滇西某鉛鋅礦床礦坑涌水量預測與分析

趙雪瓊，程先鋒，李廣濤，王明偉，齊武福

(云南國土資源職業學院，云南 昆明 650217)

滇西某鉛鋅礦床礦坑涌水量預測與分析

趙雪瓊，程先鋒，李廣濤，王明偉，齊武福

(云南國土資源職業學院，云南 昆明 650217)

滇西某鉛鋅礦是近年來新發現的隱伏大型礦床，礦區水文地質條件復雜，涌水量預測的準確與否將直接影響礦山的安全生產。本文在對礦區水文地質條件系統分析的基礎上，建立了礦區水文地質概念模型，通過礦區邊界條件概化和水文地質參數確定，采用數值法模擬預測了礦坑的涌水量。同時，為保證模擬結果的可靠性，采用“大井”法進行了礦坑涌水量計算，并將兩種方法預測結果進行了對比分析，給出了較合理的礦坑涌水量。

礦區水文地質;礦坑涌水量;數值模擬;大井法

滇西某鉛鋅礦是近年來新發現的隱伏大型礦床，主礦體埋藏較深，幾乎全部處于當地最低侵蝕基準面之下，屬巖溶充水礦床，礦床水文地質條件復雜。針對該礦區實際情況，合理計算礦坑涌水量可為礦山設計部門提供科學依據，以便于準確地進行礦坑排水方案和措施的設計。本論文在礦區水文地質項目研究基礎上，開展了礦區水文地質野外調研及資料分析總結工作，采用數值模擬和“大井法”分別進行了礦坑涌水量預測，并依據計算結果提出了未來礦山開采過程中，預防礦坑涌水保證安全生產的建議。

1 礦區地質、水文地質概況

滇西某鉛鋅礦位于云南高原的西部邊緣，區域上屬施甸－保山近南北向對沖式構造帶的中心部位。礦區總體構造為一北東向展布的破向斜，區內斷裂構造發育，主要有北東向、近南北向和北西向等三組斷裂，斷裂性質復雜，縱橫交錯，將礦區切割成斷塊狀，形成“井”字形構造格局，見圖1所示。賦礦層位為石炭系下統香山組(C1x)，外圍出露地層有泥盆系中統何元寨組(D2hy)、大寨門組(D3d)、臥牛寺組(C3w)和三疊系河灣街組(Th)，第四系(Q)松散層主要分布在山間盆地和山地平緩處。礦體主要產于北東向F16、F17斷層破碎帶中，嚴格受破碎帶及香山組(C1x)泥質灰巖、炭質灰巖控制。

礦區主要含水層是香山組(C1x)，分布全礦區，巖性為泥灰巖、灰巖及炭質灰巖夾少量的白云質灰巖。通過鉆孔揭露，該巖性由于受F16、F17斷裂構造影響，巖體破碎，節理裂隙發育，普遍具張開性。C1x地層中溶孔、溶槽、溶隙、巖溶洼地、漏斗、溶洞等均較為發育，既有利于降雨和地表水的下滲，也為地下水提供了良好的賦存和運移空間。礦床水文地質類型屬于巖溶充水礦床中的第一亞類——溶蝕裂隙為主的礦床。

礦區地表水系主要是馬橋河，長觀流量60－1 500 L/s。泉點主要集中在馬橋河沿岸，雨季流量0.22～24.99 L/s。礦體幾乎全部處于當地最低侵蝕基準面之下，礦床水文地質條件復雜。

在礦床開采過程中，疏排地下水將形成降落漏斗，從而改變天然地下水流場，東面馬橋河河水通過裂隙、溶隙補給地下水，西面F7斷裂可能溝通東河滲流至礦坑，北東面三疊系中統巖溶裂隙水可能通過F1斷裂涌入礦坑，而礦區C1x碳酸鹽巖則直接接受大氣降水和農田灌溉水補給，下滲涌入礦坑。可見，礦區水文地質條件復雜，充水巖層富水性強，補給條件好，開采過程中，礦坑涌水量會比較大，開采前有必要對涌水量進行模擬預測。

圖1 礦區水文地質圖

2 礦坑涌水量的數值模擬

2.1 數學模型建立

水文地質概念模型是數值模擬的基礎，本次模擬礦區巖層為香山組(C1x)，它既是容礦層又是充水含水層，其間無連續穩定的隔水層，具有較為統一的水力聯系，概化為單一潛水含水系統。C1x巖層巖溶、裂隙發育，具有明顯的非均一性，概化為非均質各向異性含水介質，地下水為層流運動的潛水三維流。受裂隙、溶隙和斷裂等多途徑的溝通，馬橋河與礦床的水力聯系緊密，開采條件下，馬橋河可作為礦區東部和南部的定水頭邊界。F7斷層破碎帶強透水性致使東河水可能沿之南流補入礦坑，礦區北部在F7斷層東側C1x碳酸鹽巖中形成的RD08大溶洞為這種可能性提供了潛在通道。開采某個中段時，東河補入礦坑的地下水水力坡度和過水斷面基本不變，因此，F7斷層可處理為礦區西部的定流量邊界。F1斷層具有良好導水性，在礦區東北使得T2和C1兩大碳酸鹽巖強含水層發生聯系，由于T2含水層富水性好，開采條件下，礦區東北部T2含水層猶如一個巨大的地下水庫源源不斷地滲流進入礦坑。礦坑到F1斷層水力坡度和過水斷面也基本不變，同樣可處理為礦區東北部的定流量邊界。綜上所述，礦區地下水流系統可概化為非均質各向異性三維非穩定地下水流系統。

根據上述水文地質概念模型，建立了礦區地下水流數學模型:

式中:Kxx、Kyy、Kzz為含水層在主軸方向上的滲透系數投影(m/d);h為含水層水位(m);W為補給強度(m/d);P為礦區巷道排水量強度 (m/d);μ為含水層給水度;Γ1為定水頭邊界;Γ2為定流量邊界;M、C為常數。

2.2 水文地質參數選取

本項研究中滲透系數初值主要根據室內實驗數值，采用滲透張量來解決三維滲透系數，由于不同深度處的滲透系數差別較大，為了能更好地反映現實情況，采用等效滲透系數法(公式1)計算每個分區的滲透系數(表1)。

式中:Mi表示含水層(體)的厚度;Ki表示對應每個含水層(體)的滲透系數;Km為等效滲透系數。

表1 滲透系數取值

礦區的地下水主要賦存于巖體的裂隙中，所以該區的巖溶裂隙率基本上也可表征給水度。利用現場的巖心計算了其裂隙率，其平均值為0.047 2，即為本區的給水度。礦區在天然情況下是一個完整的地下水單元，根據水均衡原理，計算得本區降水入滲系數為0.48。

2.3 數學模型求解

本次模擬采用Visual MODFLOW軟件，該軟件應用有限差分原理對模型進行求解，在國內外應用比較廣泛。采用VMOD進行自動矩形網格剖分，模擬區空間范圍X方向1 500 m，Y方向1 800 m，Z方向最大厚度500 m，共剖分為1 618個單元，面積為 142.5 ×104 m2。

對所建立的數學模型進行模擬檢驗，以2008年4月～2008年6月作為模擬的識別階段，進行水文地質參數的識別。2008年7月～10月作為模擬驗證階段，進行水文地質參數、邊界條件及源匯項驗證。在校正過程中，用模型計算地下水水位與實測水位對比擬合，使兩者的誤差達到允許值。流場擬合結果見圖2，擬合結果初步說明了所建立的水文地質概念模型和數學模型是正確的。該模型可以用于工作區巷道涌水量的預報。

圖2 模型流場擬合圖

2.4 涌水量預測模擬

表2 礦坑涌水量數值模擬結果

3 “大井”法估算礦坑涌水量

為保證模擬結果的可靠性，有必要選用不同方法進行驗證，而“大井”法是礦坑涌水量計算中用得最多最廣泛的，所以本文選用“大井”法對礦坑涌水量進行計算。

圖3 開采狀態下模擬流場圖

大井法是將形狀不規則的開采坑道系統概化為一個理想的“大井”，“大井”抽水時形成一個統一的降落漏斗，而整個開采系統的涌水量相當于此大井的井流量，以此來估算設計坑道系統的礦區涌水量的方法。本礦區地下水含水系統規模大，補給來源充足，礦坑疏干過程中，礦坑涌水量及礦坑周邊水位降深呈相對穩定狀態，此時以礦坑為中心形成的地下水輻射流場，基本滿足穩定井流的條件，采用該法進行涌水量預測基本合理。

根據前述，容礦層C1x可概化為一個具有多類型邊界條件的潛水含水層，可近似處理成完整潛水井流運動，其計算公式(2)如下:

本文以礦區1 300 m水平巷道天然情況下開采的礦坑涌水量為例，分別計算多年平均降雨量和最大降雨量情況下的涌水量。

參數確定，滲透系數采用數值模擬中確定的值取算術平均值為2.44 m/d。以范圍內鉆孔在一般情況下的靜止水位算術平均值為正常涌水量的靜水位，最大涌水量的靜止水位以正常涌水量的靜水位加上相應中段范圍鉆孔長期動態觀測資料中的最高靜止水位算術平均值與一般靜止水位算術平均值之差。正常涌水量的水位降深值用正常靜止水位平均值減1 300 m即可得到1 300 m巷道的一般水位降深值。最大涌水量的水位降深值用鉆孔最大靜止水位減1 300 m，即可得到1 300 m的最大水位降深值。各項參數及計算結果見表3。

4 結果分析與結論

4.1 預測結果分析

將以上兩種方法計算的礦坑涌水量預測結果進行對比，具體見表4。從表中可知，兩種方法計算結果比較接近，相對誤差在5%左右，說明數值模擬的結果是可靠的。

表3 “大井”法計算礦坑涌水量

4.2 結論及建議

本文用兩種方法預測礦坑涌水量，比較而言，數值模擬方法具有明顯的代表性，該方法能夠考慮較多的影響因素，比較充分地反映出礦區含水介質的水動力特征和特定的邊界條件，用來解決實際工程中比較復雜的問題。

計算結果表明:數值模擬出1 300 m巷道正常涌水量177 030 m3/d、最大涌水量204 857 m3/d是可靠的，為未來的礦山開采礦坑排水疏干設計和防治水措施的制定都提供了依據。同時建議礦山開采中采取工程措施封堵，對馬橋河進行封堵的同時，對礦區西部邊界F7斷 層于東河附近和東北邊界F1斷層實施灌漿封堵，以減少礦山開采中礦坑涌水量。

表4 涌水量預測結果對比

［1］沈繼芳.礦床水文地質學［M］.北京:中國地質出版社，1992.

［2］劉紅云.肥城盆地煤田區第四系地下水數值模擬［J］.地下水，2006，28(4):16 －17.

［3］戴巖柯.水均衡法和數值模擬法在礦坑深部涌水量預測中的比較——以西石門鐵礦例［J］.地下水，2010，32(1):24 －26.

［4］唐永誠等.畢家山鉛鋅多金屬礦床礦坑涌水量計算結果與對比［J］.甘肅冶金，2007，29(6):45 －47.

［5］萬崢等.礦井疏干涌水量解析法估算［J］.中國農村水利水電，2008，(11):26 －27.

［6］李保珠等.有限單元法在涌水量預測中的應用［J］.礦業工程，2003，1(5)56 －58.

［7］劉國等.合山煤田礦井涌水量的數值模擬探討［J］.地質與勘探，2007，43(4):98 －102.

P641.5+4

B

1004－1184(2011)06－0015－03

2011－08－15

云南省地礦局科技創新基金項目(2009JJ01)資助

趙雪瓊(1985－)，女，云南宣威人，助教，主要從事工作水文地質、環境地質工作。