淺談大井法在礦山涌水量計(jì)算中的使用

寧鳳娟

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊(duì)，貴州 六盤水 553000）

我們平時(shí)工作中，在礦山儲(chǔ)量核實(shí)、開采設(shè)計(jì)方案、詳查設(shè)計(jì)方案等方面，均要對(duì)礦山進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查工作，預(yù)測(cè)礦坑涌水量，為礦床開采提供設(shè)計(jì)依據(jù)，它對(duì)選擇采礦方法，確定排水設(shè)備能力和排水方案、制定探水防水措施都有著重要的意義。礦山涌水量常用的計(jì)算方法有水均衡法、水文地質(zhì)比擬法、“大井法”、大氣降水入滲法等，由于各種方法的適用條件不盡相同，所以在實(shí)際工作中，可以根據(jù)水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度，以及實(shí)際工作的程度等方面來確定。其中“大井法”在近似穩(wěn)定流中較為常用，通過概化礦區(qū)水文地質(zhì)條件，構(gòu)造理想化數(shù)字模型，然后求取礦坑涌水量，具有廣泛的適用性。

1 涌水量影響因素

在礦山涌水量計(jì)算中，很多因素都會(huì)對(duì)涌水量的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此，需要采用三種及以上的方法來求取數(shù)據(jù)，通過水文地質(zhì)條件以及礦體的分布特征、礦區(qū)的平面形態(tài)等綜合分析對(duì)比，選取更貼合實(shí)際礦床的計(jì)算結(jié)果。涌水量計(jì)算的影響因素，經(jīng)過前人總結(jié)分析有：①降水量。當(dāng)?shù)V區(qū)為露天開采時(shí)，礦坑涌水量主要來源于大氣降水，降水量對(duì)涌水量計(jì)算結(jié)果的影響更為明顯和突出，當(dāng)降水量處于動(dòng)態(tài)變化的情況下時(shí)，涌水量也會(huì)隨之產(chǎn)生一定的變化。②產(chǎn)量與開采面積。不同的礦井內(nèi)存在產(chǎn)量和開采面積的區(qū)別，在涌水量計(jì)算的過程中，這些因素同樣是需考慮的因素，當(dāng)開采面積和產(chǎn)量逐步增大的情況下，一旦含水介質(zhì)空間與頂板含水層結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變，涌水量就會(huì)出現(xiàn)一定的變化，因?yàn)樵谶@一條件下，涌水量對(duì)地下水靜儲(chǔ)量存在一定的消耗，而消耗的同時(shí)也接受地下水的補(bǔ)給，涌水量呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。③采掘作業(yè)。礦井在采掘工作不斷進(jìn)行的過程中，地下水靜儲(chǔ)量會(huì)隨之減少，當(dāng)?shù)V井涌水主要是由地下水補(bǔ)給實(shí)現(xiàn)的，地下水接受補(bǔ)給量日漸平穩(wěn)的情況下，礦井涌水量也相對(duì)平緩，變化不大。④地質(zhì)構(gòu)造。隨著礦山地表、地下的開采作業(yè)，巷道連通，往往難以保持礦區(qū)地質(zhì)地形的原貌，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的破壞使得涌水量增加。

2 “大井法”的基本原理和計(jì)算公式

在礦井涌水量計(jì)算中，大井法是一個(gè)應(yīng)用比較普遍的方法，因?yàn)樵诘V床疏干的過程中，會(huì)伴隨著嚴(yán)重的礦井涌水現(xiàn)象，該現(xiàn)象使得周圍水位逐步降低，當(dāng)呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)以后，基本上可以認(rèn)定在以礦坑為中心所形成的地下輻射流場(chǎng)周邊，已然達(dá)到了穩(wěn)定井流的條件。事實(shí)上，在利用大井法進(jìn)行礦坑用水量計(jì)算時(shí)，往往會(huì)將礦區(qū)水平坑道系統(tǒng)所占面積等價(jià)于理想的大井面積相等，并保持坑道系統(tǒng)涌水量與大井涌水量相一致[2]。其計(jì)算公式如下：

上式為潛水完整井裘布依公式，式中，Q 代表的是礦井涌水量（m3/d），K 和S、H 分別為含水層滲透系數(shù)（m/d）、水位降深值（m）、水頭高度（m），而R 和R0分別為影響半徑（m）和引用影響半徑（m），r0為引用半徑（m）。

3 礦井概況

以某礦山作為研究對(duì)象，該礦區(qū)地勢(shì)總體北西高、南東低，最高海拔標(biāo)高2190m；最低點(diǎn)海拔標(biāo)高1763m，相對(duì)高差427m，一般海拔1800m～2000m，屬中低山地貌。

3.1 礦區(qū)補(bǔ)徑排條件

該礦區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)北西高、南東低的特征，礦體呈陡傾斜脈狀產(chǎn)出，走向320°～345°，傾向北東，傾角70°～90°。礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源于大氣降水。補(bǔ)給方式主要通過礦區(qū)內(nèi)大面積分布的巖溶裂隙、漏斗、落水洞、洼地及地表露天采場(chǎng)形成的洼陷等通道滲入或灌入地下補(bǔ)給地下水。在地下經(jīng)最短距離的徑流后，大部分地下徑流在不同含水性的地層界面、含水層受強(qiáng)烈切割處、低洼河（溝）谷地帶、采礦坑道等排泄于地表，補(bǔ)給地表水，又經(jīng)地表水體排泄，最終注入北盤江。綜合現(xiàn)場(chǎng)水文情況的調(diào)查，該區(qū)屬于地下水的補(bǔ)給區(qū)域，且碳酸鹽巖廣分布，地下巖溶發(fā)育。

3.2 含水層特征和富水性評(píng)價(jià)

礦區(qū)出露地層由老到新有石炭系下統(tǒng)上司組（C1sh）、上至下統(tǒng)擺佐組（C1-2b）、石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h）、第四系（Q），地表為丘峰洼地與峰叢谷地為特征的巖溶地貌，其中發(fā)育暗河、溶斗、溶洞等巖溶微地貌形態(tài)。各巖層含水性分述如下[3]：

石炭系下統(tǒng)上司組（C1sh）：為灰色中厚層灰?guī)r，夾薄層泥灰?guī)r，中下部見白云巖，上部含燧石條帶和結(jié)核、硅質(zhì)條帶等，厚100m。礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)泉水點(diǎn)，富水性強(qiáng)。

上至下統(tǒng)擺佐組（C1-2b）：上部為深灰色厚層狀石灰?guī)r，沿層面有燧石條帶和團(tuán)塊產(chǎn)出，頂部常見4m～6m 厚條帶狀灰?guī)r，中部為中厚層至厚層狀灰?guī)r，層間常夾大量燧石條帶，并見生物碎屑灰?guī)r和同生角礫狀灰?guī)r，下部為底部含泥質(zhì)較重，本層有部分白云巖為鐵礦主要含礦層。厚約200m。礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)泉水點(diǎn)，富水性強(qiáng)。

石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h）：上部為厚層致密灰?guī)r及白云巖，含大量硅質(zhì)結(jié)核、燧石結(jié)核或條帶，并有一層數(shù)米至十余米厚的生物碎屑灰?guī)r，中部為中厚層灰?guī)r及白云巖，含少量硅質(zhì)結(jié)核，下部為中厚層灰?guī)r，底部有10m～20m 厚的燧石條帶灰?guī)r，本層為主要的含鐵礦層，厚200m。富水性強(qiáng)，為含水層。

第四系（Q）：淺黃色、褐黃色粘土，含礫亞粘土、厚0m～7m。主要分布在溝谷褐巖溶洼地內(nèi)。為孔隙水，富水性弱，透水性強(qiáng)。

4 礦井涌水量計(jì)算和預(yù)測(cè)

根據(jù)對(duì)該礦山實(shí)際情況、巖性、地表水體、分水嶺等分布情況進(jìn)行調(diào)查和分析，該礦床的地下水徑流、排泄區(qū)為一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元，在該礦井內(nèi)的含水介質(zhì)具有以下的特征：主要充水含水層含水介質(zhì)主要為溶蝕裂隙和小規(guī)模溶洞溶孔的組合，巖溶發(fā)育對(duì)該礦井的含水介質(zhì)產(chǎn)生了非常大的影響，且整個(gè)巖層中的含水性呈現(xiàn)出不規(guī)律的分布特征[4]。

在該礦井涌水量計(jì)算中，使用了大井法，為保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，往往需將整個(gè)礦井巷道系統(tǒng)作為圓形大井，且將該含水層作為一單一潛的含水層，在該計(jì)算中暫不考慮地表水的影響，假定存在S=H 的前提件，那么，根據(jù)計(jì)算公式：

在上式中，存在：

其中，公式中的各個(gè)參數(shù)與上述一樣，F(xiàn) 代表的是第一開采水平面積。

在涌水量的計(jì)算過程中，為保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，重點(diǎn)是要進(jìn)行公式中每個(gè)參數(shù)的選取。首先，在滲透系數(shù)選取上，通過對(duì)礦山的水文孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)，取抽水試驗(yàn)中含水層滲透系數(shù)的平均值；在充水層潛水水位高度H 的取值方面，取的是抽水鉆孔實(shí)測(cè)充水層靜止水位高度的平均值。大井半徑r0取值時(shí)，利用第一開采水平面積，根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算。影響半徑R 取值時(shí)，需依據(jù)特定的計(jì)算公式來獲得，因?yàn)橐阎畬訚B透系數(shù)K，依據(jù)庫(kù)薩金公式，得出R 取值。引用影響半徑在影響半徑和大井半徑已知的情況下，可以獲得最終取值。根據(jù)這些取值結(jié)果，最終可以求取礦區(qū)涌水量。

5 存在的問題及解決措施

大井法在礦井涌水量的計(jì)算過程中，創(chuàng)造的是一個(gè)相對(duì)理想化的模型，當(dāng)?shù)V井地下水為均質(zhì)的含水層時(shí)，這一計(jì)算方法所獲得的計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，但很多礦井的條件特殊，并不一定都是均質(zhì)的含水層，有很多的礦井為非均質(zhì)裂隙含水帶，當(dāng)在計(jì)算中將這些礦井作為均質(zhì)含水層處理時(shí)，所計(jì)算的礦井涌水量與實(shí)際存在一定的偏差。

該礦區(qū)，經(jīng)過實(shí)際求算，涌水量有上萬(wàn)方，而實(shí)際礦山自行疏干排水記錄只有幾百方，存在了很大的差距。原因查找有：隨著開采逐年進(jìn)行，從露天到坑采，礦區(qū)內(nèi)的滲流場(chǎng)已經(jīng)改變，地下水位降深也不斷加大，而本次計(jì)算采用的抽水鉆孔數(shù)據(jù)，仍為原五六十年代鉆孔數(shù)據(jù)，滲透系數(shù)、鉆孔水位等均于現(xiàn)在不符合，因此，該礦區(qū)如果要使用大井法求算涌水量，還需要通過現(xiàn)在的水文鉆孔資料來求取。

由于該礦山連年開采，地下水位下降急劇，區(qū)內(nèi)地下水主要來源于大氣降水，各段礦體高程高于當(dāng)?shù)嘏判够鶞?zhǔn)面，位于包氣帶中，礦井水量只有垂直交換，無水平方向上交換。礦坑涌水量的構(gòu)成僅有礦體平面投影范圍內(nèi)大氣降水通過上覆巖石裂隙向礦井入滲，因此，可采用水均衡方程來計(jì)算。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來，隨著各個(gè)礦井生產(chǎn)規(guī)模的日漸擴(kuò)大，涌水量計(jì)算和預(yù)測(cè)已然成為了很多礦井工作的重點(diǎn)，只有做好了礦井涌水量的精準(zhǔn)計(jì)算，才能為礦山的開采、發(fā)展提供一個(gè)安全環(huán)境，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。