曾 波

中化地質(zhì)礦山總局湖北地質(zhì)勘察院，湖北 荊州 434020

湖北省宜昌磷礦楊柳礦區(qū)麻坪礦段礦坑涌水量預(yù)測(cè)

曾 波*

中化地質(zhì)礦山總局湖北地質(zhì)勘察院，湖北 荊州 434020

在對(duì)區(qū)域和礦區(qū)水文地質(zhì)條件綜合研究分析的基礎(chǔ)上，采用水文地質(zhì)比擬法、解析法、數(shù)值法對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)對(duì)比分析，并給出了較合理的涌水量推薦值，為礦山排水設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。論文提出了礦井初步防排水措施，對(duì)今后整個(gè)宜昌東部磷礦的安全開(kāi)采具有指導(dǎo)意義。

礦坑涌水量 水文地質(zhì)比擬法 解析法 數(shù)值法

楊柳礦區(qū)屬宜昌磷礦東部，為一特大型隱伏磷礦床【1】。礦區(qū)位于湖北省遠(yuǎn)安縣城北西307°方向，直距約42 km處，行政區(qū)劃隸屬于遠(yuǎn)安縣荷花鎮(zhèn)望家村管轄。

宜昌磷礦區(qū)域上屬黃柏河水系的西河-斷江流域系統(tǒng)，區(qū)內(nèi)地形總體西高東低、北高南低，海拔最高1770.86m，一般為500～900m。礦區(qū)位于水文地質(zhì)單元的北東部，屬中山地貌，最高點(diǎn)海拔1155m，最低點(diǎn)為礦區(qū)東南角西河下游河床，河床海拔434m（視為當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面）。礦體均位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下。區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，均自西向東流入西河。楊柳礦區(qū)磷礦床屬以溶蝕裂隙為主、頂板間接充水、水文地質(zhì)條件中等的巖溶充水礦床類(lèi)型【2】。

麻坪礦段位于楊柳礦區(qū)西部。麻坪礦段將11勘探線(xiàn)以北的北西部地段資源儲(chǔ)量范圍作為首期開(kāi)采地段并預(yù)測(cè)礦坑涌水量，首期開(kāi)拓水平為+441～+50 m（即XJ1斜井底部標(biāo)高）。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型

1.1 含水巖組概化

將礦區(qū)內(nèi)地層由上到下概化為10個(gè)巖組：

（1）寒武系下統(tǒng)（?1）白云巖裂隙巖溶含水巖組：平均厚248m。

（2）寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組（?1n）下部相對(duì)隔水層：平均厚30m。該層阻隔了上部寒武系地下水進(jìn)入礦坑；當(dāng)首采區(qū)定為+50 m標(biāo)高時(shí)，該層亦為東部側(cè)向隔水邊界。

（3）燈影組（Z2dn）白云巖裂隙巖溶含水巖組：平均厚458m。該巖組主要在西部丁家河礦區(qū)及北部出露，出露寬1400～3000m，平均2200m，接受大氣降水補(bǔ)給，由西北向東南徑流。該巖組為礦坑間接充水及主要充水含水層。

（4）陡山沱組第四段（Z1d4）相對(duì)隔水層：平均厚約18m。

（5）陡山沱組第三段（Z1d3）相對(duì)隔水層（或極弱含水層）：平均厚約25m。

（6）陡山沱組第二段（Z1d2）相對(duì)隔水層：平均厚約48m。

（7）第二含磷層Ph2相對(duì)隔水層：平均厚約3m。

（8）陡山沱組第一段（Z1d1）上白云巖相對(duì)隔水層（或極弱含水層）：平均厚約6m。

（9）第一含磷層Ph1相對(duì)隔水層：平均厚約5m。

（10）Z1d1底部及以下相對(duì)隔水層。

1.2 邊界條件概化

（1）側(cè)向邊界條件概化

根據(jù)區(qū)域調(diào)查及鉆孔揭露，從區(qū)域水文地質(zhì)剖面圖可知，ZK1203的?1n 與Z2dn 地層分界標(biāo)高為19.07 m，即當(dāng)首采區(qū)定為+50 m標(biāo)高時(shí)，其東部邊界應(yīng)為?1n下部隔水邊界，并且邊界應(yīng)在ZK1203以西。由于首采區(qū)地下水位從標(biāo)高+756 m降到+50m，降深大，礦床疏干排水的面積也大，根據(jù)計(jì)算地下水降落漏斗已擴(kuò)展到區(qū)域水文地質(zhì)邊界。因此，根據(jù)水文地質(zhì)條件和排水影響范圍，可將礦段未來(lái)開(kāi)采到+50 m標(biāo)高的邊界條件概化為：西部為前震旦系崆嶺群（Ptkn）變質(zhì)巖相對(duì)隔水邊界；東部為牛蹄塘組（?1n）下部隔水邊界；北部為地表分水嶺，距離本礦區(qū)較遠(yuǎn)，約18 km，可以視為無(wú)限邊界處理；南部的七里峽—兩河口為排泄邊界，可以視為已知水頭邊界（第一類(lèi)邊界）。

其中東、西兩條平行直線(xiàn)隔水邊界相距（2d）約12600m（即d=6300 m）（圖1）。

圖1 兩條平行直線(xiàn)隔水邊界示意圖Fig.1 Schematic diagram of 2 parallel lines impervious boundaries

（2）垂向邊界類(lèi)型的概化

頂部邊界：?1n下部隔水邊界；底部邊界：Z1d1底部及以下相對(duì)隔水層。

（3）內(nèi)邊界的概化

首采區(qū)開(kāi)采系統(tǒng)長(zhǎng)約1400～1500 m、寬約1500～1700 m，形狀比較規(guī)則，可概化為圓形“大井”。

2 地下水?dāng)?shù)值模擬法

2.1 水文地質(zhì)概念模型

采用Visual Modflow軟件4.2版本建礦區(qū)地下水流三維模型。

（1）計(jì)算范圍

考慮到邊界條件的設(shè)置需求，模擬區(qū)范圍大于礦區(qū)范圍，基本由礦區(qū)范圍向外擴(kuò)展一倍，即計(jì)算面積東西長(zhǎng)8.0km，南北長(zhǎng)5.33km，總面積約為42.64km2。

（2）含水層的概化

將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，在垂向上將巖組重新組合概化為4個(gè)含水層和3個(gè)隔水層，共7層結(jié)構(gòu)：

Layer1：寒武系潛水含水層；Layer2：寒武系牛蹄塘組隔水層；Layer3：震旦系燈影組承壓含水層；Layer4：陡山沱組第四段隔水層；Layer5：陡山沱組第三段極弱含水層；Layer6：陡山沱組第二段隔水層；Layer7：陡山沱組第一段極弱含水層。

（3）邊界條件的確定

在平面上由于四周沒(méi)有明顯的自然邊界，將模型四周均按通用水頭邊界處理；在垂向上，由于頂部有寒武系地層覆蓋，故不考慮降雨與蒸發(fā)量，底部以Ph1磷礦為隔水邊界。

2.2 數(shù)值模型

2.2.1 計(jì)算區(qū)域剖分（空間離散） 有限差分法是對(duì)含水介質(zhì)進(jìn)行等間距自動(dòng)剖分，本礦區(qū)在row（行）×column（列）×layer（層）上剖分為150×100×7個(gè)網(wǎng)格單元，其中將研究區(qū)邊界外的網(wǎng)格設(shè)為不計(jì)算單元格（即不參與模型計(jì)算），建立剖分圖（圖2）。

圖2 模型的網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Mesh subdivision graph for model

2.2.2 模擬期的確定 采用ZK1106孔的抽水試驗(yàn)期間的水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，確定模擬期為抽水試驗(yàn)時(shí)間，以一天作為一個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)包括若干時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)為模型自動(dòng)控制。

2.2.3 定解條件的處理 初始條件：采用2012年11月觀測(cè)的地下水水位作為初始水位，采用內(nèi)插和外推法獲得各個(gè)含水層的初始水位。邊界條件：按通用水頭邊界處理。

2.2.4 源匯項(xiàng)的處理 研究區(qū)的源匯項(xiàng)主要包括補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)。該區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為側(cè)向邊界流量，地下水排泄方式為側(cè)向邊界排向西河。

2.2.4 模型識(shí)別與驗(yàn)證 采用ZK1106長(zhǎng)觀期間的水位動(dòng)態(tài)資料來(lái)進(jìn)行模型識(shí)別與驗(yàn)證（圖3）。程序經(jīng)過(guò)多次自動(dòng)計(jì)算，直至達(dá)到較為滿(mǎn)意的擬合結(jié)果，說(shuō)明參數(shù)選擇基本合理，能滿(mǎn)足礦坑涌水量預(yù)測(cè)精度。

圖3 ZK1106孔水位擬合對(duì)比曲線(xiàn)Fig.3 Comparison fitting curves of water level for drill ZK1106

2.2.6 模型識(shí)別和驗(yàn)證后的參數(shù) 本次參數(shù)主要參考礦區(qū)水文孔及XJ1坑道的抽水試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各7個(gè)目標(biāo)層進(jìn)行分區(qū)，設(shè)置不同的滲透系數(shù)和儲(chǔ)水率初值【3】。本區(qū)地下水流向?yàn)橛晌飨驏|、由北向南，且地下水從徑流區(qū)變?yōu)榕判箙^(qū)，因此滲透系數(shù)一般也據(jù)此規(guī)律由小到大，對(duì)于陡山沱組第四段隔水層的分區(qū)，地層埋深越大，則滲透系數(shù)更小。水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各層位水文地質(zhì)參數(shù)Table 1 Hydrogeological parameters for each horizon

3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

3.1 數(shù)值法預(yù)測(cè)

3.1.1 預(yù)測(cè)方案 由于陡山沱組地層均不含水，所以模型只需將地下水位控制在燈影組含水層底板即可，整個(gè)進(jìn)度期為33天，即提前一個(gè)月開(kāi)始按預(yù)測(cè)涌水量32200m3/d進(jìn)行疏排，可以在開(kāi)采前將水位降至燈影組底板。由模擬結(jié)果可知，首采區(qū)內(nèi)燈影組含水層涌水量為32200m3/d。水位情況見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 抽水前地下水水位分布圖Fig.4 Distribution map of groundwater level before pumping

圖5 首采區(qū)燈影組含水層疏干圖Fig.5 Drainage map for aquifers of Dengying Formation in first mining area

3.1.2 預(yù)測(cè)精度評(píng)述 模型經(jīng)識(shí)別驗(yàn)證有效，收斂性和穩(wěn)定性較好，能夠較好地反映本礦區(qū)水文地質(zhì)條件，模擬預(yù)測(cè)結(jié)果可以作為井下排水設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。由于只有ZK1106一個(gè)孔的觀測(cè)資料可利用，因此對(duì)計(jì)算區(qū)邊界水位條件控制不太理想，隨著礦井后續(xù)資料的完善，可對(duì)模型進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化，從而能夠更好地調(diào)試和驗(yàn)證模型。

3.2 地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)

3.2.1 計(jì)算原理方法 本礦區(qū)礦坑系統(tǒng)的涌水量主要來(lái)自間接頂板含水層Z2dn，Z1d1內(nèi)上、下白云巖裂隙巖溶水因厚度薄可忽略不計(jì)。Z2dn淺部為潛水，深部為承壓水。首采區(qū)礦坑進(jìn)水的水文地質(zhì)模型即為頂板間接進(jìn)水，東與西邊為二條平行的直線(xiàn)隔水邊界，首采區(qū)坑道系統(tǒng)較規(guī)則，可概化為“大井”【4】，且基本上位于兩條邊界中間?？刹捎谩按缶狈ü浪氵M(jìn)入采礦坑道系統(tǒng)的涌水量，選用二條平行直線(xiàn)隔水邊界的穩(wěn)定流承壓—無(wú)壓水的完整井公式計(jì)算礦井涌水量。選擇《水文地質(zhì)手冊(cè)》【5】中公式如下：

其中：

3.2.2 參數(shù)選取

Rc：二條直線(xiàn)隔水邊界的水流阻力值。其中2d為邊界之間距離12600 m，則d=6300 m；R為影響半徑=10478 m，因?yàn)镽＞d，則R取d值。算出Rc=5。

含水層滲透系數(shù)K：采用XJ1抽水試驗(yàn)成果0.078m/d。

含水層靜水柱高度H：即為首采區(qū)未來(lái)坑道的地下水位降低S；采用該區(qū)內(nèi)15個(gè)鉆孔的平均水位標(biāo)高為756 m ，即H=S=756-50=706m。

含水層厚度M：根據(jù)首采區(qū)15個(gè)鉆孔含水層（Z2dn）厚度算術(shù)平均值確定：M=379 m。

首采區(qū)采礦坑道系統(tǒng)引用大井半徑r：首采區(qū)332范圍F=2000000m2，按不規(guī)則園形計(jì)算式計(jì)算確定：

含水層引用影響半徑R0：采用庫(kù)薩金的近似公式計(jì)算：

其中排水影響半徑：

因?yàn)镽0＞d，則R0取d值。

動(dòng)水柱高度h：因礦坑水必然降至坑底，故h=0m。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果評(píng)述 通過(guò)計(jì)算結(jié)果（表1）分析，楊柳礦區(qū)邊界較明顯，首采地段形狀也較規(guī)則，盡管燈影組Z2dn含水層不能滿(mǎn)足裘布依（A.Dupuit）穩(wěn)定井流公式“均質(zhì)、各向同性”【6】的要求，但滲透系數(shù)K值采用礦區(qū)XJ1抽水試驗(yàn)值來(lái)參與計(jì)算，因XJ1“口徑”遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔口徑，含水層過(guò)水?dāng)嗝娲?，因此抽水試?yàn)的代表性和計(jì)算的滲透系數(shù)代表性強(qiáng)。

大井法中含水層引用影響半徑R0計(jì)算結(jié)果為11276 m，大于區(qū)域單元邊界半徑d值（6300 m），因此R0取d值，更符合水文地質(zhì)條件的實(shí)際情況。

本次參與估算的水位降深值為706 m，較大，且疏干水位降至礦層底板以下時(shí)，含水層處于疏干狀態(tài)，井壁過(guò)水?dāng)嗝嫔厦娣e為零，已無(wú)法滿(mǎn)足裘布依穩(wěn)定井流公式的導(dǎo)出條件【7】，但只要地下水補(bǔ)給條件充足，礦坑疏干量被補(bǔ)給量平衡，地下水仍可作為相對(duì)的穩(wěn)定流處理，只是計(jì)算結(jié)果偏大，設(shè)計(jì)部門(mén)可以參照作為上限值。

3.3 水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)

用礦區(qū)現(xiàn)有斜井排水量來(lái)比擬整個(gè)首采區(qū)的排水量不切合實(shí)際，會(huì)導(dǎo)致涌水量結(jié)果偏大很多。本礦區(qū)同一水文地質(zhì)單元的西部有丁家河礦區(qū)，南部有曬旗河礦區(qū)，本礦區(qū)相當(dāng)于上述兩礦區(qū)的北東延伸部位，因此，可以根據(jù)曬旗河礦區(qū)的排水資料來(lái)比擬。

3.3.1 計(jì)算原理方法 根據(jù)水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)礦坑涌水量，即在整理生產(chǎn)礦井排水資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)疏干面積（F0）和水位降（S0）及礦井涌水量（Q0）來(lái)預(yù)測(cè)在某個(gè)F和S條件下的涌水量（Q）。選擇《專(zhuān)門(mén)水文地質(zhì)學(xué)》【4】中公式如下：

公式：

3.3.2 參數(shù)選取 Q0—為曬旗河礦區(qū)2007年XJ1、XJ2的排水量和，取日均排水量1875m3/d為Q0正常。

F0—為兩坑道控制面積，約為291500 m2。

F—為本礦區(qū)麻坪礦段未來(lái)首期開(kāi)拓水平坑道面積，約為2000000m2。

S0—為曬旗河礦區(qū)XJ1、XJ2的地下水位降低，S0=524-374=150m。

S—為麻坪礦段首采地段坑道的地下水位降低。則S=756-50=706m。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果評(píng)述 通過(guò)計(jì)算結(jié)果（表2）分析。①曬旗河礦區(qū)相比本礦區(qū)構(gòu)造要復(fù)雜些，坑道在Z1d中遇構(gòu)造裂隙發(fā)育處有淋水現(xiàn)象，而本礦區(qū)XJ1進(jìn)入Z1d后基本無(wú)水，因此，采用曬旗河礦區(qū)的系統(tǒng)排水資料來(lái)比擬，結(jié)果更安全可靠。②丁家河礦區(qū)主要含水巖組Z2dn地層大都出露地表，其接受大氣降水的補(bǔ)給要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于處于隱伏狀態(tài)的本礦區(qū)，且丁家河礦區(qū)坑道系統(tǒng)面積為本礦區(qū)首采地段面積的4倍多，水位降低值為300多m，是本礦區(qū)降低值的一半左右，其坑口總排水量最大約為12500 m3/d；南部魚(yú)林溪礦區(qū)，其最低開(kāi)拓標(biāo)高為+25 m，低于本礦區(qū)，面積基本為礦區(qū)的50%，流量最大不到4000 m3/d，因此，采用曬旗河礦區(qū)比擬更切合實(shí)際。

表2 首期開(kāi)拓水平+50礦坑涌水量估算結(jié)果表Table 2 Estimation results for pit water inflow of first development opening level +50

3.4 預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

大井法的計(jì)算結(jié)果最大，為比擬法的1.4倍；比擬法比較符合本礦區(qū)的實(shí)際；數(shù)值法是對(duì)前兩者的驗(yàn)證?？紤]到當(dāng)本礦區(qū)首采地段水位降到+50m標(biāo)高時(shí)，低于西部丁家河礦區(qū)開(kāi)采標(biāo)高，未來(lái)丁家河礦區(qū)不能自排的地下水可能會(huì)有少部分流向本礦區(qū)，因此，選用數(shù)值法計(jì)算結(jié)果作為首期開(kāi)采地段+50m標(biāo)高的排水設(shè)計(jì)依據(jù)比較可靠；大井法計(jì)算結(jié)果可以作為上限值。

4 礦井開(kāi)采防排水措施

麻坪礦段首采地段水位平均標(biāo)高756m、降深約706m，含水層平均厚度約379m。對(duì)于如何在頂板存在高壓水頭約706m的含水層之下安全采礦，是同預(yù)測(cè)礦坑涌水量同樣重要的問(wèn)題，對(duì)今后整個(gè)宜昌東部磷礦的安全開(kāi)采具有指導(dǎo)意義。根據(jù)本礦的實(shí)際情況，建議如下：

（1）做好地面防水。對(duì)白花魚(yú)溝西部河床可能滲漏的地段進(jìn)行防滲處理，防止地表水對(duì)地下水補(bǔ)給。

（2）做好井下防水及疏水降壓。XJ1坑道起到了很好的疏水降壓作用，但必須處理好配套排水設(shè)施的合理配置。

（3）做好疏干排水。XJ1內(nèi)坑道鉆位于燈影組底部，主要用來(lái)觀測(cè)含礦巖系中的水頭，可采取對(duì)其進(jìn)行陡山沱組地下水疏干排水。

（4）做好應(yīng)急措施。打一口專(zhuān)供救援用的應(yīng)急井，作為逃生通道，確保井下工作人員人身安全。

5 結(jié)論

（1）東、西兩條直線(xiàn)隔水邊界間的距離大約為12600m，并且邊界隨著疏干流場(chǎng)而變化。

（2）采用比擬法、“大井”法、數(shù)值法計(jì)算首期開(kāi)采地段+50m標(biāo)高的正常涌水量分別為：2.8×104m3/d、3.8×104m3/d、3.2×104m3/d。推薦數(shù)值法計(jì)算結(jié)果作為排水設(shè)計(jì)依據(jù)；大井法計(jì)算結(jié)果作為上限值。未來(lái)首采區(qū)各個(gè)中段的涌水量估算可以用上一中段的排水資料來(lái)預(yù)測(cè)，效果會(huì)更好。

1 程昌紅，曾波等. 湖北省遠(yuǎn)安縣楊柳礦區(qū)麻坪礦段磷礦詳查報(bào)告[R]. 湖北地質(zhì)勘查院，2013

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5 水文地質(zhì)手冊(cè)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1978

6 蔣輝，曾波，潘宏雨. 地下水動(dòng)力學(xué)[M]. 北京:地質(zhì)出版社，2009

7 華解明. “大井法”預(yù)測(cè)礦井涌水量問(wèn)題探討[J]. 中國(guó)煤炭地質(zhì)，2009，21（6）：45～47

The water inflow prediction of maping ore section in Yangliu mining area, Yichang phosphorite mine, Hubei

Zeng Bo

Hubei Geological Exploration Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Jingzhou 434020, Hubei, China

This article has adopted the hydrogeological analogy method, the analytic method , the numerical method to conduct a prediction comparison analysis of the water flow of wicket in the mine section on the basis of the comprehensive research and analysis of the hydrogeological conditions. In the end, a comparatively reasonable recommended value of filling water is given , and we get a rationale of the design of mine drainage.This article has also put forward with the elementary measures of waterproofing and drainage ,which is instructive to the future secure exploration of phosphorite in eastern Yichang at large.

Water inflow of mine， hydrogeological analogy method， analytic method，numerical method

P619.213

A

1006–5296（2017）02–0078–06

曾波（1970～），女，水文地質(zhì)工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)，從事水工環(huán)地質(zhì)工作，高級(jí)工程師

2017-04-06；改回日期：2017-04-11