深部暂停开采矿井采空区积水过程分析

易伟功

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

0 引言

随着深部资源枯竭而矿区暂停开采或者矿井停采闭坑，可能会出现如水体污染、地面塌陷、土地破坏、采空区积水等一系列地质灾害和环境问题，分析深部暂停开采矿井的采空区积水过程，对矿井浅部残留矿体的回收安全具有重要意义[1−2]。国内外学者对煤矿废弃矿井和采空区积水的系统模型和积水过程进行了大量的研究。周建军等[3]通过对废弃矿井的含水介质及其地下水运动规律进行分析，建立了水流运动概念模型，并提出数值模拟方法和技术，为废弃矿井的恢复及灾害治理提供了依据；张壮路等[4-5]通过对唐村煤矿水文地质条件和矿井废弃后地下水动力模式分析, 分析了水位回弹过程中矿井的容水空间及其分布特点, 分析了废弃矿井水位回弹的时空过程和最终动态平衡模式。YOUNGER P.L.等[6]依据废弃矿井中井巷工程和采空区中含水介质和水动力场特征的区别，将矿井含水区域划分为紊流管道区、低渗透性层流区和高渗透性层流区，并建立了3种废弃矿井采空区积水系统模型；BANKS D.等[7−8]引入有效面积的概念，建立了积水体积可变、水头可变的地下水回灌模型，并对观测井中的水位变化进行了成功预测。狮凤山铜矿深部资源暂无开采价值，故决定暂停九中段以下所有开采活动，集中回收九中段以上边角矿体，由于深部排水系统拆除后，地下水会随着回升，本文以狮凤山铜矿为研究背景，在综合考虑国内外研究现状的基础上，根据狮凤山铜矿矿区水文地质条件，分析狮凤山铜矿深部暂停开采后采空区的积水过程。

1 深部暂停开采后采空区积水体积

根据矿山现有采矿和地质资料整理分析，采用回采空间法针对井下主要巷道和采空区的体积计算出积水体积。积水体积（容积）是指积水标高h以下的矿井充水体积的总量。矿井容水空间（介质）由井巷工程、采空区及裂隙带、未采动岩石裂隙系统组成。其中井巷和采空区及裂隙带空间由开采活动形成，是矿井容纳积水的主要空间，本次主要是以采空区容积和开拓巷道的体积之和作为计算的积水体积。

根据资料，狮山矿段1965年水文地质勘探时期测定的地下水位标高为1230m～1228m，但由于矿区几十年对地下水的排泄和居民用水对地下水的消耗等原因，其积水标高在短时间内不会高于绿汁江最低侵蚀面（标高在1205m左右），根据对矿区采空区调查及统计结果，十中段至十八中段的空区体积为1566.9万m3，其中采空区体积为1508.0万m3，巷道体积为58.9万m3，见表1。

根据现场对采空区的调查发现，矿区中大部分采空区已被碎石充填，矿区中采空区的充填率约为90%，碎石充填体的空隙率可按45%计算，经综合计算，采空区容积为采空区体积的50.5%，因此，十中段至十八中段的总积水体积为820.5万m3，其中采空区容积为761.6万m3，巷道积水体积为58.9万m3，见表2。

表1 各中段体积计算统计

表2 各中段积水体积计算统计

2 积水过程分析

2.1 积水恢复过程分析

矿井停止排水后，首先是井下最深部积水，积水会以较快的速度升高，达到一定高度后，在水压差作用下通过不同形式向低标高相邻区段渗透和径流，随着积水高度增加，水力梯度逐渐减小，导水通道增多和渗透面积增大，水位上升的速度越来越慢，最终达到矿区内地下水动态平衡状态。

矿区采空区积水的主要来源是昆阳群绿汁江组含水层的补给量约33000m3/d，以及矿区上部垮落区雨季补给量约928m3/d。将九中段以下排水系统撤离后，地下水会随着上升，在一定时间内会形成一定标高之下的积水静贮量。由于矿床东部和西南部均为隔水边界，且昆阳群绿汁江组凤山段是矿区的唯一含水层，因此，矿井积水在一定标高之下渗透途径主要有：昆阳群绿汁江组凤山段白云岩含水层的自然渗透；采矿作用后矿岩柱松动裂隙带和其他裂隙的渗透；极端条件下软岩溃破引起的渗透。

矿井在积水初期其补给量远大于渗透量，积水速率较快，随着时间的推移，导水通道和渗透的面积也相应的增多，积水速率会越来越小，最终当矿井补给量与渗漏量相当时，矿井积水将会趋于一种动态的平衡。

2.2 积水恢复标高计算

狮凤山矿区主要含水层为潜水含水层，在九中段以下矿井排水设备拆除后，矿区地下水只能通过含水层的自然渗透。随着时间的推移，矿区地下水的最终潜水位与矿区原始潜水位基本持平或者略低于原始潜水位，但由于矿井开采的过程中人为对地下水进行了大量排泄，消耗了大量的地下水，整个地下水流场都发生了很大的变化，在较短时间内地下水很难恢复到原始水位。故本次计算的积水标高是在一定时间周期内的一个相对值，主要是以矿井内渗出和涌入的水量相等时经历的时间值，即基本达到地下水相对动态平衡状态时的相对积水标高值作为积水恢复标高。

本文根据水均衡原理和达西定律计算积水恢复标高，积水恢复过程中拐点标高是指矿井地下水的补给量和排泄量基本相等时，积水高度相对稳定的一个动态平衡，其计算公式如下：

根据资料分析，目前白云岩水源渗漏稳定补给量在33000m3/d，而其他上部垮塌区的补给量约928m3/d，根据地下水运动规律，在较低积水标高时白云岩水源渗透补给量可近似保持不变，但二者之和不大于33928m3/d，为了安全起见取33928m3/d，因此有：

式中，dl为含水层厚度，m；k为含水层渗透系数，m/d；ω(h)为过水断面面积，m2；h为水头差，m。

九中段以下最大的积水面积为99646m2，假设拐点积水高度为H，则根据积分计算可得：

lnH=5.87，则H=354.25m≈354m。

按十八中段最低底板标高为745m计算，则积水恢复过程中拐点标高约为1099m，即基本接近于凤山十一中段（1108m）标高。

2.3 水位恢复时间计算

利用矿山现有资料，统计分析了矿山在开采过程中历史水位的变化情况（见图1）。通过图1可知：矿区地下水位在矿山开采的初期，由于矿坑涌水量较小，其水位保持较平缓的波动并缓慢下降，随着矿山开采深度向下延伸，揭露的导水裂隙增多，加大地下水压，增加相应的井下涌水量，地下水位的下降趋势也明显地增大，随着较长时间疏排矿坑涌水，水位曲线逐渐平缓。

图1 矿区水位历时变化曲线

根据资料统计九中段以下各中段的积水面积（见表3），依据地下水的运动规律和矿区开采过程中的实际情况，在较低标高位置其涌水量基本稳定，随着积水高度增高，渗水面积逐渐增加，其矿坑水位回升上涨的速率也呈现出逐渐减少的规律。利用曲线拟合法确定出积水高度h与时间t的关系，得出：

其相关系数为0.96，积水回升历时变化曲线如图2所示。

图2 积水回升历时变化曲线

深部矿床暂停开采，排水设备全部拆除后，根据图2可计算得出，矿坑地下水回升到拐点标高1099m时需要的时间约为558d；随着时间的推移，矿区地下水位将继续缓慢上涨，上涨至当地侵蚀基准面（标高为1205m），水位恢复需要的时间为1650d。另外，以凤山十八中段最低底板标高（745m）为基础，计算出地下水位恢复至各中段水平所需时间，见表4。

表3 各中段积水面积

表4 恢复至各中段水平时间计算

3 结论

（1）矿井停止排水后矿区中的水动力学特征是一个集层流和紊流为一体的复杂流体。矿床内含水介质空隙具有多级次的特征，地下水在介质中的流动具有时间性较强及阶段性较分明的运动规律。

（2）本次统计计算了十中段至十八中段的积水体积，总积水体积为820.5万m3，其中采空区容积为761.6万m3，巷道积水体积为58.9万m3。

（3）运用水均衡原理和达西定律相结合的稳定流计算方法，计算得出矿坑地下水回升过程中拐点标高约为1099m，基本接近于凤山十一中段（1108m）标高；并计算得出恢复到该标高所需要的时间约为558d；矿坑地下水位恢复到当地侵蚀基准面（1205m）时，所需要的时间约为1650d。根据矿床开采期间地下水位下降的曲线与暂停开采地下水位上升的曲线基本相符的特征，进一步论证计算结果基本符合实际。