比擬法和解析法在礦坑涌水量預測中的應用

摘要：比擬法和解析法是礦坑涌水量預測的常用方法，各有應用優(yōu)勢。本文全面分析某磷礦山水文地質(zhì)條件，結合臨近淺部礦山的實測礦井涌水量資料，應用比擬法和解析法對該礦井的涌水量進行預測，并就兩種方法進行評述，得出比擬法計算結果更適合本次預測。

關鍵詞：礦坑涌水量；水文地質(zhì)；比擬法；解析法

中圖分類號：TD742 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.012

Abstract： The analogy method and the analytic method are commonly used methods for predicting the water inflow of mining pits， each with its own application advantages. This paper comprehensively analyzes the hydrogeological conditions of a phosphorus mine， combined with the measured water inflow data of a nearby shallow mine， and applies the analogy method and analytic method to predict the water inflow of the mine， and reviews two methods， thus concluding that the calculation results of the analogy method are more suitable for this prediction.

Keywords： water inflow of mine pit; hydrogeology; analogy method; analytic method

礦坑涌水量計算的精確程度直接影響礦床的合理開采和安全生產(chǎn)[1]，因此在預測礦坑涌水量時，必須詳細分析礦坑涌水量的影響因素，選用合理的水文地質(zhì)參數(shù)。本文以某磷礦山為例，查清水文地質(zhì)條件，詳細分析影響礦坑涌水量的主要因素，最終選用水文地質(zhì)比擬法（簡稱比擬法）和解析法對工業(yè)礦體一期及二期地段的礦坑涌水量進行預測。

1 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)礦體均分布于最低侵蝕基準面之下，位于區(qū)域水文地質(zhì)單元的排泄區(qū)。綜合分析地層巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖溶發(fā)育情況、含水性等特征，將礦區(qū)內(nèi)地層分為3個含水層和2個隔水層。礦區(qū)地層主要有第四系（Q）、寒武系清虛洞組（∈1q）至婁山關組（∈2-3ls）、牛蹄塘組至金頂山組（∈1n-j）、燈影組（Z2dy）、南華系南沱組（Nh2n）至震旦系陡山沱組（Z1d）。下面分析礦坑充水因素。

1.1 礦床充水水源

大氣降水是礦區(qū)地下水的主要補給來源，也是礦坑水間接充水水源。區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，主要河流由南向北流動，河床標高為694～725 m。一般流量為3.99 m3/s，最大流量為6.35 m3/s，根據(jù)以往觀測結果，該河豐水期漏失量為616 m3/h，枯水期漏失量為363 m3/h，平均漏失量為519 m3/h。礦床直接頂板為燈影組白云巖地層，為巖溶含水層，富水性較強，該含水層中的地下水為礦床直接充水水源。

1.2 礦床充水通道

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查結果和深部鉆探揭露，未來對區(qū)內(nèi)采礦可能造成充水影響的斷裂構造為F1。F1斷層隱伏于礦區(qū)磷礦中部，走向北東，傾向南東，傾角為10°～24°，區(qū)內(nèi)走向延伸長約為4.1 km，兩端延伸出區(qū)外。垂直斷距為105.11～143.69 m，平均為130.18 m左右。區(qū)內(nèi)見寬0.47～17.68 m的斷層破碎角礫帶。該斷層在-200～-100 m標高錯切磷礦層，造成礦層重復，鉆孔水位資料顯示，當鉆遇該斷層時，鉆孔水位及沖洗液均無明顯變化，為導水斷層，由于該斷層傾角較平緩，礦區(qū)內(nèi)該斷層未切割穿礦層上部隔水層牛蹄塘組-金頂山組，與頂部巖溶水（清虛洞組-婁山關組）未連通，對礦床充水影響較小。燈影組白云巖節(jié)理裂隙發(fā)育，在地下水溶蝕作用下，沿節(jié)理裂隙易形成巖溶管道，在采礦及礦井頂板冒落后，地下水沿節(jié)理裂隙帶從礦層頂板進入。

2 涌水量預測方法選擇

目前，礦坑涌水量計算方法繁多，使用較為廣泛的有比擬法、解析法、相關分析法和水均衡法等[2-5]。本次預測僅將磷礦采區(qū)的范圍作為未來礦山礦井涌水量的預算范圍。本研究分別對一期和二期最低開拓標高-250 m和-500 m兩個中段水平進行涌水量預算。

預算范圍內(nèi)南、北、東面燈影組巖溶含水層連續(xù)分布，可視為無限邊界，西側河流河床燈影組段則可視為恒定補給段的定流量補給邊界。邊界斷層F4為阻水斷層，區(qū)域地下水系統(tǒng)邊界視為阻水邊界。主要充水含水層含水介質(zhì)以裂隙為主并兼有小規(guī)模的溶蝕孔洞組合，概化為裂隙類型。巖層含水性較均勻，導水性和含水性具有一定的各向異性。

天然條件下，礦區(qū)充水含水層深埋地下，為含水性和透水性較好的燈影組，頂板為含水性和透水性差的牛蹄塘組-金頂山組隔水層，地下水動力特征具承壓水性質(zhì)；預測區(qū)西部燈影組含水層裸露地表，地下水動力特征表現(xiàn)為潛水性質(zhì)。未來開采條件下，礦坑排水過程為承壓-無壓運動。開采條件下，燈影組地下水流場將從礦區(qū)四周向突水點匯集，阻水邊界附近，地下水向積水構筑物（礦坑）流動，為承壓-無壓運動。礦坑涌水量預測方法根據(jù)礦床水文地質(zhì)概念模型確定。根據(jù)開采條件下地下水流場概化結果，選用比擬法和解析法（穩(wěn)定流）分別預算-250 m、-500 m水平礦坑的正常涌水量和最大涌水量。

3 比擬法預測涌水量

3.1 計算公式

比擬法是利用水文地質(zhì)條件相似、開采方法基本相同的生產(chǎn)礦井（采區(qū)或工作面）的排水或涌水量觀測資料，預測新礦井或下一開采水平的礦坑涌水量。本礦區(qū)西側緊鄰某礦區(qū)，二者水文地質(zhì)條件相近，開采方法一致，且淺部礦山為開采多年的成熟礦山，巷道排水資料豐富翔實。因此，本次設計采用西側緊鄰的淺部某礦區(qū)排水資料來進行比擬預測。其計算公式為

式中：Q1為老礦井實際涌水量，m3/d；Q2為預測新礦井涌水量，m3/d；F1為老礦井實際開采面積，m2；F2為新礦井開采面積，m2；S1為老礦井實際水位降深，m；S2為新礦井水位降深，m；m、n為礦區(qū)經(jīng)驗待定數(shù)據(jù)，根據(jù)礦區(qū)含水層情況，取經(jīng)驗值，即m=4，n=2。

3.2 參數(shù)的確定及計算結果

一是老礦井實際涌水量Q1。根據(jù)淺部礦區(qū)2021年1月至2022年3月實際排水數(shù)據(jù)，平均排水量為62 892 m3/d，最大排水量為89 126 m3/d。礦區(qū)河流流經(jīng)淺部磷礦時發(fā)生滲漏，長觀資料顯示，該河滲漏量相對不變，最大值為14 794.56 m3/d，正常值為12 461.04 m3/d。取真實地下水抽排量作為比擬法老礦區(qū)參數(shù)，淺部礦井地下水正常排水量為50 431 m3/d，最大排水量為74 332 m3/d。二是老礦井實際開采面積F1。淺部礦井實際疏干排水面積根據(jù)資源量估算平面圖中采空區(qū)面積及巷道揭露實際疏干排水面積確定。截至2021年12月，淺部磷礦疏干排水面積為2 128 492 m2。三是老礦井實際水位降深S1。已知老礦井水位降深，根據(jù)區(qū)內(nèi)以往鉆孔燈影組靜止水位觀測，區(qū)內(nèi)燈影組含水層地下水平均水位標高為466.24 m，淺部礦山最低排水標高為80 m，因此確定淺部磷礦山排水降深為386.24 m。四是新礦井水位降深S2。設計新礦井預計水位降深，礦區(qū)疏干排水降深根據(jù)地下水平均靜水位與各預測中段水平之差確定，故-250 m水平正常水位降深為716.24 m，-500 m水平正常水位降深為966.24 m。五是新礦井開采面積F2。本次預測中，-250 m和-500 m水平之上擬開采礦體水平投影面積分別為3 139 907 m2和7 906 415 m2。將以上參數(shù)代入式（1）可得，-250 m水平正常涌水量為75 684.93 m3/d，最大涌水量為111 256.9 m3/d；-500 m水平正常涌水量為110 735.9 m3/d，最大涌水量為162 781.7 m3/d。

4 解析法預測涌水量

4.1 計算公式

礦區(qū)內(nèi)充水含水層厚度大，為簡便計算，可將含水系統(tǒng)近似視為承壓水系統(tǒng)。根據(jù)概化后的地下水運動概念模型，建立預算區(qū)內(nèi)地下水向阻水邊界附近集水井運動的涌水量計算公式，如式（2）所示。

式中：Q為礦坑排水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；M為含水層厚度，m；S為預算區(qū)疏干排水降深，m；R為大井引用影響半徑，m；r0為大井引用半徑，m；r'為排水實井中心距映射虛井中心的距離，m。

4.2 參數(shù)的確定及計算結果

一是滲透系數(shù)K。采用礦區(qū)內(nèi)三個抽水孔的抽水試驗資料。取三孔平均值為區(qū)內(nèi)充水層滲透系數(shù)，K=0.16 m/d。二是含水層厚度M。根據(jù)探礦鉆孔，預測范圍內(nèi)含水層平均厚度為298.71 m。三是疏干排水降深S。礦區(qū)疏干排水降深根據(jù)地下水平均靜水位（466.24 m）與各預測中段水平之差確定，故-250 m水平正常水位降深為716.24 m，-500 m水平正常水位降深為966.24 m。四是大井引用半徑r0。將預算區(qū)的疏干排水視為一個大井的集中排水。利用式（3）計算大井引用半徑。F2為3 139 907 m2，-250 m水平之上大井引用半徑為999.73 m；F2為7 906 415 m2，-500 m水平之上大井引用半徑為1 586.41 m。五是大井影響半徑R0。利用式（4）計算大井影響半徑。S為716.24 m，K為0.16 m/d，-250 m水平大井影響半徑為2 864.96 m；S為966.24 m，K為0.16 m/d，-500 m水平大井影響半徑為3 864.96 m。六是引用影響半徑R。利用式（5）計算引用影響半徑。經(jīng)計算，-250 m水平引用影響半徑為3 864.69 m，-500 m水平引用影響半徑為5 451.37 m。七是開采虛井中心距開采區(qū)中心的距離r'。利用式（6）計算該參數(shù)。根據(jù)各中段開采大井平面分布位置，模擬開采井中心距F4斷層的直線距離。L為大井邊緣至F4斷層的直線距離。L為2 134.8 m，-250 m水平r'為6 269.06 m；L為1 520.4 m，-500 m水平r'為6 213.62 m。

將以上參數(shù)代入式（2）可得，-250 m水平正常涌水量為69 982.59 m3/d，最大涌水量為102 874.4 m3/d；-500 m水平正常涌水量為111 746.5 m3/d，最大涌水量為164 267.4 m3/d。

5 結語

本研究分別采用比擬法和解析法對礦山-250 m及-500 m開采水平涌水量進行預測，兩種方法所預測的礦坑涌水量相差不大，說明礦區(qū)水文地質(zhì)條件概化參數(shù)取值總體合理，預測結果可信。解析法計算結果偏小，經(jīng)分析，原因是將含水介質(zhì)均勻化，而礦區(qū)未進行群孔抽水試驗，所得滲透系數(shù)值較少，求取的含水層平均滲透系數(shù)偏小。而比擬法采用緊鄰的淺部生產(chǎn)礦井實際排水數(shù)據(jù)進行比擬，更接近礦坑排水實際情況，因此取比擬法涌水量預測結果作為礦山開采設計依據(jù)。各礦山的具體情況千差萬別，水文地質(zhì)條件錯綜復雜，預測礦坑涌水量時必須全面分析各種影響因素，這樣才能使預測結果更加準確而接近實際情況，從而為礦山安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

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