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    淺談大井法在礦山涌水量計(jì)算中的使用

    2020-02-25 02:14:58寧鳳娟
    世界有色金屬 2020年23期
    關(guān)鍵詞:涌水量灰?guī)r含水層

    寧鳳娟

    (貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊(duì),貴州 六盤水 553000)

    我們平時(shí)工作中,在礦山儲(chǔ)量核實(shí)、開采設(shè)計(jì)方案、詳查設(shè)計(jì)方案等方面,均要對(duì)礦山進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查工作,預(yù)測(cè)礦坑涌水量,為礦床開采提供設(shè)計(jì)依據(jù),它對(duì)選擇采礦方法,確定排水設(shè)備能力和排水方案、制定探水防水措施都有著重要的意義。礦山涌水量常用的計(jì)算方法有水均衡法、水文地質(zhì)比擬法、“大井法”、大氣降水入滲法等,由于各種方法的適用條件不盡相同,所以在實(shí)際工作中,可以根據(jù)水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度,以及實(shí)際工作的程度等方面來確定。其中“大井法”在近似穩(wěn)定流中較為常用,通過概化礦區(qū)水文地質(zhì)條件,構(gòu)造理想化數(shù)字模型,然后求取礦坑涌水量,具有廣泛的適用性。

    1 涌水量影響因素

    在礦山涌水量計(jì)算中,很多因素都會(huì)對(duì)涌水量的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,因此,需要采用三種及以上的方法來求取數(shù)據(jù),通過水文地質(zhì)條件以及礦體的分布特征、礦區(qū)的平面形態(tài)等綜合分析對(duì)比,選取更貼合實(shí)際礦床的計(jì)算結(jié)果。涌水量計(jì)算的影響因素,經(jīng)過前人總結(jié)分析有:①降水量。當(dāng)?shù)V區(qū)為露天開采時(shí),礦坑涌水量主要來源于大氣降水,降水量對(duì)涌水量計(jì)算結(jié)果的影響更為明顯和突出,當(dāng)降水量處于動(dòng)態(tài)變化的情況下時(shí),涌水量也會(huì)隨之產(chǎn)生一定的變化。②產(chǎn)量與開采面積。不同的礦井內(nèi)存在產(chǎn)量和開采面積的區(qū)別,在涌水量計(jì)算的過程中,這些因素同樣是需考慮的因素,當(dāng)開采面積和產(chǎn)量逐步增大的情況下,一旦含水介質(zhì)空間與頂板含水層結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變,涌水量就會(huì)出現(xiàn)一定的變化,因?yàn)樵谶@一條件下,涌水量對(duì)地下水靜儲(chǔ)量存在一定的消耗,而消耗的同時(shí)也接受地下水的補(bǔ)給,涌水量呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。③采掘作業(yè)。礦井在采掘工作不斷進(jìn)行的過程中,地下水靜儲(chǔ)量會(huì)隨之減少,當(dāng)?shù)V井涌水主要是由地下水補(bǔ)給實(shí)現(xiàn)的,地下水接受補(bǔ)給量日漸平穩(wěn)的情況下,礦井涌水量也相對(duì)平緩,變化不大。④地質(zhì)構(gòu)造。隨著礦山地表、地下的開采作業(yè),巷道連通,往往難以保持礦區(qū)地質(zhì)地形的原貌,對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的破壞使得涌水量增加。

    2 “大井法”的基本原理和計(jì)算公式

    在礦井涌水量計(jì)算中,大井法是一個(gè)應(yīng)用比較普遍的方法,因?yàn)樵诘V床疏干的過程中,會(huì)伴隨著嚴(yán)重的礦井涌水現(xiàn)象,該現(xiàn)象使得周圍水位逐步降低,當(dāng)呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)以后,基本上可以認(rèn)定在以礦坑為中心所形成的地下輻射流場(chǎng)周邊,已然達(dá)到了穩(wěn)定井流的條件。事實(shí)上,在利用大井法進(jìn)行礦坑用水量計(jì)算時(shí),往往會(huì)將礦區(qū)水平坑道系統(tǒng)所占面積等價(jià)于理想的大井面積相等,并保持坑道系統(tǒng)涌水量與大井涌水量相一致[2]。其計(jì)算公式如下:

    上式為潛水完整井裘布依公式,式中,Q 代表的是礦井涌水量(m3/d),K 和S、H 分別為含水層滲透系數(shù)(m/d)、水位降深值(m)、水頭高度(m),而R 和R0分別為影響半徑(m)和引用影響半徑(m),r0為引用半徑(m)。

    3 礦井概況

    以某礦山作為研究對(duì)象,該礦區(qū)地勢(shì)總體北西高、南東低,最高海拔標(biāo)高2190m;最低點(diǎn)海拔標(biāo)高1763m,相對(duì)高差427m,一般海拔1800m~2000m,屬中低山地貌。

    3.1 礦區(qū)補(bǔ)徑排條件

    該礦區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)北西高、南東低的特征,礦體呈陡傾斜脈狀產(chǎn)出,走向320°~345°,傾向北東,傾角70°~90°。礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源于大氣降水。補(bǔ)給方式主要通過礦區(qū)內(nèi)大面積分布的巖溶裂隙、漏斗、落水洞、洼地及地表露天采場(chǎng)形成的洼陷等通道滲入或灌入地下補(bǔ)給地下水。在地下經(jīng)最短距離的徑流后,大部分地下徑流在不同含水性的地層界面、含水層受強(qiáng)烈切割處、低洼河(溝)谷地帶、采礦坑道等排泄于地表,補(bǔ)給地表水,又經(jīng)地表水體排泄,最終注入北盤江。綜合現(xiàn)場(chǎng)水文情況的調(diào)查,該區(qū)屬于地下水的補(bǔ)給區(qū)域,且碳酸鹽巖廣分布,地下巖溶發(fā)育。

    3.2 含水層特征和富水性評(píng)價(jià)

    礦區(qū)出露地層由老到新有石炭系下統(tǒng)上司組(C1sh)、上至下統(tǒng)擺佐組(C1-2b)、石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h)、第四系(Q),地表為丘峰洼地與峰叢谷地為特征的巖溶地貌,其中發(fā)育暗河、溶斗、溶洞等巖溶微地貌形態(tài)。各巖層含水性分述如下[3]:

    石炭系下統(tǒng)上司組(C1sh):為灰色中厚層灰?guī)r,夾薄層泥灰?guī)r,中下部見白云巖,上部含燧石條帶和結(jié)核、硅質(zhì)條帶等,厚100m。礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)泉水點(diǎn),富水性強(qiáng)。

    上至下統(tǒng)擺佐組(C1-2b):上部為深灰色厚層狀石灰?guī)r,沿層面有燧石條帶和團(tuán)塊產(chǎn)出,頂部常見4m~6m 厚條帶狀灰?guī)r,中部為中厚層至厚層狀灰?guī)r,層間常夾大量燧石條帶,并見生物碎屑灰?guī)r和同生角礫狀灰?guī)r,下部為底部含泥質(zhì)較重,本層有部分白云巖為鐵礦主要含礦層。厚約200m。礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)泉水點(diǎn),富水性強(qiáng)。

    石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h):上部為厚層致密灰?guī)r及白云巖,含大量硅質(zhì)結(jié)核、燧石結(jié)核或條帶,并有一層數(shù)米至十余米厚的生物碎屑灰?guī)r,中部為中厚層灰?guī)r及白云巖,含少量硅質(zhì)結(jié)核,下部為中厚層灰?guī)r,底部有10m~20m 厚的燧石條帶灰?guī)r,本層為主要的含鐵礦層,厚200m。富水性強(qiáng),為含水層。

    第四系(Q):淺黃色、褐黃色粘土,含礫亞粘土、厚0m~7m。主要分布在溝谷褐巖溶洼地內(nèi)。為孔隙水,富水性弱,透水性強(qiáng)。

    4 礦井涌水量計(jì)算和預(yù)測(cè)

    根據(jù)對(duì)該礦山實(shí)際情況、巖性、地表水體、分水嶺等分布情況進(jìn)行調(diào)查和分析,該礦床的地下水徑流、排泄區(qū)為一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元,在該礦井內(nèi)的含水介質(zhì)具有以下的特征:主要充水含水層含水介質(zhì)主要為溶蝕裂隙和小規(guī)模溶洞溶孔的組合,巖溶發(fā)育對(duì)該礦井的含水介質(zhì)產(chǎn)生了非常大的影響,且整個(gè)巖層中的含水性呈現(xiàn)出不規(guī)律的分布特征[4]。

    在該礦井涌水量計(jì)算中,使用了大井法,為保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,往往需將整個(gè)礦井巷道系統(tǒng)作為圓形大井,且將該含水層作為一單一潛的含水層,在該計(jì)算中暫不考慮地表水的影響,假定存在S=H 的前提件,那么,根據(jù)計(jì)算公式:

    在上式中,存在:

    其中,公式中的各個(gè)參數(shù)與上述一樣,F(xiàn) 代表的是第一開采水平面積。

    在涌水量的計(jì)算過程中,為保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,重點(diǎn)是要進(jìn)行公式中每個(gè)參數(shù)的選取。首先,在滲透系數(shù)選取上,通過對(duì)礦山的水文孔進(jìn)行抽水試驗(yàn),取抽水試驗(yàn)中含水層滲透系數(shù)的平均值;在充水層潛水水位高度H 的取值方面,取的是抽水鉆孔實(shí)測(cè)充水層靜止水位高度的平均值。大井半徑r0取值時(shí),利用第一開采水平面積,根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算。影響半徑R 取值時(shí),需依據(jù)特定的計(jì)算公式來獲得,因?yàn)橐阎畬訚B透系數(shù)K,依據(jù)庫(kù)薩金公式,得出R 取值。引用影響半徑在影響半徑和大井半徑已知的情況下,可以獲得最終取值。根據(jù)這些取值結(jié)果,最終可以求取礦區(qū)涌水量。

    5 存在的問題及解決措施

    大井法在礦井涌水量的計(jì)算過程中,創(chuàng)造的是一個(gè)相對(duì)理想化的模型,當(dāng)?shù)V井地下水為均質(zhì)的含水層時(shí),這一計(jì)算方法所獲得的計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確,但很多礦井的條件特殊,并不一定都是均質(zhì)的含水層,有很多的礦井為非均質(zhì)裂隙含水帶,當(dāng)在計(jì)算中將這些礦井作為均質(zhì)含水層處理時(shí),所計(jì)算的礦井涌水量與實(shí)際存在一定的偏差。

    該礦區(qū),經(jīng)過實(shí)際求算,涌水量有上萬(wàn)方,而實(shí)際礦山自行疏干排水記錄只有幾百方,存在了很大的差距。原因查找有:隨著開采逐年進(jìn)行,從露天到坑采,礦區(qū)內(nèi)的滲流場(chǎng)已經(jīng)改變,地下水位降深也不斷加大,而本次計(jì)算采用的抽水鉆孔數(shù)據(jù),仍為原五六十年代鉆孔數(shù)據(jù),滲透系數(shù)、鉆孔水位等均于現(xiàn)在不符合,因此,該礦區(qū)如果要使用大井法求算涌水量,還需要通過現(xiàn)在的水文鉆孔資料來求取。

    由于該礦山連年開采,地下水位下降急劇,區(qū)內(nèi)地下水主要來源于大氣降水,各段礦體高程高于當(dāng)?shù)嘏判够鶞?zhǔn)面,位于包氣帶中,礦井水量只有垂直交換,無水平方向上交換。礦坑涌水量的構(gòu)成僅有礦體平面投影范圍內(nèi)大氣降水通過上覆巖石裂隙向礦井入滲,因此,可采用水均衡方程來計(jì)算。

    6 結(jié)語(yǔ)

    近年來,隨著各個(gè)礦井生產(chǎn)規(guī)模的日漸擴(kuò)大,涌水量計(jì)算和預(yù)測(cè)已然成為了很多礦井工作的重點(diǎn),只有做好了礦井涌水量的精準(zhǔn)計(jì)算,才能為礦山的開采、發(fā)展提供一個(gè)安全環(huán)境,保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

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