淺談露天凹陷開采石灰?guī)r礦床礦坑涌水量預(yù)測(cè)

許卓朋 李彥偉

摘要：通過對(duì)收集的地質(zhì)、水文、物探資料進(jìn)行研究分析，對(duì)礦區(qū)及周邊進(jìn)行詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查，查明礦區(qū)地下水類型及含水層特征；地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件；礦坑充水水源及其途徑；通過一系列水文地質(zhì)試驗(yàn)，確定各含水層的滲透系數(shù)，結(jié)合礦床開采預(yù)測(cè)礦床礦坑涌水量。

關(guān)鍵詞：地下水類型；地下水補(bǔ)給、徑流、排泄；滲透系數(shù)；礦坑涌水量

1.引言

石灰?guī)r礦作為水泥工業(yè)主要原材料，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市建設(shè)、房地產(chǎn)開發(fā)及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程高速發(fā)展的大環(huán)境下，大量?jī)?yōu)質(zhì)石灰石資源正在被大規(guī)模的開發(fā)利用，凹陷型開采的石灰?guī)r礦床也隨之越來(lái)越多，伴隨著凹陷開采深度的增加，需要大量抽排地下水（礦坑涌水），確定的預(yù)測(cè)礦坑涌水量對(duì)礦床的開發(fā)具有重要意義。

以化州那洪水泥用石灰?guī)r礦床為例，對(duì)露天凹陷開采石灰?guī)r礦床的礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)位于粵桂隆起與桂湘贛粵褶皺帶交匯處的南端，吳川大斷裂的北西側(cè)。礦區(qū)一帶在區(qū)域上位于長(zhǎng)達(dá)78km，寬8km～16km的中垌-廉江復(fù)式向斜的北東端，構(gòu)造相對(duì)較發(fā)育，構(gòu)造線方向以北東向?yàn)橹鳌^(qū)域地貌單元屬于低丘陵地區(qū)，礦區(qū)地處丘前平原地帶，礦區(qū)位于區(qū)域覆蓋型巖溶區(qū)的補(bǔ)給徑流區(qū)，是地下水的富集區(qū)。礦區(qū)地下水的補(bǔ)、徑、排條件主要受氣象水文條件及地形地貌因素的制約。

3.礦區(qū)含水層特征

根據(jù)地下水的分布規(guī)律及其賦存條件、地層巖性、水文特征，將礦區(qū)地下水類型劃分第四系松散巖類孔隙潛水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水及層狀巖類裂隙水巖性組三種類型。

（1）松散巖類孔隙水。第四系土層孔隙水賦存于第四系砂質(zhì)粘土及含礫、含砂粘性土中，含水層厚度在4.0m～ 40.5m之間。總體上礦區(qū)內(nèi)第四系土層富水性弱，為潛水型孔隙水。第四系土層孔隙水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水補(bǔ)給。地下水位埋深在0.1m～3.5m。根據(jù)地表表層土試坑滲水試驗(yàn)，其滲透系數(shù)K值為1.18×10-5～1.17×10-4cm/s，屬弱透水層。

（2）碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。礦區(qū)石灰?guī)r裂隙溶洞水主要賦存于灰?guī)r巖溶裂隙中，屬于覆蓋型巖溶水，是礦區(qū)的主要含水層。主要賦存層位為灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育帶及溶洞洞穴中其連通性較好，是地下水良好的徑流途徑，富水性較好。灰?guī)r裂隙溶洞水總體上富水性強(qiáng)，其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水及地表水的下滲補(bǔ)給，同時(shí)也接受上部孔隙水的越流補(bǔ)給。該含水層水位埋深在0.5m～2.5m，根據(jù)抽水試驗(yàn)成果資料分析。根據(jù)礦區(qū)物探勘查報(bào)告及礦山詳查階段鉆孔揭露資料，巖溶裂隙溶洞垂直多分布多在0m～-30m標(biāo)高范圍，據(jù)礦區(qū)9條勘探線89個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)，15個(gè)鉆孔見有溶洞（未見填充物），見洞率16.8%，線巖溶率為0%～3.26%，溶洞高度為1.3m～17.2m。其中0m以上線巖溶率為0%～6.25%，平均為0.93%；0m～- 30m之間線巖溶率為0% ～4.99%，平均為1.07%；-30m～-60m之間線巖溶率為0%～2.50%，平均為0.30%，全礦區(qū)線巖溶率為0.74%，巖溶發(fā)育程度一般。

根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，鉆孔單位涌水量為0.6 L/s？m ～1.48 L/s？m，根據(jù)礦區(qū)含水層富水性劃分等級(jí)，屬極中等～強(qiáng)富水性，水質(zhì)類型HCO3-Ca·Na，礦化度118.66，水溫22℃。

（3）層狀巖類裂隙水。分布于礦區(qū)的北西、南東部。巖性主要為紫色淺紫紅色、暗灰色、淺灰白色、黃褐、土黃色頁(yè)片狀泥質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖夾石英砂巖等。淺部巖體破碎，裂隙發(fā)育，為弱富水性的裂隙水含水層。

4.地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

本區(qū)地層與構(gòu)造較簡(jiǎn)單，地下水補(bǔ)給主要為大氣降水，大范圍內(nèi)地下水水力聯(lián)系一般，沿低山～淺丘走向分割成若干區(qū)域性地下水單元。由于有區(qū)內(nèi)灌渠較多，水流沿灌渠流向平原地區(qū)。各區(qū)地下水和地表水運(yùn)動(dòng)方向大體一致，為由北西、南東流向中部。地下水的排泄與消耗主要是潛水的蒸發(fā)、向附近丘前平原或向通過裂隙轉(zhuǎn)為埋藏型基巖裂隙溶洞水、人工開采。地下水的排泄與徑流條件密切相關(guān)，徑流條件好的低山丘或河流的上游地區(qū)，地下水排泄以水平方式為主，徑流條件不好的河流下游，主要是垂直排泄。

5.礦坑涌水量預(yù)測(cè)

（1）礦坑充水因素。礦床類型為露天凹陷開采型，礦體（層）本來(lái)就在含水層（體）之中，含水層中的地下水受大氣降水及地表水的補(bǔ)給，礦區(qū)附近沒有較大的地表水系，有兩條小河流自北東流經(jīng)礦區(qū)后轉(zhuǎn)向西南，流量不大，流量分別為2520L/s及1350L/s，未來(lái)礦區(qū)開采時(shí)可進(jìn)行河流改道。因此，礦坑充水主要來(lái)源于大氣降水及礦坑地下巖層涌水。

（2）預(yù)測(cè)礦坑涌水量。預(yù)測(cè)未來(lái)礦坑涌水量是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的工作，它對(duì)礦產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)有很大的影響，也是開采設(shè)計(jì)部門制定疏干措施、確定排水設(shè)備及生產(chǎn)能力的主要依據(jù)，為此進(jìn)行評(píng)價(jià)性涌水量計(jì)算，本礦區(qū)主要預(yù)測(cè)開采地段礦坑涌水量。

①邊界條件。根據(jù)礦區(qū)資源儲(chǔ)量分布及其初擬礦坑終采坑界大體為一北東-南西展布的矩形，礦區(qū)開采總面積為1166147m2。未來(lái)礦坑以大氣降雨和地下巖溶水充水為主，其東部為泥盆系中下統(tǒng)桂頭組碎屑巖，可視為相對(duì)隔水邊界；巖溶水含水層向西可視為無(wú)限延伸。估算資源儲(chǔ)量的底板仍在巖溶水含水層內(nèi)，未來(lái)預(yù)測(cè)礦坑涌水量均視為非完整井。

②計(jì)算公式的確定。在礦坑疏干過程中，當(dāng)?shù)V坑的涌水量，包括其周圍的水位降低呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為以礦坑為中心形成的地下水輔對(duì)流場(chǎng)，礦坑的形狀不規(guī)則，分布范圍大，構(gòu)成較復(fù)雜的邊界，要求將它理想化，在理論上可將形狀復(fù)雜的礦坑系統(tǒng)成一個(gè)大井在工作，而把不規(guī)則的礦坑系統(tǒng)圈定的面積相當(dāng)于大井的面積，礦坑在排水過程中，其外圍逐漸形成一個(gè)統(tǒng)一的降落漏斗，因此，可將形狀不規(guī)則的礦坑看成一個(gè)理想的“大井”。整個(gè)礦坑的排水量看為一個(gè)“大井”工作時(shí)的涌水量。

③抽水試驗(yàn)。為了確定井的實(shí)際出水量，洗井結(jié)束后，對(duì)含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)。試驗(yàn)方法單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，對(duì)抽水孔一般進(jìn)行2次～3次降深的抽水試驗(yàn)。

在整個(gè)抽水試驗(yàn)過程，均安排水文地質(zhì)技術(shù)人員輪流值班，按規(guī)范要求對(duì)抽水孔的水位降深、流量等進(jìn)行觀測(cè)記錄，在抽水穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間里，取連續(xù)觀測(cè)資料，水位、涌水量波動(dòng)相對(duì)誤差基本達(dá)到規(guī)范要求，各種觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

本次抽水試驗(yàn)主要采用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，根據(jù)井管結(jié)構(gòu)及含水層類型，根據(jù)試驗(yàn)過程實(shí)際情況，按《水文地質(zhì)手冊(cè)》表8-1-1選用多孔抽水，有一個(gè)觀測(cè)孔，承壓、非完整井、非淹沒型計(jì)算模型及公式來(lái)計(jì)算滲透系數(shù)及影響半徑：

通過計(jì)算，礦床開采至-30m標(biāo)高礦坑總涌水量（最大值）為386190m3/d，-60m標(biāo)高礦坑總涌水量（最大值）為400522m3/d；礦床開采至-30m標(biāo)高礦坑總涌水量（平均值）為23719m3/d，-60m標(biāo)高礦坑總涌水量（平均值）為38051m3/d。

6.結(jié)語(yǔ)

礦坑涌水量預(yù)測(cè)在露天凹陷開采礦山中是必不可少的環(huán)節(jié)，通過一系列水文地質(zhì)調(diào)查及實(shí)驗(yàn)可預(yù)測(cè)出礦坑的涌水量為礦床開采設(shè)計(jì)提供了必要的依據(jù)；建議在礦床開采期間對(duì)礦區(qū)及周邊區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)和巡查，若發(fā)現(xiàn)水位突然下降或者巖溶地面塌陷問題，及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理。

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