露天礦坑涌水量預(yù)測的應(yīng)用

■曾向東 高會彬 楊福鵬

（遼寧省核工業(yè)地質(zhì)局241大隊遼寧鳳城118100）

露天礦坑涌水量預(yù)測的應(yīng)用

■曾向東 高會彬 楊福鵬

（遼寧省核工業(yè)地質(zhì)局241大隊遼寧鳳城118100）

礦產(chǎn)資源開發(fā)和利用為國家經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，同時礦山開采的安全性問題也日益突出顯現(xiàn)，尤其是礦山突水事故的頻繁發(fā)生，給國家和人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失，因此，在對礦床勘查工作中，對礦床開采技術(shù)條件提出更加嚴格的要求，尤其是對礦床開采過程中礦坑涌量的預(yù)測要求更加規(guī)范、科學(xué)、準確、有效，能夠更好地指導(dǎo)礦山采礦中的給排水工作，減少和避免發(fā)生礦坑突發(fā)性涌水，導(dǎo)致淹礦災(zāi)害的發(fā)生，更加科學(xué)、合理、有效地開發(fā)利用礦產(chǎn)資源，確保礦山生產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的作用。本文以遼寧省某地一礦山勘查工作中有關(guān)開采技術(shù)條件中的礦坑涌水量預(yù)測為例，淺析露天礦坑涌水量預(yù)測的應(yīng)用。

礦床開采技術(shù)條件 水文地質(zhì)條件 礦床充水因素 礦坑涌水量預(yù)測

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-368-2

0 前言

隨著我國經(jīng)濟和社會的高速發(fā)展和進步，國家對礦產(chǎn)資源的需求與日俱增，礦業(yè)開發(fā)為國家經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。同時礦山開采的安全問題也日益突出顯現(xiàn)，尤其是礦山突水事故的頻繁發(fā)生，給國家和人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失，因此，對礦床勘查有關(guān)開采技術(shù)條件中礦坑涌水量預(yù)測的科學(xué)有效性提出更加嚴格的要求，要能夠更好地指導(dǎo)礦山采礦中的給排水工作，減少和避免發(fā)生礦坑突發(fā)性涌水，導(dǎo)致淹礦災(zāi)害的發(fā)生，確保礦山生產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的作用。本文以遼寧省某地一礦山勘查工作中有關(guān)開采技術(shù)條件中的礦坑涌水量預(yù)測為例，淺析一下礦山開采技術(shù)條件中礦坑涌水量預(yù)測的應(yīng)用。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 礦山概況

礦區(qū)地處千山山脈南麓低山丘陵區(qū)，屬構(gòu)造侵蝕地貌?？傮w地勢東部高，西部低。區(qū)內(nèi)地形標高一般在225m～300m之間，最高海拔高程為385m，最低海拔高程為210m，一般相對高差為75m，最大相對高差為175m。區(qū)域侵蝕基準面標高約為158m±，地形坡度平均約為23°，局部地帶較為陡峻。區(qū)內(nèi)地表植被較發(fā)育，原始地貌保持較好，現(xiàn)有礦山露天開采區(qū)、渣石堆放區(qū)地形及植被破壞較大。

礦山目前主要采用露天采礦方式，礦區(qū)鐵礦體分布標高一般為100m～280m，最低標高為20m。由于礦區(qū)所處山溝中尾礦庫區(qū)的存在，抬高了礦區(qū)內(nèi)的地下水位，使礦區(qū)最低侵蝕基準面標高抬高至195m±，使本區(qū)最低礦體標高低于侵蝕基準面約175m。

1.2 水文氣象

礦區(qū)氣候?qū)俦睖貛駶檯^(qū)大陸性季風(fēng)型氣候，中緯度東亞季風(fēng)區(qū)，氣候溫暖，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季多雨，氣溫變化幅度大，每年七、八月份氣溫較高，一、二月份氣溫較低，最高氣溫可達37.3℃，最低氣溫可達-32.6℃，年平均氣溫8.2℃。結(jié)冰期為十一月至翌年三月，凍土層深度138mm，霜凍期206天。雨季降雨多集中在七、八月份，年最大降水量1692.3mm，最小降水量567.6mm，年平均降水量998.2mm，春秋季節(jié)少雨。

區(qū)內(nèi)水系屬愛河水系上游支流，礦區(qū)內(nèi)沒有大的地表水體通過，多為季節(jié)性山間溪流。礦區(qū)所處砬子溝匯水面積約為0.76km2，主溝坡度約9.15°，坡降約6.55‰。各山間溪流河水徑流量受季節(jié)性變化影響明顯，雨季徑流量明顯增大，旱季徑流量大減以致枯竭，礦區(qū)內(nèi)地表及地下水多排入山間溪流河中，并沿山間溝谷或人工排水渠道經(jīng)尾礦庫區(qū)向區(qū)外排泄或經(jīng)人工排水管道向礦區(qū)外圍北部的曲大溝中排泄。礦區(qū)地下水主要靠大氣降水和融化雪水補給，地下水動態(tài)明顯受季節(jié)性制約，水量在枯水期及豐水期有明顯差異，地下水位隨季節(jié)變化變幅明顯，表現(xiàn)為氣象型特征，對礦區(qū)生產(chǎn)有一定影響。

1.3 礦區(qū)地下水類型及含水巖組的分布特征

礦區(qū)內(nèi)地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。區(qū)內(nèi)出露地層巖性主要有下遠古界遼河群里爾峪組中的各種變粒巖以及呂梁期、燕山期的各類斑巖、混合巖等和第四系松散堆積物。依據(jù)區(qū)內(nèi)巖性特征及其賦水條件可劃分以下含水巖組：

1.3.1 第四系松散巖類孔隙含水巖組

1.3.1.1 全新統(tǒng)沖洪積孔隙含水巖組

主要分布于區(qū)內(nèi)河谷地帶。物質(zhì)組成為砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土、砂及礫卵石，厚度不等，富水性不均，為中等—強富水性。補給源主要為大氣降水，徑流條件較好，多以人工開采形式排泄或部分補給基巖裂隙水。

1.3.1.2 第四系上更新統(tǒng)殘坡積孔隙含水巖組

主要分布在山坡、山麓、溝谷地帶及巖石表層強風(fēng)化帶中，物質(zhì)組成為薄層亞砂土、亞粘土、砂礫石及風(fēng)化碎石層等，厚度不均。含水層直接接受大氣降水滲入補給，通過地表徑流、下滲補給基巖裂隙、構(gòu)造裂隙含水層排空，含水不均，富水性隨含水層結(jié)構(gòu)、厚度、巖性等變化較大，水位標高受季節(jié)性降水量控制，為一中等富水性層位，此層水與基巖裂隙水聯(lián)系密切。

1.3.2 塊狀巖類裂隙含水巖組

大面積分布于區(qū)內(nèi)遼河群里爾峪組中各種變粒巖及各類巖獎巖和脈巖中。巖石均含有微弱的風(fēng)化裂隙水和弱的構(gòu)造裂隙水，水量一般不大，如遇強含水構(gòu)造破碎帶，地下水量可能增大。地下水補給來源主要為大氣降水下滲或接受區(qū)域性地下徑流補給，徑流條件較差，以地下徑流形式排泄為主。為微弱—弱富水性。

1.4 地下水的補徑排條件及含水巖組之間的水力聯(lián)系

區(qū)內(nèi)地下水的補給、徑流、排泄主要受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文氣象等因素綜合控制。礦區(qū)地形地勢有利于地下水的排泄。各含水層主要接受大氣降水的滲入補給，地下水動態(tài)變化嚴格受大氣降水的控制。

區(qū)內(nèi)各含水巖組地下水均直接或間接接受大氣降水補給，大氣降水后，一部分水呈地表徑流匯入小溪注入主河道形成地表水體，另一部分水則通過植被根系或直接沿松散巖類孔隙、基巖裂隙、構(gòu)造裂隙下滲，分別形成孔隙水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水。各含水層之間相互連通、補給，存在一定程度的水力聯(lián)系，其間的徑流條件好壞與補給程度、巖石孔隙、基巖裂隙及深部構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度、破碎程度和充填物性質(zhì)等有關(guān)。本區(qū)地下水徑流條件一般，主要以人工開采、地下徑流形式排泄為主，蒸發(fā)及植物蒸騰作用也是重要排泄途徑，各含水層（帶）之間存在一定程度的水力聯(lián)系。由于礦山地表及地下采礦多年，礦坑長年排水，因此區(qū)內(nèi)地下水位有以礦區(qū)露天采坑及地下坑道系統(tǒng)為中心形成降落漏斗的趨勢。

2 礦床充水因素分析

區(qū)內(nèi)地表基巖表面風(fēng)化強烈，裂隙發(fā)育，透水性良好，直接受大氣降水和融化雪水補給，形成松散層類孔隙水，并沿孔隙、裂隙向下滲透補給基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水，同時接受區(qū)外遠途側(cè)向地下徑流的遙補，并通過基巖裂隙、構(gòu)造裂隙及斷裂破碎帶進入礦坑，因此，區(qū)內(nèi)基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水是礦床充水的主要因素之一，同時局部巖脈穿插及構(gòu)造破碎形成的充水構(gòu)造帶，也是礦床充水的主要因素之一。

礦區(qū)采礦多年，地表形成多處采坑，極易匯集地表及地下水，尤其雨季露天采坑匯聚大量大氣降水，加大地下水滲入補給量，同時區(qū)內(nèi)探礦坑道亦是匯集地表及地下水的重要場所，并在坑內(nèi)形成積水，加大地下水滲入補給量。因此，區(qū)內(nèi)地表及地下的新老采礦工程匯水、積水也是礦床充水的主要因素之一。

礦區(qū)外圍建有一尾礦庫，庫中尾水及地表水徑流匯聚，將會使庫區(qū)及周邊地下水位抬高，改變區(qū)內(nèi)地表及地下水的徑流條件，進一步加大區(qū)內(nèi)地下水的滲入補給量，并可能通過基巖裂隙，構(gòu)造裂隙及斷裂破碎帶進入礦坑，如地下開采突遇大的儲水構(gòu)造，地下水會突入礦坑，因此，區(qū)內(nèi)尾礦庫區(qū)匯水、積水也是礦床充水的主要因素之一。

3 預(yù)測礦坑涌水量

礦區(qū)含水層主要以基巖裂隙含水層為主，第四系松散層類孔隙水、構(gòu)造裂隙水為輔，礦體及圍巖中的裂隙充水性不強，層間裂隙水微弱，礦體位于當?shù)厍治g基準面以上。礦體及圍巖均為屬非可溶性巖石，礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造及脈巖較發(fā)育，構(gòu)造及破碎帶容水性及充水性較強，施工過程中可能會出現(xiàn)大量滲水、滴水、淋水、涌水等現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)塊狀巖類裂隙含水巖組含水層主要分布在近地表10m～45m風(fēng)化殼及其下部彼此貫通的區(qū)域性構(gòu)造裂隙帶中，地下水埋深隨地形起伏而異，一般在5m～40m之間。區(qū)內(nèi)塊狀巖類裂隙含水巖組單位涌水量q=0.0086～0.1080L/s.m，滲透系數(shù)K=0.0041～0.055m/d。礦坑涌水量預(yù)測應(yīng)根據(jù)礦山開采方案及相應(yīng)開拓工程的進展情況，并隨著對礦區(qū)水文地質(zhì)條件認識的深化逐步地修正和完善。

式中：Q—預(yù)測礦坑的涌水量（m3/d）

Q1—大氣降水的影響量（m3/d）

Q2—地下水的涌水量（m3/d）

F1—為露天采坑面積（m2）

F2—扣除露天采坑面積后的大氣降水影響面積（m2）

W—歷年平均降水量（m）

α—大氣降水滲入系數(shù)

t—時間（d）

患者接受治療之前，F(xiàn)MA評分和BI評分沒有顯著差異，接受六個月的康復(fù)治療之后，相關(guān)患者的評分都有提升，康復(fù)組的提升幅度更高，和對照組情況對比，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01）。見表1。

Kcp—平均滲透系數(shù)（m/d）。

H—含水層厚度（m）

S—露天采場中的水位降低（m）

r0—露天采場引用半徑（m）

R0—引用影響半徑（m）

計算參數(shù)的確定：

①露天采坑面積F1在經(jīng)實地測量為F1=157963.03m2

②露天采礦坑降水影響范圍及邊界，以采坑所處小匯水盆地降水補給面積及地表分水嶺界線或溝谷為邊界，作為降水的影響范圍，露天采坑所處區(qū)域降水補給面積約為763934.99m2，則扣除露采坑面積后的大氣降水影響面積為：

F2=763934.99-157963.03=605971.96m2。

③大氣降水量W為歷年平均降水量998.20mm（0.9982m）。

④泉水歷年平均徑流量約為 40150m3，補給面積為763934.99m2，由泉水歷年平均徑流量與補給面積和歷年平均降水量的積相比，求得大氣降水滲入系數(shù)α=0.05265。

⑤時間t按年365天計算。

⑥平均滲透系數(shù)Kcp根據(jù)以往本區(qū)鉆孔水文地質(zhì)試驗成果計算求得為0.02955m/d。

⑦含水層厚度H根據(jù)勘查鉆孔水文地質(zhì)觀測結(jié)果，該區(qū)裂隙含水層靜止水位平均標高約為230.42m，向下擴界開采至100m水平計算，按潛水完整井考慮，H=230.42-100=130.42m。

⑧露天采場中的水位降低S=H=130.42m。

⑩引用影響半徑R0=R+r0（其中為露天采場的影響半徑），則R0=R+r0=439.19+224.23=663.42 m。

將上述各計算參數(shù)分別代入（1）、（2）、（3）式后，計算求得露天采坑涌水量為Q=Q1+Q2=519.17+1457.43=1976.60m3/d

本次礦坑涌水量計算是符合礦山開采實際情況的，計算參數(shù)的選擇確定是適宜的、合理的，說明本次礦坑涌水量預(yù)測的水文地質(zhì)模型概化合理、計算結(jié)果可靠，但對于總涌水量來說如果考慮月或日最大降水量因素，其計算結(jié)果可能偏小，因此，開采中應(yīng)以日最大降水量考慮礦坑涌水量，指導(dǎo)礦山建設(shè)中的排水工作，配備相應(yīng)的排水設(shè)備，確保礦坑排水的安全。

礦山未來地下深部開采礦坑涌水量預(yù)測，應(yīng)以上部開拓工程實施狀況和礦坑長期觀測實際排水量情況，依據(jù)“水文地質(zhì)比擬法”預(yù)測礦坑深部涌水量，則更加符合實際。

4 結(jié)束語

隨著我國的物質(zhì)文明和精神文明建設(shè)的不斷向前推進，隨著國家綜合國力的不斷提高，強大的礦產(chǎn)資源儲備與科學(xué)安全開發(fā)利用，是國家經(jīng)濟不斷向前發(fā)展的強大推進動力，隨之而來的礦業(yè)開發(fā)的安全問題也日益突出顯現(xiàn)，尤其近幾年的礦山突水安全問題更加明顯，國家有關(guān)部門也非常重視礦山開采中所遇到的水文地質(zhì)問題，因此，在礦山勘查中要重視對礦床水文地質(zhì)問題，特別是礦坑涌水量的預(yù)測，要嚴格執(zhí)行國家有關(guān)技術(shù)規(guī)范，為礦山安全開采提供科學(xué)有效的預(yù)測數(shù)據(jù)，更好的指導(dǎo)礦山開采過程中的給排水工作。

［1］ 《水文地質(zhì)手冊》 [M]，地質(zhì)出版社，1990.

［2］ 《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》 [S]，（GB12719-1991）.

［3］ 《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》 [S]，（GB50027-2001）.

［4］ 《固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范總則》 [S]，（GB/T13908-2002）.

［5］ 《礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復(fù)方案編制規(guī)范》，（DZ/T 223-2009）.

［6］ 《專門水文地質(zhì)學(xué)》 [M]，長春地質(zhì)學(xué)院，1985.

［7］ 《1/20萬綜合水文地質(zhì)調(diào)查報告》 [R]，遼寧省第一水文地質(zhì)調(diào)查大隊，1973.

［8］ 《1/20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告》 [R]，遼寧省地質(zhì)局第一區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊，1975.