露天矿矿坑涌水量预测及评价——以湖北宜昌某建筑石料用灰岩矿为例.pdf

总第807期第13期2023年7月河南科技Henan Science and Technology矿业与水利工程收稿日期：2023-03-14作者简介：徐圣（1990），男，硕士，研究实习员，研究方向：矿山水工环地质。露天矿矿坑涌水量预测及评价以湖北宜昌某建筑石料用灰岩矿为例徐圣陈永宝张书杰漆双林王腾姜从刚（湖北冶金地质研究所（中南冶金地质研究所），湖北宜昌443000）摘要：【目的目的】矿坑涌水量预测是矿床水文地质勘查的重要组成部分，是生产设计部门制订开采方案、确定排水能力和制定疏干措施的主要依据，正确预测矿坑涌水量是安全开发矿山的重要工作。【方法方法】以湖北宜昌某建筑石料用灰岩矿为例，探讨露天矿矿坑涌水量的预测方法。通过分析矿区水文地质条件，构建水文地质概念模型，建立水文地质数学模型，选用水均衡法与解析法两种方法联合估算矿坑涌水量。【结果结果】预测结果大致符合矿区客观实际。【结论结论】数据结果可供生产设计部门参考，同时为其他水文地质条件相似的露天矿的矿坑涌水量预测提供了一种案例参考。关键词：露天矿；矿坑涌水量预测；水文地质条件；数学模型；水均衡法；解析法中图分类号：TD742.1文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）13-0068-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.013Prediction and Evaluation of Mine Water Inflow in Open-Pit MineTaking a Limestone Mine for Building Stone in Yichang,Hubei Province as an ExampleXU ShengCHEN YongbaoZHANG ShujieQI ShuanglinWANG TengJIANG Conggang(Hubei Institute of Metallurgical Geology(Central South Institute of Metallurgical Geology),Yichang 443000,China)Abstract:Purposes Prediction of mine water inflow is an important part of hydrogeological exploration.It is the main basis for the production design department to formulate the mining plan,determine thedrainage capacity and formulate the drainage measures.Correct prediction of mine water inflow is an important work for safe development of mines.Methods This paper takes a limestone mine for buildingstone in Yichang,Hubei as an example to discuss the prediction method of mine water inflow in open-pitmine.By analyzing the hydrogeological conditions of the mining area,a hydrogeological conceptual modelwas constructed,a hydrogeological mathematical model was established,and water balance method aswell as analytical method were selected to jointly estimate the water inflow of the mine pit.FindingsThe prediction results are roughly in line with the objective reality of the mining area.Conclusions Thedata can be used for reference by the production design department.At the same time,it provides a case reference for the prediction of mine water inflow in other open-pit mines with similar hydrogeological conditions.Keywords:open-pit mine;prediction of mine water inflow;hydrogeological conditions;mathematicalmodel;water balance method;analytical method0引言矿坑涌水量预测是矿床水文地质勘查的重要组成部分，它不仅是确定矿床水文地质类型、对矿床进行技术经济评价及合理开发的重要指标之一，更是生产设计部门制订开采方案、确定排水能力和第13期69制定疏干措施的主要依据1。矿井突水是开采矿床过程中的主要灾害之一，因此正确预测矿坑涌水量是安全开发矿山的重要工作。根据矿体的赋存、埋藏条件及开采方式（露天开采和地下开采）的不同，将矿山分为两大类：露天矿和地下矿。相比地下矿床地质条件较复杂，露天矿床的地质条件相对简单，矿坑涌水量预测计算也相对容易。本研究以湖北宜昌某建筑石料用灰岩矿为例，探讨露天矿矿坑涌水量的预测方法，并对预测结果加以评价，为下一步设计矿山的开发利用方案提供参考依据，同时也能为其他水文地质条件相似的露天矿的矿坑涌水量预测提供一种案例参考。1预测计算流程预测露天矿矿坑涌水量，首先要查明矿区水文地质条件，主要包括矿坑充水因素、地表水特征、汇水面积、含水层厚度以及地下水补给、径流、排泄特点等水文地质特征和参数。根据实际的水文地质条件，按照矿坑涌水量预测计算流程如图1所示，构建水文地质概念模型，建立水文地质数学模型，带入水文地质参数求得矿坑涌水量。图1矿坑涌水量预测计算流程22矿山地质概况湖北宜昌某建筑石料用灰岩矿位于低山丘陵区，地势总体中部高四周低、南高北低，最高点位于矿区南部山峰，最低点位于矿区西南部山峰，山坡坡角一般为1322。矿区北边和西边存在陡崖，地表坡度2080，平均35。矿区及周边最低点位于西北部的常年性河流，河床标高约135 m（视为当地侵蚀基准面）。矿区广泛发育碳酸盐岩，出露地层主要为奥陶系下统大湾组、红花园组、南津关组，是矿体的主要构成部分，岩性以泥晶灰岩、生物屑灰岩为主，其次为白云岩；开采矿体位于侵蚀基准面以上，地形条件有利于自然排水；矿区岩溶裂隙较发育，地下水含水层以碳酸盐岩岩溶裂隙含水层为主；区域地下水补给来源与矿坑充水因素主要为大气降水，矿区大部分降水通过地表向矿坑汇集，并向低洼处的河沟自然排泄，小部分通过岩溶裂隙渗入补给地下水；地表水体主要为矿区西北部的一条常年性河流，采矿主体区无地表水流过，正常情况下地表水体不会对矿坑造成直接充水威胁；地下水与地表水水质类型均为HCO3-Ca型水。矿区水文地质条件简单，勘查类型是以大气降水充水为主、溶隙地下水充水为次的山坡露天矿床。3构建概念模型通过野外地质调查研究和室内综合分析，对矿区水文地质条件加以全面分析，获取各项有效的水文地质参数。对水文地质条件加以概化，预测未来开采条件下的外部边界条件，构建本次水文地质概念模型如图2所示：矿体主体位于图中推测开采底盘境界线所包围的区域，汇水面积为图中汇水线所包围的区域面积。图2矿区水文地质概念模型4建立数学模型4.1预测计算方法根据应用前提与适用条件的不同，矿坑涌水量预测计算规程（DZ/T 03422020）列举了水文地质比拟法、涌水量降深曲线法、相关分析法、水均衡法、解析法、数值法6种涌水量预测计算方法，其中适用于露天矿矿坑涌水量预测计算的方法主要为解析法、水均衡法、水文地质比拟法。4.2建立模型选取方法本次研究的露天矿为新建矿山，目前尚未进行基建施工和矿山活动，无可供借鉴和参考的某开采水平的涌水量数据，因此水文地质比拟法不适用于本矿山。矿区主矿体在当地侵蚀基准面以上，水文地质水文地质条件概化模型识别与检验水文地质实体水文地质概念模型水文地质数学模型输入水文地质参数矿坑涌水量徐圣，等.露天矿矿坑涌水量预测及评价以湖北宜昌某建筑石料用灰岩矿为例图例第四系松散孔隙含水层奥陶系大湾组岩溶裂隙含水层奥陶系红花园组岩溶裂隙含水层奥陶系南津关组岩溶裂隙含水层勘探区范围地质界线推测开采底盘境界线河流地下水流向汇水线70第13期条件简单，在矿床开采过程中，进入采坑的水主要取决于大气降水量及采矿场汇水范围的大小。另外，钻孔显示的地下水静水位（226.00226.53 m，平均 226.27 m）高于最低开采标高（+200 m）数十米，因此进入采坑的水量还包括采坑外围大气降水形成的地表径流汇入采坑的水量和地下水含水层进入采坑的水量。综合分析，露天矿坑总涌水量Q主要包括三部分：第一部分为采坑承雨面积内直接接受大气降水的量Q1；第二部分为采坑外汇水范围内大气降水形成的地表径流进入采坑的量Q2；第三部分为地下水含水层进入采坑的量Q3。以此为依据建立矿区水文地质数学模型如图3所示。参照适用条件，Q1与Q2在开采条件下水均衡关系极为简单，适合采用水均衡法估算；Q3可类比“大井法”预测，适合采用解析法估算。因此，本次选用水均衡法与解析法两种方法联合估算矿坑涌水量。图3露天矿坑涌水量预测数学模型4.3计算公式和参数确定Q1、Q2、Q3计算公式见表1。表1矿坑涌水量计算公式涌水量Q1Q2Q3计算公式Q1=F1AQ2=F2AQ31.366K()2H-S SlgR-lgr备注式（1）式（2）式（3）式（1）中：F1为露采场顶界范围内的面积，m2，为图 2 中推测开采底盘境界线所包围的面积，用MAPGIS软件测算，面积约270 264 m2；A为多年雨季平均或最大降水量，mm，根据矿区所在地区历年气象数据，多年平均降水量1 101.1 mm，则日平均降雨量A平=1 101.1/3653.017 mm/d，日最大降雨量Amax=239.7 mm/d（2021年7月20日当地某水文站数据）。则正常降雨量时，Q1=F1A平815.31 m3/d；最大降雨量时，Q1=F1Amax64 782.28 m3/d。式（2）中：F2为采坑外围汇水面积，m2，为露采场汇水面积与矿区开采底盘面积之差，即图 2 中汇水线包围的面积与 F1之差，用 MAPGIS软件测算圈定的汇水面积约 474 896 m2，故 F2=474 896-270 264=204 632 m2；为地表径流系数。参考地表径流系数经验值，见表2，灰岩、表土地区地表径流系数取值0.60.8，本矿区岩石主要为灰岩，少量第四系黏土覆盖，综合分析取值0.6。表2地表径流系数经验值3岩土类别重黏土、页岩轻黏土、凝灰岩、砂页岩、玄武岩、花岗岩表土、砂岩、石灰岩、黄土亚黏土、大孔性黄土粉砂细砂、中砂粗砂、砾石坑内排土场，以土壤为主者坑内排土场，以岩石为主者地表径流系数0.90.80.90.60.80.60.70.20.500.200.40.20.400.2则正常降雨量时 Q2=F2A平370.39 m3/d，最大降雨量时Q2=F2Amax29 430.17 m3/d。式（3）中，矿坑涌水量随季节在一定范围内波动，呈现相对稳定状态时，可近似认为以矿坑为中心形成的地下水渗流场基本符合稳定径流条件，可用稳定井流公式估算。根据钻孔资料表明，矿区地下水含水层为潜水，涌水量计算采用潜水完整井裘布依公式，具体参数如下：K为含水层渗透系数，m/d，渗透系数的确定一般采用经验值法和野外抽水试验法4，由于受本次勘查工作所限，未取得渗透系数实测值，参考 水文地质手册（第二版）不同岩石（岩体）渗透系数经验值5、借鉴相邻矿区同地层渗透系数经验值，综合分析本次K值取0.2 m/d；H为含水层厚度，m，根据勘查阶段的6个钻孔揭露，矿区地下水水位平均值约 247.4 m，最低开采标高为+200 m，含水层平均厚度约47.4 m；S为水位降深，m，平均水位降深S=47.4 m；r为“大井”引用半径，m，由图2可知，开采块段形态近似为矩形，开采块段的长度（a）与宽度（b）比值大小确定，r=（a+b）/4，a=800 m，b=450 m，b/a=0.5625，根据b/a值与的对应关系，取1.174，则r=1.174(800+450)/4366.88 m；R为“大井”引用影响半径，m，潜水情况下，“大井”影响图例裂隙含水层（矿层）矿层底板终了采坑排水前的水位大气降水渗入露天采坑Q2Q1Q2Q3Q3SHRR0r徐圣，等.露天矿矿坑涌水量预测及评价以湖北宜昌某建筑石料用灰岩矿为例第13期71半径R0=2SKH，R=r+R0=r+2SKH=366.88+247.40.2 47.4658.76 m，则 Q31.3660.2（247.447.4）47.4/（lg658.76lg366.88）2 414.6.66 m3/d。露天矿坑总涌水量估算相关参数见表3。表3露天矿坑涌水量估算参数参数Q1F1HQ2F2Q3KHSrRQ参数意义采坑承雨面积内直接接受大气降水的量露天采矿场顶界范围内的面积多年雨季平均降水量/最大降水量采坑外汇水范围地表径流进入采坑的量采矿场外围汇水面积地表径流系数地下水补给量含水层渗透系数含水层平均厚度水位降深引用半径引用影响半径露天矿坑总涌水量正常值/最大值单位m3/dm2mmm3/dm2m3/dm/dmmmmm3/d数值815.31/64 782.28270 2643.017/239.7370.39/29 430.17204 6320.62 414.660.247.447.4366.88658.763 600.36/96 627.11备注式（1）式（2）式（3）QQ1Q2Q35预测结果评价根据涌水量预测计算公式及参数值，矿坑涌水量预测结果见表4。表4涌水量预测结果涌水量Q1Q2Q3Q正常值/（m3/d）815.31370.392 414.663 600.36最大值/（m3/d）64 782.2829 430.172 414.6696 627.11矿坑正常涌水量为3 600.36 m3/d，最大涌水量为96 627.11 m3/d，该涌水量是采坑汇水面积最大时的计算结果。含水层厚度和水位降深根据6个钻孔数据换算，全面性、代表性不足，地下水位会随着地下水疏干而不断下移，含水层厚度将逐渐减小。另外，地表径流系数、渗透系数等参数值是以经验值为依据，如果取矿区实测值，结果会更准确。以上水文地质参数值的偏差导致结果存在一定误差，矿坑总涌水量的计算值稍偏大。总体而言，预测值大致符合矿区水文地质特征的客观实际，预测结果具备一定可靠性。从安全角度出发，本着就大不就小的原则，预测数据可供生产设计部门用于制订开采方案、确定排水能力和制定疏干措施参考。本次矿坑涌水量估算结果仅为矿层开采的矿坑涌水量，不包括遇溶洞或隐伏地下暗河涌水以及大气降水与地表水沿采空区产生的地面塌陷、地裂缝等变形破坏处的渗（灌）入量。尽管本矿山设计最低开采水平标高高出当地侵蚀基准面65 m，地形上有利于自然排水，不会对矿山的开采造成较大影响，但开采过程中仍要防止多雨季节特别是暴雨期间暴雨汇水直接冲刷采场、公路、工作面、设备设施等，尤其要注意因雨水浸泡可能引发的工作台阶失稳和滑坡。要加强截排水系统的建设，加强探水工作，加强日常监测工作，留意矿坑涌水量的变化，尽早发现可能出现的突发情况，提前做好应急预案，防止矿坑突水。6结论及建议通过分析矿区水文地质条件，建立数学模型，选用水均衡法与解析法两种方法联合估算矿坑涌水量。矿坑正常涌水量为3 600.36 m3/d，最大涌水量为 96 627.11 m3/d，预测值大致符合矿区客观实际，数据可供生产设计部门参考。采矿阶段要留意矿坑涌水量的变化，提前做好应急预案，防止矿坑突水。参考文献：1 张永波.矿床水文地质学 M.北京：中国水利水电出版社，2020.2 中华人民共和国自然资源部.矿坑涌水量预测计算规程：DZ/T 03422020 S.北京：地质出版社，2020.3 张立钊，刘培栋，胡英泽，等.辽宁省青山工程设计思路及治理措施研究 J.能源环境保护，2018，32（5）：41-44.4 郑星.水量均衡法分析计算平原区域地下水允许开采量 J.河北水利，2020（7）：39，42.5 中国地质调查局.水文地质手册 M.2版.北京：地质出版社，2012.徐圣，等.露天矿矿坑涌水量预测及评价以湖北宜昌某建筑石料用灰岩矿为例