基于補(bǔ)充水文地質(zhì)勘察后礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析

高 尚，汪 磊

(合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

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基于補(bǔ)充水文地質(zhì)勘察后礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析

高 尚，汪 磊

(合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果，直接影響礦山合理開(kāi)采和安全生產(chǎn)。以旗桿樓鐵礦為例，通過(guò)補(bǔ)充水文地質(zhì)勘察，新發(fā)現(xiàn)礦區(qū)第四系底部為透水性極差的弱含水層，對(duì)上部孔隙水具有一定的“屏蔽”作用，故重新預(yù)測(cè)得出礦坑涌水量數(shù)值減小，為該鐵礦生產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)及防治水措施設(shè)置提供參考。建議在礦坑涌水量預(yù)測(cè)方面，針對(duì)性地開(kāi)展補(bǔ)充水文地質(zhì)勘察，深入了解礦區(qū)水文地質(zhì)條件，提高礦坑涌水量預(yù)測(cè)精度。

補(bǔ)充水文地質(zhì)勘察；抽水試驗(yàn)；礦坑涌水量

礦坑涌水量是評(píng)價(jià)礦井開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的重要指標(biāo)之一[1]，對(duì)礦山的生產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)有直接影響[2]。是否準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦坑涌水量，對(duì)礦山防排水措施設(shè)置有重要意義，并且能減少淹井等不良事故發(fā)生的概率[3]?；诘V床勘探程度及對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)水平的影響[4]，礦坑涌水量的預(yù)測(cè)值會(huì)有明顯差別。本文以安徽蕭縣旗桿樓鐵礦為例進(jìn)行分析，該鐵礦詳查地質(zhì)報(bào)告給出礦坑正常涌水量為52 488 m3/d；水文地質(zhì)報(bào)告給出礦坑涌水量為24 073 m3/d，兩種預(yù)測(cè)結(jié)果相差較大。究其原因，是對(duì)該鐵礦充水條件認(rèn)識(shí)不充分，前者認(rèn)為礦體頂、底板富水性弱的礦化蝕變巖類(lèi)為礦體開(kāi)拓時(shí)的直接充水含水層；后者認(rèn)為第四系孔隙水為礦坑最終充水水源。基于補(bǔ)充水文地質(zhì)勘察后，進(jìn)一步掌握礦區(qū)地質(zhì)條件以計(jì)算礦坑涌水量并作結(jié)果分析。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域工程地質(zhì)概述

該鐵礦處于永城復(fù)背斜北部?jī)A沒(méi)端東翼，礦區(qū)分布地層自陳至新依次為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第三系和第四系，其中與成礦關(guān)系密切的地層主要為奧陶系下統(tǒng)蕭縣組，次為奧陶系下統(tǒng)馬家溝組等。地質(zhì)構(gòu)造方面，在礦區(qū)西側(cè)為永城復(fù)背斜、礦區(qū)東側(cè)為蔣河向斜，兩軸均呈北北東向分布。區(qū)內(nèi)主要斷裂有三組，分別是:區(qū)域大斷層F1、礦區(qū)東斷層F3、礦區(qū)南斷層F6，其中北北東向與近東西向斷裂控制本礦區(qū)鐵礦的賦存狀態(tài)。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)概述

根據(jù)地下水賦存空間及巖性特征，本礦區(qū)主要涵蓋以下含水層組:

A. 碳酸鹽巖類(lèi)含水巖組: 包括寒武系中上統(tǒng)灰?guī)r含水巖組，富水程度較差；奧陶系灰?guī)r含水巖組，巖溶發(fā)育程度高，以溶隙為主；下部蕭縣組灰?guī)r為礦體直接頂板，巖溶裂隙發(fā)育程度低，富水性和透水性均較弱；局部與第四系砂層接觸，富水性強(qiáng)。

B. 碎屑巖類(lèi)含水巖組: 二疊系砂巖、粉砂巖為主，分布于礦區(qū)東南部，裂隙不發(fā)育。據(jù)礦區(qū)抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量約為0.000 24 L/(s·m)，通常視為相對(duì)隔水層。

C. 巖漿巖類(lèi)含水巖組: 該巖體為本區(qū)唯一的成礦母巖，在礦區(qū)內(nèi)廣泛分布。主要巖性為酸性二長(zhǎng)花崗巖，巖石較完整，裂隙發(fā)育程度差，多為閉合裂隙和充填裂隙，通常作為隔水層處理。

D. 松散巖類(lèi)含水巖組: a.第四系松散沉積物廣布全區(qū)，中上部砂層含水層組巖性為粉土、粉細(xì)砂及黏性土互層，厚約25～33 m，含孔隙潛水，富水性中等；b.第三系鈣質(zhì)黏土，富水性在空間上分布不均一，水平連續(xù)較差。

2 水文地質(zhì)勘察工作

2.1 前期成果評(píng)價(jià)

該鐵礦詳查得出:區(qū)內(nèi)礦體均隱伏于第四系之下，其周邊圍巖多為各種蝕變巖類(lèi)及灰?guī)r、大理巖。礦體頂?shù)装宥嘤傻V化蝕變巖類(lèi)構(gòu)成，是礦體開(kāi)拓時(shí)的直接充水含水層。富水性較好的碳酸巖類(lèi)含水層與礦化蝕變含水層水力聯(lián)系密切，多與其直接觸或局部接觸，構(gòu)成間接充水層。礦段東側(cè)及南側(cè)為相對(duì)隔水邊界，礦坑涌水的來(lái)水方向主要為西側(cè)和北側(cè)。

該礦水文地質(zhì)勘探得出: 礦床主要充水含水層為奧陶系灰?guī)r含水層，上覆地層為第三系、第四系含水層。開(kāi)采條件下，深部奧陶系灰?guī)r含水層疏干排水，四周側(cè)向徑流補(bǔ)給有限，礦坑涌水主要來(lái)源是第四系垂向越流補(bǔ)給。

上述結(jié)論相互矛盾，對(duì)旗桿樓礦充水條件認(rèn)識(shí)不一致，主要缺陷是未闡述清楚第三系、第四系地層分布及水文地質(zhì)特征，為此而開(kāi)展補(bǔ)充水文地質(zhì)勘探。

2.2 補(bǔ)充勘察成果

補(bǔ)充勘察工作重點(diǎn)開(kāi)展針對(duì)第三系、第四系隔水層，礦床頂、底板的抽水試驗(yàn)。新增C01、C02、C03、C04四孔水文地質(zhì)鉆井，共進(jìn)行了11次分層穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，1次注水試驗(yàn)。結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 補(bǔ)充抽水試驗(yàn)結(jié)果一覽表

補(bǔ)充勘查結(jié)果顯示:馬家溝組單位涌水量0.14～2.747 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.058～1.326 m/d，按鉆孔單位涌水量(q)富水性分級(jí)為強(qiáng)富水性；蕭縣組滲透系數(shù)為0.122～0.238 m/d，中等富水性；第三系富水性及透水性弱，平均滲透系數(shù)為0.001 m/d；第四系底部為透水性極差的弱含水層，使得第四系淺層地下水越流補(bǔ)給受到限制，這是前期成果中忽略的問(wèn)題。

2.3 礦床充水條件

根據(jù)補(bǔ)充水文地質(zhì)勘察結(jié)果及前期資料得出該礦床開(kāi)采時(shí)，礦區(qū)奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層為相對(duì)孤立的含水體，徑流條件差，側(cè)向補(bǔ)給有限。蕭縣組巖溶裂隙水為直接充水水源。受灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水性及透水性不均一的影響，礦山開(kāi)采時(shí)，奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水將間接流入礦坑，成為間接充水水源。

奧陶系灰?guī)r東、南、北三個(gè)方向均為富水性和透水極弱的石炭系或二疊系，西部為區(qū)域大斷層F1及富水性較差的下古生界寒武系灰?guī)r，為相對(duì)隔水邊界。

3 數(shù)值法預(yù)測(cè)礦坑涌水量

數(shù)值法預(yù)測(cè)礦坑涌水量總體分為四個(gè)過(guò)程[5]: 建立水文地質(zhì)概念模型、建立數(shù)學(xué)模型、模型識(shí)別與驗(yàn)證、礦坑涌水量預(yù)測(cè)。結(jié)合數(shù)值模擬軟件會(huì)加快運(yùn)算過(guò)程，本文采用Visual MODFLOW軟件[6]進(jìn)行地下水流數(shù)值模擬。實(shí)踐證明，Visual MODFLOW即使在處理復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的地下水流問(wèn)題，也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)并且在科研、生產(chǎn)中應(yīng)用越來(lái)越普遍[7]。

3.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)礦區(qū)開(kāi)展的不同階段鉆探工作、礦區(qū)水文地質(zhì)條件，在垂向上，將模擬區(qū)的地下水系統(tǒng)概化為第四系淺部粉砂粉土含水層、第四系深部粉質(zhì)黏土弱含水層、第三系含水層、奧陶系馬家溝灰?guī)r含水層和奧陶系蕭縣組含水層；平面上剖分為150行，100列，在抽水孔分布區(qū)域附近，將網(wǎng)絡(luò)剖分加密一倍，以提高模型計(jì)算精度。

3.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)礦區(qū)水力性質(zhì)，將地下水流概化成“非均質(zhì)各向異性準(zhǔn)三維水流系統(tǒng)”并建立如下數(shù)學(xué)模型[8]。

式中: Kx、Ky、Kz為K在x、y、z三個(gè)方向上分量，單位m/d；h: 地下水水位，單位m；W: 單位體積流量；μs: 含水巖組的儲(chǔ)水率，單位1/m；h0(x,y,z):已知水位分布，單位m；t: 時(shí)間，單位d；D: 模擬區(qū)范圍；Γ1，Γ2:分別為一類(lèi)、二類(lèi)邊界；q(x,y,z,t):二類(lèi)邊界上流量分布。

3.3 模型識(shí)別與驗(yàn)證

對(duì)模擬區(qū)地下水系統(tǒng)進(jìn)行模型識(shí)別，利用試錯(cuò)法調(diào)參?？紤]分析對(duì)地下水流場(chǎng)形態(tài)及水量影響程度大，將滲透系數(shù)K與彈性釋水系數(shù)μ作為重要的調(diào)參對(duì)象。結(jié)合抽水試驗(yàn)資料及其水文地質(zhì)條件，識(shí)別得到模擬區(qū)參數(shù)取值如表2所示。識(shí)別結(jié)果理想，如圖1所示。

表2 模型參數(shù)取值表

為提高精度，對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，選取抽水試驗(yàn)時(shí)間2016年9月12日為模型驗(yàn)證期開(kāi)始時(shí)刻，以C03抽水孔實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位為對(duì)比對(duì)象，得到水位擬合過(guò)程線如圖2所示，擬合情況良好。故可以認(rèn)為數(shù)值模型能正確反映模擬區(qū)實(shí)際情況，可以對(duì)礦區(qū)礦坑涌水量做預(yù)測(cè)分析。

圖1 識(shí)別期C02水位擬合過(guò)程線Fig.1 C02 water level fitting line in identification period

圖2 驗(yàn)證期C03水位擬合過(guò)程線Fig.2 C03 water level fitting line in validation period

3.4 預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)該礦開(kāi)發(fā)利用方案，一期開(kāi)采水平最底為-500 m，因此以該段處巷道布置圖為參考，預(yù)測(cè)礦坑涌水量。模型的預(yù)測(cè)期與礦山服務(wù)年限一致，為14年。預(yù)測(cè)得到的涌水量隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖3所示，初期涌水量為11 791 m3/d，隨著礦床開(kāi)采的進(jìn)行，礦坑涌水量逐漸減小，遞減幅度逐漸減小，水量逐漸趨于平穩(wěn)，約為8 513 m3/d。

圖3 礦坑涌水量變化過(guò)程線Fig.3 Changing line of mine water inflow

4 結(jié)論

本文給出該鐵礦初期涌水量為11 791 m3/d，正常穩(wěn)定涌水量約為8 513 m3/d，與已有結(jié)果52 488 m3/d(詳查報(bào)告)，24 073 m3/d(水文地質(zhì)報(bào)告)相比，前期已有結(jié)論涌水量數(shù)值偏大。對(duì)比分析: 前期已有結(jié)論認(rèn)為第四系垂向補(bǔ)給是礦區(qū)主要充水水源，排水初期，奧陶系灰?guī)r上覆第四系土層大面積釋水，通過(guò)第三系的傳導(dǎo)作用涌入礦坑；而補(bǔ)充勘察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第三系巖層富水性及透水性弱，且第四系底部存在一層富水性及透水性極差的極弱含水層，對(duì)上部孔隙水具有一定的“屏蔽”作用，得出的礦坑涌水量比已有成果值小。

受礦床賦存條件復(fù)雜性、勘探程度及認(rèn)識(shí)水平的影響，礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果往往會(huì)與實(shí)際相差較大，為提高預(yù)測(cè)精度，需要有針對(duì)性開(kāi)展補(bǔ)充水文地質(zhì)勘測(cè)。本文重點(diǎn)針對(duì)第三系、第四系隔水層及礦床頂?shù)装暹M(jìn)行抽水試驗(yàn)，更新水文地質(zhì)參數(shù)，確定更合理的礦坑涌水量，為該鐵礦安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)及防治水條件提供參考。建議今后在礦坑涌水量預(yù)測(cè)方面，應(yīng)該在深入識(shí)別礦區(qū)水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上作涌水量預(yù)測(cè)，以提高礦坑涌水量預(yù)測(cè)精度。

[1] 鄭世書(shū)，陳江中，劉漢湖.專(zhuān)門(mén)水文地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出社，1999.

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Analysis of prediction results of mine water inflow based on supplementary hydrogeological survey

GAO Shang, WANG Lei

(Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Mine water inflow directly affects the reasonable mining and safe production of deposits. Taking a certain iron ore as an example, it discovered that the bottom of the Quaternary System is a weak aquifer with poor water permeability by supplementary hydrogeological survey, and it has a certain “shielding” effect on the upper aquifer. The results provide a reference for the iron ore safety, economic production and control of water measure installation. It is suggested that the hydrogeological survey should be carried out to improve the prediction accuracy of the mine water inflow.

Supplementary hydrogeological survey; Pumping test; Mine water inflow

2016-12-26

高尚(1991-)，男，碩士研究生。 汪磊(1991-)，男，碩士研究生。

P641.4+1

A

1674-8646(2017)02-0049-03