長江中下游某鐵礦涌水量預(yù)測研究

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(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

礦坑涌水量預(yù)測，是礦山安全生產(chǎn)設(shè)計的重要依據(jù)；但實際工作中，或因預(yù)測明顯偏小而導(dǎo)致淹井事故，或因預(yù)測明顯偏大而導(dǎo)致礦山排水系統(tǒng)建設(shè)與運行產(chǎn)生嚴(yán)重浪費[1]。影響預(yù)測可靠性的主要因素，大體可概括為：(1)受勘查程度等因素影響，對礦床充水條件的控制程度不夠[1～4]；(2)對水文地質(zhì)條件的認(rèn)識存在明顯偏差，計算方法或重要參數(shù)選擇不當(dāng)[3～8]；(3)預(yù)測設(shè)置的條件，與礦床開發(fā)利用方案結(jié)合不緊[6～10]。

巖漿熱液型鐵礦，多呈似層狀、透鏡狀不連續(xù)產(chǎn)出，礦體產(chǎn)狀復(fù)雜多變，上述影響礦坑涌水量預(yù)測的因素(在中小型礦山，水文地質(zhì)勘查程度不夠尤為突出)，影響往往更為顯著。本文以安徽省某鐵礦中的主礦體為例(①號礦體、也是該礦山的北礦段)，基于現(xiàn)有的勘查成果，結(jié)合礦床開發(fā)利用方案，就充水條件概化、計算方法選擇等內(nèi)容，討論礦坑最大涌水量預(yù)測，為類似問題提供參考。

1 礦體特征

本礦床位于長江中下游的最重要的鐵礦成礦區(qū)內(nèi)，該礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)大型鐵礦床3個、中型鐵礦床7個。

本礦床產(chǎn)于接觸帶附近，有 10個礦體，其中①號礦體是主礦體(北礦段)，其資源儲量占全礦床的68.34%；②號礦體次之，其資源儲量占全礦床的22.70%；主礦體特征，參見表1。

圖1 礦體產(chǎn)狀及開采水平關(guān)系示意圖

2 水文地質(zhì)條件及其概化

依據(jù)該礦床的《詳查報告》，該礦床開采技術(shù)條件，屬以水、工、環(huán)復(fù)合問題為主的中等復(fù)雜類型礦床；《詳查報告》對北礦段，進(jìn)行了礦坑涌水量預(yù)測。

隔水頂、底板及含水巖組水文參數(shù)概化 ①號礦體以三疊系中統(tǒng)黃馬青組砂頁巖裂隙弱富水巖組作隔水頂板；以閃長巖體作為隔水底板；隔水底板底標(biāo)高為-1 050 m。

礦床充水，主要是圍巖(砂頁巖)裂隙側(cè)向補給；砂頁巖裂隙含水層組厚度284.54 m、頂板標(biāo)高為-765.46 m；根據(jù)抽水試驗，含水層組滲透系數(shù)k為0.052 4 m/d。

邊界條件概化 北礦段主要南西受近于垂直的F1、F2斷層作供水邊界。北及東側(cè)因黃馬青組砂頁巖裂隙弱富水巖組與閃長巖裂隙弱富水巖組富水性相當(dāng)，視為無側(cè)限邊界。

表1 主礦體特征

3 涌水量預(yù)測

依據(jù)大井法基本原理，位于直交的二供水邊界之間的承壓井涌水量計算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Q為涌水量(m3/d)、K為滲透系數(shù)(m/d)、B為非完整井系數(shù)(無量綱)、m為承壓含水層厚度(m)、S為計算水平對應(yīng)的水位降深=初始水頭-計算水平(m)、Rc為邊界水流阻力系數(shù)(無量綱)、rw為根據(jù)礦體水平投影擬合的大井半徑(m)、d1/d2為大井中心至邊界距離(m)、L為非完整井進(jìn)水段高度=含水層頂板標(biāo)高-計算水平(m)

《詳查報告》對北礦段-796 m、-900 m、-1 000 m、-1 050 m水平，預(yù)測的礦坑涌水量分別為5.25萬 m3/d、11.82萬 m3/d、16.25萬 m3/d、18.05萬 m3/d。

表2 各開采水平礦坑涌水量計算結(jié)果

4 問題討論

《詳查報告》開展的礦坑涌水量預(yù)測，存在以下主要問題：

開采范圍的影響 ①號礦體呈似層狀、緩傾斜產(chǎn)出，礦體賦存標(biāo)高-778～-1 050 m；則，不論首采是哪個水平，其開采范圍的水平投影都將遠(yuǎn)小于上述“大井”范圍；以首采水平-796 m為例，此時，-796 m水平以上可以采的礦體水平投影，不超礦山全礦體水平投影的1/2～1/3(參見圖1)；

僅考慮開采水平所控制的可采礦床水平投影S-796與全礦床水平投影Smax之不同，而形成的對涌水量預(yù)測值的影響。

《詳查報告》中的預(yù)測方法與公式、水文地質(zhì)參數(shù)、以及初始流場與邊界條件等，全面繼承；僅是大井范圍按-796 m水平的可采礦床水平投影面積S-796計。

承壓轉(zhuǎn)無壓的影響 承壓含水層分布于-765.46～-1 050 m之間、厚284.54 m。

綜上，上述因素，每個因素都是導(dǎo)致涌水量計算偏大的因素；因素迭加，將導(dǎo)致計算結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。

5 涌水量預(yù)測復(fù)核

根據(jù)礦床開發(fā)利用初步方案，該礦床采用嗣后充填法采礦，采用由西向東的開采方式；這將形成一狹長的廊道，即涌水量預(yù)測，采用水平廊道法；采用承壓——無壓公式：

Q=CK (2S - m) m/D

(4)

式中：D為水平廊道影響寬度、C為進(jìn)水廊道長度；其它符號意義同上。

水平坑道影響寬度D=R+b/2； b為綜采面長度，本次計算，不考慮b的影響，即b=0; R為影響半徑，在2條近直交充水?dāng)鄬痈浇瑓⒖即缶≧的計算方法，R=2d1d2/(d12+d22)1/2。

水文地質(zhì)參數(shù)，與上述礦坑涌水量預(yù)測所用的數(shù)值相同；進(jìn)水廊道長度C，應(yīng)為開采水平對應(yīng)

的可采礦體水平投影最大長度，按開采水平可采礦體水平投影最大長度；-796 m水平、C=300 m，-1 050 m水平(可采礦體范圍是-1 000～-1 050 m之間的礦體部分)、C=500 m。

表3 北礦段各礦坑涌水量復(fù)核參數(shù)與復(fù)核結(jié)果

參考地質(zhì)與水文地質(zhì)條件與本礦高度一致的鄰近礦山的實測數(shù)據(jù)，排水水平為-300 m(對應(yīng)降深約310 m)時礦坑最大涌水量為2 965 m3/d；與本礦山，在排水水平為-796 m(對應(yīng)降深792.02 m)，復(fù)核預(yù)測礦坑最大涌水量為7 333.4 m3/d；在排水水平為-1 050 m(對應(yīng)降深=1 046.02 m), 復(fù)核預(yù)測礦坑最大涌水量為27 798.0 m3/d；就降深這一因素，復(fù)核預(yù)測與鄰近礦山實測數(shù)據(jù)基本吻合。

6 結(jié)論與建議

上述研究過程中，得到以下結(jié)論：

(1)采用 “大井法”進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測時，大井范圍應(yīng)是開采水平所對應(yīng)的該水平可采礦床水平投影，而不是全礦床水平投影；

(2)當(dāng)?shù)V床充水地層為承壓含水層、且開采水平位于承壓含水層頂板之下時，充水地層的地下水一般多由承壓轉(zhuǎn)無壓，注意采用公式的適用性；

(3)解析法公式眾多，其中，應(yīng)用相對廣泛的是大井法、廊道法；應(yīng)根據(jù)礦床開發(fā)利用方案，根據(jù)采礦范圍的形態(tài)，選擇合適的方法，這在產(chǎn)狀復(fù)雜多變的巖漿熱液型鐵礦床涌水量預(yù)測中，尤為突出。

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