剛果(金)Sicomines銅鈷礦礦坑涌水量預(yù)測及礦山防治水

李 響

(華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊050021)

Sicomines銅鈷礦位于剛果(金)科爾韋茲市西南，包括Dikuluwe和Mashamba outest兩個礦段，兩礦段均為已采礦山，以往兩采坑共采出銅金屬量236.96萬t，鈷金屬量5.53萬t。Sicomines銅鈷礦從上世紀(jì)70年代初開采，由于礦坑涌水量大又無適當(dāng)?shù)姆乐嗡胧?，開采20年后至上世紀(jì)90年代中期又被迫停產(chǎn)，根據(jù)資料［1］，礦山仍有較大的可采資源量，其中銅金屬儲量854.49萬t，鈷金屬儲量57.1萬t。近年來，該礦區(qū)又進(jìn)行了大量的勘探工作，對礦區(qū)的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件取得了一系列的研究成果［2－4］，筆者全程參與了該項(xiàng)目水文地質(zhì)勘察工作，通過對礦山水文地質(zhì)條件和礦坑涌水量的認(rèn)識和評價，可供國內(nèi)外類似礦山借鑒和應(yīng)用。

1 水文地質(zhì)條件概述

1.1 水文地質(zhì)條件

Sicomines銅鈷礦區(qū)整體地勢為東南高、西北低，海拔標(biāo)高1 390～1 480m，地貌為低緩丘陵地貌。Luilu河自南向北橫貫全區(qū)，并直接從礦床上部穿過，為當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面。主要礦體位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下。礦區(qū)歷年平均降水量1 188.00 mm，蒸發(fā)量1 860 mm(Kolwezi氣象站，1953年至2007年)。降水量年際分布不均勻，最大年降水量1 799.2 mm(1987年)，最小年降水量760.2 mm(1992年)，降水量年內(nèi)分布不均勻，降水主要集中在11月份至次年3月份。

礦區(qū)位于科爾維茲推覆體中，構(gòu)造極其發(fā)育，含水層強(qiáng)弱相間、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。主要充水含水層為上部的CMN弱硅化白云巖和下部的RSC蜂窩狀硅化白云巖巖溶裂隙含水層。鉆孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量0.83 ～25.76 L/s.m，滲透系數(shù)1.08 ～22.87 m/d;RSC蜂窩狀硅化白云巖巖單位涌水量0.46～5.32 L/s.m，滲透系數(shù)0.61 ～5.73 m/d。

礦區(qū)地下水的補(bǔ)給方式主要為大氣降水入滲補(bǔ)給、區(qū)域地下水的側(cè)向補(bǔ)給，和地表水滲漏補(bǔ)給。天然狀態(tài)下，礦區(qū)地下水接受區(qū)域地下水側(cè)向補(bǔ)給后，自東南向西北徑流，主要排泄方式為側(cè)向徑流排泄、人工開采及蒸發(fā)。

1.2 礦山露天采坑積水情況

本礦區(qū)以往開采形成的露天采坑切穿主要含水層，采坑大量積水。目前，區(qū)內(nèi)已形成兩個大型采坑并積水(見圖1)，其中，Dikuluwe露天采坑面積約 1.32 km2，深約 169m，水位標(biāo)高1 400.83 ～1 402.10m，估計集水量7 655 ×104m3。Mashamba Outest露天采坑面積約0.89 km2，深約134 m，水位標(biāo)高1 406.68～1 407.44m，估計集水量4 269×104m3。兩坑總水量近1.2億m3。此外，礦區(qū)外圍尚有部分露天采坑，總面積約1.3 km2，采坑水位標(biāo)高分布在1 260.8 m ～1 407.29 m之間，露天采坑積水與地下水聯(lián)系密切，影響著地下水的補(bǔ)給和排泄條件。

圖1 Sicomines銅鈷礦水文地質(zhì)及采坑積水略圖

2 礦坑涌水量預(yù)測

礦山擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模繼續(xù)開采后，設(shè)計開采方案為露天開采，基建及生產(chǎn)初期，兩坑(Dikuluwe和Mashamba Outest露天采坑)相對獨(dú)立，生產(chǎn)期最終露天采坑匯水面積5.5 km2，坑底最低標(biāo)高990 m。因此，本次礦坑涌水量預(yù)測僅對露天采坑進(jìn)行涌水量預(yù)測。

2.1 露天采坑涌水量預(yù)測

露天采坑涌水量由地下水流入采礦坑的水量和大氣降水匯入采場的水量組成。

2.1.1 地下水流入量計算

礦山為已采礦山，根據(jù)礦區(qū)以往多年排水資料，礦區(qū)排水主要分布在三個地段:Dikuluwe采坑筏排和井排，Mashamba Outest采坑筏排和井排，以及Mashamba Est采坑井排。三個地段排水相互干擾，可概化為三口大井的長期的群孔抽水試驗(yàn)，礦山多年排水已經(jīng)形成了具有較大降深和一定范圍的相對穩(wěn)定的地下水空間流場，且與未來疏干條件基本一致，礦區(qū)深部主要含水層與淺部主要含水層透水性差異不大，具備比擬法預(yù)測礦坑涌水量的基礎(chǔ)［5］。因此，采用比擬法計算地下水流入量，可回避各種水文地質(zhì)參數(shù)求參過程中的失真。此外，比擬法在當(dāng)?shù)氐V坑涌水量預(yù)測已有相關(guān)應(yīng)用研究［6］。

根據(jù)迪瑪?shù)V區(qū)多年排水資料分析(見圖2)，礦山排水自1976年至1996年停止，經(jīng)過10多年的水位恢復(fù)，目前礦區(qū)地下水流場基本為天然狀態(tài)下初始流場，本次預(yù)測以Dikuluwe采坑2009年12月30日水位1 401.29 m作為排水前初始水位。

圖2 迪瑪?shù)V區(qū)排水量、地下水位歷時曲線圖

迪瑪?shù)V區(qū)1992年平均排水量3.395萬m3/d，地下水降落漏斗中心水位(Dikuluwe采坑)1 269.20～1 269.99m，1993－1996年，為維持該疏干水平，排水量在這個水平上下波動，該期間年降水量1 202.5mm，略低于多年平均降水量1 435.33mm，因此，1992 年迪瑪?shù)V區(qū)排水量基本代表了礦區(qū)1 270m水平的偏枯水年礦坑涌水量。

1986年7月－1987年7月，迪瑪?shù)V區(qū)排水量為11.805萬m3/d，地下水降落漏斗中心水位(Dikuluwe采坑)1 299.26～1 300.64 m，Mashamba Outest采坑水位1 327.32 ～1 326.02 m，該期間年降水量為2 630.80mm，為豐水年。因此，1986年7月至1987年7月迪瑪?shù)V區(qū)排水量基本代表了礦區(qū)1 300m水平的豐水年礦坑涌水量。

根據(jù)上述資料，可通過以下公式推算未來露天開采礦坑涌水量。

式中:Q為未來礦坑涌水量，萬m3/d;Q1為1992年礦坑排水量取3.395萬m3/d，1986年礦坑排水量取11.805萬m3/d;S1為1992年礦坑地下水位降低值取131.30m，1986年礦坑地下水位降低值取101.29m;S為未來礦坑地下水位降低值，取411.29m;r1、r為以往礦坑引用半徑、未來礦坑引用半徑，以往礦坑排水先后采用57眼疏干井、Dikuluwe坑內(nèi)筏排和Mashamba Outest坑內(nèi)筏排，疏干井及采坑分布范圍與未來采坑分布范圍基本一致，因此，r1、r基本相同。

計算結(jié)果，未來露天采坑開拓至坑底990 m標(biāo)高時，偏枯水年礦坑涌水量為6.01萬m3/d，豐水年礦坑涌水量為23.79萬m3/d。

2.1.2 大氣降水流入量計算

礦區(qū)附近地勢比較平坦，本次計算假設(shè)礦區(qū)露采閉合圈以外的地表徑流可采用明渠引走的方式阻止其匯入礦坑，只考慮礦坑范圍內(nèi)直接接收大氣降水的水量。按平水年、豐水年分別計算。計算公式如下:

式中:Q為大氣降水流入量，m3/d;A為平水年、豐水年雨季日平均降水量，根據(jù)Dikuluwe氣象站和Mashamba Outest氣象站資料(1977年至1999年10月至次年4月)，分別取值6.6mm、9.3mm。F為露天采礦場的匯水面積，取最終封閉圈面積5.31 km2;α為降水地表徑流系數(shù)，封閉圈內(nèi)直接接受降水，取值1。

計算結(jié)果:平水年雨季大氣降水直接進(jìn)入采礦場的水量為3.50萬m3/d，豐水年雨季大氣降水直接進(jìn)入采礦場的水量為4.92萬m3/d。露天采礦場總涌水量見表1。

表1 Sicomines銅鈷礦露天采礦場涌水量預(yù)測成果表

2.2 礦坑涌水量預(yù)測評述

(1)礦區(qū)為已采礦山，礦山長期排水已經(jīng)形成了具有較大降深和一定范圍的相對穩(wěn)定的地下水空間流場，比擬法預(yù)測礦坑地下水流入量提供了足夠的資料。大氣降水流入量計算是基于以礦區(qū)兩個氣象站20年氣象觀測資料，時間系列長，代表性好。

(2)本礦區(qū)為深大露天采坑，Dikuluwe礦段最終開采水平為990 m，而Mashamba Outest礦段最終開采水平為1 020 m，礦坑涌水量預(yù)測基于最終開采水平990m計算最終水位降深，取值偏大。此外，礦坑水的最終補(bǔ)給來源為外圍RAT砂頁巖和ku砂頁巖含水層，在礦坑排水影響邊界一帶，含水層發(fā)育深度可能較礦區(qū)內(nèi)淺，深部含水層透水性可能較弱，因此，礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果可能偏大。

(3)由于礦區(qū)缺少歷年日降水量觀測資料，因?yàn)闊o法準(zhǔn)確計算暴雨期最大礦坑涌水量。本次勘探期間氣象觀測，暴雨期日最大降水量為123.95mm(2009.12.16);據(jù)此估算，暴雨期大氣降水直接匯入采坑水量65.82萬m3/d，該數(shù)據(jù)不代表多年暴雨期礦坑最大涌水量。

(4)由于本礦區(qū)與周圍其他礦山處于同一個地下水系統(tǒng)，礦坑涌水量大小與周圍礦山排水密切相關(guān)。礦坑涌水量預(yù)測是基于1976年至1996年期間周圍礦山排水狀況，若區(qū)內(nèi)其它礦山加大開采量，本礦的涌水量會相應(yīng)地減少，反之則增大。

(5)以往礦山排水資料表明，礦區(qū)地下水靜儲量較大，礦區(qū)排水初期，礦坑涌水量以消耗地下水的靜儲量為主，隨著靜儲量的不斷被消耗，涌水量將逐步趨于穩(wěn)定。

3 礦山防治水方案探討

3.1 地表坑排與井排疏干方案

本礦山為已采礦山，以往開采形成了三個巨大的露天采坑，Dikuluwe露天采礦面積約1.32 km2，深約169m，估計集水量7 655×104m3;Mashamba Outest露天采坑面積約0.77 km2，深約134m，估計集水量4 269×104m3。Mashamba Est露天采坑面積約0.34 km2，深度和集水量不詳。三個露天采坑相當(dāng)于三眼巨大的疏干井，在排水規(guī)模、排水效果等方面，其他排水方式無法與之抗衡，因此，礦山疏干排水首先應(yīng)立足于現(xiàn)有露天采坑集水的排放。

由于礦區(qū)垂向上強(qiáng)弱含水層相間分布，在露天采坑排水過程中，由于弱含水層存在殘余水頭，將會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)滑塌問題，因此，為了邊坡穩(wěn)定性，在現(xiàn)有露天采坑排水的同時，應(yīng)在坑邊邊坡影響范圍內(nèi)，施工地表疏干井排水。疏干井深度不宜太大，以疏干上部CMN含水層地下水為目的，井距300～400m。因此，該排水方案以坑排為主，以井排為輔。

3.2 地下巷道疏干排水方案

當(dāng)水文地質(zhì)條件復(fù)雜、邊坡穩(wěn)定性條件復(fù)雜、其他手段的排水效果不理想時，可使用巷道排水系統(tǒng)。此種疏干排水方案已在許多露天采礦項(xiàng)目中得到應(yīng)用，如我國的平莊西露天煤礦、元寶山露天煤礦等。疏干巷道位于露天坑邊坡的后部、底部，排水是通過施工礦坑邊坡的垂直鉆孔切穿含水層，在重力作用下，地下水流向巷道中央泵站，并排出地表。地下巷道疏干排水可以大幅降低水位，把水位降至礦坑底面以下，疏干排水效率高，特別是對于弱含水層，疏干排水效果更加明顯。

4 結(jié)語

Sicomines銅鈷礦已經(jīng)過多年開采，礦區(qū)水文地質(zhì)條件較之以前已發(fā)生很大的變化，尤其是以往勘探取得的認(rèn)識，已得到了初步的驗(yàn)證。本研究主要基于研究以往勘探所取得的水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，對礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測，由于工作量所限，礦區(qū)強(qiáng)徑流帶和巖溶地下水動力場有待進(jìn)一步查明。建議在查明礦區(qū)強(qiáng)徑流帶的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建水文地質(zhì)模型，進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測，以獲得相對準(zhǔn)確的礦坑涌水量。另外，借鑒當(dāng)?shù)氐V山以往疏干排水經(jīng)驗(yàn)，建議采礦初期采取坑排、井排相結(jié)合的疏干方案，采礦后期采用巷道排水方案。

［1］劉運(yùn)紀(jì)，高進(jìn)路，王紀(jì)昆，等.剛果(金)加丹加省科盧韋奇市SICOMINES銅鈷礦區(qū)地質(zhì)補(bǔ)勘報告［R］.天津:華北地質(zhì)勘查總院，2010.

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