露天礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)

摘 要：【目的】礦坑涌水量預(yù)測(cè)是礦床水文地質(zhì)勘查的重要組成部分，是生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門(mén)制訂開(kāi)采方案、確定排水能力和制定疏干措施的主要依據(jù)，正確預(yù)測(cè)礦坑涌水量是安全開(kāi)發(fā)礦山的重要工作。【方法】以湖北宜昌某建筑石料用灰?guī)r礦為例，探討露天礦礦坑涌水量的預(yù)測(cè)方法。通過(guò)分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件，構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，選用水均衡法與解析法兩種方法聯(lián)合估算礦坑涌水量。【結(jié)果】預(yù)測(cè)結(jié)果大致符合礦區(qū)客觀實(shí)際。【結(jié)論】數(shù)據(jù)結(jié)果可供生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門(mén)參考，同時(shí)為其他水文地質(zhì)條件相似的露天礦的礦坑涌水量預(yù)測(cè)提供了一種案例參考。

關(guān)鍵詞：露天礦；礦坑涌水量預(yù)測(cè)；水文地質(zhì)條件；數(shù)學(xué)模型；水均衡法；解析法

中圖分類(lèi)號(hào)：TD742.1" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）13-0068-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.013

Prediction and Evaluation of Mine Water Inflow in Open-Pit Mine

——Taking a Limestone Mine for Building Stone in Yichang， Hubei Province as an Example

XU Sheng CHEN Yongbao ZHANG Shujie QI Shuanglin WANG Teng JIANG Conggang

（Hubei Institute of Metallurgical Geology （Central South Institute of Metallurgical Geology）， Yichang 443000，China）

Abstract： [Purposes] Prediction of mine water inflow is an important part of hydrogeological exploration. It is the main basis for the production design department to formulate the mining plan， determine the drainage capacity and formulate the drainage measures. Correct prediction of mine water inflow is an important work for safe development of mines.[Methods] This paper takes a limestone mine for building stone in Yichang， Hubei as an example to discuss the prediction method of mine water inflow in open-pit mine.By analyzing the hydrogeological conditions of the mining area， a hydrogeological conceptual model was constructed， a hydrogeological mathematical model was established， and water balance method as well as analytical method were selected to jointly estimate the water inflow of the mine pit. [Findings] The prediction results are roughly in line with the objective reality of the mining area.[Conclusions] The data can be used for reference by the production design department. At the same time， it provides a case reference for the prediction of mine water inflow in other open-pit mines with similar hydrogeological conditions.

Keywords： open-pit mine; prediction of mine water inflow; hydrogeological conditions; mathematical model; water balance method; analytical method

0 引言

礦坑涌水量預(yù)測(cè)是礦床水文地質(zhì)勘查的重要組成部分，它不僅是確定礦床水文地質(zhì)類(lèi)型、對(duì)礦床進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)及合理開(kāi)發(fā)的重要指標(biāo)之一，更是生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門(mén)制訂開(kāi)采方案、確定排水能力和制定疏干措施的主要依據(jù)［1］。礦井突水是開(kāi)采礦床過(guò)程中的主要災(zāi)害之一，因此正確預(yù)測(cè)礦坑涌水量是安全開(kāi)發(fā)礦山的重要工作。根據(jù)礦體的賦存、埋藏條件及開(kāi)采方式（露天開(kāi)采和地下開(kāi)采）的不同，將礦山分為兩大類(lèi)：露天礦和地下礦。相比地下礦床地質(zhì)條件較復(fù)雜，露天礦床的地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，礦坑涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算也相對(duì)容易。本研究以湖北宜昌某建筑石料用灰?guī)r礦為例，探討露天礦礦坑涌水量的預(yù)測(cè)方法，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果加以評(píng)價(jià)，為下一步設(shè)計(jì)礦山的開(kāi)發(fā)利用方案提供參考依據(jù)，同時(shí)也能為其他水文地質(zhì)條件相似的露天礦的礦坑涌水量預(yù)測(cè)提供一種案例參考。

1 預(yù)測(cè)計(jì)算流程

預(yù)測(cè)露天礦礦坑涌水量，首先要查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，主要包括礦坑充水因素、地表水特征、匯水面積、含水層厚度以及地下水補(bǔ)給、徑流、排泄特點(diǎn)等水文地質(zhì)特征和參數(shù)。根據(jù)實(shí)際的水文地質(zhì)條件，按照礦坑涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算流程如圖1所示，構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，帶入水文地質(zhì)參數(shù)求得礦坑涌水量。

2 礦山地質(zhì)概況

湖北宜昌某建筑石料用灰?guī)r礦位于低山丘陵區(qū)，地勢(shì)總體中部高四周低、南高北低，最高點(diǎn)位于礦區(qū)南部山峰，最低點(diǎn)位于礦區(qū)西南部山峰，山坡坡角一般為13°～22°。礦區(qū)北邊和西邊存在陡崖，地表坡度20°～80°，平均35°。礦區(qū)及周邊最低點(diǎn)位于西北部的常年性河流，河床標(biāo)高約135 m（視為當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面）。

礦區(qū)廣泛發(fā)育碳酸鹽巖，出露地層主要為奧陶系下統(tǒng)大灣組、紅花園組、南津關(guān)組，是礦體的主要構(gòu)成部分，巖性以泥晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r為主，其次為白云巖；開(kāi)采礦體位于侵蝕基準(zhǔn)面以上，地形條件有利于自然排水；礦區(qū)巖溶裂隙較發(fā)育，地下水含水層以碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層為主；區(qū)域地下水補(bǔ)給來(lái)源與礦坑充水因素主要為大氣降水，礦區(qū)大部分降水通過(guò)地表向礦坑匯集，并向低洼處的河溝自然排泄，小部分通過(guò)巖溶裂隙滲入補(bǔ)給地下水；地表水體主要為礦區(qū)西北部的一條常年性河流，采礦主體區(qū)無(wú)地表水流過(guò)，正常情況下地表水體不會(huì)對(duì)礦坑造成直接充水威脅；地下水與地表水水質(zhì)類(lèi)型均為HCO₃-Ca型水。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，勘查類(lèi)型是以大氣降水充水為主、溶隙地下水充水為次的山坡露天礦床。

3 構(gòu)建概念模型

通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查研究和室內(nèi)綜合分析，對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件加以全面分析，獲取各項(xiàng)有效的水文地質(zhì)參數(shù)。對(duì)水文地質(zhì)條件加以概化，預(yù)測(cè)未來(lái)開(kāi)采條件下的外部邊界條件，構(gòu)建本次水文地質(zhì)概念模型如圖2所示：礦體主體位于圖中推測(cè)開(kāi)采底盤(pán)境界線(xiàn)所包圍的區(qū)域，匯水面積為圖中匯水線(xiàn)所包圍的區(qū)域面積。

4 建立數(shù)學(xué)模型

4.1 預(yù)測(cè)計(jì)算方法

根據(jù)應(yīng)用前提與適用條件的不同，《礦坑涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算規(guī)程》（DZ/T 0342—2020）列舉了水文地質(zhì)比擬法、涌水量—降深曲線(xiàn)法、相關(guān)分析法、水均衡法、解析法、數(shù)值法6種涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算方法，其中適用于露天礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算的方法主要為解析法、水均衡法、水文地質(zhì)比擬法。

4.2 建立模型選取方法

本次研究的露天礦為新建礦山，目前尚未進(jìn)行基建施工和礦山活動(dòng)，無(wú)可供借鑒和參考的某開(kāi)采水平的涌水量數(shù)據(jù)，因此水文地質(zhì)比擬法不適用于本礦山。

礦區(qū)主礦體在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，在礦床開(kāi)采過(guò)程中，進(jìn)入采坑的水主要取決于大氣降水量及采礦場(chǎng)匯水范圍的大小。另外，鉆孔顯示的地下水靜水位（226.00～226.53 m，平均226.27 m）高于最低開(kāi)采標(biāo)高（+200 m）數(shù)十米，因此進(jìn)入采坑的水量還包括采坑外圍大氣降水形成的地表徑流匯入采坑的水量和地下水含水層進(jìn)入采坑的水量。

綜合分析，露天礦坑總涌水量Q主要包括三部分：第一部分為采坑承雨面積內(nèi)直接接受大氣降水的量Q₁；第二部分為采坑外匯水范圍內(nèi)大氣降水形成的地表徑流進(jìn)入采坑的量Q₂；第三部分為地下水含水層進(jìn)入采坑的量Q₃。以此為依據(jù)建立礦區(qū)水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

參照適用條件，Q₁與Q₂在開(kāi)采條件下水均衡關(guān)系極為簡(jiǎn)單，適合采用水均衡法估算；Q₃可類(lèi)比“大井法”預(yù)測(cè)，適合采用解析法估算。因此，本次選用水均衡法與解析法兩種方法聯(lián)合估算礦坑涌水量。

4.3 計(jì)算公式和參數(shù)確定

Q₁、Q₂、Q₃計(jì)算公式見(jiàn)表1。

式（1）中：F₁為露采場(chǎng)頂界范圍內(nèi)的面積，m²，為圖2中推測(cè)開(kāi)采底盤(pán)境界線(xiàn)所包圍的面積，用MAPGIS軟件測(cè)算，面積約270 264 m²；A為多年雨季平均或最大降水量，mm，根據(jù)礦區(qū)所在地區(qū)歷年氣象數(shù)據(jù)，多年平均降水量1 101.1 mm，則日平均降雨量A_平=1 101.1/365≈3.017 mm/d，日最大降雨量A_max=239.7 mm/d（2021年7月20日當(dāng)?shù)啬乘恼緮?shù)據(jù)）。則正常降雨量時(shí)，Q₁=F₁·A_平≈815.31 m³/d；最大降雨量時(shí)，Q₁=F₁·A_max≈64 782.28 m³/d。

式（2）中：F₂為采坑外圍匯水面積，m²，為露采場(chǎng)匯水面積與礦區(qū)開(kāi)采底盤(pán)面積之差，即圖2中匯水線(xiàn)包圍的面積與F₁之差，用MAPGIS軟件測(cè)算圈定的匯水面積約474 896 m²，故F₂=474 896-270 264=204 632 m²；Ψ為地表徑流系數(shù)。參考地表徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，見(jiàn)表2，灰?guī)r、表土地區(qū)地表徑流系數(shù)取值0.6～0.8，本礦區(qū)巖石主要為灰?guī)r，少量第四系黏土覆蓋，綜合分析取值0.6。

則正常降雨量時(shí)Q₂=F₂·A_平·ψ≈370.39 m³/d，最大降雨量時(shí)Q₂=F₂·A_max·ψ≈29 430.17 m³/d。

露天礦坑總涌水量估算相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

5 預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算公式及參數(shù)值，礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

礦坑正常涌水量為3 600.36 m³/d，最大涌水量為96 627.11 m³/d，該涌水量是采坑匯水面積最大時(shí)的計(jì)算結(jié)果。含水層厚度和水位降深根據(jù)6個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)換算，全面性、代表性不足，地下水位會(huì)隨著地下水疏干而不斷下移，含水層厚度將逐漸減小。另外，地表徑流系數(shù)、滲透系數(shù)等參數(shù)值是以經(jīng)驗(yàn)值為依據(jù)，如果取礦區(qū)實(shí)測(cè)值，結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。以上水文地質(zhì)參數(shù)值的偏差導(dǎo)致結(jié)果存在一定誤差，礦坑總涌水量的計(jì)算值稍偏大。總體而言，預(yù)測(cè)值大致符合礦區(qū)水文地質(zhì)特征的客觀實(shí)際，預(yù)測(cè)結(jié)果具備一定可靠性。從安全角度出發(fā)，本著就大不就小的原則，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可供生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門(mén)用于制訂開(kāi)采方案、確定排水能力和制定疏干措施參考。

本次礦坑涌水量估算結(jié)果僅為礦層開(kāi)采的礦坑涌水量，不包括遇溶洞或隱伏地下暗河涌水以及大氣降水與地表水沿采空區(qū)產(chǎn)生的地面塌陷、地裂縫等變形破壞處的滲（灌）入量。

盡管本礦山設(shè)計(jì)最低開(kāi)采水平標(biāo)高高出當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面65 m，地形上有利于自然排水，不會(huì)對(duì)礦山的開(kāi)采造成較大影響，但開(kāi)采過(guò)程中仍要防止多雨季節(jié)特別是暴雨期間暴雨匯水直接沖刷采場(chǎng)、公路、工作面、設(shè)備設(shè)施等，尤其要注意因雨水浸泡可能引發(fā)的工作臺(tái)階失穩(wěn)和滑坡。要加強(qiáng)截排水系統(tǒng)的建設(shè)，加強(qiáng)探水工作，加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè)工作，留意礦坑涌水量的變化，盡早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，提前做好應(yīng)急預(yù)案，防止礦坑突水。

6 結(jié)論及建議

①通過(guò)分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件，建立數(shù)學(xué)模型，選用水均衡法與解析法兩種方法聯(lián)合估算礦坑涌水量。

②礦坑正常涌水量為3 600.36 m³/d，最大涌水量為96 627.11 m³/d，預(yù)測(cè)值大致符合礦區(qū)客觀實(shí)際，數(shù)據(jù)可供生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門(mén)參考。

③采礦階段要留意礦坑涌水量的變化，提前做好應(yīng)急預(yù)案，防止礦坑突水。

參考文獻(xiàn)：

［1］張永波.礦床水文地質(zhì)學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2020.

［2］中華人民共和國(guó)自然資源部.礦坑涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算規(guī)程：DZ/T 0342—2020［S］.北京：地質(zhì)出版社，2020.

［3］張立釗，劉培棟，胡英澤，等.遼寧省青山工程設(shè)計(jì)思路及治理措施研究［J］.能源環(huán)境保護(hù)，2018，32（5）：41-44.

［4］鄭星.水量均衡法分析計(jì)算平原區(qū)域地下水允許開(kāi)采量［J］.河北水利，2020（7）：39，42.

［5］中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局.水文地質(zhì)手冊(cè)［M］.2版.北京：地質(zhì)出版社，2012.