长江中下游某铁矿涌水量预测研究

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(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

矿坑涌水量预测，是矿山安全生产设计的重要依据；但实际工作中，或因预测明显偏小而导致淹井事故，或因预测明显偏大而导致矿山排水系统建设与运行产生严重浪费[1]。影响预测可靠性的主要因素，大体可概括为：(1)受勘查程度等因素影响，对矿床充水条件的控制程度不够[1～4]；(2)对水文地质条件的认识存在明显偏差，计算方法或重要参数选择不当[3～8]；(3)预测设置的条件，与矿床开发利用方案结合不紧[6～10]。

岩浆热液型铁矿，多呈似层状、透镜状不连续产出，矿体产状复杂多变，上述影响矿坑涌水量预测的因素(在中小型矿山，水文地质勘查程度不够尤为突出)，影响往往更为显著。本文以安徽省某铁矿中的主矿体为例(①号矿体、也是该矿山的北矿段)，基于现有的勘查成果，结合矿床开发利用方案，就充水条件概化、计算方法选择等内容，讨论矿坑最大涌水量预测，为类似问题提供参考。

1 矿体特征

本矿床位于长江中下游的最重要的铁矿成矿区内，该矿区已发现大型铁矿床3个、中型铁矿床7个。

本矿床产于接触带附近，有 10个矿体，其中①号矿体是主矿体(北矿段)，其资源储量占全矿床的68.34%；②号矿体次之，其资源储量占全矿床的22.70%；主矿体特征，参见表1。

图1 矿体产状及开采水平关系示意图

2 水文地质条件及其概化

依据该矿床的《详查报告》，该矿床开采技术条件，属以水、工、环复合问题为主的中等复杂类型矿床；《详查报告》对北矿段，进行了矿坑涌水量预测。

隔水顶、底板及含水岩组水文参数概化 ①号矿体以三叠系中统黄马青组砂页岩裂隙弱富水岩组作隔水顶板；以闪长岩体作为隔水底板；隔水底板底标高为-1 050 m。

矿床充水，主要是围岩(砂页岩)裂隙侧向补给；砂页岩裂隙含水层组厚度284.54 m、顶板标高为-765.46 m；根据抽水试验，含水层组渗透系数k为0.052 4 m/d。

边界条件概化 北矿段主要南西受近于垂直的F1、F2断层作供水边界。北及东侧因黄马青组砂页岩裂隙弱富水岩组与闪长岩裂隙弱富水岩组富水性相当，视为无侧限边界。

表1 主矿体特征

3 涌水量预测

依据大井法基本原理，位于直交的二供水边界之间的承压井涌水量计算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Q为涌水量(m3/d)、K为渗透系数(m/d)、B为非完整井系数(无量纲)、m为承压含水层厚度(m)、S为计算水平对应的水位降深=初始水头-计算水平(m)、Rc为边界水流阻力系数(无量纲)、rw为根据矿体水平投影拟合的大井半径(m)、d1/d2为大井中心至边界距离(m)、L为非完整井进水段高度=含水层顶板标高-计算水平(m)

《详查报告》对北矿段-796 m、-900 m、-1 000 m、-1 050 m水平，预测的矿坑涌水量分别为5.25万 m3/d、11.82万 m3/d、16.25万 m3/d、18.05万 m3/d。

表2 各开采水平矿坑涌水量计算结果

4 问题讨论

《详查报告》开展的矿坑涌水量预测，存在以下主要问题：

开采范围的影响 ①号矿体呈似层状、缓倾斜产出，矿体赋存标高-778～-1 050 m；则，不论首采是哪个水平，其开采范围的水平投影都将远小于上述“大井”范围；以首采水平-796 m为例，此时，-796 m水平以上可以采的矿体水平投影，不超矿山全矿体水平投影的1/2～1/3(参见图1)；

仅考虑开采水平所控制的可采矿床水平投影S-796与全矿床水平投影Smax之不同，而形成的对涌水量预测值的影响。

《详查报告》中的预测方法与公式、水文地质参数、以及初始流场与边界条件等，全面继承；仅是大井范围按-796 m水平的可采矿床水平投影面积S-796计。

承压转无压的影响 承压含水层分布于-765.46～-1 050 m之间、厚284.54 m。

综上，上述因素，每个因素都是导致涌水量计算偏大的因素；因素迭加，将导致计算结果产生较大偏差。

5 涌水量预测复核

根据矿床开发利用初步方案，该矿床采用嗣后充填法采矿，采用由西向东的开采方式；这将形成一狭长的廊道，即涌水量预测，采用水平廊道法；采用承压——无压公式：

Q=CK (2S - m) m/D

(4)

式中：D为水平廊道影响宽度、C为进水廊道长度；其它符号意义同上。

水平坑道影响宽度D=R+b/2； b为综采面长度，本次计算，不考虑b的影响，即b=0; R为影响半径，在2条近直交充水断层附近，参考大井法R的计算方法，R=2d1d2/(d12+d22)1/2。

水文地质参数，与上述矿坑涌水量预测所用的数值相同；进水廊道长度C，应为开采水平对应

的可采矿体水平投影最大长度，按开采水平可采矿体水平投影最大长度；-796 m水平、C=300 m，-1 050 m水平(可采矿体范围是-1 000～-1 050 m之间的矿体部分)、C=500 m。

表3 北矿段各矿坑涌水量复核参数与复核结果

参考地质与水文地质条件与本矿高度一致的邻近矿山的实测数据，排水水平为-300 m(对应降深约310 m)时矿坑最大涌水量为2 965 m3/d；与本矿山，在排水水平为-796 m(对应降深792.02 m)，复核预测矿坑最大涌水量为7 333.4 m3/d；在排水水平为-1 050 m(对应降深=1 046.02 m), 复核预测矿坑最大涌水量为27 798.0 m3/d；就降深这一因素，复核预测与邻近矿山实测数据基本吻合。

6 结论与建议

上述研究过程中，得到以下结论：

(1)采用 “大井法”进行矿坑涌水量预测时，大井范围应是开采水平所对应的该水平可采矿床水平投影，而不是全矿床水平投影；

(2)当矿床充水地层为承压含水层、且开采水平位于承压含水层顶板之下时，充水地层的地下水一般多由承压转无压，注意采用公式的适用性；

(3)解析法公式众多，其中，应用相对广泛的是大井法、廊道法；应根据矿床开发利用方案，根据采矿范围的形态，选择合适的方法，这在产状复杂多变的岩浆热液型铁矿床涌水量预测中，尤为突出。

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