南丹縣高峰錫多金屬礦深部礦坑涌水量預(yù)測

李紅偉

摘要：老礦山深部礦坑涌水量主要依據(jù)上部生產(chǎn)中段實測涌水量數(shù)據(jù)，采用水文地質(zhì)比擬法進(jìn)行預(yù)測。對于封閉水文地質(zhì)單元內(nèi)的礦山，也可用水均衡法計算礦坑涌水量，為深部礦坑涌水量預(yù)測提供依據(jù)。本文以南丹縣高峰錫多金屬礦為例，結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件和礦坑排水特點，采用不同方法預(yù)測深部礦坑涌水量，從而掌握礦坑涌水量變化規(guī)律，指導(dǎo)深部礦體的安全開采。

關(guān)鍵詞：礦坑涌水量；預(yù)測；錫多金屬礦；南丹縣

中圖分類號：P641.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）11-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.11.010

Prediction of Water Inflow in Deep Pit of Gaofeng Tin Polymetallic Mine in Nandan County

LI Hongwei

（CINF Engineering Co.， Ltd.， Changsha 410011， China）

Abstract： The water inflow of deep pits in old mines is predicted by using hydrogeological analogy method， which is mainly based on the measured water inflow data of the upper production middle section. For mines within closed hydrogeological units， the water balance method can also be used to calculate the water inflow of pits， providing a basis for predicting the water inflow of deep pits. Taking the Gaofeng tin polymetallic mine in Nandan County as an example， combined with the hydrogeological conditions of the mining area and drainage characteristics of the pits， this paper uses different methods to predict the water inflow of deep pits， in order to grasp the changes in the water inflow of pits and guide the safe mining of deep ore bodies.

Keywords： water inflow of pits; prediction; tin polymetallic mine; Nandan County

高峰錫多金屬礦位于廣西壯族自治區(qū)的南丹縣，于20世紀(jì)80年代開始籌建，開采深度為-399.82～923.62 m。

目前已開拓至-250 m標(biāo)高，-200 m及以上為生產(chǎn)中段，采用充填法開采。由于以前的民采活動，礦區(qū)存在不少采空塌陷區(qū)。2001年發(fā)生“南丹7·17特大透水事故”[1]后，民采被取締，采空區(qū)、塌陷區(qū)經(jīng)過整治后，多年來處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)位于南丹縣大廠礦田大廠水文地質(zhì)單元東部。大廠水文地質(zhì)單元四周被地表分水嶺環(huán)繞，主要含水層被相對隔水層和弱富水的含水層包圍，為一封閉的水文地質(zhì)單元。礦區(qū)處于地表分水嶺地帶，屬地下水的補給區(qū)，地表水系不發(fā)育，雨季會有暫時性溪流，地表水系對礦山開采影響不大。礦區(qū)四周為剝蝕構(gòu)造山，中間為巖溶谷地，地勢東北高、西南低，海拔為957.4～660.0 m，地形坡度為20°～45°。礦區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量為894.9～2 221.4 mm，多年平均降雨量為1 546.0 mm。

礦區(qū)巖層自上而下依次為透水不含水的第四系（Q）、富水性弱的同車江組（D3t）和五指山組（D3w）、相對隔水層榴江組（D3l）、主要賦礦巖層納標(biāo)組（D2n）和底部隔水層塘丁組（D1t）。納標(biāo)組由生物礁灰?guī)r組成，該層富水不均勻，往深部富水性逐漸減弱。受斷裂構(gòu)造控制，巖溶發(fā)育極不均勻，生物礁灰?guī)r溶洞-溶蝕裂隙水未形成統(tǒng)一流場，巖溶水賦存于相對獨立的巖溶系統(tǒng)，系統(tǒng)之間水力聯(lián)系甚微。該層350 m標(biāo)高以上富水性中等，350 m標(biāo)高以下富水性弱。生物礁灰?guī)r內(nèi)巖溶形態(tài)在地表以溶溝、溶槽為主，在地下以溶隙、溶孔為主，溶洞次之。溶洞形態(tài)以垂向及陡傾為主，在天然條件下，降雨在裸露區(qū)的入滲是生物礁灰?guī)r內(nèi)地下水的重要補給來源。生物礁灰?guī)r溶洞-溶蝕裂隙含水層（納標(biāo)組）是礦區(qū)主要含水層，亦是礦坑充水主要含水層。

礦區(qū)原始地下水位為720 m，變化幅度為5～10 m。

天然條件下，地下水主要接受大氣降雨入滲補給，以泉的形式排泄。礦業(yè)開發(fā)后，礦坑排水為地下水的唯一排泄方式，地下水位隨開采深度增加不斷下降。礦坑涌水量與降雨量曲線變化趨勢一致，礦坑涌水量的峰值遲于大氣降雨峰值1～2個月。

2 礦坑排水特點

1981—1983年，礦坑排水量為3 768～10 008 m3/d；1985—1989年，礦井排水量幾乎增加一倍，經(jīng)多年排水后，礦井排水量逐年減少。1994—2001年，多家礦井從礦區(qū)外掘進(jìn)到礦區(qū)后，礦坑排水量為5 476～16 776 m3/d，礦區(qū)地下水補給邊界向東、南、北擴大，補給邊界趨于復(fù)雜化。礦山生產(chǎn)期間曾發(fā)生十余起突水事件，主要原因是在生物礁灰?guī)r采掘中遇溶洞、斷裂破碎帶。突水量以消耗靜儲量為主。眾多的相互貫通、縱橫交錯的井巷及采空區(qū)不僅破壞隔水層、相對隔水層，還穿越導(dǎo)水?dāng)嗔?，老窿井巷成為地下水向深部運移的通道，成為深部礦床的充水通道。2004—2015年，礦區(qū)統(tǒng)計礦坑排水量月均最大值約為13 800 m3/d，最小值約為3 600 m3/d。2019—2021年，礦區(qū)統(tǒng)計礦坑排水量月均最大值為17 596 m3/d，最小值為4 609 m3/d。

該礦山以礦坑涌水作為礦坑生產(chǎn)用水，所以礦坑涌水量可近似礦坑排水量。礦山地下水動補給量相對穩(wěn)定，降雨入滲系數(shù)約為0.16。礦坑涌水量的大小受地下水動補給量和降雨量影響，降雨量越多，礦坑涌水量越大。礦山排水系統(tǒng)采用接力排水方式，建有4個永久水泵站（標(biāo)高分別為400 m、200 m、-50 m和-200 m）。受降雨影響，豐水年排水量比其他年份要大些。四級排水?dāng)?shù)據(jù)顯示，最低中段的排水量占總排水量的60%以上；旱季，地下水幾乎都匯集到下部中段，與地下水疏干降落漏斗理論一致；雨季，最低中段的排水量占比下降，一部分降雨滲入量被上部中段截流，但其月均截流量占比小于40%；一般來說，降雨量越大，上部截流占比越大。

3 礦坑涌水量預(yù)測

3.1 大井法

將復(fù)雜坑道系統(tǒng)的分布范圍假設(shè)為一個等面積的理想大井，礦坑往西距離花崗斑巖脈隔水邊界約200 m[2]。預(yù)測坑道涌水量選用式（1）計算。

（1）

式中：Q為預(yù)測坑道涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，350 m標(biāo)高以上取0.073 1 m/d，350 m標(biāo)高以下取0.000 7 m/d；H0為初始水位，m；M為含水層厚度（m），350 m標(biāo)高以上取370 m，350 m標(biāo)高以下取750 m；R0為礦坑系統(tǒng)排水時的引用影響半徑，m；r0為礦坑系統(tǒng)引用半徑，m；d為西部隔水邊界至坑道系統(tǒng)中心的距離，m。

經(jīng)預(yù)測，-200 m中段正常涌水量為12 532 m3/d（實測10 133 m3/d），最大涌水量為18 798 m3/d（實測22 280 m3/d）；-400 m中段正常涌水量為12 855 m3/d（修正10 394 m3/d），最大涌水量為19 282 m3/d（修正22 867 m3/d）。因為-200 m中段的預(yù)測涌水量大于實測值，所以對-400 m中段的預(yù)測值進(jìn)行修正。

3.2 水均衡法

為了維持開采時的相對穩(wěn)定地下水位，礦坑系統(tǒng)一直在抽排水。所以，礦山一年的排水總量Q排等于地下水動補給量Q動和降水滲入量Q滲之和[3]。礦區(qū)雨季（5—8月）降雨量占全年雨量的60%～83%。礦山一年的排水總量Q排等于礦坑年均排水量Q年均與排水天數(shù)（365 d）的乘積。若一年按雨季與非雨季分，則雨季平均排水量Q雨均為雨季總排水量與雨季天數(shù)的商，非雨季排水量為非雨季平均動補給量Q動1，即有式（2）成立。若一年按枯水期與非枯水期分，則枯水期平均動補給量Q動2為枯水期總排水量與枯水期天數(shù)的商，非枯水期比枯水期增加的排水量為降雨滲入量，則有式（3）成立。根據(jù)式（2）和式（3）計算，非雨季平均動補給量Q動1為6 163 m3/d，枯水期平均動補給量Q動2為5 023 m3/d。用已知的全年均值的2.2倍與地下水量之差作為暴雨滲入量。水均衡計算結(jié)果如表1所示。

Q年均×365=Q動1×365+（Q雨均-Q動1）×122（2）

Q年均×365=Q動2×365+（Q雨均-Q動2）×122/0.715（3）

地下水量占總排水量的49%～92%，雨季降雨滲入量占總排水量的6%～36%。礦坑枯水期平均排水量與礦坑實際最小排水量（3 600～5 476 m3/d）相差小，代表枯水期地下水動補給量。礦坑非雨季平均排水量代表地下水動補給量。雨季平均降雨滲入量為5 695 m3/d，非雨季平均滲入量為2 270 m3/d。所以，正常涌水量為枯水期平均動補給量與雨季平均滲入量之和（10 718 m3/d），最大涌水量為枯水期平均動補給量與暴雨滲入量之和（21 934 m3/d），或者正常涌水量為非雨季平均動補給量與非枯水期平均降雨滲入量之和（10 718 m3/d），最大涌水量為非雨季平均動補給量與暴雨滲入量之和（21 254 m3/d）。經(jīng)預(yù)測，由于礦坑面積變化小，相比目前-200 m中段，-400 m中段的涌水量主要增加200 m垂高范圍的地下水量322 m3/d（大井法計算）。預(yù)測結(jié)果顯示，礦坑-400 m中段正常涌水量為9 704 m3/d，最大涌水量為21 349 m3/d。

3.3 水文地質(zhì)比擬法

由于礦體產(chǎn)狀陡傾，各中段礦坑系統(tǒng)面積變化較小，這里采用水文地質(zhì)比擬法來預(yù)測深部礦坑涌水量[4]。已知-200 m中段涌水量，經(jīng)預(yù)測，-400 m中段正常涌水量為10 797 m3/d，最大涌水量為23 754 m3/d。

3種預(yù)測方法的預(yù)測值相差不大，可取三者的均值作為最終預(yù)測結(jié)果。根據(jù)最終推薦值，-400 m中段礦坑正常涌水量為10 300 m3/d，最大涌水量為22 700 m3/d。

4 結(jié)論

老礦山要重視礦坑涌水量和地下水水位監(jiān)測，加強氣象數(shù)據(jù)收集和研究，掌握礦坑涌水量變化規(guī)律，指導(dǎo)深部礦體的安全開采。對于封閉水文地質(zhì)單元內(nèi)的礦山，建議多采用水均衡法，利用已有數(shù)據(jù)，計算礦坑涌水量。礦山項目設(shè)計往往更關(guān)注上部中段能截流多少礦坑涌水量，從而減少下部中段的排水設(shè)施投資。礦坑涌水量組成僅為地下水量時，地下水動補給量都來自側(cè)向補給，不存在上部中段截流水量問題；只有垂向上補給礦坑的水量才有可能被上部中段截流，如降雨滲入量、礦坑上部地表水體滲漏量等。礦坑排水量由礦坑涌水量和礦坑生產(chǎn)廢水組成。礦山提供的礦坑排水量數(shù)據(jù)多為開泵時間和水泵效率的乘積，水泵效率由于同時運行數(shù)量不同而存在差異[5]，一般取經(jīng)驗值0.6～0.8。礦山需要根據(jù)開泵時間、運行泵數(shù)量和流量計測量的流量數(shù)據(jù)來計算泵運行效率，核實排水量數(shù)據(jù)。核實校正可以確保實測數(shù)據(jù)真實可靠，為下部中段預(yù)測礦坑涌水量提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

1 本刊訊.廣西南丹“7·17”特大透水事故[J].廣西煤炭，2002（2）：49-52.

2 建設(shè)部.供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范：GB 50027—2001[S].北京：中國計劃出版社，2001.

3 陳崇希.地下水動力學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，2011：33-37.

4 北京有色冶金設(shè)計研究總院.采礦設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989：10.

5 管志勝.提高煤礦井下主排水泵系統(tǒng)效率的途徑[J].煤炭技術(shù)，2006（7）：21-22.