基于补充水文地质勘察后矿坑涌水量预测结果分析

高 尚，汪 磊

(合肥工业大学，合肥 230009)



基于补充水文地质勘察后矿坑涌水量预测结果分析

高 尚，汪 磊

(合肥工业大学，合肥 230009)

矿坑涌水量预测结果，直接影响矿山合理开采和安全生产。以旗杆楼铁矿为例，通过补充水文地质勘察，新发现矿区第四系底部为透水性极差的弱含水层，对上部孔隙水具有一定的“屏蔽”作用，故重新预测得出矿坑涌水量数值减小，为该铁矿生产安全、经济运营及防治水措施设置提供参考。建议在矿坑涌水量预测方面，针对性地开展补充水文地质勘察，深入了解矿区水文地质条件，提高矿坑涌水量预测精度。

补充水文地质勘察；抽水试验；矿坑涌水量

矿坑涌水量是评价矿井开发经济技术条件的重要指标之一[1]，对矿山的生产安全、经济运营有直接影响[2]。是否准确预测矿坑涌水量，对矿山防排水措施设置有重要意义，并且能减少淹井等不良事故发生的概率[3]。基于矿床勘探程度及对矿区水文地质条件认识水平的影响[4]，矿坑涌水量的预测值会有明显差别。本文以安徽萧县旗杆楼铁矿为例进行分析，该铁矿详查地质报告给出矿坑正常涌水量为52 488 m3/d；水文地质报告给出矿坑涌水量为24 073 m3/d，两种预测结果相差较大。究其原因，是对该铁矿充水条件认识不充分，前者认为矿体顶、底板富水性弱的矿化蚀变岩类为矿体开拓时的直接充水含水层；后者认为第四系孔隙水为矿坑最终充水水源。基于补充水文地质勘察后，进一步掌握矿区地质条件以计算矿坑涌水量并作结果分析。

1 研究区概况

1.1 区域工程地质概述

该铁矿处于永城复背斜北部倾没端东翼，矿区分布地层自陈至新依次为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系，其中与成矿关系密切的地层主要为奥陶系下统萧县组，次为奥陶系下统马家沟组等。地质构造方面，在矿区西侧为永城复背斜、矿区东侧为蒋河向斜，两轴均呈北北东向分布。区内主要断裂有三组，分别是:区域大断层F1、矿区东断层F3、矿区南断层F6，其中北北东向与近东西向断裂控制本矿区铁矿的赋存状态。

1.2 区域水文地质概述

根据地下水赋存空间及岩性特征，本矿区主要涵盖以下含水层组:

A. 碳酸盐岩类含水岩组: 包括寒武系中上统灰岩含水岩组，富水程度较差；奥陶系灰岩含水岩组，岩溶发育程度高，以溶隙为主；下部萧县组灰岩为矿体直接顶板，岩溶裂隙发育程度低，富水性和透水性均较弱；局部与第四系砂层接触，富水性强。

B. 碎屑岩类含水岩组: 二叠系砂岩、粉砂岩为主，分布于矿区东南部，裂隙不发育。据矿区抽水试验资料，单位涌水量约为0.000 24 L/(s·m)，通常视为相对隔水层。

C. 岩浆岩类含水岩组: 该岩体为本区唯一的成矿母岩，在矿区内广泛分布。主要岩性为酸性二长花岗岩，岩石较完整，裂隙发育程度差，多为闭合裂隙和充填裂隙，通常作为隔水层处理。

D. 松散岩类含水岩组: a.第四系松散沉积物广布全区，中上部砂层含水层组岩性为粉土、粉细砂及黏性土互层，厚约25～33 m，含孔隙潜水，富水性中等；b.第三系钙质黏土，富水性在空间上分布不均一，水平连续较差。

2 水文地质勘察工作

2.1 前期成果评价

该铁矿详查得出:区内矿体均隐伏于第四系之下，其周边围岩多为各种蚀变岩类及灰岩、大理岩。矿体顶底板多由矿化蚀变岩类构成，是矿体开拓时的直接充水含水层。富水性较好的碳酸岩类含水层与矿化蚀变含水层水力联系密切，多与其直接触或局部接触，构成间接充水层。矿段东侧及南侧为相对隔水边界，矿坑涌水的来水方向主要为西侧和北侧。

该矿水文地质勘探得出: 矿床主要充水含水层为奥陶系灰岩含水层，上覆地层为第三系、第四系含水层。开采条件下，深部奥陶系灰岩含水层疏干排水，四周侧向径流补给有限，矿坑涌水主要来源是第四系垂向越流补给。

上述结论相互矛盾，对旗杆楼矿充水条件认识不一致，主要缺陷是未阐述清楚第三系、第四系地层分布及水文地质特征，为此而开展补充水文地质勘探。

2.2 补充勘察成果

补充勘察工作重点开展针对第三系、第四系隔水层，矿床顶、底板的抽水试验。新增C01、C02、C03、C04四孔水文地质钻井，共进行了11次分层稳定流抽水试验，1次注水试验。结果详见表1。

表1 补充抽水试验结果一览表

补充勘查结果显示:马家沟组单位涌水量0.14～2.747 L/(s·m)，渗透系数为0.058～1.326 m/d，按钻孔单位涌水量(q)富水性分级为强富水性；萧县组渗透系数为0.122～0.238 m/d，中等富水性；第三系富水性及透水性弱，平均渗透系数为0.001 m/d；第四系底部为透水性极差的弱含水层，使得第四系浅层地下水越流补给受到限制，这是前期成果中忽略的问题。

2.3 矿床充水条件

根据补充水文地质勘察结果及前期资料得出该矿床开采时，矿区奥陶系灰岩强含水层为相对孤立的含水体，径流条件差，侧向补给有限。萧县组岩溶裂隙水为直接充水水源。受灰岩岩溶裂隙含水层富水性及透水性不均一的影响，矿山开采时，奥陶系灰岩岩溶裂隙水将间接流入矿坑，成为间接充水水源。

奥陶系灰岩东、南、北三个方向均为富水性和透水极弱的石炭系或二叠系，西部为区域大断层F1及富水性较差的下古生界寒武系灰岩，为相对隔水边界。

3 数值法预测矿坑涌水量

数值法预测矿坑涌水量总体分为四个过程[5]: 建立水文地质概念模型、建立数学模型、模型识别与验证、矿坑涌水量预测。结合数值模拟软件会加快运算过程，本文采用Visual MODFLOW软件[6]进行地下水流数值模拟。实践证明，Visual MODFLOW即使在处理复杂水文地质条件下的地下水流问题，也有其独特的优势并且在科研、生产中应用越来越普遍[7]。

3.1 水文地质概念模型

根据矿区开展的不同阶段钻探工作、矿区水文地质条件，在垂向上，将模拟区的地下水系统概化为第四系浅部粉砂粉土含水层、第四系深部粉质黏土弱含水层、第三系含水层、奥陶系马家沟灰岩含水层和奥陶系萧县组含水层；平面上剖分为150行，100列，在抽水孔分布区域附近，将网络剖分加密一倍，以提高模型计算精度。

3.2 数学模型

根据矿区水力性质，将地下水流概化成“非均质各向异性准三维水流系统”并建立如下数学模型[8]。

式中: Kx、Ky、Kz为K在x、y、z三个方向上分量，单位m/d；h: 地下水水位，单位m；W: 单位体积流量；μs: 含水岩组的储水率，单位1/m；h0(x,y,z):已知水位分布，单位m；t: 时间，单位d；D: 模拟区范围；Γ1，Γ2:分别为一类、二类边界；q(x,y,z,t):二类边界上流量分布。

3.3 模型识别与验证

对模拟区地下水系统进行模型识别，利用试错法调参。考虑分析对地下水流场形态及水量影响程度大，将渗透系数K与弹性释水系数μ作为重要的调参对象。结合抽水试验资料及其水文地质条件，识别得到模拟区参数取值如表2所示。识别结果理想，如图1所示。

表2 模型参数取值表

为提高精度，对模型进行进一步验证，选取抽水试验时间2016年9月12日为模型验证期开始时刻，以C03抽水孔实测水位与计算水位为对比对象，得到水位拟合过程线如图2所示，拟合情况良好。故可以认为数值模型能正确反映模拟区实际情况，可以对矿区矿坑涌水量做预测分析。

图1 识别期C02水位拟合过程线Fig.1 C02 water level fitting line in identification period

图2 验证期C03水位拟合过程线Fig.2 C03 water level fitting line in validation period

3.4 预测结果

根据该矿开发利用方案，一期开采水平最底为-500 m，因此以该段处巷道布置图为参考，预测矿坑涌水量。模型的预测期与矿山服务年限一致，为14年。预测得到的涌水量随时间的变化过程如图3所示，初期涌水量为11 791 m3/d，随着矿床开采的进行，矿坑涌水量逐渐减小，递减幅度逐渐减小，水量逐渐趋于平稳，约为8 513 m3/d。

图3 矿坑涌水量变化过程线Fig.3 Changing line of mine water inflow

4 结论

本文给出该铁矿初期涌水量为11 791 m3/d，正常稳定涌水量约为8 513 m3/d，与已有结果52 488 m3/d(详查报告)，24 073 m3/d(水文地质报告)相比，前期已有结论涌水量数值偏大。对比分析: 前期已有结论认为第四系垂向补给是矿区主要充水水源，排水初期，奥陶系灰岩上覆第四系土层大面积释水，通过第三系的传导作用涌入矿坑；而补充勘察结果发现，第三系岩层富水性及透水性弱，且第四系底部存在一层富水性及透水性极差的极弱含水层，对上部孔隙水具有一定的“屏蔽”作用，得出的矿坑涌水量比已有成果值小。

受矿床赋存条件复杂性、勘探程度及认识水平的影响，矿坑涌水量预测结果往往会与实际相差较大，为提高预测精度，需要有针对性开展补充水文地质勘测。本文重点针对第三系、第四系隔水层及矿床顶底板进行抽水试验，更新水文地质参数，确定更合理的矿坑涌水量，为该铁矿安全、经济生产及防治水条件提供参考。建议今后在矿坑涌水量预测方面，应该在深入识别矿区水文地质条件基础上作涌水量预测，以提高矿坑涌水量预测精度。

[1] 郑世书，陈江中，刘汉湖.专门水文地质学[M].徐州:中国矿业大学出社，1999.

[2] 周如禄，戴振学，李颖.矿井涌水量预测的理论与实践[J].煤炭科学技术，1998，(06):49-51.

[3] 管恩太，武强.矿井涌水量预测评述[J].中州煤炭，2005，(01):7-8.

[4] 邢艳允，陶月赞，刘佩贵. 矿坑涌水可利用量研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2012，(06):794-798.

[5] M.Olias，J.C.Ceron，I.Fernandez，J.Delarosa．Distribution of rare earth elements in alluvial aquifer affected by acid mine drainage-the Guadiamar aquifer(SW Spain)[J].Environmental Pollution，2005，(135):53-64．

[6] 冯洁.可视化地下水数值模拟软件(VISUAL MODFLOW)在国内的应用[J]. 地下水，2013，(04):34-36.

[7] 周念清，傅莉，江思珉，等.MODFLOW 在三门峡铝土矿疏干排水模拟中的应用[J].同济大学学报(自然科学版)，2009，37(12): 1691-1694．

[8] 蒋辉，郭训武.专门水文地质学[M].北京:地质出版社，2007．

Analysis of prediction results of mine water inflow based on supplementary hydrogeological survey

GAO Shang, WANG Lei

(Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Mine water inflow directly affects the reasonable mining and safe production of deposits. Taking a certain iron ore as an example, it discovered that the bottom of the Quaternary System is a weak aquifer with poor water permeability by supplementary hydrogeological survey, and it has a certain “shielding” effect on the upper aquifer. The results provide a reference for the iron ore safety, economic production and control of water measure installation. It is suggested that the hydrogeological survey should be carried out to improve the prediction accuracy of the mine water inflow.

Supplementary hydrogeological survey; Pumping test; Mine water inflow

2016-12-26

高尚(1991-)，男，硕士研究生。 汪磊(1991-)，男，硕士研究生。

P641.4+1

A

1674-8646(2017)02-0049-03