贵州省正安县马鬃岭铝土矿区矿坑涌水量预测计算分析_李金玉.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 017贵州省正安县马鬃岭铝土矿区矿坑涌水量预测计算分析李金玉(贵州省有色金属和核工业地质勘查局三总队，贵州 遵义 563000)摘要矿坑涌水量计算预测成果是制定合理矿床疏干排水措施、确保矿山排水设备及安全生产的主要依据。贵州正安县马鬃岭铝土矿区水文地质类型为岩溶裂隙充水矿床，矿坑涌水主要受顶板陡倾斜中厚层状灰岩岩溶水威胁，以马鬃岭铝土矿区为研究对象，综合已有水文地质勘查成果，对研究区水文地质条件进行概化，建立水文地质结构模型，根据先期开采地段矿床水文地质模型概化采用渗流断面法计算+535 m 水平以上范围矿井的正常涌水量和最大涌水量，同时采用径流模数法进行对比。结果表明:矿区含矿层充水顶板纯碳酸盐岩富水性不均匀，呈陡倾斜狭长条带形展布，故所取得参数比较局限。而北东、南西两个地下水系统出露的泉点为勘探区地下水的集中排泄点，因此，采用径流模数法预测矿坑涌水量数据更合理、准确，即采用径流模数法预测计算的正常涌水量 Q0=2 339 02 m3/d、最大涌水量 Qmax=13 033 27 m3/d 作为矿山开采排水设计的依据最为合理。关键词水文地质结构;断面法;径流模数法;含水层;渗透系数中图分类号P641 4+1文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0052 03收稿日期2022 12 26作者简介李金玉(1987 )，男，贵州大方人，工程师，主要从事矿山地质方面工作。矿坑涌水量预测是矿区勘探阶段水文地质工作的主要任务之一，也是矿床开采设计矿床疏干排水措施、确定排水设备及确保矿山安全生产的主要依据。从已有水文地质勘查成果看，贵州正安县马鬃岭铝土矿区水文地质类型为水文地质条件中等的顶板直接进水的岩溶裂隙充水矿床，矿坑涌水主要受顶板陡倾斜中厚层状灰岩岩溶水威胁，矿坑涌水量计算对矿床的开采具有重要的现实及经济意义。本文基于对矿区水文地质结构及地下水系统分析基础上，采用断面法和径流模数法对矿坑涌水量进行预测计算，可为矿床设计及后续合理开采提供科学依据。1矿区地下水的补给、径流及排泄条件1 1地下水补给条件(1)地下水补给水源:在北东顺河、南西下寺河地下水系统的最低侵蚀基准面标高 530 m 以上，地下水的唯一补给源为大气降水，大气降水具有集中强降雨的特点，降水受季节影响与动态变化十分明显。年降水量 1 000 1 200 mm，年平均降雨量 1 076 mm，最大日降雨量 102 90 mm，多年平均日降水量 3 90 mm，雨量集中在 4 9 月，占全年的 76%。由于矿区位于高位中低山，年降水和降水强度均高于周边地区。中低山、中等切割向斜及背斜并存的台地上常年为雨雾天气，地表植被以草和灌木、乔木为主，但矿区发育顺河和下寺河，故蒸发量大于周边地区。(2)补给条件:据钻孔简易水文观测资料，钻孔中水位随钻孔深度的增加呈阶梯式下降，表明补给、径流区的地下水活动频繁，岩溶裂隙控制地下水运动速度，矿区的地下水位类型为潜水，且主要赋存在茅口 栖霞组(P2m+q)灰岩中。含水层中呈注入式和渗透向下伏补给，特别是矿区北东部和南西部分别发育 2 个洼地(WD01、WD02)，其中较大的封闭岩溶洼地(WD01)，洼地汇水面积近 50 000 m2;半封闭岩溶洼地(WD02)汇水面积近 8 000 m2，分布面积广、空间大、联通性好，是地下水充水的主要途径，揭穿溶洞、裂隙易呈股状涌水，具有一定的突水性。1 2地下水径流条件根据地下水位流场分析，局部地下水位与地表起伏有一定关联，地形越高，地下水位越高。由于矿区为陡倾斜岩层，含矿层直接充水顶板茅口 栖霞组(P2m+q)灰岩受上伏合山组一段(P3h1)炭质泥岩、粘土岩等相对隔水层的阻隔，底板地下水位运动受韩家店组(S1h)页岩隔水层的控制，形成有限补给的独立的地下水系统蓄水构造，顶板直接充水含水层岩溶溶洞、裂隙影响以及地势高低差异，在张家北西面即马鬃岭山脊中段附近地下分水岭为界，钻孔揭露较高水位为841 36 m(局部个钻孔水位雍高)，分别往北东往顺河、南西往下寺河径流，河床最低侵蚀基准面标高 530 m，因此，北东顺河地下水系统水力坡度为 8 28%，南西下寺河地下水系统水力梯度 7 71%，径流强烈，在地形切割低洼处以泉的方式排泄。1 3地下水排泄条件矿区地表岩溶中等发育，大气降水通过岩溶洼地、落水洞等途径注入含水层，同时地表植被以灌木、乔木为主，少许少许草地，河流、溪沟和水库均匀分布，故地表蒸发量大，蒸发排泄量大。矿区台地地下水位远远高于当地最低侵蚀基准面，又受顶板合山组一段(P3h1)炭质泥岩、底板韩家店组(S1h)页岩隔水层的控制，越流补给下伏含水层或其它河流、水库困难，故本矿区不存在泄流排泄。252023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3在岩溶溶洞、裂隙水共同作用下，地下水形成了完整的泉水排泄系统，在韩家店组(S1h)页岩隔水层底板标高较低处，形成以陡崖脚岩溶下降泉集中排泄地下水的持点。2矿床水文地质结构勘探区矿层倾角 70左右，为陡倾矿层，北东顺河、南西下寺河地下水系统顶板受合山组一段(P3h1)炭质泥岩、粘土岩阻隔为隔水边界;底板为韩家店组(S1h)页岩为隔水边界，含矿层顶板茅口 栖霞组(P2m+q)主要充水含水层顶板为自由水面、底板由于岩溶发育不均匀存在含水和透水性(岩溶)差异分带的特点(图 1)。图 1矿床水文地质结构模型3矿床水文地质条件概化3 1水文地质边界条件由于勘探区所处地势较高，且岩层产状较陡，先期开采第一水平+535 m 标高以上及侧向充水茅口 栖霞组(P2m+q)含水层东侧受上覆合山组一段(P3h1)炭质泥岩、粘土岩阻隔;西侧韩家店组(S1h)页岩为隔水控制，南西和北东分别为下寺河及顺河排泄边界。其中南西下寺河地下水系统面积 1 61 km2，北东顺河地下水系统面积 1 73 km2，先期开采地段主要充水含水层汇水面积约为 3 20 km2。3 2含水介质特征主要充水含水层地下岩溶中等发育，含水介质以岩溶裂隙、溶洞组合的类型，概化为岩溶裂隙类型。岩层含水性较均匀，导水性和含水性具有一定的各向异性。3 3地下水动力类型充水含水层为茅口 栖霞组(P2m+q)岩溶含水层，含水性和透水性强;底板均为含水性和透水性差的岩石。天然条件下地下水动力类型为潜水。3 4充水层地下水补给水源充水层地下水补给主要来自于大气降雨。3 5地下水流场特征(1)天然条件下，整个矿体地形较陡，岩层倾角大，受岩溶裂隙、溶洞及阻水岩层条件控制，地下水往北东顺河径流排泄属于顺河地下水系统，往南西下寺河径流排泄属于下寺河地下水系统，地形有利于自然排水。(2)未来开采条件下将导致地下水流场改变，含水层栖霞茅口组中地下水将矿坑采空区为中心形成径向流。并且，由于未来第一开采水平+535 m 高于下寺河及顺河河床标高，先期开采地段内矿层西侧为“0 流量”的隔水边界，未来开采末期矿井的充水水源仅来自矿坑东侧栖霞茅口组中地下水的单向“侧壁进水”。根据上述条件概化，建立未来先期开采地段矿床水文地质概念模型见图 2。图 2概念模型图4矿区矿井涌水量计算公式及参数选取矿井涌水量预测方法根据先期开采地段矿床水文地质模型概化采用渗流断面法计算+535 m 水平以上范围矿井的正常涌水量和最大涌水量，同时采用径流模数法进行对比。本矿区为陡倾斜岩层产状，地下水主要为潜水，矿井开采坑道充水方式为单向侧面进水，因此，其渗流断面符合达西定律，故采用达西公式(1)预测矿井涌水量;另外，天然条件下矿区地下水补给来源为大气降雨，且北东、南西两个地下水系统出露的泉点为勘探区地下水的集中排泄点，因此，采用径流模数法(5)进行对比。4 1渗流断面法计算公式Q=K I (1)I=s，=B s(2)Q0=Ks B s(3)Qmax=Q0(4)4 2径流模数法计算公式Q0=86 400 M0 F(5)Qmax=86 400 Mmax F(6)以上公式中:Q0为矿坑正常涌水量(m3/d);Qmax为矿坑最大涌水量(m3/d);I 为先期开采地段水力梯度(m);为先期开采地段采坑巷道进水断面面积(m2);B 为先期开采地段进水断面长度(m);K 为充水含水层渗透系数(m/d);为先期开采地段巷道排水地下水影响半径(m);S 为先期开采地段开采疏干水位降深(m);F 为先期开采地段主要充水含水层的面积(km2);为平均变化率。4 3渗流断面法计算参数取值4 3 1先期开采断面宽度(B)根据预可研报告图纸进行测量先期开采断面宽度 B=7 190 m。4 3 2降深(s)根据先期开采地段范围内钻孔静止水位标高平均值790 98 m 将至先期开采第一水平标高+535 m 计算得到 s=255 98 m。4 3 3含水层厚度(H)根据水文地质工程地质编录和钻孔简易水文地质观测动态水位曲线，并结合水文地质测井(补偿声波)资料，按照剖面求出中等、弱含水层的厚度，由于在栖霞组底部与梁山组接触带岩性为灰岩夹泥质灰岩，该段裂隙整体不发育、含水性较差、为透水性较弱的弱透水段，它的存在，使栖霞组有效含水段厚度变小，对矿床充水有相对隔水作用。按照剖面求35第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月出中等含水层的厚度，并利用算术平均值求出先期开采标高+535 m 以上最大含水层厚度 H=239 91 m。4 3 4影响半径()=2SHK(7)根据上述结果 s 和 H 代入(7)，得出 =903 62 m。4 3 5渗透系数(k)根据多孔抽水试验主孔为 ZK1099 4，观测孔分别为ZK1099 6(观 1)、ZK1103 2(观 2)抽水试验资料计算结果得渗透系数 k=0 018 m/d。4 4径流模数法计算参数值依据黄鱼泉(S128)长期观测资料，泉水流量随降雨量变化明显。在雨季泉水流量明显增大，遇强降雨，流量暴增。枯季泉水流量小，变化平稳。说明黄鱼泉泉点流量与降雨量呈周期性正相关变化关系(表 1)。表 12020 2021 年长期观测与降雨量资料表时期月份月降雨量/mm月平均/mm时期月份黄鱼泉(S128)流量/L/s月平均/L/s枯季雨季123 1223 1336 4461 41119 1125 95192 56155 67172 98169 59255 61091 528 17贫水期172 94丰水期18 2928 0736 546 06118 39128 7524 34614 95737 38832 34910 381010 097 6621 58历年平均年降雨量:1347 37年平均流量:14 63历年最大年降雨量:2521 70最大流量:81 55历年最小年降雨量:629 00最小流量:5 68历年最大日降雨量:102 90根据水文地质条件，地表岩溶发育，地下岩溶溶洞、裂隙发育的特点，以地下水集中排泄量和补给区面积为依据，计算出含水层的正常径流模数、最大径流模数即:M0=QfF0(8)根据公式(8)计算可知:即 M0=0 014 63 m3/s1 73 km2=0 008 46 m3/skm2即 Mmax=0 181 55 m3/s1 73 km2=0 047 14 m3/skm2式中:M 为地下径流模数 m3/skm2;Qf为年平均流量m3/s;Qm为最大流量 m3/d;F0为汇水面积 km2。5矿井涌水量预测计算5 1渗流断面法根据建立的数值模型和水文地质参数，以先期开采地段+535 m 水平为约束，分别选择不同的排水量对先期开采地段开采条件下地下水位降深进行计算取值，将以上的计算参数代入(1)(4)中，求出+535 m 第一开采水平的充水含水层的正常涌水量;最大涌水采用含矿层直接充水顶板二叠系阳新统茅口组出露的泉 S128 流量长期观测的最大流量与平均流量的比值得出平均变化率 =81 55/15 69=5 20，即为正常涌水量的倍数，得到最大涌水量，计算结果见表 2。5 2径流模数法将相应计算参数代入(5)(6)式中，分别求出先期开采中段的充水含水层的正常涌水量和最大涌水量，计算结果见表 2。表 2矿坑涌水量预算结果表m3/d计算范围计算方法计算结果Q0Qmax+535m 以上渗流断面法9 384 8648 801 25径流模数法2 339 0213 033 276结语(1)本次勘探工作详细查明了矿区的水文地质结构:本勘探区为陡倾斜矿床，含矿层间接顶板茅口 栖霞组(P2m+q)含水层东侧受上覆合山组一段(P3h1)炭质泥岩、粘土岩阻隔;西侧韩家店组(S1h)页岩为隔水控制，以地下分水岭为界，将勘查区分属不同的两个地下水系统。(2)天然条件下，地下水往北东顺河径流排泄，往南西下寺河径流排泄，地形有利于自然排水。在开采条件下将导致地下水流场改变，含水层栖霞茅口组中地下水将以矿坑采空区为中心形成径向流。并且，由于未来第一开采水平+535 m 高于下寺河及顺河河床标高，先期开采地段内矿层西侧为“0 流量”的隔水边界，未来开采末期矿井的充水水源仅来自矿坑东侧茅口 栖霞组(P2m+q)中地下水的单向“侧壁进水”。(3)对先期开采地段矿坑涌水量预测采用渗流断面法计算，各个参数取值主要根据水文工程孔 ZK1099 4 多孔抽水试验资料及钻孔编录资料，数据均为实测，但是，由于含矿层充水顶板纯碳酸盐岩富水性不均匀，且勘探区呈陡倾斜狭长条带形展布，因此，所取得参数比较局限。而北东、南西两个地下水系统出露的泉点为勘探区地下水的集中排泄点，因此，采用径流模数法预测矿坑涌水量数据更合理、准确。建议马鬃岭铝土矿区先期开采地段采用径流模数法正常涌水量 Q0=2 339 02 m3/d;最大涌水量 Qmax=13 033 27 m3/d 作为矿山开采排水设计的依据。(4)需要指出的是，虽然 535m 标高以上矿层平硐开采时，矿坑水可自行排泄，但岩溶含水层中岩溶溶洞及裂隙分布不均匀，并且可能存在溶洞水，揭露时可能发生突水事故，开采时应根据矿坑涌水情况，及时采取有效措施进行预防。参考文献 1贵州省有色金属和核工业地质勘查局三总队 贵州省正安县马鬃岭铝土矿勘探报告 2022(02)2薛禹群，吴吉春 地下水动力学(第三版)地质出版社M2010(03)3中国地质调查局 水文地质手册第二版 地质出版社M2012(09)45第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月