趙雪瓊，程先鋒，李廣濤，王明偉，齊武福

(云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650217)

滇西某鉛鋅礦床礦坑涌水量預(yù)測(cè)與分析

趙雪瓊，程先鋒，李廣濤，王明偉，齊武福

(云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650217)

滇西某鉛鋅礦是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的隱伏大型礦床，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，涌水量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確與否將直接影響礦山的安全生產(chǎn)。本文在對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，建立了礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型，通過(guò)礦區(qū)邊界條件概化和水文地質(zhì)參數(shù)確定，采用數(shù)值法模擬預(yù)測(cè)了礦坑的涌水量。同時(shí)，為保證模擬結(jié)果的可靠性，采用“大井”法進(jìn)行了礦坑涌水量計(jì)算，并將兩種方法預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了較合理的礦坑涌水量。

礦區(qū)水文地質(zhì);礦坑涌水量;數(shù)值模擬;大井法

滇西某鉛鋅礦是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的隱伏大型礦床，主礦體埋藏較深，幾乎全部處于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下，屬巖溶充水礦床，礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜。針對(duì)該礦區(qū)實(shí)際情況，合理計(jì)算礦坑涌水量可為礦山設(shè)計(jì)部門(mén)提供科學(xué)依據(jù)，以便于準(zhǔn)確地進(jìn)行礦坑排水方案和措施的設(shè)計(jì)。本論文在礦區(qū)水文地質(zhì)項(xiàng)目研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展了礦區(qū)水文地質(zhì)野外調(diào)研及資料分析總結(jié)工作，采用數(shù)值模擬和“大井法”分別進(jìn)行了礦坑涌水量預(yù)測(cè)，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了未來(lái)礦山開(kāi)采過(guò)程中，預(yù)防礦坑涌水保證安全生產(chǎn)的建議。

1 礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)概況

滇西某鉛鋅礦位于云南高原的西部邊緣，區(qū)域上屬施甸－保山近南北向?qū)_式構(gòu)造帶的中心部位。礦區(qū)總體構(gòu)造為一北東向展布的破向斜，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有北東向、近南北向和北西向等三組斷裂，斷裂性質(zhì)復(fù)雜，縱橫交錯(cuò)，將礦區(qū)切割成斷塊狀，形成“井”字形構(gòu)造格局，見(jiàn)圖1所示。賦礦層位為石炭系下統(tǒng)香山組(C1x)，外圍出露地層有泥盆系中統(tǒng)何元寨組(D2hy)、大寨門(mén)組(D3d)、臥牛寺組(C3w)和三疊系河灣街組(Th)，第四系(Q)松散層主要分布在山間盆地和山地平緩處。礦體主要產(chǎn)于北東向F16、F17斷層破碎帶中，嚴(yán)格受破碎帶及香山組(C1x)泥質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r控制。

礦區(qū)主要含水層是香山組(C1x)，分布全礦區(qū)，巖性為泥灰?guī)r、灰?guī)r及炭質(zhì)灰?guī)r夾少量的白云質(zhì)灰?guī)r。通過(guò)鉆孔揭露，該巖性由于受F16、F17斷裂構(gòu)造影響，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，普遍具張開(kāi)性。C1x地層中溶孔、溶槽、溶隙、巖溶洼地、漏斗、溶洞等均較為發(fā)育，既有利于降雨和地表水的下滲，也為地下水提供了良好的賦存和運(yùn)移空間。礦床水文地質(zhì)類型屬于巖溶充水礦床中的第一亞類——溶蝕裂隙為主的礦床。

礦區(qū)地表水系主要是馬橋河，長(zhǎng)觀流量60－1 500 L/s。泉點(diǎn)主要集中在馬橋河沿岸，雨季流量0.22～24.99 L/s。礦體幾乎全部處于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下，礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

在礦床開(kāi)采過(guò)程中，疏排地下水將形成降落漏斗，從而改變天然地下水流場(chǎng)，東面馬橋河河水通過(guò)裂隙、溶隙補(bǔ)給地下水，西面F7斷裂可能溝通東河滲流至礦坑，北東面三疊系中統(tǒng)巖溶裂隙水可能通過(guò)F1斷裂涌入礦坑，而礦區(qū)C1x碳酸鹽巖則直接接受大氣降水和農(nóng)田灌溉水補(bǔ)給，下滲涌入礦坑?？梢?jiàn)，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，充水巖層富水性強(qiáng)，補(bǔ)給條件好，開(kāi)采過(guò)程中，礦坑涌水量會(huì)比較大，開(kāi)采前有必要對(duì)涌水量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

圖1 礦區(qū)水文地質(zhì)圖

2 礦坑涌水量的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

水文地質(zhì)概念模型是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，本次模擬礦區(qū)巖層為香山組(C1x)，它既是容礦層又是充水含水層，其間無(wú)連續(xù)穩(wěn)定的隔水層，具有較為統(tǒng)一的水力聯(lián)系，概化為單一潛水含水系統(tǒng)。C1x巖層巖溶、裂隙發(fā)育，具有明顯的非均一性，概化為非均質(zhì)各向異性含水介質(zhì)，地下水為層流運(yùn)動(dòng)的潛水三維流。受裂隙、溶隙和斷裂等多途徑的溝通，馬橋河與礦床的水力聯(lián)系緊密，開(kāi)采條件下，馬橋河可作為礦區(qū)東部和南部的定水頭邊界。F7斷層破碎帶強(qiáng)透水性致使東河水可能沿之南流補(bǔ)入礦坑，礦區(qū)北部在F7斷層?xùn)|側(cè)C1x碳酸鹽巖中形成的RD08大溶洞為這種可能性提供了潛在通道。開(kāi)采某個(gè)中段時(shí)，東河補(bǔ)入礦坑的地下水水力坡度和過(guò)水?dāng)嗝婊静蛔儯虼?，F(xiàn)7斷層可處理為礦區(qū)西部的定流量邊界。F1斷層具有良好導(dǎo)水性，在礦區(qū)東北使得T2和C1兩大碳酸鹽巖強(qiáng)含水層發(fā)生聯(lián)系，由于T2含水層富水性好，開(kāi)采條件下，礦區(qū)東北部T2含水層猶如一個(gè)巨大的地下水庫(kù)源源不斷地滲流進(jìn)入礦坑。礦坑到F1斷層水力坡度和過(guò)水?dāng)嗝嬉不静蛔儯瑯涌商幚頌榈V區(qū)東北部的定流量邊界。綜上所述，礦區(qū)地下水流系統(tǒng)可概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，建立了礦區(qū)地下水流數(shù)學(xué)模型:

式中:Kxx、Kyy、Kzz為含水層在主軸方向上的滲透系數(shù)投影(m/d);h為含水層水位(m);W為補(bǔ)給強(qiáng)度(m/d);P為礦區(qū)巷道排水量強(qiáng)度 (m/d);μ為含水層給水度;Γ1為定水頭邊界;Γ2為定流量邊界;M、C為常數(shù)。

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)選取

本項(xiàng)研究中滲透系數(shù)初值主要根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)值，采用滲透張量來(lái)解決三維滲透系數(shù)，由于不同深度處的滲透系數(shù)差別較大，為了能更好地反映現(xiàn)實(shí)情況，采用等效滲透系數(shù)法(公式1)計(jì)算每個(gè)分區(qū)的滲透系數(shù)(表1)。

式中:Mi表示含水層(體)的厚度;Ki表示對(duì)應(yīng)每個(gè)含水層(體)的滲透系數(shù);Km為等效滲透系數(shù)。

表1 滲透系數(shù)取值

礦區(qū)的地下水主要賦存于巖體的裂隙中，所以該區(qū)的巖溶裂隙率基本上也可表征給水度。利用現(xiàn)場(chǎng)的巖心計(jì)算了其裂隙率，其平均值為0.047 2，即為本區(qū)的給水度。礦區(qū)在天然情況下是一個(gè)完整的地下水單元，根據(jù)水均衡原理，計(jì)算得本區(qū)降水入滲系數(shù)為0.48。

2.3 數(shù)學(xué)模型求解

本次模擬采用Visual MODFLOW軟件，該軟件應(yīng)用有限差分原理對(duì)模型進(jìn)行求解，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛。采用VMOD進(jìn)行自動(dòng)矩形網(wǎng)格剖分，模擬區(qū)空間范圍X方向1 500 m，Y方向1 800 m，Z方向最大厚度500 m，共剖分為1 618個(gè)單元，面積為 142.5 ×104 m2。

對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，以2008年4月～2008年6月作為模擬的識(shí)別階段，進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)的識(shí)別。2008年7月～10月作為模擬驗(yàn)證階段，進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件及源匯項(xiàng)驗(yàn)證。在校正過(guò)程中，用模型計(jì)算地下水水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比擬合，使兩者的誤差達(dá)到允許值。流場(chǎng)擬合結(jié)果見(jiàn)圖2，擬合結(jié)果初步說(shuō)明了所建立的水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型是正確的。該模型可以用于工作區(qū)巷道涌水量的預(yù)報(bào)。

圖2 模型流場(chǎng)擬合圖

2.4 涌水量預(yù)測(cè)模擬

表2 礦坑涌水量數(shù)值模擬結(jié)果

3 “大井”法估算礦坑涌水量

為保證模擬結(jié)果的可靠性，有必要選用不同方法進(jìn)行驗(yàn)證，而“大井”法是礦坑涌水量計(jì)算中用得最多最廣泛的，所以本文選用“大井”法對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行計(jì)算。

圖3 開(kāi)采狀態(tài)下模擬流場(chǎng)圖

大井法是將形狀不規(guī)則的開(kāi)采坑道系統(tǒng)概化為一個(gè)理想的“大井”，“大井”抽水時(shí)形成一個(gè)統(tǒng)一的降落漏斗，而整個(gè)開(kāi)采系統(tǒng)的涌水量相當(dāng)于此大井的井流量，以此來(lái)估算設(shè)計(jì)坑道系統(tǒng)的礦區(qū)涌水量的方法。本礦區(qū)地下水含水系統(tǒng)規(guī)模大，補(bǔ)給來(lái)源充足，礦坑疏干過(guò)程中，礦坑涌水量及礦坑周邊水位降深呈相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)以礦坑為中心形成的地下水輻射流場(chǎng)，基本滿足穩(wěn)定井流的條件，采用該法進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)基本合理。

根據(jù)前述，容礦層C1x可概化為一個(gè)具有多類型邊界條件的潛水含水層，可近似處理成完整潛水井流運(yùn)動(dòng)，其計(jì)算公式(2)如下:

本文以礦區(qū)1 300 m水平巷道天然情況下開(kāi)采的礦坑涌水量為例，分別計(jì)算多年平均降雨量和最大降雨量情況下的涌水量。

參數(shù)確定，滲透系數(shù)采用數(shù)值模擬中確定的值取算術(shù)平均值為2.44 m/d。以范圍內(nèi)鉆孔在一般情況下的靜止水位算術(shù)平均值為正常涌水量的靜水位，最大涌水量的靜止水位以正常涌水量的靜水位加上相應(yīng)中段范圍鉆孔長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料中的最高靜止水位算術(shù)平均值與一般靜止水位算術(shù)平均值之差。正常涌水量的水位降深值用正常靜止水位平均值減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鉆孔最大靜止水位減1 300 m，即可得到1 300 m的最大水位降深值。各項(xiàng)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

4 結(jié)果分析與結(jié)論

4.1 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

將以上兩種方法計(jì)算的礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)表4。從表中可知，兩種方法計(jì)算結(jié)果比較接近，相對(duì)誤差在5%左右，說(shuō)明數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

表3 “大井”法計(jì)算礦坑涌水量

4.2 結(jié)論及建議

本文用兩種方法預(yù)測(cè)礦坑涌水量，比較而言，數(shù)值模擬方法具有明顯的代表性，該方法能夠考慮較多的影響因素，比較充分地反映出礦區(qū)含水介質(zhì)的水動(dòng)力特征和特定的邊界條件，用來(lái)解決實(shí)際工程中比較復(fù)雜的問(wèn)題。

計(jì)算結(jié)果表明:數(shù)值模擬出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，為未來(lái)的礦山開(kāi)采礦坑排水疏干設(shè)計(jì)和防治水措施的制定都提供了依據(jù)。同時(shí)建議礦山開(kāi)采中采取工程措施封堵，對(duì)馬橋河進(jìn)行封堵的同時(shí)，對(duì)礦區(qū)西部邊界F7斷 層于東河附近和東北邊界F1斷層實(shí)施灌漿封堵，以減少礦山開(kāi)采中礦坑涌水量。

表4 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

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P641.5+4

B

1004－1184(2011)06－0015－03

2011－08－15

云南省地礦局科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2009JJ01)資助

趙雪瓊(1985－)，女，云南宣威人，助教，主要從事工作水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。