石灰?guī)r礦區(qū)礦坑涌水量的預(yù)測(cè)

孟祥宇 陳杰

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，廣西 柳州 545006）

石灰?guī)r礦區(qū)礦坑涌水量的預(yù)測(cè)

孟祥宇 陳杰

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，廣西 柳州 545006）

文章介紹了某石灰?guī)r礦區(qū)水文地質(zhì)勘察的基本情況，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查及水文地質(zhì)條件分析，提出水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算方法，并結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行確定，最后進(jìn)行了礦區(qū)開(kāi)采條件下礦坑涌水量的預(yù)測(cè)。

水文地質(zhì)參數(shù)；穩(wěn)定流；非穩(wěn)定流；礦坑涌水

（一）前言

在山多地少的南方巖溶區(qū)，地下水位埋深淺的侵蝕溶蝕谷地區(qū)，由于水量豐富、地勢(shì)較平等原因，人類(lèi)居住較為密集、生產(chǎn)生活比較適宜。然而由于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地表水、地下水聯(lián)系密切，在這一類(lèi)地區(qū)進(jìn)行石灰?guī)r礦的露天開(kāi)采活動(dòng)，礦井采取疏干排水進(jìn)行開(kāi)采，勢(shì)必影響該地區(qū)的地表、地下水的開(kāi)采及利用，甚至可能因?yàn)榈叵滤L(zhǎng)期疏干，導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境條件惡化，形成巖溶地面塌陷、區(qū)域地下水位下降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。

某水泥生產(chǎn)公司擬興建水泥生產(chǎn)線，擬采用珊羅鎮(zhèn)北面約3km的荔枝山礦區(qū)石灰?guī)r作為原料基地，礦區(qū)用地面積約1425畝，設(shè)計(jì)礦山服務(wù)年限36年。

荔枝山礦區(qū)現(xiàn)是一片峰林，礦區(qū)地面標(biāo)高約80m，80m標(biāo)高以上為露天礦， 80m（地面）以下擬采用露天凹陷式分臺(tái)段開(kāi)采（即自地面向下開(kāi)采）。每臺(tái)段高度15m，終采標(biāo)高42m。礦坑開(kāi)采深度隨時(shí)間不斷加深，礦坑疏排水量增大，地下水水位降深隨之加大。將會(huì)出現(xiàn)一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)涌水量的計(jì)算，可以對(duì)礦坑疏干排水影響范圍、影響方式、影響程度進(jìn)行分析，為今后礦坑排水工作及防治方案等指明了方向。

（二）礦坑涌水條件概述

1.礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)主要為碳酸鹽巖含水巖組，巖性主要為石炭系中統(tǒng)（C2）、上統(tǒng)（C3）厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，其中C2為礦山主要分布地層。地下水類(lèi)型為碳酸鹽巖裂隙溶洞水，地下水主要賦存于灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r的溶洞裂隙中，根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果確定，并參考了泉水流量，其含水量豐富。地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，測(cè)區(qū)地形較平坦，地下水徑流速度比較緩慢，水力坡降小，徑流途徑短，地下水通常以泉的形式集中泄露地表。據(jù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，礦區(qū)地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型屬氣象型、氣象－水文型，民井一般開(kāi)挖至下伏基巖面為止，水位埋深淺，一般為0～3.5m，年水位變幅0～5.0m，這類(lèi)民井枯季仍有水，但水量明顯減少，流量變化較大。

2.礦坑涌水的主要來(lái)源

礦山開(kāi)采過(guò)程中，為保證正常開(kāi)采需將礦區(qū)地下水降至適時(shí)開(kāi)采平臺(tái)以下。礦坑水位下降后與外圍天然水位形成水位差，使地下水水力坡度加大，流向和流速發(fā)生改變，大量外圍地下水沿巖石裂隙、溶隙或管道向礦坑涌入。根據(jù)分析，涌水來(lái)源主要有4個(gè)方面，即大氣降雨的垂向補(bǔ)給以及周邊地表水、礦坑四周地下水、農(nóng)田灌溉水的入滲補(bǔ)給。

3.礦坑涌水的主要形式及其特點(diǎn)

荔枝山礦區(qū)尚未開(kāi)采，其涌水形式只能根據(jù)巖溶發(fā)育特征分析判斷，據(jù)地面調(diào)查，推測(cè)礦區(qū)主要通過(guò)巖溶裂隙涌水。地下水主要沿區(qū)內(nèi)較發(fā)育的南北向及東西方向巖溶裂隙涌水，地下水通過(guò)采礦坑壁、坑底巖溶裂隙通道以分散或較集中流量涌入采坑。

（三）礦坑涌水量預(yù)測(cè)

1.水文地質(zhì)條件概化

根據(jù)地層巖性及地面調(diào)查結(jié)果，礦區(qū)北西面、南東面地層巖性為石炭系下統(tǒng)（C1）硅質(zhì)巖，少量泥質(zhì)硅質(zhì)巖或硅質(zhì)頁(yè)巖，南西面為燕山期晚期（aμ52b）侵入巖，巖體滲透性差，隔水性能良好，故概化為隔水邊界。礦區(qū)北東面地層巖性為石炭系中統(tǒng)（C2）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖和石炭系上統(tǒng)（C3）灰?guī)r，淺層巖溶發(fā)育，導(dǎo)水性強(qiáng)，富含地下水，為礦區(qū)開(kāi)采疏干排泄地下水的補(bǔ)給區(qū)。

2.參數(shù)計(jì)算

含水層水文地質(zhì)參數(shù)主要為含水層厚度（M）、導(dǎo)水系數(shù)（T）、導(dǎo)壓系數(shù)（a）及滲透系數(shù)（K）。

（1）含水層厚度的確定：經(jīng)過(guò)對(duì)地下水位觀測(cè)、水文地質(zhì)勘探及礦坑開(kāi)采方案分析，含水層厚度按豐、平、枯確定為 H豐=48m、H平=47m、H枯=46m。

（2）礦區(qū)內(nèi)先后對(duì)四個(gè)孔組進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，在透明單對(duì)數(shù)紙上繪制S=f（lgt）關(guān)系曲線圖，用直線解析進(jìn)行分析，在直線取兩點(diǎn)（取在對(duì)數(shù)周期上），圖上量得△S=S2－S1或△S=（S2－S1）/（lgt2－lgt1） ，代入公式 T=0.183Q/△S，求得導(dǎo)水系數(shù)（T），延長(zhǎng)該直線與橫軸相交得，S=0時(shí) t0值，代入公式a=γ2/2.25t0，求得導(dǎo)壓系數(shù)（a）。

其中△S為降深差（m），Q為涌水量（m3/d），γ 為觀測(cè)孔至主孔距離（m），t0為時(shí)間（s），T為導(dǎo)水系數(shù)（m2/d），a為導(dǎo)壓系數(shù)（m2/d）。

各孔組觀測(cè)孔水文參數(shù)見(jiàn)下表1。

表1 各孔組觀測(cè)孔水文參數(shù)

據(jù)本次抽水試驗(yàn)所計(jì)算得參數(shù)，確定荔枝山礦區(qū)導(dǎo)水系數(shù)（T）取639.95m2/d，導(dǎo)壓系數(shù)（a）取1235113m2/d 。

（3）含水層滲透系數(shù)（K）的確定

1）按非穩(wěn)定流計(jì)算滲透系數(shù)K

據(jù)水文地質(zhì)勘探資料及抽水試驗(yàn)結(jié)果，礦區(qū)北側(cè)及北西側(cè)淺層巖溶發(fā)育，利用觀測(cè)孔資料按公式K=T（導(dǎo)水系數(shù)）/M（含水層厚度）計(jì)算各孔段滲透系數(shù)。結(jié)果顯示，礦區(qū)淺層巖溶發(fā)育段滲透系數(shù)較大（10.95～15.16m/d），巖溶弱發(fā)育地帶，其滲透性較小，巖溶發(fā)育具有不均勻性、方向性。

據(jù)上述各孔段滲透系數(shù)分析及參照區(qū)域資料，結(jié)合礦區(qū)巖溶發(fā)育程度，確定含水層滲透系數(shù)取值：

地下水強(qiáng)富水帶，即巖溶發(fā)育段：K=15.16m/d；地下水富水～中等富水帶：K=10.95m/d；地下水中等～弱地帶：K=6.75m/d。

荔枝山礦區(qū)淺層巖溶發(fā)育，充水含水層的滲透系數(shù)具有明顯的不均勻性，根據(jù)計(jì)算要求，應(yīng)作均值概化，根據(jù)礦區(qū)各富水塊段的大小不同，采用面積加權(quán)平均值確定滲透系數(shù)。

其中 Ka——礦區(qū)含水層均化滲透系數(shù)（m/d）；Fi——各富水塊段的面積（km2）；Ki——各富水塊段的滲透系數(shù)（m/d）。

根據(jù)礦坑開(kāi)采到 42m標(biāo)高的影響范圍，總面積約20.18km2，經(jīng)初步分析，各塊段面積分別為9.57、2.32、4.43、3.86km2，代入上式，計(jì)算得Ka= 11.6m/d。

2）按穩(wěn)定流理論計(jì)算滲透系數(shù)K

本次勘查分別對(duì)ZK3、ZK4號(hào)孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)，依孔組試驗(yàn)資料采用潛水完整井公式計(jì)算。K=0.733Q（lgr1-lgrw）/（2H-SW-S1）（SW-S1）。

其中：Q－鉆孔出水量（m3/d）；r1－抽水孔至觀測(cè)孔的距離（m）；rw－抽水井半徑（m）；H－動(dòng)水位到含水層底板厚度（m）；SW－抽水孔水位降深（m）；S1－觀測(cè)孔水位下降值（m）

經(jīng)過(guò)計(jì)算，ZK3號(hào)孔平均滲透系數(shù)為15.01 m/d，ZK4號(hào)孔平均滲透系數(shù)為15.01 m/d。

綜合上述兩種計(jì)算結(jié)果，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，礦區(qū)含水層滲透系數(shù)取K=11.6m/d。

3.礦坑涌水量預(yù)測(cè)

（1）非穩(wěn)定流理論預(yù)測(cè)礦坑涌水量

非穩(wěn)定流方法是在測(cè)知含水層滲透系數(shù)之后，運(yùn)用數(shù)學(xué)公式計(jì)算在給定的開(kāi)采速度下礦井疏干抽水能力，即計(jì)算多長(zhǎng)時(shí)間后當(dāng)水位降到某一深度時(shí)礦井的涌水量。也可以說(shuō)，在給定礦坑規(guī)模后，某一深度多長(zhǎng)時(shí)間抽水后，礦坑的最大涌水量。這是因?yàn)樗幌陆邓俣韧耆Q于抽水能力，而任何一個(gè)過(guò)程都要有時(shí)間經(jīng)歷。非穩(wěn)定流經(jīng)典方程正是給出了涌水量、水位降深與時(shí)間三者之間關(guān)系的方程式。用上節(jié)求得的含水層導(dǎo)壓系數(shù)（a=1235113m2/d），滲透系數(shù)（K=11.6m/d），含水層厚度（h0=48m、47m、46m），計(jì)算采用以下公式。

其中S（rt）－以固定流量抽水時(shí)與礦坑距離為γ處某一時(shí)間t的水位降深（m）；h0－抽水前含水層厚度（m）；Q－礦坑預(yù)測(cè)涌水量（m3）；K－含水層滲透系數(shù)（m/d）；A－導(dǎo)壓系數(shù)（m2/d）；T－抽水時(shí)間（按抽水后第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10…天計(jì)）；ri－各映射井與主井之間的距離（m）。

荔枝山礦區(qū)地處地下水逕流地帶，據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，礦坑北西側(cè)、南東側(cè)為碎屑巖組成的相對(duì)隔水邊界，南西面為燕山期晚期侵入巖組成的相對(duì)隔水邊界，北東面為無(wú)限邊界。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮巖溶發(fā)育的各向異性。可大體概化為2條平行的邊界組成的兩側(cè)受限的含水層，應(yīng)用鏡象法原理（映射井，如圖1計(jì)算簡(jiǎn)圖），為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在此僅進(jìn)行一次映射計(jì)算來(lái)概算礦區(qū)涌水量。

將礦坑開(kāi)采看成一個(gè)大井，礦坑半徑取r1＝311m，北西面邊界映射井距離為r2=1362m；南東側(cè)邊界映射井為r3=3710m。映射后礦區(qū)邊界處水位降S（rt）=主井水位降（S1）+北西側(cè)映射井水位降（S2）+南東側(cè)映射井水位降（S3）。

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表2。

表2 非穩(wěn)定流理論預(yù)測(cè)礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果表

（2）穩(wěn)定流理論預(yù)測(cè)礦坑涌水量

礦坑引用半徑（r0）的確定。礦坑引用半徑按礦坑系統(tǒng)所占范圍加以圈定，并使其等于一假想圓面積，此圓的半徑即為引用半徑。通常情況下不同幾何形態(tài)的礦坑系統(tǒng)引用半徑的計(jì)算公式不同。荔枝山礦坑為不規(guī)則多邊形，共5個(gè)邊，長(zhǎng)軸長(zhǎng)1652.2429m，短軸長(zhǎng)469.668m，礦坑的長(zhǎng)度與寬度的比值為3.52，比值介于3～10之間。

經(jīng)測(cè)得礦坑各邊長(zhǎng)分別為469.668m、567.5041m、

1537.7343m、539.1306m、1652.2429m?？傊荛L(zhǎng) P=4766.2799m。據(jù)圖2及說(shuō)明，按下式計(jì)算。

礦坑涌水量預(yù)測(cè)。按公式Q=2πK（2H-S）S/ln（R/rW）計(jì)算礦坑涌水量見(jiàn)下表3。

表3 穩(wěn)定流理論預(yù)測(cè)礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果表

圖2 引用影響半徑計(jì)算略圖

從表3中可知，隨著開(kāi)采臺(tái)面的下降，不斷抽排地下水，礦坑的涌水量逐漸增大。同時(shí)，由公式可看出，計(jì)算時(shí)將影響半徑當(dāng)成常數(shù)，巖溶發(fā)育是均勻各向同性，因此所計(jì)算的涌水量偏大，不能反映含水層的實(shí)際情況。

（3）穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流預(yù)測(cè)礦坑涌水量結(jié)果對(duì)比分析

采用穩(wěn)定流理論計(jì)算的涌水量比采用非穩(wěn)定流理論計(jì)算的涌水量大3.97～5.22倍。

從理論上分析，穩(wěn)定流預(yù)測(cè)方法幾乎都以裘布依（Dupuit）穩(wěn)定井流理論為基礎(chǔ)，其公式適用于有定水頭供給邊界的島狀含水層，即假設(shè)存在圓形定水頭外邊界。然而現(xiàn)實(shí)中這種圓形定水頭邊界條件顯然不符合荔枝山礦區(qū)的邊界條件；同時(shí)公式中不包括時(shí)間變量，因而將其用于大規(guī)模開(kāi)發(fā)地下水后所引起的降落漏斗的擴(kuò)展以及地下水位的動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

荔枝山礦區(qū)開(kāi)采過(guò)程中，含水層中地下水的運(yùn)動(dòng)，受自然因素和人為因素的影響，其流量、水位是隨著空間坐標(biāo)和時(shí)間的不同而發(fā)生變化的。非穩(wěn)定流預(yù)測(cè)涌水量即是考慮空間、時(shí)間變化的理論預(yù)測(cè)。巖溶區(qū)地下水的非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)是普遍的，比較符合實(shí)際。

（四）結(jié)束語(yǔ)

本文是在實(shí)際工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)，介紹了石灰?guī)r礦山水文地質(zhì)的基本工作及礦坑涌水計(jì)算過(guò)程。通過(guò)水文地質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)合分析水文地質(zhì)條件，確定了水文地質(zhì)計(jì)算參數(shù)，以對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算；此外，根據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)，還可以對(duì)礦坑疏干排水影響范圍、影響方式、影響程度進(jìn)行分析計(jì)算，為今后礦坑排水工作及防治方案等指明了方向。

[1] 水文地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社,1983.

P641.1

A

1008-1151(2011)03-0070-03

2010-12-27

孟祥宇（1985－），男，吉林乾安人，廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院助理工程師，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的勘察設(shè)計(jì)工作。