帷幕注漿條件下礦井涌水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)

韓竹東，樂(lè) 應(yīng)，汪 杰

（中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 武漢 430000）

近年來(lái)，為了有效保護(hù)環(huán)境水資源，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的安全開(kāi)采，許多水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶大水礦山通過(guò)采用地面帷幕注漿的手段對(duì)地下水患進(jìn)行防治，以達(dá)到減少礦井涌水量和保障采礦安全的目的。

注漿帷幕形成后，對(duì)幕外充水含水層中地下水進(jìn)入礦坑起到了較好的截流作用，可以認(rèn)為在一定程度上改變了礦床地下水的逕流條件，但同時(shí)也應(yīng)考慮到帷幕墻并非是完全隔水，仍然具有一定的滲透性，不能視為完整的隔水邊界，礦山開(kāi)采時(shí)礦坑仍然會(huì)出水。因此在礦山帷幕形成后，有必要對(duì)礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

1 工程背景

鯉泥湖銅鐵礦床屬水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶充水礦床，礦區(qū)位于大冶湖盆區(qū)，湖區(qū)常年洪水水位標(biāo)高17.31m，歷年最高洪水位標(biāo)高23.31m。本礦床礦體產(chǎn)狀陡傾斜，礦體傾角60°～80°，礦體下盤巖體為花崗閃長(zhǎng)巖隔水體，礦坑的東、北、西三面均為三疊系大理巖巖溶裂隙含水層，水文地質(zhì)邊界條件復(fù)雜。礦體分布在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，礦坑主要充水圍巖為裂隙溶洞含水層，平均底板標(biāo)高-118m，其巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，根據(jù)礦區(qū)詳查補(bǔ)充水文地質(zhì)報(bào)告，-205m中段正常礦坑涌水量達(dá)20497m3/d，在湖水下滲條件下的礦坑涌水量可達(dá)25995m3/d。為解決礦山開(kāi)采面臨的水患問(wèn)題，礦山實(shí)施了地面帷幕防治水工程。

帷幕注漿設(shè)計(jì)范圍為鯉泥湖礦Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)礦體，采用單排等距離布孔，注漿孔間距8m，帷幕軸線全長(zhǎng)1016m，帷幕軸線東西端點(diǎn)均落在花崗閃長(zhǎng)巖隔水巖體上，帷幕軸線與花崗閃長(zhǎng)巖隔水體共同形成封閉式帷幕，共布置128個(gè)鉆孔，鉆探總進(jìn)尺43405m。帷幕幕體設(shè)計(jì)透水率為5Lu以下。

2 礦井涌水量預(yù)測(cè)

由于注漿帷幕形成后，幕墻的截水效果較為顯著，可以認(rèn)為在一定程度上改變了礦床的水文地質(zhì)邊界條件，若采用大井法進(jìn)行估算與實(shí)際情況不大相符。本次擬采用地下水動(dòng)力學(xué)法和比擬法對(duì)-245m水平中段和-285m水平中段涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1 地下水動(dòng)力學(xué)法

本次采用地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)時(shí)，將進(jìn)入礦坑的地下水分解為側(cè)向進(jìn)水（通過(guò)帷幕墻滲入）Q1、底板進(jìn)水（帷幕墻未封底處滲入）Q2和地表水入滲（汛期湖水及地表水滲入）Q3三個(gè)部分，計(jì)算模型如圖1、2所示。

圖1 側(cè)向進(jìn)水計(jì)算示意圖

圖2 底板進(jìn)水計(jì)算示意圖

2.1.1 計(jì)算公式

本次地下水動(dòng)力學(xué)法采用達(dá)西定律計(jì)算公式進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測(cè)，其計(jì)算公式如下：

式中：K-注漿后含水層平均滲透系數(shù)（m/d）；i-水力梯度；A-計(jì)算斷面面積（m2）；F-幕內(nèi)含水層底板進(jìn)水面積（m2）；K’-湖積粘土滲透系數(shù)（m/d）；F’-汛期湖水淹沒(méi)影響半徑范圍內(nèi)湖積粘土覆蓋大理巖的面積（m2）；H’-汛期湖水對(duì)湖積粘土底板的水頭高度（m）；L’-湖積粘土平均厚度（m）。

2.1.2 計(jì)算參數(shù)的選擇

（1）注漿后含水層平均滲透系數(shù)K：含水層平均滲透系數(shù)采用帷幕注漿結(jié)束時(shí)主豎井抽水試驗(yàn)成果，綜合平均滲透系數(shù)為K=0.028m/d。

（2）水力梯度i：幕外取離帷幕線較近的觀3孔水位標(biāo)高3.14m，幕內(nèi)最低取至擬估算的中段水平標(biāo)高，滲流長(zhǎng)度取觀3至擬估算的水平中段揭露含水層的平均距離296.19m。

（3）側(cè)向進(jìn)水?dāng)嗝婷娣eA：根據(jù)帷幕軸線地質(zhì)剖面圖測(cè)算擬計(jì)算中段標(biāo)高以上含水層的垂向過(guò)水?dāng)嗝妫?245m中段、-285m中段分別為203255m2、238439m2。

（4）幕內(nèi)含水層底板進(jìn)水面積F：-245m中段、-285m中段分別為61045m2、59082m2。

（5）滲透系數(shù)K′：取中心河河床粘土、一般湖積粘土的滲透系數(shù)與其分布面積的加權(quán)平均值，為0.005877m/d。

（6）湖積粘土覆蓋大理巖的面積F’：汛期湖水淹沒(méi)引用影響半徑范圍內(nèi)湖積粘土覆蓋大理巖的面積取643112m2。

（7）湖積粘土隔水層厚度L′：全礦區(qū)各孔平均厚度為11m。

（8）汛期湖水對(duì)湖積粘土底板的水頭高度H’取16m。

2.1.3 各中段涌水量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式⑴、⑵、⑶及以上計(jì)算參數(shù)得出各中段礦井涌水量，其中正常礦坑涌水量為Q=Q1+Q2，當(dāng)考慮汛期湖水入滲條件下的最大涌水量為Q=Q1+Q2+Q3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地下水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算礦坑涌水量結(jié)果

2.2 坑道面積比擬法

據(jù)已有地勘資料中抽水試驗(yàn)成果表明，礦坑單位涌水量與降深基本成線性關(guān)系，而據(jù)礦山開(kāi)采歷史，礦坑涌水量與坑道開(kāi)采面積的大小也基本成線性相關(guān)。

2.2.1 比擬法計(jì)算涌水量公式如下

式中：q0-單位降深涌水量（m3/d·m）；Si-計(jì)算水平中段水位降深(m)；V0-當(dāng)前工況下-205m水平中段坑道面積(m2)；Vi-未來(lái)坑道(-245m、-285m)水平中段坑道面積(m2)。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)的選擇與確定

（1）單位降深涌水量q0：根據(jù)礦山2012年7月疏干清淤至2012年12月底的排水記錄，-205m中段日平均排水量為4603m3/d，地下水位降深218.44m，平均單位降深涌水量q0=21.07m3/d.m。

（2）-205m水平中段開(kāi)拓系統(tǒng)影響面積V0：當(dāng)前-205m中段開(kāi)拓系統(tǒng)面積為V0=22125m2。

（3）未來(lái)坑道(-245m、-285m)水平中段坑道面積Vi：-245m、-285m中段礦坑坑道面積分別為23103m2、22880m2。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式⑷，采用坑道面積比擬法的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 坑道面積比擬法計(jì)算結(jié)果

3 礦井涌水量預(yù)測(cè)成果評(píng)價(jià)

地下水動(dòng)力法計(jì)算的結(jié)果與坑道面積比擬法計(jì)算結(jié)果比較接近，-245m水平中段相對(duì)誤差為2.57%，-285m水平中段相對(duì)誤差為20.6%。分析認(rèn)為隨著開(kāi)采深度的增加，大理巖巖溶發(fā)育程度逐漸減弱，滲透性亦隨之減弱，若仍以帷幕注漿后抽水試驗(yàn)降深至-193m的平均滲透系數(shù)計(jì)算深部的涌水量，結(jié)果明顯偏大，計(jì)算深度越大誤差也就越大。綜上所述，推薦采用坑道面積比擬法計(jì)算的礦坑涌水量做為礦井排水設(shè)計(jì)的依據(jù)，即-245m中段礦坑正常涌水量為5564 m3/d，湖水下滲條件下的礦坑通水量為11062 m3/d；-285m中段礦坑正常涌水量為6327 m3/d，湖水下滲條件下的礦抗涌水量為11825 m3/d。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)礦山后期開(kāi)拓排水情況看，-245m及-285m中段巷道實(shí)際排水量比預(yù)測(cè)結(jié)果略低，說(shuō)明本礦山帷幕注漿條件下采用比擬法預(yù)測(cè)礦坑涌水量相較地下水動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法更為準(zhǔn)確合理。