利用“鏡像法原理”估算礦坑涌水量

龔志勇

(湖北非金屬地質(zhì)公司,湖北 武漢 430030)

利用“鏡像法原理”估算礦坑涌水量

龔志勇

(湖北非金屬地質(zhì)公司,湖北 武漢 430030)

礦坑涌水量預(yù)測是礦床水文地質(zhì)調(diào)查的核心任務(wù),也是一項復(fù)雜工作。“鏡像法原理”利用虛井把有界含水層的解和無界含水層的解聯(lián)系起來,后者有現(xiàn)成的解析解,從而使有界含水層的求解就比較容易了。該方法在陽新縣銀山鉛鋅礦深部詳查中的應(yīng)用,證明是可行和實用的。

礦坑涌水量;鏡像法;隔水邊界;鉛鋅礦

鏡像法原理(也叫映像法原理)是指把邊界當(dāng)作一面“鏡子”來影射實際存在的井(實井),在鏡內(nèi)(即在邊界的另一側(cè))對稱位置上成像的一虛構(gòu)井(虛井),將虛井代替邊界的作用(圖1)。于是就將有界含水層的井流計算問題簡化成為無界含水層中干擾井群的計算問題。本方法的應(yīng)用以湖北省陽新縣銀山礦區(qū)鉛鋅礦深部詳查[1]為例進行敘述。

1 礦區(qū)自然地理概況

銀山礦區(qū)鉛鋅礦位于湖北省陽新縣興國鎮(zhèn)。礦區(qū)地處江南低山丘陵盆地地貌單元,礦區(qū)地形為中間高四周低,形似孤山,最高標(biāo)高314.42 m,最低點標(biāo)高44.24 m。礦區(qū)及四周構(gòu)成較為完整的水文地質(zhì)單元,地形有利于地表水、地下水向四周排泄。當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高為44.24 m(位于礦區(qū)北東下董村南部)。

2 礦區(qū)含、隔水層劃分

2.1 寒武系中、上統(tǒng)(∈2-3)溶蝕裂隙含水層

主體分布于礦區(qū)7-9線之間,其巖性為中—厚層狀含泥質(zhì)白云巖,厚度不詳。

2.2 志留系中統(tǒng)墳頭組(S2fn)相對隔水層

深部鉆孔常見為主礦體的底板,巖性為薄層狀頁巖、粉砂巖夾薄層細(xì)砂巖,受斷層影響,巖石破碎。出露最大厚度195 m。泉流量0.053～0.78 L/s。

2.3 石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2hn)溶蝕裂隙含水層

上部為灰?guī)r段,下部為白云巖段,白云巖段厚25～40 m,灰?guī)r段厚約70 m。鉆孔揭露,黃龍組在淺部大都被斷層切割成角礫巖,被礦液充填交代成為礦體,或為礦體的頂、底板;在深部則保留較好,不見工業(yè)礦體。

圖1 直線隔水邊界鏡像原理圖

Fig.1 Diagram of the mirror principle of the line confining boundary

2.4 二疊系(P)灰?guī)r溶蝕裂隙含水層

(1) 二疊系下統(tǒng)棲霞組,按巖性組合可分為梁山段和灰?guī)r段。

梁山段(P1l),以灰白色石英砂巖為主,局部夾粉砂巖及劣質(zhì)煤,此層均已石英化,受斷層影響,巖石極破碎。地表出露厚約0～28 m。

灰?guī)r段(P1q),按巖性分為3層:

第一層(P1q1),中厚層狀炭質(zhì)灰?guī)r,局部為薄層泥質(zhì)、炭質(zhì)灰?guī)r,分布少量燧石結(jié)核,抽水試驗,鉆孔單位涌水量為0.062 2 L/s·m,富水性弱。厚約35～40 m;

第二層(P1q2),中厚層狀,局部為薄層狀燧石結(jié)核灰?guī)r,厚約40～50 m;

第三層(P1q3),厚層狀含燧石結(jié)核生物碎屑灰?guī)r,燧石分布無規(guī)律。厚20～30 m。

(2) 二疊系下統(tǒng)茅口組,可分為四層:

第一層(P1m1),含泥燧石條帶灰?guī)r,薄—中厚層狀,厚約40 m;

第二層(P1m2),厚層狀含燧石結(jié)核生物碎屑灰?guī)r,燧石結(jié)核含量較少,厚約54 m;

第三層(P1m3),厚層狀燧石結(jié)核灰?guī)r,燧石結(jié)核含量極多,厚約40 m左右;

第四層(P1m4),厚層狀灰?guī)r,含少量燧石結(jié)核,厚約30～50 m。

(3) 二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l):下部為薄層硅質(zhì)巖夾泥質(zhì)、炭質(zhì)頁巖、細(xì)砂巖,上部為中厚層狀燧石結(jié)核灰?guī)r,厚10～50 m。

2.5 三疊系(T)相對隔水層

僅出露下統(tǒng)大冶組(T1d)下部地層,巖性為頁巖、鈣質(zhì)頁巖夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r。厚度不詳。

3 礦床充水因素

3.1 大氣降水

大氣降水為區(qū)內(nèi)地下水的總補給源。其補給大小,主要決定于地形和巖性,并受地質(zhì)構(gòu)造和隔水邊界的制約。區(qū)域內(nèi)碳酸鹽類地層分布較廣,裸露地表,巖溶發(fā)育,降水可直接通過溶洞、溶蝕性裂隙以及溶斗、落水洞補給基巖地下水。

3.2 溶蝕裂隙水

礦區(qū)內(nèi)地下水類型為溶蝕裂隙水,主要賦存在二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)和茅口組(P1m)灰?guī)r中。裂隙發(fā)育程度大體決定了水力聯(lián)系強度,但基本上構(gòu)成了一個統(tǒng)一的裂隙含水體,可對礦體形成直接充水。礦體開挖后形成礦坑,礦坑的疏干排水活動將導(dǎo)致裂隙水的徑流運移和裂隙水水位變化,最終向礦坑匯集。因此溶蝕裂隙水是礦坑充水的重要來源之一。

3.3 地表水

董姓灣水庫:位于礦區(qū)西北邊緣11線附近,為當(dāng)?shù)刈畲蟮牡乇硭w,堤壩頂標(biāo)高94.8 m,最大壩高21.7 m,承雨面積2.61 km2,最大庫容量351萬m3,豐水期水位92.07 m,枯水期76 m。在本次工作期間,水庫水位較低,水深只有3～5 m。水庫坐落在沖溝洪積亞粘土之上,下伏基巖由南到北有二疊系上、下統(tǒng)灰?guī)r及銀山斷裂F0與F1之間出露的志留系砂頁巖,以及寒武系中、上統(tǒng)塊狀結(jié)晶白云巖。天然條件下匯集降水和周圍基巖地下水,由于西部有F0、F1、 F18、F5、F20五條斷層延伸到庫區(qū),因此,庫水可作為西區(qū)地下水補給源向礦床充水。

4 礦坑涌水量估算

4.1 水文地質(zhì)邊界及水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型

由于本次深部詳查工作階段的工業(yè)鉛鋅礦體大部分均埋藏于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下,根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)特點,未來礦坑水主要為頂板直接充水,由志留系砂巖和火成巖組成,構(gòu)成巖溶裂隙含水層的東部隔水邊界。另外,又因礦區(qū)一帶礦床主要充水層巖溶發(fā)育程度一般,地下水類型主要屬巖溶裂隙潛水,雖不排除其含、富水性存在局部不均一的情況,但為簡化計算,故在按地下水動力學(xué)法對未來礦坑涌水量計算中,仍采用均質(zhì)、層流運動的數(shù)學(xué)模型予以計算,具體見圖2、圖3。

圖2 +57 m中段水文地質(zhì)概化模型示意圖

Fig.2 Schematic view of hydro-geological conceptual model in the +57 m level

1.地層代號;2.隔水邊界;3.礦體。

圖3 礦區(qū)水文地質(zhì)概化模型剖面示意圖

Fig.3 Mining sectional schematic diagram of the hydro-geologicalconceptual model

1.棲霞組第二層;2.棲霞組第一層;3.梁山段;4.黃龍組破碎帶;5.志留系中統(tǒng)墳頭組;6.地質(zhì)界線;7.斷層及編號;8.抽水前水位線;9.抽水后水位線;10.抽水孔及編號;11.巷道;12.含水層;13.相對隔水層。

4.2 計算方法和參數(shù)的來源

本礦區(qū)在深部詳查過程中,對SK1(ZK51)孔的含水層進行了混合段抽水試驗,上述鉆孔的抽水試驗成果,為采用地下水動力學(xué)法估算礦坑涌水量提供了資料依據(jù)。

在本礦區(qū),有已施工的主井和風(fēng)井組成坑道系統(tǒng)的排水資料可作為比擬依據(jù)。該坑道為斜井結(jié)合平巷開拓系統(tǒng),目前坑道最低開拓標(biāo)高已達(dá)+57 m。該坑道系統(tǒng)揭露地層包括P1q1、P1l、Br(破碎帶角礫巖)、S2fn等?？拥浪饕獊碓从陧敯逯苯踊蜷g接進水。目前,礦坑水匯集于+57 m中段三個水倉中,然后用水泵抽到+72 m中段,自然排出地表。礦床地下水類型亦屬于巖溶裂隙潛水。目前+57 m標(biāo)高巷道開拓范圍為7 690 m2,具有一定的可比性,故在本礦區(qū)深部礦坑涌水量預(yù)測中,亦以已有+57 m中段坑道系統(tǒng)排水量的觀測資料為依據(jù),采用水文地質(zhì)比擬法對下一開拓標(biāo)高的礦坑涌水量進行估算預(yù)測?，F(xiàn)按上述兩種計算方法分別敘述如下。

4.2.1 地下水動力學(xué)法

(1) 計算依據(jù)及計算公式的確定。為較全面地反映本礦區(qū)礦床主要含水層的含、富水性,在涌水量預(yù)測中,對主要水文地質(zhì)參數(shù)之一的滲透系數(shù)值亦以礦區(qū)內(nèi)已有抽水試驗成果資料來確定。

對進入礦坑的水量(Q)預(yù)測概化為潛水完整井和東邊邊界為隔水邊界的模型,根據(jù)“鏡像法原理”,礦坑開采系統(tǒng)的涌水量計算式[2]為:

(2) 計算參數(shù)及其統(tǒng)計計算方法。

① 含水層的滲透系數(shù)K:據(jù)本礦區(qū)SK1(ZK51)鉆孔抽水試驗確定,K=0.139 4 m/d。

② 潛水含水層厚度H:據(jù)礦區(qū)含水層厚度的平均值確定,H=110 m。

④ 坑道降到0 m中段時水位降深S:據(jù)各勘探孔的靜止水位標(biāo)高的平均值為130 m,則S=130-0=130 m。

⑥ 涌水量預(yù)測計算范圍礦坑排水系統(tǒng)含水層的引用影響半徑R0:

R0=r0+R=48+1 018=1 066 m。

⑦ 抽水井至東邊隔水邊界的距離a:取平均值得a=42.00 m。

4.2.2 水文地質(zhì)比擬法

(1) 計算依據(jù)及計算公式的確定。以本礦區(qū)+57 m標(biāo)高坑道開采系統(tǒng)目前排水資料為依據(jù),現(xiàn)階段坑道開拓范圍面積7 690 m2。目前坑道系統(tǒng)實測最大總涌水量為850 m3/d,正常值為625 m3/d,最大值與正常值之比為1.36。該坑道開采主要對象與深部開采的主要對象是同一礦體,因而具有較大的可比性。

對本礦區(qū)深部采用水文地質(zhì)比擬法估算礦體資源量分布范圍礦坑開采系統(tǒng)涌水量(Q),計算公式[3]為:

(2) 計算參數(shù)及來源。

① 比擬依據(jù)的+57 m標(biāo)高坑道系統(tǒng)總涌水量Q0:據(jù)2012年1月—2014年5月間礦山坑道的抽(排)礦坑水資料統(tǒng)計,最大值為850 m3/d,正常值為625 m3/d。

② +57 m標(biāo)高坑道系統(tǒng)目前已開拓范圍面積F0:據(jù)坑道開拓系統(tǒng)平面圖,用電腦圈定為7 690 m2。

③ 設(shè)計坑道0 m標(biāo)高涌水量估算范圍面積F:與地下水動力學(xué)法計算的F取值相同,即為7 315 m2。

④ +57 m標(biāo)高坑道水位降深S0:各勘探孔的靜止水位標(biāo)高的平均值為130 m,則S0=130-56.61=73.39 m。

⑤ 設(shè)計坑道0 m標(biāo)高時的水位降深S:S=130 m。

4.2.3 礦坑涌水量預(yù)測計算結(jié)果及簡評

如前所述,分別采用地下水動力學(xué)法和水文地質(zhì)比擬法分別對礦體0 m標(biāo)高資源量分布范圍礦坑開采系統(tǒng)涌水量予以估算,計算結(jié)果見表1。

表1 礦坑涌水量估算結(jié)果表

通過對比上述兩種方法計算結(jié)果,不難看出,其計算結(jié)果相差不大,估算結(jié)果基本可靠。

5 使用過程中應(yīng)注意的問題

(1) 概化模型時,屬于哪一類邊界(補給邊界和隔水邊界),要根據(jù)具體的水文地質(zhì)條件來確定。

(2) 公式適用范圍:僅適用于2a

(3) 套用公式時,需注意對式中的抽水井半徑rw換算成礦坑系統(tǒng)引用半徑r0,影響半徑R換算成引用影響半徑R0。

(4) 邊界線往往是不規(guī)則的,為了便于計算,一般將其簡化為直線。

6 結(jié)論

“鏡像法原理”在“陽新縣銀山礦區(qū)鉛鋅礦深部詳查”中的應(yīng)用證明,只要對礦區(qū)的水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型概化清楚,區(qū)分潛水和承壓水,邊界條件的概化明確,就可以將有界含水層的井流計算問題簡化成為無界含水層中干擾井群的計算問題,最終為礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測起到“事半功倍”的效果。

[1] 易承生,龔志勇.湖北省陽新縣銀山礦區(qū)深部詳查報告[R].武漢:湖北非金屬地質(zhì)公司,2015.

[2] 薛禹群,朱學(xué)愚,吳吉春,等.地下水動力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1997.

[3] 房佩賢,衛(wèi)中鼎,廖資生,等.專門水文地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1996.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

Estimation of Pit Water Inflow Using Mirror Method Principle

GONG Zhiyong

(HubeiNonmetallicGeologicalCompany,Wuhan,Hubei430030)

Prediction of pit water inflow is the core task of hydrogeology survey,which is a complex work.Mirror method principle makes use of the imaginary wells to connect the solutions of bounded aquifer and the solution of an unbounded aquifer.The latter has an existing analytical solution,thereby solving bounded aquifers easier.Application of the method in the deep detailed investigation report of Yangxin county Yinshan lead-zinc deposit is proved to be feasible and practical.

pit water inflow; mirror method; impervious boundary; lead-zinc deposit

2016-05-11;改回日期:2016-07-15

龔志勇(1985-),男,工程師,水文與水資源專業(yè),從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查與評價工作。E-mail:592250221@qq.com

P641.4+1

A

1671-1211(2017)01-0056-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.009

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1410.018.html 數(shù)字出版日期:2016-12-08 14:10