某铜矿开采二号矿坑涌水量预测

贾鹏 罗小波

摘 要：该铜矿有两个矿坑，利用一号矿坑的涌水量长期观测资料，对即将开采的二号矿坑分别采用大井法，降落漏斗法，相关分析法及钻孔用水量类比法进行了矿坑涌水量预测，给矿山基建工作提供了设计依据。

关键词：矿坑涌水量预测；大井法；降落漏斗法；相关分析法

解析法是目前矿坑涌水量预测中应用最广的一种方法，它适用于各种类型矿山的涌水量计算。可以为疏干设计提供各项重要指标。常用“大井”法进行计算，即将各种形态的井巷与坑道系统，用具有等效的“大井”表示，用井流理论进行计算。

矿区地下水的运动基本上是一个非稳定过程，因此，预测计算一般使用非稳定流解析法，在特定条件下，如强越流补给，含水层分布广，透水性强、补给充足的矿区等，能形成稳定流，可采用稳定流解析法。本次预测的两个矿区相邻较近，一号矿区开采时间久，地下水趋于承压稳定流，二号矿区是将来联合开采的新矿区，采用承压含水层稳定流计算方式。

一、矿床主要充水因素

根据该铜矿以往的水文记录资料，矿坑涌水量与降雨量关系密切，大范围降雨自然渗透是矿床水量补给的主要原因。地表浅部地下水丰富，深处水量逐渐变小。采矿活动形成的裂隙将使得地下各含水层之间水力联系增强，特别在构造发育区域地下水丰富。

一号、二号矿区位于区域地表水和地下水向盆地外排泄的通道区域，区域含水层的侧向补给和上罗恩含水层的越流补给也成为一号、二号矿体充水的补给来源。

矿床上部地下水及地表水，随着矿山开采对构造的揭露和对原岩稳定性的破坏，成为矿床顶板间接充水因素，封闭较差的老钻孔也会成为矿床充水的主要通道。另外，矿体含水层使矿床具备直接充水条件，矿区水文地质调查表明，一号、二号矿区为以上罗恩亚群溶蚀裂隙承压含水层和燧石白云岩含水层充水为主的矿床，且为顶板间接充水礦床。

一号矿区多级褶皱构造使得水文地质条件更加复杂，二号矿区矿体为产状较缓的单斜构造，从二号矿体地表探矿钻孔揭露地层表明，二号矿区的燧石白云岩风化程度较一号矿区弱，使得二号矿区总体富水性弱于一号矿区。

矿体含水层为矿区内的主要含水层之一。主要由硅质碎屑岩组成，夹有少量互层的碳酸盐岩，该层的富水性随着其褶皱程度的加强而增强。

二、历年一号矿体井下涌水量统计分析

从井下涌水量统计中看出，随着开采深度的增加，开采面积的增大，井下涌水量也相应增大。但当开采到一定深度以后，涌水量增幅变小。

历年的各中段涌水量统计说明，300中段涌水主要受地表季节性地表降雨补给影响，而400中段至700中段涌水，除了受地表季节性降雨补给影响外，还受下部中段的开采和疏水影响。

根据矿井涌水量统计数据分析得出，涌水量各年、月平均值极值均出现在雨季，涌水量峰值与雨季有相应的滞后关系，即大气降水对矿坑充水有一定影响。

井下年平均涌水量与矿山开采深度有关，总趋势为前期生产时矿下涌水量年变幅较小，随着开采面积扩大和开采水平延深逐渐增大。根据地下水非稳定流理论分析，当开采工作面从高中段进入低一级中段后，含水层水头亦会相应降至低一级中段。含水层水压下降，必然引起承压水的弹性释放，初期弹性释放水量较大，其后，随着地下水降落漏斗扩大，水压差将逐渐缩小，弹性释放水量也相应减少，并逐渐趋于稳定，地下水的非稳定流动将转化为稳定流动。

井下涌水量随开采水平延伸而增大的另一原因为，低中段水平地下水与补给区地下水头差值增大，必然引起侧向补给或上下越流补给量的增加。同时，低一级中段地下水与排泄区地下水头差值会减小，引起地下水向下游排泄量的减少，这就是井下涌水量随开采深度增加而增大且增幅减小的原因。

三、二号矿区开采矿坑涌水量预测

为了安全开采，对直接充水层来说，矿坑疏干排水最大水位降深（Smax）应使地下水位降至巷道底板，取Smax=H（含水层水位）。

1.承压水完整井大井法

采用公式：

公式中各参数的确定：Q为预测正常涌水量，单位m3/d；K为渗透系数，取 K=0.059 m/d；M为承压含水层厚度，单位m，取50m；S为水位降深，单位m，开采中段为400中段-700中段，S分别取160m、260m、360m、460m；r0为折算的引用大井半径，单位m。根据开采400中段-700中段中段范围内的矿体的面积换算分别得出，r0=530 m、583 m、641 m、679 m。（0.882、1.069、1.291、1.448；单位：Km2）；R为影响半径，单位m。R=10S√K；R0为引用影响半径，单位m。利用西哈脱公式，R0=r0+R

计算结果：300中段-700中段涌水量分别为：Q300中段正常=5906 m3/d；Q400中段正常=5392 m3/d；Q500中段正常=6566m3/d；Q600中段正常=7755m3/d；Q700中段正常=8764 m3/d；该区域开采至700中段时井下各中段正常涌水量合计：34384m3/d。

2.自2700勘探线——4260勘探线。根据目前700中段和西矿体300中段放水钻孔的单孔涌水量测量数据，划分为不同区域，以每间隔60m/1个钻孔进行估算涌水量如下：2700线——3360线，11个钻孔，单孔涌水量按633 m3/d；3360线——4080线，12个钻孔，单孔涌水量按400 m3/d；4080线——4260线，3个钻孔，单孔涌水量按230 m3/d；

700中段涌水量估算为：Q0=633*11+400*12+230*3=12453 m3/d。（初始最大涌水量）根据统计数据显示钻孔涌水量稳定后为初始涌水量的0.708，所以700中段稳定涌水量为Q0*0.708=8822 m3/d。

3.降落漏斗法推测涌水量

将西矿体300中段看做一口大井，降落漏斗视为该井排水造成的，现假设这口大井降深与涌水量的关系式为：

α为区域单位降深值，即大井涌水1000m3/d时的降深值，根据西矿体涌水情况取Q=4000m3/d，S=300m，求的α=75

Q=40S/3

计算结果：300中段-700中段涌水量分别为：Q400中段正常=5333 m3/d；Q500中段正常=6667m3/d；Q600中段正常=8000m3/d；Q700中段正常=9333 m3/d

该区域开采至700中段时，井下各中段正常涌水量合计：33333m3/d，与承压大井法结果比较，误差率为：（34384-33333）/33333*100%=3.2%

另外：考虑采矿作业揭露不明构造导水形成突水，按2000 m3/d -3000 m3/d估算；地表钻孔封孔不严情况下导水，开采区域共计有35个孔深达300中段以下的钻孔，按钻孔数的一半，每个孔200 m3/d计算，预计涌水量：35*50%*200=3500m3/d；前面通过对一号、二号矿体井下涌水量统计，涌水量与雨季降雨有正相关关系，涌水量峰值多出现较雨季滞后1～2个月。每年雨季一般持续5个月左右（11月～次年3月）。

降雨入渗补给量，按照降雨入渗公式：

α：降雨入渗系数0.3；H：多年平均降雨量 1.141m；Hmax：最大年降雨量1.194m；Hd：日极端降雨量0.379m；Q：降雨入渗量m3/d

综合上述，西矿体开采至700中段时正常涌水量约为：33000 m3/d-34000 m3/d

最大涌水量合计：3000（构造）+3500（钻孔导水）+34000（正常）+2519 （ 降雨）≈43000（m3/d）。

四、二号矿区深部开采矿坑涌水量预测

1.参数选择及模型建立

利用最靠近二号矿区中央的长期观测孔B1的水位观测数据和二号矿区井下各中段涌水量长期观测数据（见表4）来进行预测。

2011年-2013年三个实测井下各中段涌水量数据系列进行均衡性比较，采用对数变异指标-极差系数比较各年度井下中段涌水量平均值，取极差系数相对较小（即数据平均值代表性相对较大）的2012年和2013年的井下中段涌水量平均值参与模型计算。与此对应采用2012年和2013年的B1的水位观测数据平均值。得出近似二号矿区中心的Q=f（S）曲线（见图2）。

利用Q=f（S）曲线外推法（一元相关分析法）进行涌水量预测。先用曲度法判别曲线类型：，计算可知n=1.27>1可知Q=f（S）曲线为幂曲线型，符合幂函数曲线方程：。

2.模型计算结果

最小二乘法计算出参数：a=122.19，b=1.27，拟合结果为：。

3.涌水量预测

该模型预测二号矿区开采至500m水平的涌水量为13423m3/d，最大涌水量类比一号矿区为30000m3/d；开采至700m水平的涌水量为18721m3/d，最大涌水量类比一号矿区为40000m3/d。

4.涌水量预测结果评价

主、二号矿区降落漏斗图显示，矿坑排水导致主、二号矿区水位产生了不同程度的下降，说明主、二号矿区存在一定水力联系。二号矿区漏斗形态较缓，推测主、二号矿区之间的古基底隆起对主、二号矿区的含水层有一定隔断作用。实际水文地质条件和工程地质条件调查显示，二号矿区的矿体含水层富水性弱于一号矿区，矿体围岩质量和稳定性好于一号矿区。所以二号矿区的实际涌水量可能会小于预测值。

矿床上部地下水及地表水随着矿山开采对构造的揭露和对原岩产生破坏，封闭较差的老钻孔也会成为构造裂隙的导水通道，使得实际涌水量比预测涌水量大，另外排水疏干方式的不同，相应时期的实际涌水量与预测值会有差异。

五.结论

1.本次计算的主、西矿体联合开采井下涌水量结果

a.主矿体（2700线以东），当西矿体开采至700中段时，井下各中段涌水量总计为： 49000 m3/d—70000m3/d。

500 中段：10000 m3/d ～ 13000 m3/d

700 中段：15000 m3/d ～ 20000 m3/d

878 中段：16000 m3/d ～ 30000 m3/d

b.西礦体（2700线-4200线），开采至

500 中段时，井下涌水量为8100 m3/d ～10500 m3/d；最大涌水量17000 m3/d。

700 中段时，井下涌水量为21800 m3/d ～25200 m3/d；最大涌水量32000 m3/d。

井下各中段涌水量总计为：34000 m3/d～43000m3/d。

2.本次涌水量预测是基于现有水文地质资料。将矿山区域含水层视为统一均匀含水层，采用理想状态模式无限边界稳定承压水大井法进行的简化矿坑涌水量计算。

3.本次涌水量计算，采用承压水大井法。根据水文地质调查，谦比希矿一号、二号矿区矿坑涌水，实际上是地表潜水和深部承压水对矿床联合充水的结果。特别是在400中段以上，地表潜水与深部承压水通过渗流和越流方式相互补充，有密切的水力联系。西矿体氧化矿的分布特征就是对这一论证的合理解释。

4.含水层厚度（M）和渗透系数（K），分别采用以往区域水文地质调查的数据，经过分析对比后选取的。因此，预测区域的真实的含水层厚度和渗透系数可能与选取数值有一定偏差。另外，相关分析预测流量是建立在数理统计的基础上，在注重数据的代表性和独立性同时，只能尽可能地选取有代表性的实测数据。该方法外推范围有限，更深部的预测结果只可用来做定性分析。

参考文献：

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[2]GB12719-91矿区水文地质工程地质勘探规范

[3]肖长来.地下水动力学讲义.2006

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