貴州某厚大溶蝕－裂隙承壓含水層儲存量計算

趙 鵬,李紅偉,徐大寬

(長沙有色冶金設計研究院有限公司, 湖南長沙 410000)

貴州某厚大溶蝕－裂隙承壓含水層儲存量計算

趙 鵬,李紅偉,徐大寬

(長沙有色冶金設計研究院有限公司, 湖南長沙 410000)

在礦區水文地質條件的研究過程中,針對涌水量的計算的難題提出了采用大流量、大降深的群孔抽水試驗來求取含水層給水度μ和降落漏斗面積F的值,并根據抽水試驗結果,得出等幅下降值,以確定整個漏斗內水位的下降值。同時對儲存量和動流量進行區分,計算疏排量和疏排時間的關系,得到了厚大含水層下礦井的排水能力應為25134.8m3/d。

礦井涌水量;含水層;抽水試驗;等降深線

0 引 言

礦井涌水量是礦山水害防治工作的一個關鍵且具有基礎意義的量[1]。它是礦井生產系統,特別是礦井防排水系統能力及其在井下分配分布情況設計的基礎,也是礦井制定水害防治技術路線和防治水工程規劃與設計的依據[2]。

近年來,礦井涌水量的預測方法不斷更新,從解析法、水文地質比擬法、水均衡法等確定性方法逐漸發展為模糊數學模型、灰色系統理論、BP神經網絡等非確定性預測方法[3-4]。

本文以礦區半工業性大井群孔抽水試驗實測資料為基礎,結合區域地下水資源的均衡計算和礦區單孔抽水試驗資料,運用地下水動、靜轉化基本原理[5]。分析研究厚大承壓含水層降落漏斗內單位儲存量計算方法,從而確定開采設計需要的疏排水中段儲存量及疏排時間。

1 礦區概況

礦區位于貴州省甕安縣,礦層賦存于白巖背斜北傾伏端[6]。礦層頂板燈影組白云巖溶蝕－裂隙承壓含水層厚約300m,受多期次構造運動影響,節理裂隙、溶孔、晶洞發育,裂隙率為0.7%～2.95%,滲透系數為0.151～0.103m/d,含水層出露面積13.3 km2,補給源主要為大氣降水和巖根河局部滲漏,形成背斜控水,裂隙、孔洞賦水的封閉式泉排型巖溶地下水完整水文地質單元。

2 承壓含水層動流量與疏干排水量的關系

礦區含水層中水資源由動流量、儲存量和疏干消耗量3部分組成。這3部分并不是彼此孤立,而是可以相互轉化。在天然條件下,同一水文地質單元上游的動流量,進入含水層轉化為儲存量,同時下游的儲存量不斷轉化為疏干消耗量。在疏排條件下,疏排量是由漏斗范圍內的儲存量以及流入漏斗區的動流量兩部分組成的。礦區地下水的動流量、儲存量和消耗量的轉化過程是礦區地下水在天然和人工疏排條件下運動的普遍現象。

老虎洞礦區為遠離補給區的承壓含水層的礦區,當彈性儲存量不斷消耗(疏排),漏斗也不斷擴展,其疏排量組成關系為:

式中:Q疏排——預計礦區疏排量,m3/d;

ΔQ補——礦區動流量補給量,m3/d;

ΔQ消——天然消耗量,即天然狀態下泉排泄量和天然蒸發量,m3/d;

μFΔh/Δt——降落漏斗內提供的單位面積儲存量,m3/d;

μ——含水層的給水度;

F——降落漏斗面積,m2。

當ΔQ補和ΔQ消量有限時,Q疏排主要為降落漏斗范圍內的儲存量μFΔh/Δt。這種不斷消耗承壓含水層中彈性儲存量和溶蝕裂隙中重力水而無法使漏斗穩定的礦區,稱為非穩定的消耗型礦區。

3 疏排漏斗內單位儲存量計算

在疏排漏斗范圍內出現等幅下降的過程中,任一時段內儲存量的變化量,應該等于該時段抽出的水體積。即為:

式中:QΔt——在Δt時段內抽出的地下水總量, m3/d;

μF——當水頭下降一個單位時,降落漏斗面積內釋放的儲存量(靜儲量),m3/m;

ΔS——在Δt時段內漏斗內水位等幅下降值,m/d;

ΔQ補——在Δt時段內漏斗內的動流量補給量,m3/d。

從公式(2)可知,要精確求出μ和F比較困難,必須在抽水過程中求出ΔS值(即等幅下降值)。為此,抽水總量應達到動、靜轉化,必須形成動水位等幅下降,以便確定整個漏斗內水位下降值。

老虎洞磷礦區,設計3個大口徑抽水鉆孔,抽水能力達到11520m3/d。該礦區抽水試驗從2015年9月11日起至2015年10月25日止,歷時45d。抽出總水量約38萬m3,抽水規模達到半工業型試驗。抽水試驗結果見表1,抽水試驗期間24h各觀測孔地下水位埋深變化平均值曲線見圖1,抽水試驗期間各抽水孔流量變化曲線見圖2。

表1 老虎洞磷礦區抽水試驗結果

圖1 抽水試驗期間24h各觀測孔地下水位埋深變化平均值

圖2 抽水試驗期間各抽水孔流量變化

根據抽水試驗數據,當抽水試驗進行到第18d (9月30日)時,漏斗內各觀測孔水位開始出現等幅下降,等幅下降延續至10月3日,這4d的平均等幅下降值為0.169m/d(見圖1),此4d的抽水量基本不變,平均值為11182m3/d(見圖2)。同時,據9月30日至10月3日共4d的等降深線圖(見圖3),這4d的等降深線圖形態基本一致,說明漏斗已達邊界,出現動靜轉化,反應出漏斗范圍內的動流量補給嚴重不足,此時抽水以消耗儲存量為主。

根據表1的第二個降深S2,當抽水量為7128.48 m3/d時,漏斗內各觀測孔水位和抽水量出現穩定值,即達到相對均衡,見圖1、圖2。確定動流量出現區間值為7182.48～11137.44m3/d,在計算中近似取值7182.48m3/d,根據以上抽水資料利用公式(2)來計算漏斗內單位儲存量:μF＝QΔt－ΔQ補/ΔS＝11137.44－

7182.48 /0.169＝23402.13m3/m

故漏斗范圍內,地下水頭每下降一個單位,釋放出來的地下水儲存量為23402.13m3。

圖3 等降深線圖

4 疏排中段儲存量、疏排量及疏干時間計算

根據礦山建設需要,結合礦山設計的首采中段,礦山基建期間必須把礦區地下水位由目前的1000 m標高降至400m標高,方能確保礦山建設免受水害的威脅。根據礦區的水文地質條件,礦山建設初期擬采用地表疏干井群對淺部(700m標高以上)地下水進行預先疏干,這部分地下水的疏排量和疏排時間計算如下:

4.1 700m標高以上的儲存量

目前礦區平均地下水位標高為1000m,當疏干至700m標高時,地下水位降低值為300m。

根據大井抽水試驗,抽水降落漏斗內地下水位等幅下降值為0.169m/d,同期對應的大井抽水量為11137m3/d,降落漏斗內單位儲存量為23402.13 m3/m(已減去同一時間的動流量7182.48m3/d)。

故700m標高以上的儲存量為23402.13m3/m ×300m＝7020639m3。

4.2 700m標高以上疏排量與疏排時間的關系

疏排量Q的計算采用公式(3)計算:

式中:Q疏排量——700m標高預計疏排量,m3;

μF——當水頭下降一個單位時,降落漏斗面積內釋放的儲存量(靜儲量),m3/m; Smax——預計疏干標高的水位最大降低值,m;

S0——預計疏干標高的殘余水頭,m。

根據式(3),當疏排中段設在700m標高,殘余水頭為20m,疏干時間為一年,疏排量為9174201 m3,所需排水能力為25134.8m3/d;當疏排中段設在700m標高,殘余水頭為20m,疏干時間為兩年,疏排量為11795806m3,所需排水能力為16158.64 m3/d。疏排量與疏排時間關系見下表2。

表2 700m標高疏排時間與疏排量關系

5 結 論

(1)礦井正常動流量為7182.48m3/d,如確定疏排時間為一年時,預計疏排至700m中段,疏排量為9174201m3,排水能力需達到25134.8m3/d。

(2)本計算方法,需對礦區進行大流量、長時間抽水試驗,以求得降落漏斗內地下水位等幅下降值,需投入較大資金。

(3)本計算方法回避了含水層給水度、降落漏斗面積等較難確定的參數。

(4)本方法適用于含水層厚度較大、動流量有限、儲存量巨大的礦區。

[1]虎維岳,閆 麗.對礦井涌水量預測問題的分析與思考[J].煤炭科學技術,2016,44(1):13-18.

[2]吳振林,馬永慶.礦山水害防治理論與方法[M].吉林:吉林科學技術出版社,2010.

[3]陳酩知,劉樹才,楊國勇.礦井涌水量預測方法的發展[J].工程地球物理學報,2009,6(1):68-72.

[4]郭德嶺.礦井涌水量計算方法綜述[J].大科技,2015(6).

[5]供水水文地質手冊編寫組.供水水文地質手冊[M].北京:地質出版社,1983.

[6]寧黎元,熊舒寧.數值模擬查明地下水系統隱伏邊界位置及其性質方法探討[J].貴州地質,2012,29(1):48-51.

2017-04-20)

趙 鵬(1983－),男,云南巧家縣人,工程師,主要從事礦山水文地質及其防治水工作,Email:85368698＠qq.com。