上莊礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測

楊廣立

（招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦，山東 招遠(yuǎn) 265402）

礦井涌水量不僅是礦床開采技術(shù)條件的重要組成部分，還關(guān)乎礦井的安全生產(chǎn)，因此，較為準(zhǔn)確的預(yù)測礦井涌水量，對指導(dǎo)礦井的安全和高效生產(chǎn)有重大意義。國內(nèi)外相關(guān)專家也是在這方面做了許多研究。連會青等通過分析相關(guān)文獻(xiàn)，對礦井涌水量的預(yù)測方法和和適用性進(jìn)行了評價(jià)[1]，溫文富等分析了解析法和比擬法在涌水量預(yù)測中的應(yīng)用[2]，段儉君等探討了在涌水量預(yù)測中應(yīng)用相關(guān)分析法來分析[3]，于孝民等應(yīng)用數(shù)值法和大井法對司家營鐵礦進(jìn)行了涌水量預(yù)測[4]。還有其他相關(guān)專家也做過相關(guān)分析。為了給本礦安全生產(chǎn)提供依據(jù)，本文在分析礦井水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，探討了采用大井法和水文地質(zhì)比擬法來預(yù)測礦坑涌水量。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

礦區(qū)位于山東省招遠(yuǎn)市西北方向30km處，行政區(qū)劃隸屬招遠(yuǎn)市辛莊鎮(zhèn)管轄（鎮(zhèn)政府駐地西南10km）。區(qū)域地層劃分屬魯東地層分區(qū)，在區(qū)域大地構(gòu)造位置上，處于華北陸塊(Ⅰ)，膠遼隆起區(qū)(Ⅱ)，膠北隆起(Ⅲ)，膠北斷隆(Ⅳ)，膠北凸起(Ⅴ)的西北部，西臨沂沭斷裂帶，北鄰龍口斷陷盆地，基底由呈東西展布的新太古代膠東巖群變質(zhì)巖系構(gòu)成，區(qū)內(nèi)地層簡單，斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖漿巖廣布。區(qū)域內(nèi)出露地層有新太古界膠東巖群、新生界古近系五圖群和新生界第四系。區(qū)內(nèi)以斷裂構(gòu)造發(fā)育為其突出特征，按其展布方向的差異將其大致分為北東向和近南北向兩組。區(qū)內(nèi)巖漿巖廣布，約占總面積的60%以上，主要為中生代玲瓏序列，大面積展布；新太古代五臺—阜平期馬連莊序列、棲霞序列(原劃為膠東群)分布于焦家斷裂帶以西；中生代燕山晚期郭家?guī)X巖體侵入燕山早期玲瓏序列內(nèi)，區(qū)內(nèi)派生脈巖不甚發(fā)育。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)地處焦家斷裂帶北段，大部分為第四系松散沉積物覆蓋，巖漿巖廣布，斷裂構(gòu)造發(fā)育。區(qū)內(nèi)出露新生界第四系地層廣泛分布，除東部丘陵區(qū)有部分基巖出露外，其余均被第四系覆蓋。新太古代膠東巖群呈殘留體狀分布于巖漿巖中。區(qū)內(nèi)以北東向斷裂構(gòu)造發(fā)育為特點(diǎn)，主要分布有焦家斷裂及與其配套的東莊子斷裂、侯家斷裂、望兒山斷裂。區(qū)內(nèi)以望兒山斷裂為界，以西為中生代燕山早期玲瓏序列，以東為中生代燕山晚期郭家?guī)X序列，新太古代馬連莊序列零星分布。

區(qū)內(nèi)脈巖相對不發(fā)育，主要以煌斑巖、輝綠巖、閃長玢巖、石英脈為主，呈北北東或南北向產(chǎn)出。區(qū)內(nèi)沿?cái)嗔褬?gòu)造帶圍巖蝕變作用發(fā)育，主要有鉀長石化(紅化)、黃鐵絹英巖化、硅化和碳酸鹽化等，蝕變的強(qiáng)度和規(guī)模取決于斷裂、裂隙的性質(zhì)和礦液動(dòng)力的強(qiáng)度。其特點(diǎn)是：蝕變作用延續(xù)時(shí)間長，各蝕變作用相互疊加，蝕變分帶明顯，各帶之間為漸變關(guān)系。

3 礦坑涌水量預(yù)測

礦體賦存于構(gòu)造裂隙含水帶中，因此構(gòu)造裂隙含水帶中的地下水為礦坑充水的主要來源，構(gòu)造裂隙含水帶的頂?shù)装鍨榛◢弾r隔水層，大氣降水僅在地表淺部通過第四系巖層和花崗巖風(fēng)化裂隙含水層補(bǔ)給構(gòu)造裂隙含水帶，為礦坑充水的間接補(bǔ)給來源。

礦坑充水主要來自淺部上覆第四系含水層及基巖風(fēng)化裂隙含水層，補(bǔ)給帶寬度較窄，補(bǔ)給條件較差。由于下盤弱富水巖層的透水性、富水性較弱，為了減化條件，便于計(jì)算，將其視為水平分布無限邊界承壓含水層。開采條件下，下盤弱富水巖層是礦床充水的直接來源。

礦床開采過程中會在下盤弱含水帶中施工較為復(fù)雜的坑道系統(tǒng)。第一開拓水平應(yīng)主要在-780m左右。本次研究根據(jù)礦體分布的總體情況，選擇長度、深度代表性較強(qiáng)的望兒山構(gòu)造蝕變帶中③-12號礦體預(yù)測礦坑開拓初期的涌水量和最大涌水量。決定選擇-780m中段預(yù)測做為礦山開拓初期的代表性礦坑涌水量，選擇③-12號礦體-1555m中段預(yù)測礦山開采期內(nèi)的最大涌水量。

考慮到礦坑排水量是多種復(fù)雜因素綜合作用的代表，選擇大井法和水文地質(zhì)比擬法預(yù)測礦坑的涌水量。

3.1 大井法

選擇承壓完整井穩(wěn)定流計(jì)算公式來預(yù)測。由于327ZK3鉆孔完全穿過賦存礦體周邊的含水帶，含水帶上有隔水層且厚度較大，底板埋深-1000m以下，且為裂隙水，因此，確定采用大井法估測礦坑涌水量，并選擇承壓完整井公式：

式中：Q—預(yù)測礦坑涌水量（m3/d）；

S-預(yù)測坑道的水位降深值（m）；

k-滲透系數(shù)（m/d）；

m-含水層厚度（m）；

R-影響半徑（m）；

r0-大井引用半徑（m）；

R0-大井引用影響半徑 (m)。

根據(jù)已有資料分析，靜水位采用水文孔327ZK3抽水試驗(yàn)前后觀測的平均值標(biāo)高為-38.7m。降深采用從靜止水位至預(yù)測礦坑底板的垂直距離，即-780m中段水位降深S1=741.3m、-1555m中段水位降深S2=1516.3m。滲透系數(shù)-780m中段預(yù)測采用水文孔327ZK3上盤抽水試驗(yàn)含水層最大滲透系數(shù)k1=0.00111m/d，-1555m中段預(yù)測采用水文孔327ZK3上下盤含水層混合抽水試驗(yàn)最大滲透系數(shù)k2=0.000974m/d，含水層厚度利用327ZK3鉆孔抽水試驗(yàn)中含水層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)求得，即-780m中段預(yù)測采用水文孔上盤含水層厚度m1=489.6m、-1555m中段預(yù)測采用水文孔上下盤含水層厚度m2=620.5m等。根據(jù)各種數(shù)據(jù)，可以得到，采用大井法預(yù)測的-780m標(biāo)高的礦坑涌水量為1840.34m3/d；③-12號礦體-1555m中段的礦坑涌水量為2833.17m3/d，根據(jù)鄰近采礦權(quán)多年的開采經(jīng)驗(yàn)，平均排水與豐水期最大月平均排水量的相關(guān)系數(shù)約為1.6，則③-12號礦體-1555m中段的最大礦坑涌水量為4533.07m3/d。

3.2 水文地質(zhì)比擬法

礦床與所比的望兒山斷裂帶-780m中段礦坑在同一個(gè)礦區(qū)、距離相近、含水層巖性、富水性、地下水賦存狀態(tài)、水力特征十分相近，只是在深度和范圍有一定差異，根據(jù)上莊采礦權(quán)以往礦山排水量統(tǒng)計(jì)簡表以及《山東省招遠(yuǎn)市上莊礦區(qū)金礦資源儲量核實(shí)報(bào)告》，2014年、2015年以后，隨開采面積的增加，涌水量增加不大，趨于穩(wěn)定，隨開拓深度的增加而涌水量有所增加，因此開采面積對涌水量的影響可忽略不計(jì)。根據(jù)這一特征采用比擬法進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測：

公式：

式中：Q—預(yù)測涌水量（m3/d）；

Q0—已知平均涌水量（m3/d）；

S—設(shè)計(jì)巷道預(yù)測水位下降值（m）；

S0—已知水位下降值（m）。

根據(jù)已有資料分析，Q0采用上文所述礦井涌水量計(jì)算值1894m3/d。S采用從靜止水位至預(yù)測礦坑底板的垂直距離，即-1555m中段水位降深S=1516.3m，S0采用從靜止水位至-780m中段水位降深即S0=741.3m。

所以，

據(jù)坑道排水資料，最大礦坑排水量為4990 m3/d，采用此值預(yù)測礦坑最大涌水量。

最大涌水量

因此，采用水文地質(zhì)比擬法預(yù)測的③-12號礦體-1555m中段的礦坑涌水量為2709.79m3/d，最大涌水量為7136.68m3/d。

3.3 預(yù)測結(jié)果分析

大井法是依據(jù)水文孔327ZK3的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)際開采存在較大差異，參數(shù)的代表性較差，因此預(yù)測結(jié)果精度較差。比擬法是利用位于本礦權(quán)范圍內(nèi)的上莊礦區(qū)望兒山斷裂帶-780m中段礦坑的排水資料進(jìn)行比擬的，地理位置相近，水文地質(zhì)條件相同，只是礦坑標(biāo)高和長度有所差異，可比性較強(qiáng)。

預(yù)測的礦坑涌水量是多種水文地質(zhì)因素的綜合體現(xiàn)，代表性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高。代表著礦坑的實(shí)際涌水量，可做為礦山開采設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

預(yù)測的實(shí)際汛期涌水量代表了礦坑涌水量受大氣降水、拓進(jìn)中揭露張性裂隙帶等多種情況下的實(shí)際礦坑涌水量，基本代表了礦坑的實(shí)際最大涌水量。因此，最終估算結(jié)果采用比擬法預(yù)測的礦坑涌水量。

4 結(jié)論

通過分析已有的水文地質(zhì)資料，分別采用了大井法和水文地質(zhì)比擬法預(yù)測了礦坑用水量，并分析結(jié)果，采用比擬法作為最終的涌水量計(jì)算值。由于估測結(jié)果是在現(xiàn)有開采條件下取得的，如改變開采條件或礦床的邊界條件，則礦坑的實(shí)際涌水量也得隨之改變。本次涌水量預(yù)計(jì)結(jié)果將為礦井的安全高效開采提供依據(jù)。