相對隔水層，阻隔了地表水與下伏地下水的水力聯系，故上邊界可以處理為零流量邊界。

1.6 下邊界

根據資料下邊界底板為碎屑巖、碳酸鹽巖類巖溶—裂隙水含水巖組，富水性較弱，按弱含水層處理。

2 礦區水文地質概念模型及計算方法

2.1 礦區地質概念模型的建立

根據資料分析，得出本區平面近似梯形，東西兩側以隔水邊界為主、南北兩側為導水邊界，垂向5層結構(3個弱透水層-相對隔水層夾2個承壓-微承壓孔隙-裂隙含水層)，內部由5條相互交叉的強導水破碎帶所組成的高度非均質非穩定的地下水流模型。

這種復雜的水文地質模型從嚴格意義上來講無法用解析法進行求解。但由于礦區內現有的長期觀測孔數量較少，目前僅有K221可以觀測目的層地下水水位，礦區外圍觀測孔也只有觀12及BK01孔，且觀測不連續不系統，無法采用數值法進行礦坑涌水量計算。礦井在帷幕注漿工程施工后，在采掘過程中對礦井涌水量進行了連續系統的觀測，其涌水量的值較直觀也較真實，且上部硫鐵礦體及西部金銅礦體主要圍巖均為侏羅系上統龍門院組粗安巖，也是礦區主要含水層，故本次主要采用比擬法進行礦坑涌水量的預測，同時輔以近似等效的均質等厚帶狀含水層模型運用解析法進行求參和礦坑涌水量預測與比擬法進行對比。

2.2 比擬法參數確定及涌水量計算

2.2.1 采用公式

(1)

式中：Q0為礦井實測涌水量(m3/h)；Q為預計水平涌水量(m3/h)；S為水位降低值(m)；

2.2.2 參數選擇

黃屯硫鐵礦目前-290 m水平大部分已打開，礦井對涌水量進行了連續系統觀測。前期涌水量較大，后期由于帷幕注漿工程施工，封堵了大部分導水通道；再者由于井上下聯合排水疏放后，礦井主要含水層水位下降明顯，下部巖石構造破碎的發育程度及巖石的富水性都相對較弱，所以礦井涌水量呈逐年減小趨勢。近年來涌水量觀測值見表1，礦井涌水量歷時曲線圖見圖1。

圖1 礦井2019-2020年涌水量水位變化示意圖

表1 礦井涌水量統計表 m3/h

本次涌水量預測，Q0選取2020年豐水期平均涌水量688.8 m3/h(16 531.2 m3/d)，降深采用開采水平及礦井目的含水層水位與靜止水位的差值，靜止水位采用目前礦井外圍的三個觀測孔及附近馬鞭山礦井水位的平均值(0.00 m)，計算得到S1=340.00 m，S2=460.00 m，S0=233.81 m(區內K221長觀孔水位)。

2.2.3 計算結果

最終計算可知，-340 m中段正常涌水量為1 001.5 m3/h(24 036.4 m3/d)；-460 m中段正常涌水量為1 354.9 m3/h(32 517.6 m3/d)。

2020年雨季水量為60 a一遇的大洪水，黃屯河水位超過歷史最高水位，本礦區主要補給水源來自于大氣降水，據礦井涌水量觀測數據分析，雨季涌水量比平時多出近100 m3/h，本次礦井涌水量預測的最大涌水量為正常涌水量和雨季增加的涌水量之和，即：-340 m中段最大涌水量為1 101.5 m3/h(26 436.4 m3/d)；-460 m中段最大涌水量為1 454.9 m3/h(34 917.6 m3/d)。

2.3 解析法參數及涌水量計算

2.3.1 水文地質參數計算

運用解析法進行礦井涌水量預測，將壓水試驗與觀測孔水位資料進行整理分析，求取水文地質參數。

1)壓水試驗[4]

HK100、HK605孔壓水試驗目的層透水率為0.748 Lu、3.021 Lu，滲透系數0.012 m/d、0.043 m/d。壓水試驗求得的滲透系數偏小，得出：F1斷層由于破碎帶較大，且出現泥化現象，起到一定的隔水作用；西部金銅礦體由于隱爆角礫巖的成礦作用，充填了巖體的部分裂隙，使得巖體的導水性變弱。由于壓水試驗方法對參數計算的誤差相對較大，加上設備能力限制及工序等均可造成滲透系數計算值偏小，固其值僅供參考。

2)井下突水[5]

2020年1月8日、8月19日，-290 m巷道18、22線迎頭出水，對出水水量及K221、K142觀測孔水位資料進行整理分析，觀測孔的擬合曲線如圖2、圖3所示，計算參數具體見表2。

表2 解析法求參成果表

圖2 K221孔、K142孔s～lgt直線圖解法擬合曲線

圖3 K221孔、 K142孔lgs～lgt對比擬合曲線

由表2可見本區裂隙-孔洞含水層的導水性能較強，與以往資料相比較偏小，原因是下部含水層裂隙及破碎帶發育程度較上部相對較弱。

2.3.2 解析法參數選取及涌水量預測

本次解析法以水文地質勘探成果為基礎，根據井下突水所獲得的成果資料，對礦井涌水量進行預測，預測水平為-340 m及-460 m。

1)模型概化及計算原理

根據礦區的水文地質條件，礦區東部的F2-2斷層為直線隔水邊界，西部根據長觀孔資料顯示，存在一個自然隔水邊界，加上F1斷層影響，總體為隔水邊界。此種復雜的邊界條件，實際上無解析解，為了便于解析計算，根據水量等效的原理對西部邊界的位置進行適當調整，概化為相互平行的兩條隔水邊界，并保證兩條隔水邊界之間的距離(2 d)等于實際模型中南北兩條透水邊界長度之和的1/2。 經此概化后本礦區解析解模型的邊界條件見圖4。

圖4 大井法涌水量計算的水文地質平面示意圖

(2)

(3)

(4)

引用影響半徑估算公式：R0=R+r0

(5)

式中：Q為預測礦井涌水量(m3/h)；K為滲透系數(m/d)；H為含水層厚度(m)；d為大井距隔水邊界的距離(m)；S為水位降低值(m)；R0為礦坑引用影響半徑(m)；r0為礦坑引用半徑(m)；R為影響半徑(m)；F為多邊形礦坑的面積(m2)。

2)計算參數的選擇

(1)含水層厚度(H)：采用計算水平標高與靜止水位標高的差值。

(2)滲透系數(K)：采用本次井下突水資料所計算的導水系數平均值，采用公式計算出K=0.527 m/d。

(3)多邊形礦坑面積(F)：根據礦井巷道實際開拓范圍的面積，其值約為0.64 km2。

3)礦坑涌水量預測

根據公式以及參數計算得出本區-340 m中段礦井涌水量為23 541.9 m3/d，-460 m中段礦井涌水量為32 239.3 m3/d。

3 結語

(1)確定本礦區是一個由5層結構(3個隔水-弱透水層與2個含水層組成的)非均質非穩定流動系統，該系統是區域黃屯地下水系統的一部分，該系統內部侏羅系火山巖孔隙裂隙含水層的滲透性和富水性總體較好，是礦坑涌水的直接充水巖層[7]。

(2)本次采用水文地質解析法和比擬法分別對礦區礦坑涌水量進行了預測，預測結果基本相近。本礦井自2016年以來，連續對礦井涌水量進行觀測，真實可靠，且-340 m、-460 m中段的地質、水文地質、開采條件與目前實際涌水量觀測所對應的充水巖層及補給條件基本相同。綜合各方面條件對比，從安全因素考慮，建議采用比擬法預測的礦井涌水量作為礦井防排水系統及相關設計的依據。即：-340 m中段正常涌水量為1 001.5 m3/h(24 036.4 m3/d)，最大涌水量為1 101.5 m3/h(26 436.4 m3/d)；-460 m中段正常涌水量為1 354.9 m3/h(32 517.6 m3/d)，最大涌水量為1 454.9 m3/h(34 917.6 m3/d)。

(3)本礦區特大暴雨條件下的最大礦坑涌水量與正常礦坑涌水量大約增加1 800 m3/d，其主要原因是本礦區地表有較好的粘性土覆蓋層，阻止了暴雨的直接入滲補給，暴雨導致的礦坑涌水量增大仍然主要來源于南部低山丘陵區降水入滲增大后導致的南部邊界側向補給量的增大；少部分由礦區西北邊界侏羅系龍門院組火山巖裸露區降水入滲直接補給；同時也存在礦區內少量封閉不良鉆孔直接導水的可能。

(4)本礦區防治水的關鍵是在現有注漿帷幕及隔水邊界的條件下對相應的開采水平進行疏干排水。為此應采取相應的勘測方法查明西部及西南部隔水邊界的具體位置，隨著礦井開采水平不斷延深，區內與外圍的水位高差不斷增大，需進一步論證其隔水邊界的可靠性。同時對區內封閉不良鉆孔進一步排查，發現后及時封堵。