地下水位模型在銅街曼家寨露天礦山中的運(yùn)用與研究

段敬陶，張登敏，楊 濤

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南 文山 663700）

1 礦區(qū)概況

銅街曼家寨露天礦區(qū)地處滇東南巖溶高原南部邊緣，屬六詔山系南緣。地貌的形成和發(fā)展受巖性、構(gòu)造影響十分明顯，尤其主干斷裂對(duì)地形的控制作用更為重要，主要山脈、河流的延展受構(gòu)造線控制。礦區(qū)以構(gòu)造侵蝕地貌為主，高原面受到強(qiáng)烈破壞殘存無(wú)幾。區(qū)內(nèi)峰巒起伏，溝谷縱橫，水系發(fā)育，地勢(shì)北東高、南西低。北東端最高峰老君山，標(biāo)高2579m；南西端的南加河河床最低處，標(biāo)高534m，相對(duì)高差為2045m，屬深切割區(qū)。河谷呈“V”字型峽谷，地形坡度最陡37°，最緩12°，屬中山高原地貌。

礦區(qū)屬中亞熱帶潮濕氣候類型，據(jù)近期氣象資料，馬關(guān)縣城年平均氣溫16.8℃，年平均降水量1329.4mm，每年4-10月的雨季降水量（1175.6mm）約占全年的88%。一日最大降水量124.1mm，礦區(qū)降水豐富。

銅街－曼家寨礦段采場(chǎng)主要分布在南加河左岸斜坡地帶，呈南北向展布，地勢(shì)北高南低。礦床東側(cè)、北邊為F0隔水?dāng)鄬樱湎卤P為富水性弱的∈2t1片麻巖，故F0斷層為隔水邊界，西側(cè)分布∈2t5隔水層，為西側(cè)隔水邊界，東西寬約2000m左右，銅街-曼家寨礦段為一南北向展布、向南撒開的獨(dú)立水文地質(zhì)單元。與隔水邊界位置近一致，地表東、西各有一條呈南北向展布分水嶺環(huán)繞，中間有多條東西向次級(jí)分水嶺[2]。

2 地下水對(duì)露天邊坡的影響

結(jié)合生產(chǎn)，露天邊坡的破壞并不是瞬間完成的，它是一個(gè)緩慢的變形過(guò)程。影響邊坡失穩(wěn)的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，其主要因素有邊坡巖體性質(zhì)、構(gòu)造、生產(chǎn)爆破震動(dòng)、采剝活動(dòng)、地下水位變化等五個(gè)方面。通過(guò)以往地質(zhì)科研資料表明，地下水以多種方式對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響，它是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。

從邊坡穩(wěn)定性分析，地下水的作用最終通過(guò)兩種方式降低邊坡穩(wěn)定性：

（1）等效的增加滑坡體的重量，使下滑力增大。

（2）潤(rùn)滑潛在滑面，降低滑面的物理力學(xué)參數(shù)，減小抗滑力。

從邊坡圍巖穩(wěn)定性影響分析，地下水對(duì)巖體的影響分為：物理的、化學(xué)的和力學(xué)的影響[3]。

2.1 物理作用

地下水對(duì)巖體有潤(rùn)滑作用，在裂隙面上，水使裂隙面之間的摩擦系數(shù)減小，增加滑坡體下移趨勢(shì)；地下水具有軟化和泥化巖體作用，巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)某些物質(zhì)與水結(jié)合后會(huì)變軟成泥，減小了結(jié)構(gòu)面之間的粘聚力和摩擦力，降低巖體間抵抗滑動(dòng)的阻力。

2.2 化學(xué)作用

地下水與邊坡接觸產(chǎn)生的化學(xué)作用主要有溶蝕作用、水化作用等，會(huì)不斷改變巖土體的性質(zhì)和強(qiáng)度特性，影響邊坡穩(wěn)定性。

溶蝕作用：銅曼礦區(qū)西幫邊坡巖性主要以大理巖為主，地下水中的酸性物質(zhì)對(duì)巖石中的碳酸鹽等成分產(chǎn)生溶蝕作用，使巖體產(chǎn)生裂隙和溶洞，增加了巖體的滲透性能。

水化作用：水滲透到巖體的礦物結(jié)晶格架中，使巖體的結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀及宏觀的改變，減小了巖體的內(nèi)聚 力，膨脹巖體與水結(jié)合，使起巖體內(nèi)部產(chǎn)生膨脹力。進(jìn)一步改變巖體構(gòu)造，影響邊坡穩(wěn)定性。

2.3 力學(xué)作用

地下水會(huì)使邊坡巖土體結(jié)構(gòu)面上受到靜水壓力的作用，會(huì)降低滑體重量產(chǎn)生的反向應(yīng)力，降低抗滑阻力。如果地下水在邊坡中排泄受到阻礙，會(huì)使巖土體的重量變大，增加坡體的下滑力。

3 地下水位模型

3.1 地下水位模型的概念

通過(guò)收集以往地質(zhì)勘查資料，或礦山生產(chǎn)中穿孔爆破數(shù)據(jù)，利用鉆孔或炮孔中水位數(shù)據(jù)，通過(guò)3DMine軟件詳細(xì)建立礦區(qū)地下水位數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)各個(gè)區(qū)域地下水位點(diǎn)建立礦區(qū)地下水位三維模型。通過(guò)地下水位三維模型三維空間展布，可直觀分析礦區(qū)地下水分布特征，預(yù)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。結(jié)合礦區(qū)巖性及構(gòu)造模型，依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察規(guī)范（GB/T 12719—91）》中的地層富水性劃分標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)一步對(duì)銅曼礦區(qū)地層進(jìn)行富水性分級(jí)。

通過(guò)生產(chǎn)勘探鉆孔數(shù)據(jù)、穿孔爆破炮孔水位變化數(shù)據(jù)，及時(shí)更新地下水位數(shù)據(jù)以及地下水位模型，可分析礦區(qū)充水水源，以及對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]。

3.2 地下水位模型的建立

3.2.1 水位數(shù)據(jù)庫(kù)建立

地下水位數(shù)據(jù)庫(kù)是水位模型建立的基礎(chǔ)，也是一個(gè)礦區(qū)地下水?dāng)?shù)據(jù)的綜合管理臺(tái)賬。數(shù)據(jù)庫(kù)由定位表、測(cè)斜表、靜水位表組成，詳見下表1。

表1 地下水位數(shù)據(jù)明細(xì)表

定位表：反應(yīng)鉆孔或炮孔空間位置信息。

測(cè)斜表：反應(yīng)鉆孔或炮孔空間的位置變化信息。

靜水位表：反應(yīng)鉆孔或炮孔的地下水位的空間位置信息。

3.2.2 地下水位模型

通過(guò)建立的地下水位數(shù)據(jù)庫(kù)，利用3DMine軟件可快速生成地下水位點(diǎn)，通過(guò)地下水位點(diǎn)，可生成水位模型。詳見下圖1。

圖1 地下水位三維空間展示圖

通過(guò)建立的地下水位模型，可任意分析礦區(qū)各區(qū)塊地下水位深度；進(jìn)一步查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析礦床的充水因素，并預(yù)測(cè)礦坑涌水量，預(yù)測(cè)礦床開采后水文地質(zhì)條件變化的趨勢(shì)；并通過(guò)礦區(qū)巖性特征，進(jìn)一步分析地下水對(duì)邊坡巖體的作用，并對(duì)巖體質(zhì)量及其穩(wěn)固性作出評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題；對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[2]。

4 地下水位模型的運(yùn)用與研究

4.1 地下水位線

通過(guò)建立的地下水位模型，能快速圈定地下水位線圖，可進(jìn)一步分析出礦區(qū)有無(wú)統(tǒng)一的地下水位；水位隨地形起伏情況；地下水坡降與地形坡降情況；地下水分水嶺與地表分水嶺情況；地下水流動(dòng)情況等，詳見圖2。

圖2 地下水位線三維空間展示圖

4.2 地下水位剖面

在工程地質(zhì)研究分析方面，可通過(guò)建立的地下水位模型，快速切割研究區(qū)工程地質(zhì)剖面，通過(guò)剖面分析不良工程地質(zhì)區(qū)地下水分布特征，賦存空間，儲(chǔ)存條件，以及預(yù)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，進(jìn)一步分析地下水對(duì)不良工程地質(zhì)體的影響等，詳見下圖3。

圖3 地下水位剖面展示圖

5 結(jié)語(yǔ)

銅街曼家寨露天礦山邊坡穩(wěn)定性問題嚴(yán)重制約生產(chǎn)，地下水的溶蝕、潤(rùn)滑等作用對(duì)巖體及邊坡穩(wěn)定造成較大影響。通過(guò)日常生產(chǎn)收集的地下水位數(shù)據(jù)，建立的地下水位數(shù)據(jù)庫(kù)，可完善工程地質(zhì)管理臺(tái)賬機(jī)制；通過(guò)3DMine軟件建立的地下水位模型，可任意分析礦區(qū)各區(qū)塊地下水位深度，進(jìn)一步查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析礦床的充水因素，并通過(guò)礦區(qū)巖性特征，分析地下水對(duì)邊坡巖體的作用，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，可及時(shí)準(zhǔn)確做出礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀分析評(píng)價(jià)。為后期邊坡治理、礦山生產(chǎn)提供科學(xué)參考依據(jù)，確保露天礦山正常安全運(yùn)行[1]。