摘 要：【目的】礦坑涌水量預測是礦床水文地質勘查的重要組成部分，是生產設計部門制訂開采方案、確定排水能力和制定疏干措施的主要依據，正確預測礦坑涌水量是安全開發(fā)礦山的重要工作。【方法】以湖北宜昌某建筑石料用灰?guī)r礦為例，探討露天礦礦坑涌水量的預測方法。通過分析礦區(qū)水文地質條件，構建水文地質概念模型，建立水文地質數學模型，選用水均衡法與解析法兩種方法聯合估算礦坑涌水量。【結果】預測結果大致符合礦區(qū)客觀實際?！窘Y論】數據結果可供生產設計部門參考，同時為其他水文地質條件相似的露天礦的礦坑涌水量預測提供了一種案例參考。

關鍵詞：露天礦；礦坑涌水量預測；水文地質條件；數學模型；水均衡法；解析法

中圖分類號：TD742.1" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0068-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.013

Prediction and Evaluation of Mine Water Inflow in Open-Pit Mine

——Taking a Limestone Mine for Building Stone in Yichang， Hubei Province as an Example

XU Sheng CHEN Yongbao ZHANG Shujie QI Shuanglin WANG Teng JIANG Conggang

（Hubei Institute of Metallurgical Geology （Central South Institute of Metallurgical Geology）， Yichang 443000，China）

Abstract： [Purposes] Prediction of mine water inflow is an important part of hydrogeological exploration. It is the main basis for the production design department to formulate the mining plan， determine the drainage capacity and formulate the drainage measures. Correct prediction of mine water inflow is an important work for safe development of mines.[Methods] This paper takes a limestone mine for building stone in Yichang， Hubei as an example to discuss the prediction method of mine water inflow in open-pit mine.By analyzing the hydrogeological conditions of the mining area， a hydrogeological conceptual model was constructed， a hydrogeological mathematical model was established， and water balance method as well as analytical method were selected to jointly estimate the water inflow of the mine pit. [Findings] The prediction results are roughly in line with the objective reality of the mining area.[Conclusions] The data can be used for reference by the production design department. At the same time， it provides a case reference for the prediction of mine water inflow in other open-pit mines with similar hydrogeological conditions.

Keywords： open-pit mine; prediction of mine water inflow; hydrogeological conditions; mathematical model; water balance method; analytical method

0 引言

礦坑涌水量預測是礦床水文地質勘查的重要組成部分，它不僅是確定礦床水文地質類型、對礦床進行技術經濟評價及合理開發(fā)的重要指標之一，更是生產設計部門制訂開采方案、確定排水能力和制定疏干措施的主要依據［1］。礦井突水是開采礦床過程中的主要災害之一，因此正確預測礦坑涌水量是安全開發(fā)礦山的重要工作。根據礦體的賦存、埋藏條件及開采方式（露天開采和地下開采）的不同，將礦山分為兩大類：露天礦和地下礦。相比地下礦床地質條件較復雜，露天礦床的地質條件相對簡單，礦坑涌水量預測計算也相對容易。本研究以湖北宜昌某建筑石料用灰?guī)r礦為例，探討露天礦礦坑涌水量的預測方法，并對預測結果加以評價，為下一步設計礦山的開發(fā)利用方案提供參考依據，同時也能為其他水文地質條件相似的露天礦的礦坑涌水量預測提供一種案例參考。

1 預測計算流程

預測露天礦礦坑涌水量，首先要查明礦區(qū)水文地質條件，主要包括礦坑充水因素、地表水特征、匯水面積、含水層厚度以及地下水補給、徑流、排泄特點等水文地質特征和參數。根據實際的水文地質條件，按照礦坑涌水量預測計算流程如圖1所示，構建水文地質概念模型，建立水文地質數學模型，帶入水文地質參數求得礦坑涌水量。

2 礦山地質概況

湖北宜昌某建筑石料用灰?guī)r礦位于低山丘陵區(qū)，地勢總體中部高四周低、南高北低，最高點位于礦區(qū)南部山峰，最低點位于礦區(qū)西南部山峰，山坡坡角一般為13°～22°。礦區(qū)北邊和西邊存在陡崖，地表坡度20°～80°，平均35°。礦區(qū)及周邊最低點位于西北部的常年性河流，河床標高約135 m（視為當地侵蝕基準面）。

礦區(qū)廣泛發(fā)育碳酸鹽巖，出露地層主要為奧陶系下統(tǒng)大灣組、紅花園組、南津關組，是礦體的主要構成部分，巖性以泥晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r為主，其次為白云巖；開采礦體位于侵蝕基準面以上，地形條件有利于自然排水；礦區(qū)巖溶裂隙較發(fā)育，地下水含水層以碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層為主；區(qū)域地下水補給來源與礦坑充水因素主要為大氣降水，礦區(qū)大部分降水通過地表向礦坑匯集，并向低洼處的河溝自然排泄，小部分通過巖溶裂隙滲入補給地下水；地表水體主要為礦區(qū)西北部的一條常年性河流，采礦主體區(qū)無地表水流過，正常情況下地表水體不會對礦坑造成直接充水威脅；地下水與地表水水質類型均為HCO₃-Ca型水。礦區(qū)水文地質條件簡單，勘查類型是以大氣降水充水為主、溶隙地下水充水為次的山坡露天礦床。

3 構建概念模型

通過野外地質調查研究和室內綜合分析，對礦區(qū)水文地質條件加以全面分析，獲取各項有效的水文地質參數。對水文地質條件加以概化，預測未來開采條件下的外部邊界條件，構建本次水文地質概念模型如圖2所示：礦體主體位于圖中推測開采底盤境界線所包圍的區(qū)域，匯水面積為圖中匯水線所包圍的區(qū)域面積。

4 建立數學模型

4.1 預測計算方法

根據應用前提與適用條件的不同，《礦坑涌水量預測計算規(guī)程》（DZ/T 0342—2020）列舉了水文地質比擬法、涌水量—降深曲線法、相關分析法、水均衡法、解析法、數值法6種涌水量預測計算方法，其中適用于露天礦礦坑涌水量預測計算的方法主要為解析法、水均衡法、水文地質比擬法。

4.2 建立模型選取方法

本次研究的露天礦為新建礦山，目前尚未進行基建施工和礦山活動，無可供借鑒和參考的某開采水平的涌水量數據，因此水文地質比擬法不適用于本礦山。

礦區(qū)主礦體在當地侵蝕基準面以上，水文地質條件簡單，在礦床開采過程中，進入采坑的水主要取決于大氣降水量及采礦場匯水范圍的大小。另外，鉆孔顯示的地下水靜水位（226.00～226.53 m，平均226.27 m）高于最低開采標高（+200 m）數十米，因此進入采坑的水量還包括采坑外圍大氣降水形成的地表徑流匯入采坑的水量和地下水含水層進入采坑的水量。

綜合分析，露天礦坑總涌水量Q主要包括三部分：第一部分為采坑承雨面積內直接接受大氣降水的量Q₁；第二部分為采坑外匯水范圍內大氣降水形成的地表徑流進入采坑的量Q₂；第三部分為地下水含水層進入采坑的量Q₃。以此為依據建立礦區(qū)水文地質數學模型如圖3所示。

參照適用條件，Q₁與Q₂在開采條件下水均衡關系極為簡單，適合采用水均衡法估算；Q₃可類比“大井法”預測，適合采用解析法估算。因此，本次選用水均衡法與解析法兩種方法聯合估算礦坑涌水量。

4.3 計算公式和參數確定

Q₁、Q₂、Q₃計算公式見表1。

式（1）中：F₁為露采場頂界范圍內的面積，m²，為圖2中推測開采底盤境界線所包圍的面積，用MAPGIS軟件測算，面積約270 264 m²；A為多年雨季平均或最大降水量，mm，根據礦區(qū)所在地區(qū)歷年氣象數據，多年平均降水量1 101.1 mm，則日平均降雨量A_平=1 101.1/365≈3.017 mm/d，日最大降雨量A_max=239.7 mm/d（2021年7月20日當地某水文站數據）。則正常降雨量時，Q₁=F₁·A_平≈815.31 m³/d；最大降雨量時，Q₁=F₁·A_max≈64 782.28 m³/d。

式（2）中：F₂為采坑外圍匯水面積，m²，為露采場匯水面積與礦區(qū)開采底盤面積之差，即圖2中匯水線包圍的面積與F₁之差，用MAPGIS軟件測算圈定的匯水面積約474 896 m²，故F₂=474 896-270 264=204 632 m²；Ψ為地表徑流系數。參考地表徑流系數經驗值，見表2，灰?guī)r、表土地區(qū)地表徑流系數取值0.6～0.8，本礦區(qū)巖石主要為灰?guī)r，少量第四系黏土覆蓋，綜合分析取值0.6。

則正常降雨量時Q₂=F₂·A_平·ψ≈370.39 m³/d，最大降雨量時Q₂=F₂·A_max·ψ≈29 430.17 m³/d。

露天礦坑總涌水量估算相關參數見表3。

5 預測結果評價

根據涌水量預測計算公式及參數值，礦坑涌水量預測結果見表4。

礦坑正常涌水量為3 600.36 m³/d，最大涌水量為96 627.11 m³/d，該涌水量是采坑匯水面積最大時的計算結果。含水層厚度和水位降深根據6個鉆孔數據換算，全面性、代表性不足，地下水位會隨著地下水疏干而不斷下移，含水層厚度將逐漸減小。另外，地表徑流系數、滲透系數等參數值是以經驗值為依據，如果取礦區(qū)實測值，結果會更準確。以上水文地質參數值的偏差導致結果存在一定誤差，礦坑總涌水量的計算值稍偏大。總體而言，預測值大致符合礦區(qū)水文地質特征的客觀實際，預測結果具備一定可靠性。從安全角度出發(fā)，本著就大不就小的原則，預測數據可供生產設計部門用于制訂開采方案、確定排水能力和制定疏干措施參考。

本次礦坑涌水量估算結果僅為礦層開采的礦坑涌水量，不包括遇溶洞或隱伏地下暗河涌水以及大氣降水與地表水沿采空區(qū)產生的地面塌陷、地裂縫等變形破壞處的滲（灌）入量。

盡管本礦山設計最低開采水平標高高出當地侵蝕基準面65 m，地形上有利于自然排水，不會對礦山的開采造成較大影響，但開采過程中仍要防止多雨季節(jié)特別是暴雨期間暴雨匯水直接沖刷采場、公路、工作面、設備設施等，尤其要注意因雨水浸泡可能引發(fā)的工作臺階失穩(wěn)和滑坡。要加強截排水系統(tǒng)的建設，加強探水工作，加強日常監(jiān)測工作，留意礦坑涌水量的變化，盡早發(fā)現可能出現的突發(fā)情況，提前做好應急預案，防止礦坑突水。

6 結論及建議

①通過分析礦區(qū)水文地質條件，建立數學模型，選用水均衡法與解析法兩種方法聯合估算礦坑涌水量。

②礦坑正常涌水量為3 600.36 m³/d，最大涌水量為96 627.11 m³/d，預測值大致符合礦區(qū)客觀實際，數據可供生產設計部門參考。

③采礦階段要留意礦坑涌水量的變化，提前做好應急預案，防止礦坑突水。

參考文獻：

［1］張永波.礦床水文地質學［M］.北京：中國水利水電出版社，2020.

［2］中華人民共和國自然資源部.礦坑涌水量預測計算規(guī)程：DZ/T 0342—2020［S］.北京：地質出版社，2020.

［3］張立釗，劉培棟，胡英澤，等.遼寧省青山工程設計思路及治理措施研究［J］.能源環(huán)境保護，2018，32（5）：41-44.

［4］鄭星.水量均衡法分析計算平原區(qū)域地下水允許開采量［J］.河北水利，2020（7）：39，42.

［5］中國地質調查局.水文地質手冊［M］.2版.北京：地質出版社，2012.