廣西下雷錳礦涌水量計(jì)算分析與研究

王榮庚

(廣西錫山礦業(yè)有限公司，廣西 南寧 530022)

1 區(qū)域自然地理概況

1.1 氣候

廣西大新下雷錳礦礦區(qū)地處亞熱帶，氣候溫暖潮濕，雨量充沛，歷年日最大降雨量183.2 mm，多年最大降雨量1 796.90 mm，最小降雨量為1 073.10 mm，多年平均降雨量為1 302.40 mm，降雨多集中在4～9月份，其中6～8月份多暴雨，占全年降雨量的54.63%。區(qū)域最大的河流為黑水河(又稱(chēng)下雷河)，屬珠江流域左江的一級(jí)支流，一般水面標(biāo)高約為246.50 m，河床寬度 1.0 ～3.0 m，流量為 2.5 ～184.6 m3/s，流速為 0.20 ～1.40 m/s，洪峰水位標(biāo)高為247.60 m。

1.2 區(qū)域地形地貌

區(qū)域上屬溶蝕—侵蝕構(gòu)造峰叢洼地地貌，峰叢山體主要由灰?guī)r、硅質(zhì)巖組成，峰頂?shù)匦螛?biāo)高在450.00 ～866.00 m 之間，標(biāo)高一般 ＜500.00 m，山間洼地標(biāo)高為241.50～350.00 m，山脊走向主呈北東向，總體趨勢(shì)為西北高，東南低［1］。

2 礦區(qū)水文特征

礦區(qū)分布在下雷向斜南西端，起于0線，南西至46線以西。東面以黑水河為界;北西面邊界:黑水河—蹬高梁山—礦區(qū)邊界拐點(diǎn)8—礦區(qū)邊界拐點(diǎn)7—礦區(qū)邊界拐點(diǎn)1;南面邊界在泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組(D2d)與泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)和泥盆系上統(tǒng)五指山組(D3w)的交界處。礦區(qū)形成了以泥盆系上統(tǒng)五指山組第1～3段(D3w1－3)硅質(zhì)巖裂隙水為礦床直接充水層的向斜構(gòu)造水文地質(zhì)單元，該單元的總面積為17.462 3 km2，年均降雨量 1 302.40 mm。根據(jù)降雨滲入法計(jì)算礦區(qū)所在水文地質(zhì)單元地下水天然資源量為 0.041 3 億 m3/a［2］。

區(qū)內(nèi)出露地層由新到老為第四系沖洪積層Qal+pl及新近堆積層，石炭系中統(tǒng)(C2)及下統(tǒng)大唐階(C1d)、巖關(guān)階(C1y)，泥盆系上統(tǒng)五指山組(D3w)、榴江組(D3l)、中統(tǒng)東崗嶺組(D2d)，輝綠巖(βu)。根據(jù)巖性結(jié)構(gòu)、貯水空間等，地下水含水層類(lèi)型劃分為:裂隙溶洞含水層，地層為石炭系中統(tǒng)(C2h)灰?guī)r;溶洞裂隙含水層，地層為下統(tǒng)大塘階(C1d)、巖關(guān)階(C1y)灰?guī)r;硅質(zhì)巖裂隙含水層，地層為泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)、五指山組第1～3段(D3w1－3);灰?guī)r裂隙溶洞含水層，地層為中統(tǒng)東崗嶺組(D2d);輝綠巖(βu)為相對(duì)隔水層。

3 礦區(qū)涌水量計(jì)算

3.1 礦區(qū)涌水量概況

礦區(qū)錳礦體賦存在泥盆系上統(tǒng)五指山組第2段(D3w2)的地層中。富水性弱—中的泥盆系上統(tǒng)五指山組第1～3段(D3w1－3)硅質(zhì)巖裂隙含水層是礦坑直接充水含水層;富水性弱的泥盆系上統(tǒng)五指山組第4段(D3w4)硅質(zhì)巖裂隙含水層(相對(duì)隔水)為礦層的直接頂板;富水性中等的下石炭統(tǒng)巖關(guān)階下段(C1y1)純碳酸鹽巖溶洞裂隙含水層為間接頂板充水含水層;泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)硅質(zhì)巖相對(duì)隔水層為礦層的直接底板;富水性中—強(qiáng)的泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組(D2d)灰?guī)r裂隙溶洞含水層為坑道系統(tǒng)的間接底板充水含水層。

目前，礦區(qū)南部正在開(kāi)采坑道共有385，340，280，220 m 4個(gè)中段，礦坑涌水主要通過(guò) PD385、PD340和PD280洞口排出。根據(jù)2012年2月至2013年3月觀測(cè)資料，各洞口排出水量均具有明顯的季節(jié)變化，其雨季(5～9月份)涌水量是旱季的數(shù)倍甚至十幾倍。將礦坑的涌水情況與1988年提交的礦區(qū)南部勘探報(bào)告中預(yù)測(cè)的涌水量進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表1)，以全面了解礦坑的充水因素。目前主要開(kāi)采坑道為220 m中段，礦坑排水主要通過(guò)抽水至280 m中段坑道排出。因此，可以將 PD385、PD340和PD280洞口排水量之和作為220 m中段的涌水量，分雨季、旱季和年平均以說(shuō)明涌水量全年變化情況。

表1 礦區(qū)南部預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)際涌水量對(duì)照 m3/d

從表1可以看出:預(yù)測(cè)的涌水量偏小，預(yù)測(cè)值與旱季的涌水量相對(duì)比較接近，其主要原因可能是對(duì)降水滲入補(bǔ)給量估算不足。實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，礦山露采采場(chǎng)、堆渣場(chǎng)等地段降水地表徑流能力有限，降水易于滲入地下轉(zhuǎn)化為地下水，進(jìn)而增大礦坑涌水量。與年平均涌水量相比，預(yù)測(cè)誤差為13% ～33%，預(yù)測(cè)精度為B級(jí)，精度較高，這也表明以往的勘探工作對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件了解比較充分。

3.2 涌水量的計(jì)算方法

分別采用比擬法、地下水動(dòng)力學(xué)法及均衡法對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算水平為340，280，220，160，100，40，8 m。

3.2.1 比擬法

由于南礦段和北礦段有礦床水文地質(zhì)條件基本一致，且南部礦段有地下開(kāi)采的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用礦區(qū)南部礦坑涌水量進(jìn)行比擬預(yù)測(cè)。經(jīng)分析，涌水量與降深、礦坑長(zhǎng)度成正比，利用下面計(jì)算公式進(jìn)行北中部礦段涌水量預(yù)測(cè)［3］:

式中 Q——設(shè)計(jì)礦坑某階段涌水量，m3/d;

Q'——相似礦坑某階段涌水量，m3/d;

S——設(shè)計(jì)礦坑水位降低值，m;

S'——相似礦坑水位降低值，m;

L——設(shè)計(jì)礦坑某階段開(kāi)采長(zhǎng)度，m;

L'——相似礦坑某開(kāi)采長(zhǎng)度，m。

根據(jù)開(kāi)采設(shè)計(jì)及現(xiàn)狀開(kāi)采情況，其中南礦段現(xiàn)狀采坑道L'長(zhǎng)為4 800 m，S'為127 m，Q'分別采用雨季、旱季和年平均計(jì)算。根據(jù)礦體分布情況，擬建北中部開(kāi)采坑道為2 600 m。中北礦段南端D3w2－3含水層靜水位為347 m。礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果值見(jiàn)表2。

表2 比擬法預(yù)測(cè)結(jié)果 m3/d

3.2.2 地下水動(dòng)力學(xué)法

1)參數(shù)來(lái)源

水位和厚度:厚度取所有鉆孔D3w2－3含水層厚度的算術(shù)平均值，水位取各區(qū)段的加權(quán)平均值，計(jì)算公式如下［4］:

式中 F——含水層各區(qū)段的面積，m2;

H——對(duì)應(yīng)與各區(qū)段的含水層水位，m。各鉆孔揭露含水層厚度相差不大，因此，本次計(jì)算含水層厚度取所有鉆孔的算術(shù)平均值，為63.6 m。地下水位整體上呈現(xiàn)北西高，南東低的特點(diǎn)，分別求出北部、西部和中部水位的平均值，然后取其平均值作為計(jì)算的水位，其值大小為387 m。南部礦段取347 m。滲透系數(shù):按面積取礦區(qū)北部和中部的加權(quán)平均值:

D3w2－3含水層在不同地段，滲透系數(shù)相差較大，北部注水試驗(yàn)計(jì)算滲透系數(shù)平均為0.001 5 m/d(ZK14a1:0.002 7 m/d，ZK1101:0.000 37 m/d)。中部 ZK1307抽水試驗(yàn)計(jì)算滲透系數(shù)為0.018 3 m/d。這一數(shù)值與報(bào)告［1］中涌水量計(jì)算采用的0.022 4 m/d基本一致。按面積加權(quán)，取平均值，大小為 0.012 7 m/d。

2)大井法

把礦坑概化成開(kāi)采大井，其涌水量計(jì)算公式如下，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 大井法計(jì)算涌水量結(jié)果 m3/d

式中 Q——礦坑涌水量，m3/d;

K——平均滲透系數(shù)，m/d;

H——含水層靜水位，m;

M——含水層厚度，m;

S——水位降深，m;

B——礦坑的長(zhǎng)度，m;

r0——大井引用半徑，m;

R——影響半徑，m;

R0——引用影響半徑，m。

3)水平廊道法

涌水量計(jì)算公式如下:

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水平廊道法計(jì)算涌水量結(jié)果 m3/d

3.2.3 均衡法

礦層含水層主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，因此，可以用降水滲入補(bǔ)給量估算礦坑涌水量。本次勘探范圍位于某向斜盆地內(nèi)，地表水與地下水分水嶺一致。首先，計(jì)算全區(qū)的降水滲入系數(shù)。計(jì)算面積由地表水分水嶺確定。根據(jù)滲入系數(shù)，分別計(jì)算年平均及雨季礦坑的涌水量。計(jì)算公式如下:

式中 Q——降水滲入補(bǔ)給量，m3/d;

F——礦坑的匯水面積，m2;

A——日平均降雨量，mm/d;

α——降水滲入系數(shù)。

1)計(jì)算降水滲入系數(shù)

布康小溪上游(W1動(dòng)態(tài)觀測(cè)點(diǎn))枯水期主要由地下水補(bǔ)給，該流域范圍內(nèi)地下水徑流量可以用動(dòng)態(tài)曲線刪除雨季洪峰流量計(jì)算。各參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，經(jīng)計(jì)算降水滲入系數(shù)α為0.181 7。

表5 降水滲入系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2)計(jì)算礦坑涌水量

根據(jù)礦區(qū)地表分水嶺圈定計(jì)算的礦坑匯水范圍、年平均降水量和雨季平均降水量，分別計(jì)算未來(lái)礦坑的平均每日涌水量以及雨季每日涌水量，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 每日平均涌水量計(jì)算結(jié)果

4 各涌水量預(yù)測(cè)方法評(píng)述

運(yùn)用比擬法、大井法、水平廊道法和近似均衡法對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可以看出:大井法和水平廊道法兩種方法計(jì)算結(jié)果基本一致，說(shuō)明礦區(qū)水文地質(zhì)條件概化和計(jì)算參數(shù)較合理。這兩種方法與均衡法計(jì)算結(jié)果都比較接近，說(shuō)明含水層主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，且補(bǔ)給充足，礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件概化合理。

表7 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果匯總 m3/d

比擬法計(jì)算結(jié)果比其他方法明顯偏大，可能是由礦區(qū)南部與北中部水文地質(zhì)條件的差異性造成的，也有可能計(jì)算公式選用不恰當(dāng)?shù)?。礦區(qū)南部礦坑充水來(lái)源不僅來(lái)源于大氣降水，也來(lái)自與風(fēng)化層及泥盆系東崗嶺組灰?guī)r充水含水層，另外，地表氧化錳礦露天開(kāi)采，改變了降水滲入條件等。因此，此方法計(jì)算的涌水量精度較差，精度為E級(jí)，誤差為80% ～90%。

均衡法考慮大氣降水為礦層充水含水層主要來(lái)源，通過(guò)求取含水層的補(bǔ)給量近似獲得礦坑的涌水量。文中降水滲入系數(shù)為W1上游(原布康小溪上游)流域的滲透系數(shù)，但對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域有一定適用性。此方法計(jì)算結(jié)果與地下水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算結(jié)果較接近，說(shuō)明計(jì)算參數(shù)有一定合理性，因此，此方法計(jì)算的涌水量精度為D級(jí)，誤差為60% ～80%。

大井法和水平廊道法計(jì)算采用的滲透系數(shù)為多個(gè)鉆孔抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)的平均值，水位、含水層厚度等參數(shù)為不同地段的平均值，且計(jì)算參數(shù)與前人工作一致，因此，選取的計(jì)算參數(shù)較合理。影響半徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算，約為100～300 m。這兩種方法中的水位均為年平均水位，因此，計(jì)算結(jié)果可能比雨季實(shí)際涌水量偏小。因此，這兩種方法所計(jì)算的涌水量精度均為D級(jí)［5］。

5 結(jié)語(yǔ)

礦區(qū)水文地質(zhì)條件概化、計(jì)算方法及參數(shù)較合理。考慮到礦體多為水平，未來(lái)以坑道系統(tǒng)開(kāi)采為主，因此，采用水平廊道法計(jì)算結(jié)果更接近開(kāi)采中的地下水運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果更為可靠。本文中涌水量計(jì)算精度為D級(jí)，基本滿足礦山生產(chǎn)需要。

［1］廣西地質(zhì)局.廣西大新下雷錳礦區(qū)地質(zhì)勘探報(bào)告書(shū)［R］.南寧:廣西地質(zhì)局第2地質(zhì)隊(duì)，1968.

［2］覃寧魁，鐘畝鋒.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新錳礦地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)專(zhuān)項(xiàng)水文地質(zhì)勘查報(bào)告［R］.南寧:廣西地礦建設(shè)工程有限公司，2013.

［3］李小勇，林堅(jiān)，邱鳳，等.水文地質(zhì)比擬法在礦坑涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.資源環(huán)境與工程，2014，28(1):66－68.

［4］李俊亭，王愈吉.地下水動(dòng)力學(xué)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1987.

［5］錢(qián)學(xué)溥.預(yù)測(cè)礦井涌水量的計(jì)算級(jí)別與精度評(píng)述［J］.中國(guó)煤田地質(zhì)，2007，19(5):48－50.