上窝石灰岩矿矿坑涌水量预测方法对比分析

李 珊

（广东省地质局第七地质大队，广东惠州516000）

1 概述

上窝石灰岩矿位于广东省龙门县城南部约28km处，资源储量29274.74×104t，开采深度+231.4～-30m，矿山最终采坑面积约2.6011km2，开采深度至+10m时将形成采坑面积约1.27km2，自2009年5月投入生产至今开采深度至+39.0m，已形成采坑面积约0.4km2。矿区地势整体上东西两侧高、中间低，东西两侧有石炭系砂页岩作为隔水边界，其地下水径流方向为由南向北，矿区位于分水岭的一侧，属地下水的径流区[1-2]。

本文以广东省龙门县上窝石灰岩矿矿坑涌水量预测为例，分别采用水文地质比拟法和大井法对上窝石灰岩矿矿坑涌水量进行计算，并对计算结果进行对比分析，最终确定涌水量大小和最佳涌水量计算方法，为矿山后续涌水量预测、准确制定疏干排水设计方案及安全生产提供了依据。

2 矿区水文地质特征

2.1 含水层

矿区地下含水层共3层，分别为第四系松散堆积层、碎屑岩类和碳酸盐岩类基岩含水层，其地下水类型及各含水岩组特征分述如下[1-2]：

（1）第四系松散堆积层：主要分布在矿区中部的岩溶盆地，厚度1.3～3.9m，盆地中部见不连续分布的含粘粒砂砾层，富水性中等，以孔隙潜水为主，接受大气降水入渗补给、地表水渗漏补给以及周边山地基岩裂隙水的侧向补给；盆地边缘多为粘性土或含砂砾粘性土，厚度1～15m，富水性差，属于相对隔水层。

（2）碎屑岩类含水岩组：主要分布在矿区西部的测水组和东部的龙江组地层，多发育于浅部，以裂隙水为主，表层风化裂隙较发育，主要赋存网状裂隙水，下部为脉状裂隙水，呈不连续分布。地下水多以下降泉形式出露于沟谷，据水文调查资料，东部龙江组地层地表出露泉的流量0.336～2.552L/s，平均1.307L/s，属于弱—中等富水性含水层。

（3）碳酸盐岩类含水岩组：主要分布在矿区中部石磴子组灰岩、东部的刘家塘组泥灰岩和白云质灰岩，为裂隙岩溶水。地下水径流模数为6.0～16.0L/（s·km2），大泉流量达28.30L/s，小泉流量小于10L/s，属中等富水含水层。

2.2 隔水层

矿区为一个碳酸盐岩类裂隙岩溶水文单元的一部分，东西两侧均分布有石炭系砂页岩，节理裂隙不发育，隔水作用明显，为矿区主要隔水边界。矿区深部（标高10m以下）发育的石磴子组灰岩和刘家塘组泥灰岩、白云质灰岩，地层相对完整、节理裂隙不发育，溶蚀、溶沟、溶洞也不发育，可视为矿区底部主要隔水层。

2.3 地下水补给、径流、排泄条件

矿区各含水层主要补给来源为大气降雨。现阶段，大气降雨一部分经由地表流入矿坑，另一部分向下入渗至各含水层。由于第四系粘性土层及砂岩地层透水性弱、富水性差，矿区地下水资源主要赋存在岩溶含水带中，其地下水由地势高向地势低方向径流，即在矿区内东西两侧向中间、由南向北径流。排泄方式为矿坑周边向矿坑低洼处排泄，以及矿区地下水流场由南向北往下游排泄。

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2.4 矿区岩溶发育特征

矿区岩溶是下石炭统石磴子组石灰岩，由于地下水的活动，沿节理、构造裂隙渗透的地下水带来的空气中的CO2形成对石灰岩或白云岩有溶解作用的HCO3-离子，在长期大量的溶解作用下，石灰岩或白云岩接触到此种溶液的部位不断溶蚀，逐渐形成溶蚀凹槽、溶蚀沟及溶洞。

随着矿山开采工作的开展，北侧上部覆土剥离后石灰岩呈竹笋状出露，其基岩面起伏较大，为典型的溶蚀凹槽、溶蚀沟现象，表明矿区岩溶多发育于浅表地层。据钻孔资料显示，在72个控矿钻孔中，有25个发现溶洞，占34.7%；72个钻孔总进尺约4518m，揭露溶洞总长度为180m，故平均岩溶率为3.98%；其中单个溶洞最大高度为16.7m，最小高度为0.25m，一般在0.5～3.0m之间。矿区溶洞充填方式有3种，分别为无充填、半充填及全充填，多半以半充填为主；充填物主要是砂砾、岩石碎块及粘性土等。岩溶发育在垂直方向呈串珠状分布，横向上分布不连续，绝大多数溶洞发育于-20～100m范围内，约占95.7%；其中岩溶率最大的标高范围是40～60m，其值为36.92%。矿区垂向线性岩溶发育率统计直方图如图1所示。

3 矿坑涌水量预测

3.1 矿坑充水因素

图1 矿区垂向线性岩溶发育率统计直方图

根据矿区水文地质特征分析，矿坑充水主要补给来源为大气降雨，大气降雨一部分经由地表流入矿坑，另一部分向下入渗至各含水层。矿区东部在距离其边界约50m处设置有排水沟，西部按现有的分水岭汇水条件下，扣除矿坑面积，实际地表径流面积较小，该部分水量很小，可以忽略不计。另一部分向下入渗至各含水层形成的地下水分为3种类型：第一类为第四系松散堆积层孔隙潜水，矿山开采时剥离了盆地中部富水性中等的含粘粒砂砾层，下游由南往北的主要补给被切断，而盆地两侧是主要以粘性土为主的富水性差地段，因此该类水对矿床开采影响不大。第二类碎屑岩类基岩裂隙水主要发育于浅部，同时与未来开采形成的采坑间有厚约150m的刘家塘组泥灰岩、白云质灰岩阻隔，不是采坑直接充水含水层，对矿床开采影响不大。第三类碳酸盐岩类裂隙岩溶水，碳酸盐岩类石灰岩地层的岩溶发育特征决定了矿坑涌水量的大小，为矿坑涌水的主要来源。

3.2 矿坑涌水量预测

通过对矿坑充水因素的分析，确定碳酸盐类（石灰岩）裂隙岩溶水为矿坑主要充水因素，分别采用水文地质比拟法和大井法对上窝石灰岩矿矿坑开采深度至+10m时进行涌水量计算，并对计算结果进行对比分析，确定最佳涌水量预测计算方法。

3.2.1 水文地质比拟法

水文地质比拟法是以相似比拟理论为基础建立起来的，是利用已知的生产矿区的地下水和开采资料预测水文地质条件相似的新勘探矿区涌水量的一种方法。该方法的前提是预测矿区的水文地质条件与已开采矿区相似，但现实中水文地质条件完全相似的2个矿区比较少见，加上开采条件的差异性，故该方法是一种近似的计算方法[6]。一般情况下，水文地质比拟法适用于条件比较简单、充水岩层的透水性比较均一的孔隙或裂隙充水矿床，并且主要表现在对已开采矿区深部水平和外围矿段的涌水量预测，故本次采用此方法进行涌水量预测。

该方法在涌水量预测过程中，需选取某个水文地质指标作为比拟因子进行计算。本次选取富水系数作为比拟因子，富水系数为一定时期内矿坑疏排水量与同期内采坑面积之比，根据矿坑涌水量随采坑面积的增大而增大为基础进行计算。计算公式如下：

式中：Q1——预测矿坑涌水量，m3/d；

KF——富水系数，为一定时期内矿坑疏排水量Q0与同期内采坑面积F0之比，m/d；

F——预测采坑面积，m2。

根据2015年上窝石灰岩矿疏干排水资料统计，现阶段矿坑疏排水量约为960m3/d，采坑面积约0.4×106m2，当矿坑开采深度至+10m时将形成采坑面积约1.27×106m2；将上述参数代入计算公式中得出矿坑预测涌水量Q1=3048m3/d。

3.2.2 大井法

大井法是解析法的一种，通过将矿坑水文地质条件概化成均值、等厚的含水层，再利用裘布依计算公式进行求解预测矿坑涌水量[4]。矿区内地下含水层呈条带状南北向分布，东西两侧砂页岩作为隔水边界，矿坑涌水量预测的范围位于矿区中部岩溶含水层，在空间中可视为岩溶、裂隙发育程度基本一致的均质含水岩体，当矿坑开采深度至+10m以下岩层时，可视为隔水层。故计算公式如下：

式中：Q2——矿坑涌水量，m3/d；

K——渗透系数，m/d；

H——含水层厚度，m；

S——地下水位降深，m；

r——矿坑面积等效半径，r=0.565，m；

F——矿坑面积，m2；

b——矿坑中心至补给边界的距离，m。

根据以往施工的水文孔Y2抽水试验结果显示，渗透系数K=0.3m/d，含水层厚度H=50m，地下水位降深S=57m（地下水位标高为+67m，标高+10m以下视为隔水层），未来矿坑面积F=1.27×106m2；矿坑中心至补给边界的距离在图中量取，b≈532m。将以上参数代入到计算公式中，得出矿坑预测涌水量计算结果Q2=4496.7m3/d。

3.3 矿坑涌水量预测结果对比分析

利用上述2种方法对矿坑涌水量预测结果为：采用水文地质比拟法计算结果Q1=3048m3/d，采用大井法计算结果Q2=4496.7m3/d。通过对矿区水文地质特征及充水因素的分析，矿区含水层充水主要补给来源为大气降雨，根据水平衡原理，从长期来看，矿区涌水量应等于大气降雨量减去蒸发量并扣除该地区地下储水量，故矿坑涌水量应略小于当地平均降雨补给量。

依据矿区所在地广东省龙门县气象观测站资料（1954～2014年），当地年平均降雨量为2156.4mm，年平均蒸发量为1394.3mm，通过计算矿坑面积1.27km2范围内的平均降雨补给量约为5007.55m3/d（入渗系数取值0.5，蒸发系数取值0.6）。该值略大于利用大井法预测矿坑涌水量计算结果4496.70m3/d，数据较吻合，准确性高，表明采用大井法预测上窝石灰岩矿矿坑涌水量更加符合实际情况。

4 结论

矿坑涌水量预测计算方法很多，但要确保矿坑涌水量预测的准确性，关键在于查明矿区水文地质特征及边界条件，查明矿坑充水因素，获得准确的水文地质参数，并选择合适的计算方法。本文通过采用水文地质比拟法和大井法分别对上窝石灰岩矿矿坑进行了涌水量预测，并对2种计算结果与实际情况进行对比，结果表明利用大井法预测上窝石灰岩矿矿坑涌水量更加符合实际情况，当矿坑开采深度至+10m时其涌水量约为4496.70m3/d，这为矿山后续涌水量预测、准确制定疏干排水设计方案及安全生产提供了依据。

参考文献：

[1] 李珊，等.广东省龙门县龙江镇上窝矿区水泥用石灰岩矿水文地质勘查报告[R].广东省地质局第七地质大队,2015.

[2] 薛淑萍.上窝石灰岩矿区水文地质特征的分析[J].西部探矿工程,2017,29(5)：149-150，154.

[3] 李伟铭.塔源二支线矿坑涌水量预测[J].昆明冶金高等专科学校学报,2011,27(3)：26-30.

[4] 傅大庆.大井法及水文地质比拟法在某矿山矿坑涌水量预测中的应用对比[J].西部探矿工程,2016,28(1)：139-141.

[5] 邱文才,刘旭文,钟志芳.中洞石灰岩矿区矿坑涌水量预测方法[J].西部探矿工程,2006(10)：152-153.

[6] 郭昂青.陕西省镇安县东沟金矿生产坑道系统涌水量预测方法对比[J].地质与资源,2012,21(6)：563-565.