雷明信
(中核矿业科技集团有限公司,北京 101149)
矿坑涌水量预测是矿山排水和矿床疏干设计的重要依据。矿坑预测涌水量的大小,不仅影响矿山排水方案的设计,还影响矿山防治水方案的制定,进而影响矿山基建工程的投资规模、矿山生产成本和矿山经济效益。只有对矿坑涌水量做出正确的预测,才能使矿坑水排水设备、矿坑水处理设备配置合理,避免出现设备能力过剩或不足,进而合理确定矿山基建投资。
不同矿区类型、不同充水类型矿床选用的矿坑涌水量计算方法各不相同。进行矿坑涌水量预测时,需首先确定矿床充水类型,然后选择适宜的计算公式进行涌水量计算,提高矿坑涌水量的预测精度[1]。矿井涌水量预测方法很多,在现实工作中,“大井法”因计算方便,应用较普遍[2]。由于矿区水文地质条件一般比较复杂,参数的空间变异性强,致使矿坑涌水量预测模型中的参数具有一定的不确定性,从而影响预测结果的可靠度[3]。矿山水文地质工程地质回访调查表明,地质勘查报告预测的矿坑涌水量和开采的实际涌水量误差较大,有些矿区计算误差高达数十倍,甚至百倍以上[4]。矿坑涌水量是采矿中需要首先查明的问题,矿坑涌水量不仅关系采矿安全,而且影响采矿成本。如何正确地预测矿坑涌水量,是水文地质工作者的一个重要课题[5]。
设计时根据公式计算的涌水量与铀矿山现场实际的涌水量可能有较大的差别,无法反映矿坑涌水量的真实情况。因此,希望通过调查和研究,对矿坑涌水量计算方法进行必要的修正和优化,从而使预测的矿坑涌水量更加符合矿山实际。
硬岩铀矿与煤矿不同,煤矿为沉积形成的矿床,煤层一般为隔水层;而硬岩铀矿的形成一般是受构造控制,通常构造越发育,越容易成矿,同时含矿层也即是含水层。由于硬岩铀矿地段也是构造比较发育的地段,构造发育的不均匀性导致铀矿部位的含水层(带)也呈现相应的不均匀性,在构造发育部位富水性强,涌水量大;而远离构造的部位富水性弱,涌水量小。同一个矿床的不同地段,含水层(带)的渗透系数相差很大。硬岩铀矿山除个别由于构造导水,使得地下水与地表水存在水力联系外,大部分铀矿山的地下水以静储量为主;但在岩溶地区的铀矿山,由于岩溶发育,地下水富水性很强,此时地下水以动储量为主,在生产过程中甚至发生突水而淹井的情况。
目前国内外计算矿坑涌水量的方法大致可分为水文地质比拟法、涌水量曲线方程法、水均衡法、解析法、水文地质数值法。前4种方法适用于水文地质条件比较简单的矿山;后1种方法是20世纪70年代发展起来的,这种方法能逼近矿山水文地质条件和疏干、排水条件,能实现涌水量预测的各项任务。矿坑涌水量预测的准确与否,受很多自然因素和人为因素的影响。影响矿坑涌水量预测准确性的最基本的因素,一是矿区的水文地质条件及研究程度;二是预测矿坑涌水量采用的数学模型。因此,矿床开采设计中矿坑涌水量的计算,必须在充分掌握和深入研究矿区水文地质条件的基础上,结合矿床开采设计,正确选择水文地质计算参数以及与矿床水文地质条件相适应的计算方法。
矿区主要含水层的透水性、富水性、埋藏分布和补给条件,是确定矿坑地下水涌水量大小的决定性因素。含水层类型包括孔隙含水层、裂隙(构造)含水层(带)、岩溶含水层等不同类型。
以孔隙含水层充水为主的矿床,矿床基本位于松散层中,含水层的富水性主要受孔隙发育程度控制,一般富水性较均一,矿坑涌水量主要受降水和地表水补给量的直接控制。这种类型含水层概化水文地质模型和建立的数学模型较符合矿床实际情况,多数情况下,孔隙充水矿床的矿坑涌水量计算能取得基本可靠的结果[6]。
以裂隙含水层充水为主的矿床,含水层的富水性主要受裂隙发育程度的控制,地下水赋存于风化裂隙和构造裂隙或破碎带中。这类含水层,由于富水性很不均一,构造裂隙或破碎带分布条件复杂,勘探工程难以控制,因此,矿坑涌水量预测结果常出现较大误差。
以岩溶含水层充水为主的矿床,含水层的富水性主要受岩性、岩溶的发育程度和补给条件等因素的控制。这类矿床由于含水层的导水性、富水性极不均一,空间赋存和补给条件复杂,矿坑涌水量预测结果同实际情况常有较大的差别,严重时可能产生几倍、几十倍甚至有几百倍的误差,给矿山建设和生产造成严重后果。
补给来源和含水层的边界条件是正确建立矿区水文地质概念模型和计算涌水量数学模型的基本条件,不论采用解析法、数值法还是模拟实验法,都要求调查清楚矿区主要含水层的补给来源和边界条件。在补给来源和边界条件不清楚的情况下进行矿坑涌水量计算,是矿坑涌水量产生较大误差的一个主要原因。
2.3.1 水文地质钻孔布置不确定性的影响
在铀矿地质勘查时,为了利用地下水进行水化学找矿,水文地质钻孔大多沿构造破碎带布置,并顺便在这些钻孔中进行水文地质抽水试验。地质勘查取得的水文地质参数代表性不够,会影响涌水量计算结果的准确性。
2.3.2 专门水文地质孔及钻孔结构的影响
为了查明矿床的水文地质条件,并通过水文地质试验求得水文地质参数,需要布置专门水文地质钻孔,专门水文地质钻孔一般应均匀布置。另外,在构造部位应适当布置专门水文地质钻孔,以使求得的水文地质参数更具有代表性。而在铀矿床的勘查过程中,专门水文地质钻孔布置的很少或根本没有;而且有些孔是为了抽水找矿,仅在构造部位布置,这就使得得到的渗透系数偏大。
由于抽水找矿孔或地质水文孔孔径小,当降深比较大时,容易产生“水跃值”(对小孔径钻孔进行抽水试验时,钻孔内外降深的差值)现象(图1)[7],使孔内的降深不能反映实际降深,因而影响水文地质参数的准确性。
2.3.3 抽水试验对涌水量计算的影响
渗透系数是计算涌水量的重要参数,一般是根据抽水试验资料进行确定。在矿床勘查时,抽水试验的降深均较小(很少超过100 m);而矿床开采时的实际降深可达200~300 m,有的甚至达到400 m。在实际降深很大时,地下水的运动是紊流或混合流;而抽水试验求得的渗透系数是按层流公式计算的,因此,抽水试验时降深越小,计算得到的渗透系数与矿坑开采时的实际值误差越大。
通过12个矿床勘查资料和设计资料的调研,对其中的9个矿床有3次降深的抽水试验资料进行整理,并进行回归分析,水位降深、渗透系数及相关系数平均值统计结果见表1。
表1 渗透系数与降深相关性分析
从表1可看出,在29个钻孔抽水资料中,渗透系数与降深呈负相关关系的有24个,其中20个相关系数大于0.800 0,占69%。这说明在铀矿山中,由于含水层不是标准的层状承压含水层,渗透系数是一个随降深而变化的变数,即渗透系数随降深的增大而减小。渗透系数与降深的变化规律如图2所示。
从图2可看出,在含水层厚度一定的情况下,渗透系数随降深的增大而减小。而在采用解析法(大井法)预测矿坑涌水量的计算公式中,在其他参数都确定的情况下,渗透系数对矿坑涌水量的预测影响很大。因此,正确选用地质勘查报告中的渗透系数是准确预测矿坑涌水量的关键。
另外,对HW矿床、SHN矿床和BMS矿床6个地段小降深(降深小于10 m)对渗透系数的影响程度进行了统计,结果见表2。
表2 小降深对渗透系数影响程度统计
从表2可看出,小降深抽水试验求得的渗透系数对平均渗透系数影响非常大。在8个矿床(地段)渗透系数的统计中,只有2个矿床在去除降深小于10 m的抽水试验数据后,渗透系数减小程度不大于22%;而其他矿床(地段)去除降深小于10 m抽水试验数据后,渗透系数减小程度均大于50%。因此,对于小降深求得的渗透系数在预测矿坑涌水量时应慎重对待。
矿坑涌水量计算方法都是建立在不同程度简化的水文地质模型基础之上,其数学模型的建立都有各自的条件和要求。
2.4.1 比拟法
这种方法要求比拟的矿区水文地质条件相似,而对计算矿区的边界条件没有什么要求,一般只适用于老矿区用上一中段的水量来推求下一中段的水量。
2.4.2 相关分析法和Q-S曲线外推法
要求抽水试验或坑道放水试验的落程尽量多一些(一般不少于3次),以便建立曲线方程或回归方程。另外,要求抽水试验或坑道放水试验的降深尽量大一些,因为Q-S曲线外推法要求外推降深不超过抽水试验或放水试验最大降深的2倍[8]。外推过大,预测结果的可靠性就难以保证。如条件符合,应用相关分析法和Q-S曲线外推法预测矿坑涌水量是比较准确的。
2.4.3 解析法(大井法)
解析法以达西定律为基础,由裘布依导出的地下水平面径向流动力公式进行计算。这种方法描绘了地下水经过长时间运动所达到的一种平衡状态[9]。因此,它适合计算不随时间变化的平衡状态下的稳定流量。而地下水实际运动状态总是不断变化的,因而,稳定流解析法有一定的局限性,只适用于定水头边界条件下的井流计算。
对于矿坑充水来源是以静储量为主、动储量补给明显不足的矿床,不宜采用稳定流解析法来计算矿坑涌水量。在矿床勘查过程中,抽水试验时的降深较小;而矿山开采的实际降深比抽水试验时的降深大几倍甚至几十倍,即使在抽水试验过程已到稳定流状态,但在实际生产时地下水运动也是非稳定流状态。因而采用稳定流计算公式预测的矿坑涌水量与实际涌水量存在一定的误差。
另外,解析法是以对自然界水文地质条件进行极大的简化为基础推导出来的涌水量计算公式,由于矿山实际含水层富水性极不均一、埋藏、补给和边界条件复杂,当理想化的矿区水文地质模型与自然界实际水文地质条件差别过大时,常常不能得到合理的结果。
2.4.4 数值法
数值法是目前矿坑涌水量计算比较好的一种方法,它能反映复杂矿区水文地质条件下含水层平面上和垂直方向上的非均质性、多个含水层的越流补给问题、“天窗”和河流的渗漏问题,以及复杂边界条件等各种因素的影响。这种方法要求有大量的基础资料[10],它在数学上虽然属于近似解,但其矿坑涌水量的计算结果却比解析法所得结果更接近实际。
矿区水文地质参数若无代表性,则失去了矿坑涌水量预测的基础。矿床开采设计阶段,进行水文地质参数的选择也存在代表性问题,如对非均质的基岩含水层厚度和含水层渗透系数就有选择问题。若代表性不够,则必然造成矿坑涌水量计算结果出现很大的误差。
基岩含水层(包括岩溶含水层和裂隙含水层)厚度是根据岩层的透水性和富水性的强弱,通过对大量的物探、钻探资料和钻孔简易水文地质观测的统计资料以及所进行的分层专门水文地质试验等资料综合研究确定的。但在实际工作中,对厚层的可溶岩和裂隙基岩,往往把同一岩性的岩体当成一个统一的含水层,这给矿坑涌水量预测带来不少问题。由于岩性和构造的变化,以及岩溶和裂隙发育程度的差异,许多厚层的可溶岩和裂隙岩层,实际上有的地方是含水层(带),有的地方是隔水层(段)。对其进行详细的水文地质分层非常重要,如果把整个厚的岩层都按一个整体含水层计算,必然造成脱离实际的后果;而且计算深度越大所带来的误差越大。
岩溶含水带和基岩裂隙含水层的渗透性,不论在水平方向上还是在垂直方向上,其不均一性都普遍存在。在勘查阶段选择对含水层有代表性的地段进行抽水试验,以期取得有代表性的含水层渗透系数。
在矿山开采初期,坑道边缘轮廓不断变化,疏干漏斗外边界不断向外扩展,矿坑涌水量以消耗含水层的静储量为主,并随着开拓面积的扩大成比例增长,该阶段疏干流场主要受矿山开拓工程发展所控制,为非稳定流。在矿山开采后期,矿山开拓工程已基本结束,坑道轮廓基本固定,此阶段疏干流场主要受流场外的补给条件控制。在补给条件不充分的矿区,由于疏干时消耗的是含水层的静储量,流场外边界不断向外扩展,直到到达供(隔)水边界为止,矿坑涌水量逐渐变大(小),流场特征仍然为非稳定流。但是,在矿坑水补给量充足的矿区,即具有定水头补给的矿区,流场外边界由于坑道轮廓的固定而迅速稳定,此时矿坑涌水量与定水头供水边界的补给量平衡,流场特征除受气候的季节变化影响外,出现相对的稳定流。只有在这种条件下,对矿坑涌水量才能以稳定流理论为基础进行预测。
对硬岩铀矿山来说,除受地表水体补给或构造的影响,使地表水与地下水水力联系密切的矿床外,其他矿床由于地下水补给量不足,地下水流场呈现非稳定流状态,采用非稳定流方法预测比较合适;但由于勘查资料的限制,只能采用稳定流方法对该类矿床进行预测,因此造成涌水量预测的误差。
矿山关停之前,通过对正在生产的广东、江西、浙江、河北、陕西和辽宁等的12个矿床矿坑涌水量进行调研,矿坑实际涌水量与设计涌水量调查结果见表3。
按照矿山排水设备配置,要求单台水泵20 h须排掉24 h的设计矿坑涌水量,也就是说,单台排水设备的排水能力一般是设计矿坑涌水量的1.2倍(即120%)。因此,当设计涌水量与实际涌水量接近时,不会浪费排水设备的能力。所以,按200%误差来分析设计涌水量与实际涌水量的误差较为合理。
表3 生产矿山设计涌水量与实际涌水量误差
从表3可看出,调研大部分矿床的设计涌水量大于矿坑实际涌水量的120%以上,其中QL铀矿矿坑实际涌水量比设计涌水量小900%,是所有调研矿山中涌水量误差最大的一个。
通过查阅生产矿山设计涌水量与实际涌水量误差较大的7个矿床的勘察资料,分析得出误差原因,见表4。可以看出,在铀矿山勘查时,主要是为了找矿,对水文地质工作重视不够,大部分抽水试验在地质找矿孔、地质水文孔中进行,没有布置专门水文地质孔(QL矿床仅布置了1个专门水文地质孔)。地质找矿孔、地质水文孔由于孔径小,抽水时易产生“水跃值”,影响了参数的准确性和代表性。另外,大部分抽水试验时降深较小,只有个别降深超过100 m;而矿山开采时,实际降深已达300~400 m,MHK矿床实际水位降深已达885 m(-150 m中段),因而求得的渗透系数与矿床开采实际有较大的误差。其次,有些矿山(如XS、MHK坑)勘查时,有钻孔、坑道水文地质观测资料,可以采用解析法和比拟法对矿坑涌水量进行预测,进而对2种方法预测的结果进行比较;但在矿山设计时,对这些资料研究不够,导致矿坑涌水量预测结果偏大。
表4 矿床设计涌水量比实际涌水量偏大的原因
ZSX矿床580 m中段的面积比设计面积小14倍。ZJS矿床原设计最低中段为-10 m;而调研时矿床的最低中段已达-170 m。另外,矿床生产时长期排水,使得矿床范围内的部分地下水静储量被疏干;而预测的矿坑涌水量大部分是地下水的静储量,地下水的动储量由于抽水试验时间短、降深小而无法预测。
在进行矿床勘查时,水文地质工作通常受到一定的局限。有些矿床在勘查时,布置的专门水文地质孔很少或者根本没有布置专门的水文地质孔;有些矿床水文地质钻孔布置的不均匀;有些矿床由于涌水量小而没有合适的抽水设备,采用提筒抽水;有些矿床虽然涌水量大,但受抽水设备的限制,抽水试验时降深较小(降深小于10 m)。这些主客观因素导致所取得的水文地质参数的代表性、准确性不够,进而影响了涌水量预测的准确性。
在计算矿坑涌水量之前,必须先查清矿区水文地质条件和矿坑充水因素;然后再结合矿床开采方法,选择合适的计算方法和公式。这是矿坑涌水量预测可靠性的基本保证。一般应从以下几个方面对勘查资料进行深入分析。
5.1.1 深入分析矿床特征
深入分析矿床的水文地质条件和矿床充水因素,分析矿床地表水文网是否发育,以及断裂构造的性质。如果是正断层且开启性好,则断层的导水性好,若与地表水有联系,那么构造充水对矿坑充水影响就大;如果是逆断层,一般对矿坑充水影响较小。
5.1.2 考虑抽水设备的影响
抽水试验时,如果采用机械抽水且降深较小,那么矿坑涌水量一般较大;如果采用提筒抽水且降深很大,那么矿坑涌水量一般较小。
5.1.3 分析抽水试验资料
因水位降深对渗透系数影响较大,所以要分析抽水试验的降深与涌水量的关系。如果降深较小而涌水量较大,说明地下水的补给量充足,求得的渗透系数可以采用;如果降深大而涌水量小,说明地下水的补给源不足,求得的渗透系数也可以采用;如果降深小而涌水量也小,当进行渗透系数统计时,应将降深较小(例如小于10 m)所求得的渗透系数舍去。
5.1.4 分析水位恢复时间
如果水位降深大,水位恢复时间短,那么可以判断地下水的补给源充足,从直观上可以判断矿坑涌水量大;如果水位恢复时间很长(如QL矿床水位恢复时间最长达1年以上),说明地下水补给源不足,抽水时主要消耗的是地下水的静储量,那么矿坑涌水量就不会很大。
在预测矿坑涌水量时,应根据矿床的水文地质条件和矿床勘查手段等选择合适的涌水量计算方法。如果矿床位于一狭长地带中,矿床两侧为隔水岩体,宜选用水平廊道法;如果矿床在勘查时,对矿床范围内的地下水流入及流出项有充分的资料,可用地下水均衡法预测矿坑涌水量;如果抽水试验时试段多(大于3次以上),水位降深值差距大,可采用相关外推法预测矿坑涌水量;如果矿床勘查时既有坑探资料又有钻探水文地质资料,应采用2种以上的方法进行涌水量预测;如果矿床水文地质条件复杂,矿床涌水量大,宜建立矿床三维地下水流模型,采用数值法预测矿坑涌水量。
5.3.1 解析法公式的选择
在选择解析法计算矿坑涌水量时,有潜水、承压水和承压水转无压水3个公式。但从采矿过程中的水文地质条件来看,只能选用潜水、承压水转无压水公式,一般不选用承压水公式进行计算。这是因为在天然状态下,地下水是呈承压状态的;但在矿床开采过程中,矿坑及采场的水位已降至开采中段底板,矿坑及其周围地下水已转化成无压状态,而远离矿坑部位地下水仍然处于承压状态。因此,选用承压水转无压水公式是合适的。
5.3.2 比拟法公式的选择
在选择比拟法公式时,要根据矿床勘探时坑道的实际情况,尽可能选择勘探时水位降深大、坑道控制或揭露面积大、水文地质资料全的数据作为计算的基础数据。进行计算之前,根据选定的参数对勘探时的实际涌水量进行验证,当计算的涌水量与实际涌水量接近时,再进行矿坑涌水量预测。
5.3.3 按矿体平面分布选择计算公式
在预测涌水量时,当矿床集中分布在某一区域时,该区域应按解析法(大井法)进行计算;当矿体沿某一方向呈线性分布时,该段应按水平巷道法进行计算(图3)。
当抽水钻孔位于导水构造附近且采用机械设备进行抽水试验时,通常其钻孔涌水量较大且降深较小,此种情况下求得的渗透系数必然偏大。这类导水构造对矿床开采影响较大,若不进行防治水处理,在计算矿坑涌水量时,该钻孔的水文地质资料应参与统计计算;若采取防治水措施,该渗透系数一般不应参与统计计算。当抽水试验采用提筒抽水,涌水量也不大,降深又小于10 m时,该参透系数不应参与统计计算。
如果勘查时的抽水试验是分段进行,且每个试段含水层均进行了隔离;那么在进行渗透系数统计时,应根据抽水试验的分段标高分别统计。在计算涌水量时,应按渗透系数统计结果进行计算。
由于矿床水文地质条件的复杂性、水文地质工作和勘查手段的局限性,每种预测方法都不可能真正反映矿床地下水运动的实际情况。因此,宜采用多种方法预测矿坑涌水量,并比较和分析各方法预测结果的合理性。当各种方法预测结果相差不大时,取各种方法预测结果的平均值作为最终设计涌水量;当各种方法预测结果相差较大时,应从矿床水文地质条件的研究程度、裂隙的发育程度及导水性、预测方法及计算结果的合理性、水文地质参数的准确性等方面进行分析,选择最合理的结果作为预测涌水量的最终结果。
香草矿床断裂构造非常发育,主要断裂构造有F22、F19、F14、F25、F26等,这些断裂构造含有构造裂隙水,构造裂隙水是矿床的主要地下水类型。F22是矿床的主要含水、含矿构造带,F19、F14、F25、F26断裂构造含水带与F22断裂构造含水带相交。
在矿床勘查资料中,既有钻孔资料,又有多层坑道观测资料。在涌水量预测时,既可以采用解析法(大井法),又可以采用比拟法。矿床在勘查时共进行了19个钻孔24个试段的抽水试验,水位降深在2.88~71.73 m,矿床含水层(带)平均厚度26.15 m,平均水位标高984.44 m。在24个抽水试验数据中,去除4个降深小于10 m的数据后,通过含水层厚度的加权平均,平均渗透系数为0.049 3 m/d,最大渗透系数取编号42-12钻孔3次降深的平均值(0.144 m/d)。
KD2202及KD1坑道的资料见表5,其揭露面积大,水位降深大。因各中段的平均开采面积为75 615 m2;而KD1揭露面积仅为4 013 m2,与各中段的开采面积相差太大,预测的涌水量与实际涌水量误差也将较大。KD2202坑道的揭露面积大,水位降深也相对较大(184.44 m),因此,选用KD2202坑道的矿坑各中段涌水量作为预测基础。
表5 满足计算涌水量的坑道资料
利用解析法的承压水转无压水公式及比拟法公式计算矿坑涌水量。承压水转无压水公式为[11]
(1)
(2)
(3)
R=R0+r0;
(4)
比拟法公式为
(5)
式中:Q—计算的矿坑涌水量,m3/h;K—渗透系数,m/d;H—水柱高度,m,在数值上等于设计水位降深;M—含水层厚度,m;R—引用影响半径,m;r0—大井引用半径,m;R0—影响半径,m;Q1—坑道观测涌水量,m3/h;S—设计水位降深,m;S1—勘查时坑道水位降深,m;F—中段设计开拓面积,m2;F1—勘查时坑道实际揭露面积,m2。计算结果见表6。
从表6可看出,在800 m中段,设计的开拓面积是勘查时坑道揭露面积的5倍多,采用承压水转无压水公式计算的矿坑平均涌水量为59 m3/h,小于该坑道长期观测的平均涌水量76 m3/h;而最大涌水量仅比坑道最大涌水量大69 m3/h,显然不合理。因此,取比拟法公式计算的涌水量作为设计矿坑涌水量。
表6 矿坑涌水量计算结果
1)在计算矿坑涌水量之前,要深入研究矿床水文地质条件、抽水试验情况、抽水试验孔分布情况,结合矿床水文地质条件对抽水试验取得的水文地质数据的合理性进行分析,舍去不合理的数据。
2)选用比拟法计算时,应选用勘探时水位降深大、揭露或控制面积大、水文地质数据观测全的坑道作为比拟的基础。对于水文地质条件复杂矿床的涌水量计算,应建立矿床水文地质模型,采用数值法计算矿床涌水量。当矿床地下水为承压水时,宜选择承压水转无压水公式计算矿坑涌水量。选择计算公式时,应根据矿体的平面形状来确定,当矿体分布比较集中时,采用解析法公式;当矿体呈线状分布时,应选用水平巷道法计算。