曲偉勛,王旭明,邵明明,陳兵宇

(山東黃金集團(tuán)三山島金礦, 山東萊州市 261442)

水文地質(zhì)觀測(cè)資料在礦坑涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

曲偉勛,王旭明,邵明明,陳兵宇

(山東黃金集團(tuán)三山島金礦, 山東萊州市 261442)

山東黃金集團(tuán)三山島金礦是我國(guó)典型的裂隙充水礦床,礦體離海最近部位僅 100余米,全部埋藏在海平面以下,礦區(qū)構(gòu)造裂隙較為發(fā)育,富含構(gòu)造裂隙水。根據(jù)三山島金礦深部中段的水文地質(zhì)編錄資料以及涌水點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),確定了深部礦坑的充水條件、充水通道,運(yùn)用解析大井法,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定了各項(xiàng)參數(shù)值,對(duì)礦坑深部中段涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè),為礦山深部中段的疏干設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。從而保證了礦工的人身安全及礦山的安全生產(chǎn),為瀕海礦山開采提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

三山島金礦;水文地質(zhì);解析大井法;礦坑涌水量預(yù)測(cè)

礦坑涌水量是礦山制定疏干排水設(shè)計(jì)的主要依據(jù),是評(píng)價(jià)礦坑充水條件復(fù)雜程度的主要標(biāo)志。做好礦坑涌水量的預(yù)測(cè)工作,對(duì)保證礦工的人身安全及礦山的安全生產(chǎn)十分重要。

地下開采一般要求預(yù)測(cè)各開采水平坑道涌水量及全礦最大涌水量,而正確預(yù)測(cè)礦坑涌水量,首先要求正確分析礦坑充水條件,合理選用計(jì)算參數(shù),在詳盡查明礦坑充水因素及獲得可靠計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)礦床開采設(shè)計(jì),選擇相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算[1]。不論選用什么計(jì)算方法,如果充水條件分析不正確或者選用計(jì)算參數(shù)原始數(shù)據(jù)有誤,都無(wú)法保證涌水量的預(yù)測(cè)精度,甚至有可能導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤[2]。本文利用原始水文地質(zhì)觀測(cè)資料,正確分析礦床深部的水文地質(zhì)條件,利用實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)確定了大井法預(yù)測(cè)計(jì)算所需的各項(xiàng)參數(shù),較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了深部中段的正常最大涌水量。

1 礦區(qū)自然地理概況[3]

山東黃金集團(tuán)三山島金礦位于山東省萊州市三山島特別工業(yè)區(qū),該區(qū)為新建的萊州港所在地,南距萊州市 27 km,東距招遠(yuǎn)市區(qū) 45 km。文 (登)-三(山島)公路 (304省道)由礦區(qū)向東 16 km與煙(臺(tái) )-濰 (坊 )公路 (206國(guó)道 )相接,再向東 10 km入剛修建的威 (海)-烏 (海)高速公路;正在建設(shè)的黃 (驊)—煙 (臺(tái))鐵路從礦區(qū)東側(cè) 8 km處通過(guò),交通極為方便。

礦區(qū)位于向萊州灣突出的小半島—三山島,三面環(huán)海,僅南東方向與陸地相連。礦區(qū)地表水體有渤海和王河,礦體北部距海約 100 m,西部距海 400～600 m,南部伸入王河之下,王河屬間歇性河流,礦區(qū)南部為王河入?？?。

2 前人工作概況

礦區(qū)位于區(qū)域水文地質(zhì)單元地下水的徑流排泄區(qū)。礦區(qū)三面瀕臨渤海,僅南東方向與陸地相連。由于其特殊的地理位置,同時(shí)基建時(shí)期多次發(fā)生突水事故,并導(dǎo)致工期延誤,礦山及主管部門高度重視,自 1989年 1月至 2003年底 2次同長(zhǎng)沙礦山研究院合作,開展防治水科研攻關(guān)。第一期科研為國(guó)家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。隨著礦山深部開拓的進(jìn)展,深部水文地質(zhì)條件發(fā)生了一定的變化,隨后礦山防治水項(xiàng)目又被列入 2001年山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。

經(jīng)過(guò) 2次科研攻關(guān),基本查清了礦床的水文地質(zhì)條件。三山島金礦為裂隙充水礦床,除第四系含水層外,礦區(qū)主要的裂隙含水層 (帶)有 F3斷裂含水帶 (Ⅰ)、F1上盤裂隙含水巖體 (Ⅱ)和 F1下盤構(gòu)造裂隙含水帶 (Ⅲ)。礦坑充水水源主要是海水和封存鹵水,進(jìn)水通道為 F3斷裂及其北部的一系列斷裂構(gòu)造,是水文地質(zhì)條件中等復(fù)雜的構(gòu)造裂隙充水礦床[4]。

但是隨著礦山深部開拓中段的揭露,加上礦山四期深部開拓方案的改變,疏干范圍發(fā)生了變化,礦坑涌水量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化,礦區(qū)存在涌、突水,甚至海水潰入的潛在危險(xiǎn)。因此需對(duì)深部礦坑的水文地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查,對(duì)礦坑深部中段的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 深部中段地質(zhì)條件分析

3.1 流量動(dòng)態(tài)分析

坑內(nèi)地下水流量沒(méi)有日、月間的周期性變化,季節(jié)性變化也很小,流量動(dòng)態(tài)類型為開拓階段的人為干擾型和開拓結(jié)束后的自然衰減型。根據(jù)萊州氣象臺(tái)提供的 2007和 2008年降雨量數(shù)據(jù),與礦山同年礦坑總排水量統(tǒng)計(jì)資料兩相對(duì)比 (見圖1),可以看出地表降雨量對(duì)于地下水流量影響很小,這也說(shuō)明了降水對(duì)Ⅰ、Ⅲ含水帶的補(bǔ)給通道不暢,補(bǔ)給量非常有限。

圖1 2007和 2008年降雨量與礦山同年礦坑總排水量對(duì)比

在 -510 m中段平巷掘進(jìn)時(shí)Ⅲ含水帶涌水量約為 70～80 m3/h,通過(guò) -555 m中段 F3斷裂帶的放水疏干,涌水量銳減為 20 m3/h。這一規(guī)律表明,礦坑涌水中有相當(dāng)?shù)撵o儲(chǔ)量,通常上部中段的涌水點(diǎn)都會(huì)隨下部中段的突水而逐漸干枯,只有極少數(shù)流量很小的涌水點(diǎn)能夠長(zhǎng)期存在。根據(jù)對(duì)礦坑總涌水量的動(dòng)態(tài)觀測(cè),總涌水量與地下水位的降深有關(guān),降深越大,總涌水量越大。礦坑總涌水量的動(dòng)態(tài)與各主要涌水點(diǎn)的動(dòng)態(tài)相類似,即基本上不受氣候因素的影響,其動(dòng)態(tài)類型也與礦山所處的時(shí)期有關(guān),可分為回采階段的平穩(wěn)衰減型和基建階段的人為干擾型。

3.2 水質(zhì)動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)水樣化學(xué)分析中的各項(xiàng)指標(biāo)分析,礦化度M與 Cl-、、等離子濃度之間存在顯著的線性正相關(guān),而與 pH值、HCO3-濃度呈線性負(fù)相關(guān)?？觾?nèi)水水質(zhì)變化特征可歸納為以下 2點(diǎn):

(1)剛開拓時(shí),坑內(nèi)出水點(diǎn)以鹵水流量占多數(shù),一般為礦化度大于 30 g/l的鹵水。當(dāng)降落漏斗形成后,漏斗的北西側(cè)水質(zhì)逐漸淡化,接近海水水質(zhì),并基本穩(wěn)定,說(shuō)明北西側(cè)的礦坑充水水源為海水。降落漏斗南東側(cè)最低高程的坑道仍主要排泄礦化度約28 g/l的鹵水,淡化不明顯直至干枯,即南東側(cè)的礦坑充水水源,絕大部分為鹵水;

(2)降落漏斗北西側(cè)的坑內(nèi)鹽水的水質(zhì)不隨季節(jié)變化,南東側(cè)的鹵水水質(zhì)也無(wú)趨勢(shì)性的變化。

3.3 礦坑充水水源和通道

本礦礦坑涌水組成成分主要是海水和封存鹵水,此外還有少量的第四系地下水,通過(guò) -510 m中段和 -555 m中段的取樣分析,水質(zhì)與海水幾乎完全一致,說(shuō)明這些部位的涌水直接來(lái)源于海水 (從出露位置看,這些部位處于地下水疏干漏斗的臨海一側(cè))。由此可見,海水是本礦最主要的充水水源。

根據(jù)原始水文地質(zhì)編錄和構(gòu)造條件分析,礦區(qū)西部和南部的花崗巖體致密完整,是良好的隔水體,礦區(qū)東北部有 F1隔水?dāng)嗔训淖钃?海水難以進(jìn)入下盤巖體,海水進(jìn)入礦坑的通道只能是 F3斷裂破碎帶和其北部的一系列節(jié)理構(gòu)造。通過(guò)編錄統(tǒng)計(jì)并繪制成節(jié)理走向玫瑰花圖 (見圖2～圖5),礦區(qū)內(nèi)的導(dǎo)水節(jié)理主要為NW及近 EW走向的節(jié)理,兩組節(jié)理傾角均大于 75°。NW向節(jié)理走向 300°～330°,是礦區(qū)內(nèi)最發(fā)育的一組導(dǎo)水節(jié)理;近 EW向節(jié)理走向50°～80°。這些節(jié)理無(wú)論縱向上還是橫向上都時(shí)而張開時(shí)而閉合,這就給地下水的存儲(chǔ)和運(yùn)移提供了很好的條件。導(dǎo)水節(jié)理發(fā)育部位,即是地下水富集部位。在礦坑深部裂隙的發(fā)育具有明顯的分帶性,富水帶分為 4個(gè)區(qū),即:F3斷裂以南至 1540線;F3斷裂帶;F3以北、2200線以南及 F2以東;2560線以北及 F2以東。

圖2 -510m中段南巷節(jié)理走向玫瑰花圖

圖3 -510m中段北巷節(jié)理走向玫瑰花圖

根據(jù)物探結(jié)果,渤海岸邊的海砂底部的粘性土隔水層不連續(xù),因此海水可直接通過(guò)海砂滲入基巖裂隙,然后向礦區(qū)徑流。從 F3以北的涌水淡化速度較快可知,海水通過(guò) NW向節(jié)理組進(jìn)入礦坑是較直接和快捷的。海水補(bǔ)給基巖裂隙水的方式應(yīng)該是以垂直滲漏為主,在海水到達(dá)基巖地下水面之前先要經(jīng)過(guò)一段非飽水裂隙巖體。在這種補(bǔ)給方式下,海水的補(bǔ)給量便主要取決于巖層 (體)的透水性,與海水和基巖裂隙水的水頭差關(guān)系不大。正是這一原因,決定了本礦在疏干水位不斷下降的條件下,礦坑內(nèi)海水的排泄量卻沒(méi)有明顯增大。

圖4 -555 m中段南巷節(jié)理走向玫瑰花圖

圖5 -555 m中段北巷節(jié)理走向玫瑰花圖

F3從礦區(qū)中部穿過(guò)后進(jìn)入渤海,使海水沿 F3進(jìn)入礦坑具備了基本的構(gòu)造條件。但由于 F3在淺部或第四系底部隔水層的封閉條件,其導(dǎo)入海水的能力是有限的,這從 F3及其南部的水質(zhì)淡化速度較慢、水溫較高也可以看出。通過(guò)十多年的疏干,上部中段的 F3斷裂帶已基本干枯也證實(shí)了此點(diǎn)。

3.4 地下水水力特征

根據(jù)十多年的長(zhǎng)期觀測(cè)資料,在礦山基建階段,由于有部分地下水儲(chǔ)存量的釋放,礦坑涌水量和地下水位都處于非穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)入回采階段后,便能趨于穩(wěn)定。基建階段的礦坑總涌水量與掘進(jìn)速度、注漿堵水的工程量和效果等因素有關(guān) (亦即與開拓高差內(nèi)地下水儲(chǔ)存量的釋放速度有關(guān)),從觀測(cè)到的涌水量數(shù)據(jù)看,如果對(duì) F3及其北側(cè)的幾條大的斷裂作了有效的預(yù)注漿處理,掘進(jìn)中坑內(nèi)的總涌水量不會(huì)出現(xiàn)災(zāi)害性的增大現(xiàn)象。因此,本次涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算只需 (而且也只能)確定各疏干高程的礦坑穩(wěn)定涌水量。

在天然狀態(tài)下,礦區(qū) F1下盤的基巖裂隙水具有微承壓性質(zhì),但在礦床疏干后,大部分區(qū)域內(nèi)的基巖地下水均處于無(wú)壓狀態(tài),而 F1覆蓋下的深部和降落漏斗的邊緣還具有承壓性質(zhì)。因此需要考慮承壓 -無(wú)壓混合流動(dòng)的情況。

綜上所述,本次涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算采用承壓 -無(wú)壓穩(wěn)定流滲流模型。

4 涌水量預(yù)測(cè)

4.1 計(jì)算公式的選擇

涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算方法有水文地質(zhì)比擬法、涌水量曲線方程法、穩(wěn)定流解析法和數(shù)值法。前 2種方法簡(jiǎn)便易行,但僅適用于水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單的礦床,而數(shù)值法計(jì)算工作量巨大,必須借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行,它對(duì)工程控制的要求較高,僅用于工程控制程度較高的復(fù)雜大水礦床,再加上計(jì)算軟件還是比較昂貴的,經(jīng)濟(jì)條件制約了該方法的應(yīng)用。而解析法適用于任何類型的井巷和坑道系統(tǒng),其方法是根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理,用數(shù)學(xué)分析方法,對(duì)特定模式的地下水運(yùn)動(dòng)建立解析模型,達(dá)到預(yù)測(cè)礦坑涌水量的目的,具有對(duì)井巷類型適應(yīng)能力強(qiáng)、快速、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),是最常用的基本方法[1]。

根據(jù)上述分析決定采用解析法中的“大井”法,本次計(jì)算引用俅布依公式中承壓 -潛水完整井的涌水量計(jì)算公式[5]:

式中:Q——礦坑涌水量,m3/d;

K——滲透系數(shù) ,m/d;

M——含水層厚度,m;

綜上，黃鐵礦與鉛鋅礦的極化率接近，變化范圍交叉，算數(shù)平均值低于鉛鋅礦，但黃鐵礦亦是近礦產(chǎn)物，對(duì)尋找鉛鋅礦有指示作用；鉛鋅礦石和強(qiáng)黃鐵礦化巖石具有明顯的低阻高極化特征，具備開展激電工作的物性前提。

H—水頭高度,m;

Ro——引用影響半徑,m;

r0—引用半徑,m。

4.2 模型計(jì)算參數(shù)的確定

(1)大井引用半徑 r0的確定,因?yàn)殚_采系統(tǒng)在地面的垂直投影為矩形,a、b為矩形的長(zhǎng)、短邊的邊長(zhǎng),在水文地質(zhì)平面圖中分別量取各中段 a、b的值,所以采用公式:

計(jì)算得出:-510 m中段 r0=179.05 m;-555 m中段 r0=136.025 m;-600 m中段 r0=87.225 m。

在預(yù)測(cè) -645 m和 -690 m中段涌水量時(shí),由于深部礦體形態(tài)規(guī)模和采準(zhǔn)設(shè)計(jì)與 -510 m中段變化不大,所以計(jì)算時(shí)采用 -510 m中段 r0=179.05 m。

(3)含水層厚度M為從中間隔水帶底界至底板無(wú)水巖體頂界的垂直距離,按剖面及中段統(tǒng)計(jì)的平均真厚度,取為M=45 m。

(4)水頭高度 H為靜止水位標(biāo)高與各預(yù)算中段的差。2009年 9月觀測(cè)的穩(wěn)定水位為 -495 m,水頭高度 H即是穩(wěn)定水位與各預(yù)算中段的差。

(5)滲透系數(shù) K的確定根據(jù) 2009年 9月-510,-555,-600 m中段實(shí)測(cè)的礦坑涌水量 (見表1)和以上參數(shù),利用公式 (1)反算求出,取其平均值。通過(guò)計(jì)算得出:K=0.0186 m/h。

表1 礦區(qū)各中段監(jiān)測(cè)點(diǎn)流量匯總

具體參數(shù)見表2。

表2 坑道涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算參數(shù)

4.3 涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算

根據(jù)礦山的開采計(jì)劃,三山島礦區(qū)四期深部設(shè)計(jì)采用盲豎井輔助斜坡道聯(lián)合開拓,盲豎井為混合井,井深 542 m(-531～-1180 m),基建期輔助斜坡道從 -600 m中段到 -690 m中段,長(zhǎng)度 705 m,由于盲豎井位于 1280線以南花崗巖強(qiáng)隔水帶,不作為疏干中心考慮,因此,只預(yù)測(cè) -645 m和 -690 m中段的涌水量。

根據(jù)上面確定的計(jì)算公式 (1),將表2參數(shù)代入,通過(guò)計(jì)算得出 -645,-690 m中段穩(wěn)定涌水量:

-645 m中段:Q=341.6 m3/h;

-690 m中段:Q=453.9 m3/h。

5 結(jié)論與建議

(1)本文通過(guò)對(duì)水文地質(zhì)觀測(cè)資料的整理統(tǒng)計(jì),分析了三山島金礦的深部水文地質(zhì)條件,查清了礦坑充水水源和通道,并運(yùn)用解析法根據(jù)實(shí)測(cè)涌水量確定了各項(xiàng)參數(shù),進(jìn)行了深部中段的正常最大涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算。

(2)大井法作為地下水動(dòng)力學(xué)方法,為理想化的模型,而礦床巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育的不均勻性,決定了礦區(qū)地下徑流強(qiáng)度的差異性,在計(jì)算過(guò)程中視為均質(zhì)層計(jì)算求得滲透系數(shù),影響了預(yù)算的精度,因此會(huì)出現(xiàn)預(yù)算結(jié)果與實(shí)際的偏差[6]。

(3)本次計(jì)算的結(jié)果為礦坑疏干期正常的最大涌水量,局部的水文地質(zhì)變化無(wú)法預(yù)料,在坑道揭露時(shí)不可避免會(huì)有突水發(fā)生,因此建議深部開拓按 45 m高程依次延伸,在 F3及其以北強(qiáng)含水帶部位采取預(yù)注漿通過(guò),以盡量避免局部淹井的危害。

[1]張本臣,劉喜信,孫傳斌.礦坑涌水量預(yù)測(cè)的影響因素分析[J].吉林地質(zhì),2006,25(1):58-61.

[2]王學(xué)杰.馬路坪礦段深部開采涌水量預(yù)測(cè)及防治研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2004.

[3]史維全,柳儼桓,金 剛,等.2006年資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告 [R].濟(jì)南:山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司,2006.

[4]黃樹勛,黃筱軍,鄭長(zhǎng)成,等.三山島礦水文地質(zhì)鑒定報(bào)告[R].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦山研究院,2003.

[5]楊成田.專門水文地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1981.

[6]馬洪超,林立新.大井法預(yù)測(cè)礦坑涌水量[J].采礦技術(shù),2009,9(2):54-55,79.

2010-05-25)

曲偉勛 (1976-),男,山東萊州人,助理工程師,主要從事礦山地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)管理工作,Email:ssdqwx@163.com。