滇西某铅锌矿床矿坑涌水量预测与分析

赵雪琼，程先锋，李广涛，王明伟，齐武福

(云南国土资源职业学院，云南 昆明 650217)

滇西某铅锌矿床矿坑涌水量预测与分析

赵雪琼，程先锋，李广涛，王明伟，齐武福

(云南国土资源职业学院，云南 昆明 650217)

滇西某铅锌矿是近年来新发现的隐伏大型矿床，矿区水文地质条件复杂，涌水量预测的准确与否将直接影响矿山的安全生产。本文在对矿区水文地质条件系统分析的基础上，建立了矿区水文地质概念模型，通过矿区边界条件概化和水文地质参数确定，采用数值法模拟预测了矿坑的涌水量。同时，为保证模拟结果的可靠性，采用“大井”法进行了矿坑涌水量计算，并将两种方法预测结果进行了对比分析，给出了较合理的矿坑涌水量。

矿区水文地质;矿坑涌水量;数值模拟;大井法

滇西某铅锌矿是近年来新发现的隐伏大型矿床，主矿体埋藏较深，几乎全部处于当地最低侵蚀基准面之下，属岩溶充水矿床，矿床水文地质条件复杂。针对该矿区实际情况，合理计算矿坑涌水量可为矿山设计部门提供科学依据，以便于准确地进行矿坑排水方案和措施的设计。本论文在矿区水文地质项目研究基础上，开展了矿区水文地质野外调研及资料分析总结工作，采用数值模拟和“大井法”分别进行了矿坑涌水量预测，并依据计算结果提出了未来矿山开采过程中，预防矿坑涌水保证安全生产的建议。

1 矿区地质、水文地质概况

滇西某铅锌矿位于云南高原的西部边缘，区域上属施甸－保山近南北向对冲式构造带的中心部位。矿区总体构造为一北东向展布的破向斜，区内断裂构造发育，主要有北东向、近南北向和北西向等三组断裂，断裂性质复杂，纵横交错，将矿区切割成断块状，形成“井”字形构造格局，见图1所示。赋矿层位为石炭系下统香山组(C1x)，外围出露地层有泥盆系中统何元寨组(D2hy)、大寨门组(D3d)、卧牛寺组(C3w)和三叠系河湾街组(Th)，第四系(Q)松散层主要分布在山间盆地和山地平缓处。矿体主要产于北东向F16、F17断层破碎带中，严格受破碎带及香山组(C1x)泥质灰岩、炭质灰岩控制。

矿区主要含水层是香山组(C1x)，分布全矿区，岩性为泥灰岩、灰岩及炭质灰岩夹少量的白云质灰岩。通过钻孔揭露，该岩性由于受F16、F17断裂构造影响，岩体破碎，节理裂隙发育，普遍具张开性。C1x地层中溶孔、溶槽、溶隙、岩溶洼地、漏斗、溶洞等均较为发育，既有利于降雨和地表水的下渗，也为地下水提供了良好的赋存和运移空间。矿床水文地质类型属于岩溶充水矿床中的第一亚类——溶蚀裂隙为主的矿床。

矿区地表水系主要是马桥河，长观流量60－1 500 L/s。泉点主要集中在马桥河沿岸，雨季流量0.22～24.99 L/s。矿体几乎全部处于当地最低侵蚀基准面之下，矿床水文地质条件复杂。

在矿床开采过程中，疏排地下水将形成降落漏斗，从而改变天然地下水流场，东面马桥河河水通过裂隙、溶隙补给地下水，西面F7断裂可能沟通东河渗流至矿坑，北东面三叠系中统岩溶裂隙水可能通过F1断裂涌入矿坑，而矿区C1x碳酸盐岩则直接接受大气降水和农田灌溉水补给，下渗涌入矿坑。可见，矿区水文地质条件复杂，充水岩层富水性强，补给条件好，开采过程中，矿坑涌水量会比较大，开采前有必要对涌水量进行模拟预测。

图1 矿区水文地质图

2 矿坑涌水量的数值模拟

2.1 数学模型建立

水文地质概念模型是数值模拟的基础，本次模拟矿区岩层为香山组(C1x)，它既是容矿层又是充水含水层，其间无连续稳定的隔水层，具有较为统一的水力联系，概化为单一潜水含水系统。C1x岩层岩溶、裂隙发育，具有明显的非均一性，概化为非均质各向异性含水介质，地下水为层流运动的潜水三维流。受裂隙、溶隙和断裂等多途径的沟通，马桥河与矿床的水力联系紧密，开采条件下，马桥河可作为矿区东部和南部的定水头边界。F7断层破碎带强透水性致使东河水可能沿之南流补入矿坑，矿区北部在F7断层东侧C1x碳酸盐岩中形成的RD08大溶洞为这种可能性提供了潜在通道。开采某个中段时，东河补入矿坑的地下水水力坡度和过水断面基本不变，因此，F7断层可处理为矿区西部的定流量边界。F1断层具有良好导水性，在矿区东北使得T2和C1两大碳酸盐岩强含水层发生联系，由于T2含水层富水性好，开采条件下，矿区东北部T2含水层犹如一个巨大的地下水库源源不断地渗流进入矿坑。矿坑到F1断层水力坡度和过水断面也基本不变，同样可处理为矿区东北部的定流量边界。综上所述，矿区地下水流系统可概化为非均质各向异性三维非稳定地下水流系统。

根据上述水文地质概念模型，建立了矿区地下水流数学模型:

式中:Kxx、Kyy、Kzz为含水层在主轴方向上的渗透系数投影(m/d);h为含水层水位(m);W为补给强度(m/d);P为矿区巷道排水量强度 (m/d);μ为含水层给水度;Γ1为定水头边界;Γ2为定流量边界;M、C为常数。

2.2 水文地质参数选取

本项研究中渗透系数初值主要根据室内实验数值，采用渗透张量来解决三维渗透系数，由于不同深度处的渗透系数差别较大，为了能更好地反映现实情况，采用等效渗透系数法(公式1)计算每个分区的渗透系数(表1)。

式中:Mi表示含水层(体)的厚度;Ki表示对应每个含水层(体)的渗透系数;Km为等效渗透系数。

表1 渗透系数取值

矿区的地下水主要赋存于岩体的裂隙中，所以该区的岩溶裂隙率基本上也可表征给水度。利用现场的岩心计算了其裂隙率，其平均值为0.047 2，即为本区的给水度。矿区在天然情况下是一个完整的地下水单元，根据水均衡原理，计算得本区降水入渗系数为0.48。

2.3 数学模型求解

本次模拟采用Visual MODFLOW软件，该软件应用有限差分原理对模型进行求解，在国内外应用比较广泛。采用VMOD进行自动矩形网格剖分，模拟区空间范围X方向1 500 m，Y方向1 800 m，Z方向最大厚度500 m，共剖分为1 618个单元，面积为 142.5 ×104 m2。

对所建立的数学模型进行模拟检验，以2008年4月～2008年6月作为模拟的识别阶段，进行水文地质参数的识别。2008年7月～10月作为模拟验证阶段，进行水文地质参数、边界条件及源汇项验证。在校正过程中，用模型计算地下水水位与实测水位对比拟合，使两者的误差达到允许值。流场拟合结果见图2，拟合结果初步说明了所建立的水文地质概念模型和数学模型是正确的。该模型可以用于工作区巷道涌水量的预报。

图2 模型流场拟合图

2.4 涌水量预测模拟

表2 矿坑涌水量数值模拟结果

3 “大井”法估算矿坑涌水量

为保证模拟结果的可靠性，有必要选用不同方法进行验证，而“大井”法是矿坑涌水量计算中用得最多最广泛的，所以本文选用“大井”法对矿坑涌水量进行计算。

图3 开采状态下模拟流场图

大井法是将形状不规则的开采坑道系统概化为一个理想的“大井”，“大井”抽水时形成一个统一的降落漏斗，而整个开采系统的涌水量相当于此大井的井流量，以此来估算设计坑道系统的矿区涌水量的方法。本矿区地下水含水系统规模大，补给来源充足，矿坑疏干过程中，矿坑涌水量及矿坑周边水位降深呈相对稳定状态，此时以矿坑为中心形成的地下水辐射流场，基本满足稳定井流的条件，采用该法进行涌水量预测基本合理。

根据前述，容矿层C1x可概化为一个具有多类型边界条件的潜水含水层，可近似处理成完整潜水井流运动，其计算公式(2)如下:

本文以矿区1 300 m水平巷道天然情况下开采的矿坑涌水量为例，分别计算多年平均降雨量和最大降雨量情况下的涌水量。

参数确定，渗透系数采用数值模拟中确定的值取算术平均值为2.44 m/d。以范围内钻孔在一般情况下的静止水位算术平均值为正常涌水量的静水位，最大涌水量的静止水位以正常涌水量的静水位加上相应中段范围钻孔长期动态观测资料中的最高静止水位算术平均值与一般静止水位算术平均值之差。正常涌水量的水位降深值用正常静止水位平均值减1 300 m即可得到1 300 m巷道的一般水位降深值。最大涌水量的水位降深值用钻孔最大静止水位减1 300 m，即可得到1 300 m的最大水位降深值。各项参数及计算结果见表3。

4 结果分析与结论

4.1 预测结果分析

将以上两种方法计算的矿坑涌水量预测结果进行对比，具体见表4。从表中可知，两种方法计算结果比较接近，相对误差在5%左右，说明数值模拟的结果是可靠的。

表3 “大井”法计算矿坑涌水量

4.2 结论及建议

本文用两种方法预测矿坑涌水量，比较而言，数值模拟方法具有明显的代表性，该方法能够考虑较多的影响因素，比较充分地反映出矿区含水介质的水动力特征和特定的边界条件，用来解决实际工程中比较复杂的问题。

计算结果表明:数值模拟出1 300 m巷道正常涌水量177 030 m3/d、最大涌水量204 857 m3/d是可靠的，为未来的矿山开采矿坑排水疏干设计和防治水措施的制定都提供了依据。同时建议矿山开采中采取工程措施封堵，对马桥河进行封堵的同时，对矿区西部边界F7断 层于东河附近和东北边界F1断层实施灌浆封堵，以减少矿山开采中矿坑涌水量。

表4 涌水量预测结果对比

［1］沈继芳.矿床水文地质学［M］.北京:中国地质出版社，1992.

［2］刘红云.肥城盆地煤田区第四系地下水数值模拟［J］.地下水，2006，28(4):16 －17.

［3］戴岩柯.水均衡法和数值模拟法在矿坑深部涌水量预测中的比较——以西石门铁矿例［J］.地下水，2010，32(1):24 －26.

［4］唐永诚等.毕家山铅锌多金属矿床矿坑涌水量计算结果与对比［J］.甘肃冶金，2007，29(6):45 －47.

［5］万峥等.矿井疏干涌水量解析法估算［J］.中国农村水利水电，2008，(11):26 －27.

［6］李保珠等.有限单元法在涌水量预测中的应用［J］.矿业工程，2003，1(5)56 －58.

［7］刘国等.合山煤田矿井涌水量的数值模拟探讨［J］.地质与勘探，2007，43(4):98 －102.

P641.5+4

B

1004－1184(2011)06－0015－03

2011－08－15

云南省地矿局科技创新基金项目(2009JJ01)资助

赵雪琼(1985－)，女，云南宣威人，助教，主要从事工作水文地质、环境地质工作。