大型群孔抽水試驗在礦區(qū)防治水中的應(yīng)用
——以安徽省廬江縣黃屯硫鐵礦為例

胡程亮

湖南省勘測設(shè)計院，湖南 長沙 410014

一般來說，礦山防治水工作應(yīng)深入掌握礦區(qū)水文地質(zhì)條件，只有在此基礎(chǔ)上才能采取技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理的防治水綜合措施。大型群孔抽水試驗是一種大流量、大降深、長時間的抽水，它能對研究區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行整體暴露，具有技術(shù)含量高、觀測精度高、反映信息多的特點。雖然群孔抽水試驗費用高、耗時長、實施難度大，但由于其本身的優(yōu)越性，越來越多的工程勘查開始采用大型群孔抽水試驗，其是查明水文地質(zhì)條件、預(yù)測涌水量最直接、保證程度最高的勘察手段之一[1]，可為準(zhǔn)確制訂防治水措施提供保障。

1 研究區(qū)概況

安徽省廬江縣黃屯硫鐵礦位于安徽省廬江縣城東南方向約30km，探礦權(quán)范圍面積為1.3km2，屬于未開發(fā)利用的新礦床，礦體頂、底板賦存標(biāo)高為-89.06～-375.61m。礦體位于強(qiáng)含水層當(dāng)中，礦區(qū)西部發(fā)育有F1斷層，東部發(fā)育有F2斷層，南部發(fā)育有F3斷層，受礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造及破碎帶的影響，含水層基巖裂隙發(fā)育，沿裂隙及硅化處多發(fā)育有孔洞，透水性好，與礦體構(gòu)成統(tǒng)一的含水體。礦床具有巨大的水頭壓力，地下水儲量豐富，為水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件復(fù)雜礦床，預(yù)測礦坑涌水量極大[2]。東西向水文地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 東西向水文地質(zhì)剖面圖

2 大型群孔抽水試驗分析

黃屯硫鐵礦大型群孔抽水試驗于2012年12月15日12：00開始，共啟用3個抽水孔（BK01、BK02、SK604-2）、63個觀測孔，至12月24日12：00停抽，計連續(xù)抽水146h5min，最大涌水量∑Qmax=20850m3/d，BK01孔最大降深Smax=22.19m，BK02孔最大降深Smax=30.41m，SK604-2孔最大降深Smax=18.58m。

群孔抽水試驗的降落漏斗均到達(dá)或揭露邊界，如圖2、圖3、圖4所示，西部F1斷層具有縱向?qū)M向阻水的特點，在斷層中段由于受北東和北西向破碎帶的切割，阻水作用稍差；F2-2具有較好的隔水效果；南部F3斷層具有較強(qiáng)的富水和導(dǎo)水性能，可視為無限補(bǔ)給邊界；礦區(qū)北部無明顯構(gòu)造跡象，各含水巖組向北延伸，天然條件下，地下水由南向北徑流。區(qū)域地下水接受大氣降水補(bǔ)給，由南向北徑流向北部天河，在礦區(qū)范圍內(nèi)第四系黏土層具有一定的隔水性，黃屯河、堰塘地表水與地下水聯(lián)系微弱；底板為砂巖、泥灰?guī)r等，富水性較弱，按弱含水層處理。

圖2 黃屯硫鐵礦群孔大型抽水試驗12月23日12：00等水位線圖

圖3 黃屯硫鐵礦群孔大型抽水試驗12月24日12：00南北向降落漏斗剖面圖

圖4 黃屯硫鐵礦群孔大型抽水試驗12月24日12：00東西向降落漏斗剖面圖

3 涌水量預(yù)測

3.1 礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)大型群孔抽水試驗分析，可以把該礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型概化為平面近似梯形(南寬北窄)，東西兩側(cè)以隔水邊界為主（其中西側(cè)中段為導(dǎo)水邊界），南北兩側(cè)為導(dǎo)水邊界的，垂向5層結(jié)構(gòu)的（3個弱透水層-相對隔水層夾2個承壓-微承壓孔隙-裂隙含水層），內(nèi)部由5條相互交叉的強(qiáng)導(dǎo)水破碎帶所組成的高度非均質(zhì)非穩(wěn)定的地下水流模型。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)計算

此次水文地質(zhì)參數(shù)計算方法分為解析法和地下水有限元數(shù)值反演法，其中解析法分別用泰斯標(biāo)準(zhǔn)曲線配比法和直線圖解法確定水文地質(zhì)參數(shù)。結(jié)合抽水試驗流場形態(tài)及各水位觀測孔的水位變化劃分礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖，如圖5所示。將按解析法求得的礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)作為反演的初始猜測值，在此基礎(chǔ)上以礦區(qū)內(nèi)各觀測孔水位降深為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值法反演求參，在滿足水文地質(zhì)條件定性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，不斷調(diào)整各分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)值，直至得到既能符合水文地質(zhì)條件的定性認(rèn)識，又能最佳擬合群孔抽水試驗資料的水文地質(zhì)參數(shù)，模型選用數(shù)據(jù)樣本總體擬合程度較好、結(jié)果質(zhì)量較高，可作為涌水量預(yù)測的基礎(chǔ)。分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)擬合值如表1所示。

表1 分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)擬合值

圖5 礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖

3.3 預(yù)測結(jié)果

在前述礦區(qū)水文地質(zhì)數(shù)值模擬反演識別的模型基礎(chǔ)上[3]，根據(jù)上述區(qū)域水文地質(zhì)數(shù)值模型模擬得到了礦山不同開采工況條件下的邊界流量，然后對礦區(qū)數(shù)值模型的邊界流量進(jìn)行賦值，預(yù)測了-240m及-340m開采水平涌水量，礦坑涌水量預(yù)測如表2所示。

表2 礦坑涌水量預(yù)測

4 防治水方案及實施

（1）礦區(qū)防治水采用中南西大帷幕注漿堵水為主、井下疏干為輔的綜合防治水方案，帷幕軸線布置于礦區(qū)南、北邊界及西邊界局部，且帷幕穿越主要含水層，深度至礦體底板隔水層。帷幕完成后，在礦床開采時利用坑道進(jìn)行疏干排水，將地下水降至開采面標(biāo)高以下[4]。

（2）該礦區(qū)自2014年3月至2016年11月分批完成了帷幕注漿工程，共計完成419個帷幕鉆孔，完成注漿量為654297.438m3。為檢驗帷幕注漿工程的堵水效果，同樣采用大型群孔抽水試驗，與防治水實施前抽水試驗成果進(jìn)行對比分析，其試驗方法、水文地質(zhì)參數(shù)計算、礦坑涌水量預(yù)測方法一致。檢驗階段大型群孔抽水試驗于2017年2月9日15：00開始，共啟用2個抽水孔（XBK01、XSK604）、53個觀測孔，至5月29日，涌水量Q=22320m3/d，XBK01孔降深為104.62m，X604孔降深為117.54m。預(yù)測礦坑涌水量Q-240m=38738.2m3/d，Q-340m=46449.2m3/d。可用帷幕修建完畢用數(shù)值模擬計算減少的進(jìn)水量來定量評價隔水帷幕的有效性[5]，計算帷幕有效性分別為60%、57.256%。

5 結(jié)束語

針對廬江縣黃屯硫鐵礦復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，該礦在前期通過大型群孔抽水試驗充分地揭露了礦區(qū)地下水流場及邊界條件，并采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行地下水流場的數(shù)值反演和礦坑涌水量預(yù)測，確定了技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的礦區(qū)防治水方案，并在實施后進(jìn)行了效果評價，為確保礦山井下作業(yè)安全，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，減輕對礦區(qū)地下水資源的破壞提供了保障。