基于水文地質(zhì)概念模型的金銅礦區(qū)涌水量預(yù)測方法研究

賁世連，張 永，張 偉，郁苗苗

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000)

安徽省廬江縣黃屯硫鐵礦床位于黃屯河下游，水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，為一大型礦山。礦區(qū)西部金銅礦體[1]是新增資源，前期的勘探地質(zhì)及生產(chǎn)地質(zhì)只認(rèn)識了資源量的問題，對開采技術(shù)條件工作研究較少。因此，查明西部金銅礦體開采技術(shù)條件，并進(jìn)一步查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件[2]，為礦山開采防治水提供準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)至關(guān)重要。

1 礦區(qū)邊界條件

本礦區(qū)在F1斷層西部存在自然隔水邊界，與F1斷層共同作用具有良好的隔水作用、東部發(fā)育有F2斷層、南部發(fā)育有F3斷層，根據(jù)以往對這些斷層帶的水文地質(zhì)勘探水文地質(zhì)試驗(yàn)對這些斷層的水文地質(zhì)性質(zhì)分析如下：

1.1 西部邊界

F1斷層：位于礦區(qū)西部，為黃屯硫鐵礦床內(nèi)一條規(guī)模較大的斷層，具有多期性，為逆斷層，具壓扭性。鉆孔揭露時(shí)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，富水性強(qiáng)并具承壓性。以往資料揭示該斷層具有縱向?qū)?，橫向水的特點(diǎn)，但是在該斷層的中段由于受到北東向和北西向破碎帶的切割，阻水性被破壞，構(gòu)造帶局部透水。

自然隔水邊界：距金銅礦體西邊界約300 m。據(jù)群孔抽水試驗(yàn)資料，抽水90 d后，抽水主孔水位降低近120 m，西帷幕外圍觀10孔降至83 m，而BG06孔和觀11孔水位無變化；最新礦區(qū)內(nèi)觀測孔水位-263.87 m，而區(qū)外孔水位+2.70 m，也進(jìn)一步證明西部自然隔水邊界的隔水性。

1.2 東部邊界F2斷層

位于本礦床東側(cè)的岳山礦區(qū)，為一左行平移斷層[3]，該斷層見多期活動性質(zhì)。斷裂帶中的F2-1的阻水作用稍差，而F2-2有較好的隔水效果，阻隔東部岳山鉛鋅礦與黃屯硫鐵礦的水力聯(lián)系。

1.3 南部邊界F3斷層

位于本礦床南部，為張性正斷層。根據(jù)資料分析表明該斷層具有較強(qiáng)的富水和導(dǎo)水性能，對礦區(qū)南部來水未起到阻水作用。故本礦區(qū)南部可視為無限邊界。

1.4 北部邊界

北部以BK6、BK7一線為邊界，無明顯的構(gòu)造跡象，該邊界在天然條件下，為本區(qū)地下水向北部天河運(yùn)移的排泄邊界，但是在礦區(qū)抽排水條件下則構(gòu)成本礦區(qū)的補(bǔ)給邊界，北部含水層及天河地表水可以通過該邊界進(jìn)入礦區(qū)，構(gòu)成礦坑涌水的一部分。

1.5 上邊界

本區(qū)地表均有穩(wěn)定的第四系粘土組成，其透水性差，為相對隔水層，阻隔了地表水與下伏地下水的水力聯(lián)系，故上邊界可以處理為零流量邊界。

1.6 下邊界

根據(jù)資料下邊界底板為碎屑巖、碳酸鹽巖類巖溶—裂隙水含水巖組，富水性較弱，按弱含水層處理。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型及計(jì)算方法

2.1 礦區(qū)地質(zhì)概念模型的建立

根據(jù)資料分析，得出本區(qū)平面近似梯形，東西兩側(cè)以隔水邊界為主、南北兩側(cè)為導(dǎo)水邊界，垂向5層結(jié)構(gòu)(3個(gè)弱透水層-相對隔水層夾2個(gè)承壓-微承壓孔隙-裂隙含水層)，內(nèi)部由5條相互交叉的強(qiáng)導(dǎo)水破碎帶所組成的高度非均質(zhì)非穩(wěn)定的地下水流模型。

這種復(fù)雜的水文地質(zhì)模型從嚴(yán)格意義上來講無法用解析法進(jìn)行求解。但由于礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的長期觀測孔數(shù)量較少，目前僅有K221可以觀測目的層地下水水位，礦區(qū)外圍觀測孔也只有觀12及BK01孔，且觀測不連續(xù)不系統(tǒng)，無法采用數(shù)值法進(jìn)行礦坑涌水量計(jì)算。礦井在帷幕注漿工程施工后，在采掘過程中對礦井涌水量進(jìn)行了連續(xù)系統(tǒng)的觀測，其涌水量的值較直觀也較真實(shí)，且上部硫鐵礦體及西部金銅礦體主要圍巖均為侏羅系上統(tǒng)龍門院組粗安巖，也是礦區(qū)主要含水層，故本次主要采用比擬法進(jìn)行礦坑涌水量的預(yù)測，同時(shí)輔以近似等效的均質(zhì)等厚帶狀含水層模型運(yùn)用解析法進(jìn)行求參和礦坑涌水量預(yù)測與比擬法進(jìn)行對比。

2.2 比擬法參數(shù)確定及涌水量計(jì)算

2.2.1 采用公式

(1)

式中：Q0為礦井實(shí)測涌水量(m3/h)；Q為預(yù)計(jì)水平涌水量(m3/h)；S為水位降低值(m)；

2.2.2 參數(shù)選擇

黃屯硫鐵礦目前-290 m水平大部分已打開，礦井對涌水量進(jìn)行了連續(xù)系統(tǒng)觀測。前期涌水量較大，后期由于帷幕注漿工程施工，封堵了大部分導(dǎo)水通道；再者由于井上下聯(lián)合排水疏放后，礦井主要含水層水位下降明顯，下部巖石構(gòu)造破碎的發(fā)育程度及巖石的富水性都相對較弱，所以礦井涌水量呈逐年減小趨勢。近年來涌水量觀測值見表1，礦井涌水量歷時(shí)曲線圖見圖1。

圖1 礦井2019-2020年涌水量水位變化示意圖

表1 礦井涌水量統(tǒng)計(jì)表 m3/h

本次涌水量預(yù)測，Q0選取2020年豐水期平均涌水量688.8 m3/h(16 531.2 m3/d)，降深采用開采水平及礦井目的含水層水位與靜止水位的差值，靜止水位采用目前礦井外圍的三個(gè)觀測孔及附近馬鞭山礦井水位的平均值(0.00 m)，計(jì)算得到S1=340.00 m，S2=460.00 m，S0=233.81 m(區(qū)內(nèi)K221長觀孔水位)。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

最終計(jì)算可知，-340 m中段正常涌水量為1 001.5 m3/h(24 036.4 m3/d)；-460 m中段正常涌水量為1 354.9 m3/h(32 517.6 m3/d)。

2020年雨季水量為60 a一遇的大洪水，黃屯河水位超過歷史最高水位，本礦區(qū)主要補(bǔ)給水源來自于大氣降水，據(jù)礦井涌水量觀測數(shù)據(jù)分析，雨季涌水量比平時(shí)多出近100 m3/h，本次礦井涌水量預(yù)測的最大涌水量為正常涌水量和雨季增加的涌水量之和，即：-340 m中段最大涌水量為1 101.5 m3/h(26 436.4 m3/d)；-460 m中段最大涌水量為1 454.9 m3/h(34 917.6 m3/d)。

2.3 解析法參數(shù)及涌水量計(jì)算

2.3.1 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

運(yùn)用解析法進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測，將壓水試驗(yàn)與觀測孔水位資料進(jìn)行整理分析，求取水文地質(zhì)參數(shù)。

1)壓水試驗(yàn)[4]

HK100、HK605孔壓水試驗(yàn)?zāi)康膶油杆蕿?.748 Lu、3.021 Lu，滲透系數(shù)0.012 m/d、0.043 m/d。壓水試驗(yàn)求得的滲透系數(shù)偏小，得出：F1斷層由于破碎帶較大，且出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，起到一定的隔水作用；西部金銅礦體由于隱爆角礫巖的成礦作用，充填了巖體的部分裂隙，使得巖體的導(dǎo)水性變?nèi)酢Ｓ捎趬核囼?yàn)方法對參數(shù)計(jì)算的誤差相對較大，加上設(shè)備能力限制及工序等均可造成滲透系數(shù)計(jì)算值偏小，固其值僅供參考。

2)井下突水[5]

2020年1月8日、8月19日，-290 m巷道18、22線迎頭出水，對出水水量及K221、K142觀測孔水位資料進(jìn)行整理分析，觀測孔的擬合曲線如圖2、圖3所示，計(jì)算參數(shù)具體見表2。

表2 解析法求參成果表

圖2 K221孔、K142孔s～lgt直線圖解法擬合曲線

圖3 K221孔、 K142孔lgs～lgt對比擬合曲線

由表2可見本區(qū)裂隙-孔洞含水層的導(dǎo)水性能較強(qiáng)，與以往資料相比較偏小，原因是下部含水層裂隙及破碎帶發(fā)育程度較上部相對較弱。

2.3.2 解析法參數(shù)選取及涌水量預(yù)測

本次解析法以水文地質(zhì)勘探成果為基礎(chǔ)，根據(jù)井下突水所獲得的成果資料，對礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測水平為-340 m及-460 m。

1)模型概化及計(jì)算原理

根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，礦區(qū)東部的F2-2斷層為直線隔水邊界，西部根據(jù)長觀孔資料顯示，存在一個(gè)自然隔水邊界，加上F1斷層影響，總體為隔水邊界。此種復(fù)雜的邊界條件，實(shí)際上無解析解，為了便于解析計(jì)算，根據(jù)水量等效的原理對西部邊界的位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，概化為相互平行的兩條隔水邊界，并保證兩條隔水邊界之間的距離(2 d)等于實(shí)際模型中南北兩條透水邊界長度之和的1/2。 經(jīng)此概化后本礦區(qū)解析解模型的邊界條件見圖4。

圖4 大井法涌水量計(jì)算的水文地質(zhì)平面示意圖

(2)

(3)

(4)

引用影響半徑估算公式：R0=R+r0

(5)

式中：Q為預(yù)測礦井涌水量(m3/h)；K為滲透系數(shù)(m/d)；H為含水層厚度(m)；d為大井距隔水邊界的距離(m)；S為水位降低值(m)；R0為礦坑引用影響半徑(m)；r0為礦坑引用半徑(m)；R為影響半徑(m)；F為多邊形礦坑的面積(m2)。

2)計(jì)算參數(shù)的選擇

(1)含水層厚度(H)：采用計(jì)算水平標(biāo)高與靜止水位標(biāo)高的差值。

(2)滲透系數(shù)(K)：采用本次井下突水資料所計(jì)算的導(dǎo)水系數(shù)平均值，采用公式計(jì)算出K=0.527 m/d。

(3)多邊形礦坑面積(F)：根據(jù)礦井巷道實(shí)際開拓范圍的面積，其值約為0.64 km2。

3)礦坑涌水量預(yù)測

根據(jù)公式以及參數(shù)計(jì)算得出本區(qū)-340 m中段礦井涌水量為23 541.9 m3/d，-460 m中段礦井涌水量為32 239.3 m3/d。

3 結(jié)語

(1)確定本礦區(qū)是一個(gè)由5層結(jié)構(gòu)(3個(gè)隔水-弱透水層與2個(gè)含水層組成的)非均質(zhì)非穩(wěn)定流動系統(tǒng)，該系統(tǒng)是區(qū)域黃屯地下水系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)內(nèi)部侏羅系火山巖孔隙裂隙含水層的滲透性和富水性總體較好，是礦坑涌水的直接充水巖層[7]。

(2)本次采用水文地質(zhì)解析法和比擬法分別對礦區(qū)礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果基本相近。本礦井自2016年以來，連續(xù)對礦井涌水量進(jìn)行觀測，真實(shí)可靠，且-340 m、-460 m中段的地質(zhì)、水文地質(zhì)、開采條件與目前實(shí)際涌水量觀測所對應(yīng)的充水巖層及補(bǔ)給條件基本相同。綜合各方面條件對比，從安全因素考慮，建議采用比擬法預(yù)測的礦井涌水量作為礦井防排水系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)計(jì)的依據(jù)。即：-340 m中段正常涌水量為1 001.5 m3/h(24 036.4 m3/d)，最大涌水量為1 101.5 m3/h(26 436.4 m3/d)；-460 m中段正常涌水量為1 354.9 m3/h(32 517.6 m3/d)，最大涌水量為1 454.9 m3/h(34 917.6 m3/d)。

(3)本礦區(qū)特大暴雨條件下的最大礦坑涌水量與正常礦坑涌水量大約增加1 800 m3/d，其主要原因是本礦區(qū)地表有較好的粘性土覆蓋層，阻止了暴雨的直接入滲補(bǔ)給，暴雨導(dǎo)致的礦坑涌水量增大仍然主要來源于南部低山丘陵區(qū)降水入滲增大后導(dǎo)致的南部邊界側(cè)向補(bǔ)給量的增大；少部分由礦區(qū)西北邊界侏羅系龍門院組火山巖裸露區(qū)降水入滲直接補(bǔ)給；同時(shí)也存在礦區(qū)內(nèi)少量封閉不良鉆孔直接導(dǎo)水的可能。

(4)本礦區(qū)防治水的關(guān)鍵是在現(xiàn)有注漿帷幕及隔水邊界的條件下對相應(yīng)的開采水平進(jìn)行疏干排水。為此應(yīng)采取相應(yīng)的勘測方法查明西部及西南部隔水邊界的具體位置，隨著礦井開采水平不斷延深，區(qū)內(nèi)與外圍的水位高差不斷增大，需進(jìn)一步論證其隔水邊界的可靠性。同時(shí)對區(qū)內(nèi)封閉不良鉆孔進(jìn)一步排查，發(fā)現(xiàn)后及時(shí)封堵。