利用“镜像法原理”估算矿坑涌水量

龚志勇

(湖北非金属地质公司,湖北 武汉 430030)

利用“镜像法原理”估算矿坑涌水量

龚志勇

(湖北非金属地质公司,湖北 武汉 430030)

矿坑涌水量预测是矿床水文地质调查的核心任务,也是一项复杂工作。“镜像法原理”利用虚井把有界含水层的解和无界含水层的解联系起来,后者有现成的解析解,从而使有界含水层的求解就比较容易了。该方法在阳新县银山铅锌矿深部详查中的应用,证明是可行和实用的。

矿坑涌水量;镜像法;隔水边界;铅锌矿

镜像法原理(也叫映像法原理)是指把边界当作一面“镜子”来影射实际存在的井(实井),在镜内(即在边界的另一侧)对称位置上成像的一虚构井(虚井),将虚井代替边界的作用(图1)。于是就将有界含水层的井流计算问题简化成为无界含水层中干扰井群的计算问题。本方法的应用以湖北省阳新县银山矿区铅锌矿深部详查[1]为例进行叙述。

1 矿区自然地理概况

银山矿区铅锌矿位于湖北省阳新县兴国镇。矿区地处江南低山丘陵盆地地貌单元,矿区地形为中间高四周低,形似孤山,最高标高314.42 m,最低点标高44.24 m。矿区及四周构成较为完整的水文地质单元,地形有利于地表水、地下水向四周排泄。当地侵蚀基准面标高为44.24 m(位于矿区北东下董村南部)。

2 矿区含、隔水层划分

2.1 寒武系中、上统(∈2-3)溶蚀裂隙含水层

主体分布于矿区7-9线之间,其岩性为中—厚层状含泥质白云岩,厚度不详。

2.2 志留系中统坟头组(S2fn)相对隔水层

深部钻孔常见为主矿体的底板,岩性为薄层状页岩、粉砂岩夹薄层细砂岩,受断层影响,岩石破碎。出露最大厚度195 m。泉流量0.053～0.78 L/s。

2.3 石炭系中统黄龙组(C2hn)溶蚀裂隙含水层

上部为灰岩段,下部为白云岩段,白云岩段厚25～40 m,灰岩段厚约70 m。钻孔揭露,黄龙组在浅部大都被断层切割成角砾岩,被矿液充填交代成为矿体,或为矿体的顶、底板;在深部则保留较好,不见工业矿体。

图1 直线隔水边界镜像原理图

Fig.1 Diagram of the mirror principle of the line confining boundary

2.4 二叠系(P)灰岩溶蚀裂隙含水层

(1) 二叠系下统栖霞组,按岩性组合可分为梁山段和灰岩段。

梁山段(P1l),以灰白色石英砂岩为主,局部夹粉砂岩及劣质煤,此层均已石英化,受断层影响,岩石极破碎。地表出露厚约0～28 m。

灰岩段(P1q),按岩性分为3层:

第一层(P1q1),中厚层状炭质灰岩,局部为薄层泥质、炭质灰岩,分布少量燧石结核,抽水试验,钻孔单位涌水量为0.062 2 L/s·m,富水性弱。厚约35～40 m;

第二层(P1q2),中厚层状,局部为薄层状燧石结核灰岩,厚约40～50 m;

第三层(P1q3),厚层状含燧石结核生物碎屑灰岩,燧石分布无规律。厚20～30 m。

(2) 二叠系下统茅口组,可分为四层:

第一层(P1m1),含泥燧石条带灰岩,薄—中厚层状,厚约40 m;

第二层(P1m2),厚层状含燧石结核生物碎屑灰岩,燧石结核含量较少,厚约54 m;

第三层(P1m3),厚层状燧石结核灰岩,燧石结核含量极多,厚约40 m左右;

第四层(P1m4),厚层状灰岩,含少量燧石结核,厚约30～50 m。

(3) 二叠系上统龙潭组(P2l):下部为薄层硅质岩夹泥质、炭质页岩、细砂岩,上部为中厚层状燧石结核灰岩,厚10～50 m。

2.5 三叠系(T)相对隔水层

仅出露下统大冶组(T1d)下部地层,岩性为页岩、钙质页岩夹薄层泥质灰岩。厚度不详。

3 矿床充水因素

3.1 大气降水

大气降水为区内地下水的总补给源。其补给大小,主要决定于地形和岩性,并受地质构造和隔水边界的制约。区域内碳酸盐类地层分布较广,裸露地表,岩溶发育,降水可直接通过溶洞、溶蚀性裂隙以及溶斗、落水洞补给基岩地下水。

3.2 溶蚀裂隙水

矿区内地下水类型为溶蚀裂隙水,主要赋存在二叠系下统栖霞组(P1q)和茅口组(P1m)灰岩中。裂隙发育程度大体决定了水力联系强度,但基本上构成了一个统一的裂隙含水体,可对矿体形成直接充水。矿体开挖后形成矿坑,矿坑的疏干排水活动将导致裂隙水的径流运移和裂隙水水位变化,最终向矿坑汇集。因此溶蚀裂隙水是矿坑充水的重要来源之一。

3.3 地表水

董姓湾水库:位于矿区西北边缘11线附近,为当地最大的地表水体,堤坝顶标高94.8 m,最大坝高21.7 m,承雨面积2.61 km2,最大库容量351万m3,丰水期水位92.07 m,枯水期76 m。在本次工作期间,水库水位较低,水深只有3～5 m。水库坐落在冲沟洪积亚粘土之上,下伏基岩由南到北有二叠系上、下统灰岩及银山断裂F0与F1之间出露的志留系砂页岩,以及寒武系中、上统块状结晶白云岩。天然条件下汇集降水和周围基岩地下水,由于西部有F0、F1、 F18、F5、F20五条断层延伸到库区,因此,库水可作为西区地下水补给源向矿床充水。

4 矿坑涌水量估算

4.1 水文地质边界及水文地质数学模型

由于本次深部详查工作阶段的工业铅锌矿体大部分均埋藏于当地侵蚀基准面以下,根据矿区水文地质特点,未来矿坑水主要为顶板直接充水,由志留系砂岩和火成岩组成,构成岩溶裂隙含水层的东部隔水边界。另外,又因矿区一带矿床主要充水层岩溶发育程度一般,地下水类型主要属岩溶裂隙潜水,虽不排除其含、富水性存在局部不均一的情况,但为简化计算,故在按地下水动力学法对未来矿坑涌水量计算中,仍采用均质、层流运动的数学模型予以计算,具体见图2、图3。

图2 +57 m中段水文地质概化模型示意图

Fig.2 Schematic view of hydro-geological conceptual model in the +57 m level

1.地层代号;2.隔水边界;3.矿体。

图3 矿区水文地质概化模型剖面示意图

Fig.3 Mining sectional schematic diagram of the hydro-geologicalconceptual model

1.栖霞组第二层;2.栖霞组第一层;3.梁山段;4.黄龙组破碎带;5.志留系中统坟头组;6.地质界线;7.断层及编号;8.抽水前水位线;9.抽水后水位线;10.抽水孔及编号;11.巷道;12.含水层;13.相对隔水层。

4.2 计算方法和参数的来源

本矿区在深部详查过程中,对SK1(ZK51)孔的含水层进行了混合段抽水试验,上述钻孔的抽水试验成果,为采用地下水动力学法估算矿坑涌水量提供了资料依据。

在本矿区,有已施工的主井和风井组成坑道系统的排水资料可作为比拟依据。该坑道为斜井结合平巷开拓系统,目前坑道最低开拓标高已达+57 m。该坑道系统揭露地层包括P1q1、P1l、Br(破碎带角砾岩)、S2fn等。坑道水主要来源于顶板直接或间接进水。目前,矿坑水汇集于+57 m中段三个水仓中,然后用水泵抽到+72 m中段,自然排出地表。矿床地下水类型亦属于岩溶裂隙潜水。目前+57 m标高巷道开拓范围为7 690 m2,具有一定的可比性,故在本矿区深部矿坑涌水量预测中,亦以已有+57 m中段坑道系统排水量的观测资料为依据,采用水文地质比拟法对下一开拓标高的矿坑涌水量进行估算预测。现按上述两种计算方法分别叙述如下。

4.2.1 地下水动力学法

(1) 计算依据及计算公式的确定。为较全面地反映本矿区矿床主要含水层的含、富水性,在涌水量预测中,对主要水文地质参数之一的渗透系数值亦以矿区内已有抽水试验成果资料来确定。

对进入矿坑的水量(Q)预测概化为潜水完整井和东边边界为隔水边界的模型,根据“镜像法原理”,矿坑开采系统的涌水量计算式[2]为:

(2) 计算参数及其统计计算方法。

① 含水层的渗透系数K:据本矿区SK1(ZK51)钻孔抽水试验确定,K=0.139 4 m/d。

② 潜水含水层厚度H:据矿区含水层厚度的平均值确定,H=110 m。

④ 坑道降到0 m中段时水位降深S:据各勘探孔的静止水位标高的平均值为130 m,则S=130-0=130 m。

⑥ 涌水量预测计算范围矿坑排水系统含水层的引用影响半径R0:

R0=r0+R=48+1 018=1 066 m。

⑦ 抽水井至东边隔水边界的距离a:取平均值得a=42.00 m。

4.2.2 水文地质比拟法

(1) 计算依据及计算公式的确定。以本矿区+57 m标高坑道开采系统目前排水资料为依据,现阶段坑道开拓范围面积7 690 m2。目前坑道系统实测最大总涌水量为850 m3/d,正常值为625 m3/d,最大值与正常值之比为1.36。该坑道开采主要对象与深部开采的主要对象是同一矿体,因而具有较大的可比性。

对本矿区深部采用水文地质比拟法估算矿体资源量分布范围矿坑开采系统涌水量(Q),计算公式[3]为:

(2) 计算参数及来源。

① 比拟依据的+57 m标高坑道系统总涌水量Q0:据2012年1月—2014年5月间矿山坑道的抽(排)矿坑水资料统计,最大值为850 m3/d,正常值为625 m3/d。

② +57 m标高坑道系统目前已开拓范围面积F0:据坑道开拓系统平面图,用电脑圈定为7 690 m2。

③ 设计坑道0 m标高涌水量估算范围面积F:与地下水动力学法计算的F取值相同,即为7 315 m2。

④ +57 m标高坑道水位降深S0:各勘探孔的静止水位标高的平均值为130 m,则S0=130-56.61=73.39 m。

⑤ 设计坑道0 m标高时的水位降深S:S=130 m。

4.2.3 矿坑涌水量预测计算结果及简评

如前所述,分别采用地下水动力学法和水文地质比拟法分别对矿体0 m标高资源量分布范围矿坑开采系统涌水量予以估算,计算结果见表1。

表1 矿坑涌水量估算结果表

通过对比上述两种方法计算结果,不难看出,其计算结果相差不大,估算结果基本可靠。

5 使用过程中应注意的问题

(1) 概化模型时,属于哪一类边界(补给边界和隔水边界),要根据具体的水文地质条件来确定。

(2) 公式适用范围:仅适用于2a

(3) 套用公式时,需注意对式中的抽水井半径rw换算成矿坑系统引用半径r0,影响半径R换算成引用影响半径R0。

(4) 边界线往往是不规则的,为了便于计算,一般将其简化为直线。

6 结论

“镜像法原理”在“阳新县银山矿区铅锌矿深部详查”中的应用证明,只要对矿区的水文地质数学模型概化清楚,区分潜水和承压水,边界条件的概化明确,就可以将有界含水层的井流计算问题简化成为无界含水层中干扰井群的计算问题,最终为矿区矿坑涌水量预测起到“事半功倍”的效果。

[1] 易承生,龚志勇.湖北省阳新县银山矿区深部详查报告[R].武汉:湖北非金属地质公司,2015.

[2] 薛禹群,朱学愚,吴吉春,等.地下水动力学[M].北京:地质出版社,1997.

[3] 房佩贤,卫中鼎,廖资生,等.专门水文地质学[M].北京:地质出版社,1996.

(责任编辑：于继红)

Estimation of Pit Water Inflow Using Mirror Method Principle

GONG Zhiyong

(HubeiNonmetallicGeologicalCompany,Wuhan,Hubei430030)

Prediction of pit water inflow is the core task of hydrogeology survey,which is a complex work.Mirror method principle makes use of the imaginary wells to connect the solutions of bounded aquifer and the solution of an unbounded aquifer.The latter has an existing analytical solution,thereby solving bounded aquifers easier.Application of the method in the deep detailed investigation report of Yangxin county Yinshan lead-zinc deposit is proved to be feasible and practical.

pit water inflow; mirror method; impervious boundary; lead-zinc deposit

2016-05-11;改回日期:2016-07-15

龚志勇(1985-),男,工程师,水文与水资源专业,从事水文地质、工程地质、环境地质勘查与评价工作。E-mail:592250221@qq.com

P641.4+1

A

1671-1211(2017)01-0056-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.009

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1410.018.html 数字出版日期:2016-12-08 14:10