李玲玲

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)學(xué)院，甘肅 天水741025)

礦坑涌水量預(yù)測(cè)是礦區(qū)水文地質(zhì)勘查階段的根本任務(wù)之一，也是開(kāi)采設(shè)計(jì)部門(mén)制訂疏干措施、確定排水設(shè)備及確保礦山安全生產(chǎn)的主要依據(jù)。預(yù)測(cè)坑涌水量的方法很多，如大井法、解析法、數(shù)值法等。其中，大井法原理易懂，方法易行，在預(yù)測(cè)礦坑涌水量中被廣泛使用。本文以郎溪釩礦區(qū)為例，探討了大井法在礦坑涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。

1 “大井法”的基本原理及計(jì)算步驟

1.1 基本原理

目前礦井涌水量預(yù)測(cè)大體上可以分為確定性分析方法和不確定性(隨機(jī))分析方法兩類(lèi)[1]。大井法屬于確定性分析方法中的解析法，具有對(duì)井巷類(lèi)型適應(yīng)能力強(qiáng)、快速、簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[2]。在礦坑疏干過(guò)程中，當(dāng)?shù)V坑的涌水量及周?chē)乃怀尸F(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，即可認(rèn)為以礦坑為中心形成的地下水輻射流場(chǎng)基本滿足穩(wěn)定井流的條件，理論上可將形狀復(fù)雜的整個(gè)井巷系統(tǒng)看成一個(gè)具有等效面積的大井在工作，則流向整個(gè)井巷系統(tǒng)的水量即相當(dāng)于流向大井的水量，整個(gè)井巷系統(tǒng)圈定的面積相當(dāng)于大井的面積，從而根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理，將礦井水文地質(zhì)邊界概化為無(wú)限補(bǔ)給邊界模式，再利用裘布依穩(wěn)定流基本方程來(lái)近似計(jì)算大井涌水量，利用該法預(yù)測(cè)礦井涌水量則被稱為“大井法”。

1.2 計(jì)算步驟

1.2.1 建立數(shù)學(xué)模型

首先分析地下水的類(lèi)型和疏干流場(chǎng)的水力特征，區(qū)分潛水與承壓水、穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流、層流與紊流、平面流與空間流。其次確定邊界類(lèi)型，概化側(cè)向邊界、垂向邊界和內(nèi)邊界。側(cè)向邊界需確定邊界類(lèi)型(隔水邊界和補(bǔ)給邊界)和邊界形態(tài);垂向邊界一般概化為隔水邊界和越流補(bǔ)給邊界;內(nèi)邊界一般概化為圓形[3]。

1.2.2 確定參數(shù)

(1)含水層的厚度(M或H):一般采用含水層的平均厚度或加權(quán)平均厚度。

(2)巖層的滲透系數(shù)(K):根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)求得，是重要參數(shù)。

(3)引用半徑(r0):用公式求得

式中:r0為大井引用半徑(m);F為采礦系統(tǒng)總面積(m2);π為圓周率

(4)影響半徑(R0):一般采用經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式求得。

(5)水位降深(S):根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)資料獲得。

1.2.3 計(jì)算

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，按有關(guān)生產(chǎn)要求，進(jìn)行計(jì)算。

2 工程實(shí)例

2.1 礦區(qū)概況

郎溪釩礦礦區(qū)位于湖南省湘西自治州永順縣朗溪縣城東東93°，直距約43 km，面積 20.10 km2。該區(qū)位于分水嶺交匯地段，地勢(shì)較高，地形坡度大，總體地勢(shì)呈東部高，西部低，屬中、低山溶蝕與剝蝕構(gòu)造地貌，地形切割強(qiáng)烈，“V”字形溝谷發(fā)育，植被發(fā)育，水系發(fā)育。位于武陵山隆起構(gòu)造帶西北側(cè)邊緣地帶，區(qū)域構(gòu)造的北東收斂端，沒(méi)有明顯的斷裂構(gòu)造。以濱海―淺海相碳酸鹽巖和生物碎屑巖為主的沉積巖區(qū)，地層發(fā)育齊全。

礦區(qū)地下水類(lèi)型劃分為松散堆積層類(lèi)孔隙水，基巖裂隙水，碳酸鹽巖裂隙巖溶水三大類(lèi)。含水層主要為第四系松散堆積層孔隙潛水含水層、基巖裂隙含水層、碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層。

2.2 充水因素及充水途徑分析

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件及未來(lái)礦山開(kāi)采方式，礦床充水因素主要是以靜儲(chǔ)量為主的層間裂隙水、大氣降水及其上各含水層地下水沿開(kāi)采井筒的補(bǔ)給。

大氣降水主要以地表井口倒灌和通過(guò)裂隙入滲進(jìn)入礦井，礦井涌水受季節(jié)性大氣降水的影響較大。

礦區(qū)主要的裂隙含水層為∈1n底部與Z2l之間的層間裂隙含水層。該層為礦區(qū)的主要賦礦層位，為礦床直接充水含水層。

天然狀態(tài)下礦層頂?shù)装宓貙泳鶠楦羲畬?，礦床充水主要為礦體所在的層間裂隙水沿裂隙通道、個(gè)別封孔質(zhì)量較差的鉆孔滲透補(bǔ)給，大氣降水主要經(jīng)地表倒灌及近地表風(fēng)化裂隙進(jìn)入礦坑，同時(shí)通過(guò)礦體露頭帶補(bǔ)給直接充水含水層。未來(lái)礦山開(kāi)采采用平巷加反斜井，各開(kāi)采井筒會(huì)將礦層及其上含水層貫穿，其上各含水層的地下水經(jīng)豎井、未封鉆孔進(jìn)入礦坑，造成礦層頂板直接充水。

2.3 涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算

2.3.1 選擇公式

由于礦體在平面上從南到北呈連續(xù)分布，在縱向上，各個(gè)礦層之間并無(wú)明顯界線，且礦體之間標(biāo)高彼此交錯(cuò)，加之∈1n底部與Z2l整體為礦床直接充水含水層，因此把礦層作為一個(gè)層狀整體而不單獨(dú)劃分塊段預(yù)測(cè)。礦區(qū)礦層傾角平緩，斜井井筒與垂線交角小于45°，可視為豎井。計(jì)算公式采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井，均質(zhì)無(wú)限補(bǔ)給邊界條件計(jì)算。

2.3.2 確定參數(shù)

最低采礦標(biāo)高采用工業(yè)品位礦體最低標(biāo)高。邊界采用概化后的礦體平面投影的最大礦層面積范圍(2 016 478.12 m2)。靜止水位標(biāo)高采用等水位線與“大井”邊界連接線交點(diǎn)水位標(biāo)高的平均值。含水層平均厚度采用鉆孔所揭露承壓含水層垂直厚度的平均值。滲透系數(shù)利用ZK8-6水文地質(zhì)孔分層抽水試驗(yàn)獲得的各次降深滲透系數(shù)，求取各含水層的平均滲透系數(shù)，計(jì)算整個(gè)充水含水層的加權(quán)平均滲透系數(shù)。“大井”引用半徑(r0)采用公式影響半徑(R)采用公式引用影響半徑(R0)采用公式R0=R+r0(見(jiàn)表1)。

表1 大井法涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

2.3.3 結(jié)果分析

(1)大井法適用于均質(zhì)、各向同性、等厚的含水層，而郎溪釩礦的主要充水水源裂隙含水層很難滿足該條件，概化誤差的存在降低了涌水量的可信度。

(2)大井法采用的裘布依公式的假設(shè)條件是地下水為穩(wěn)定流，可將空間流簡(jiǎn)化為平面流，且處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。但是在降深很大時(shí)，大井井壁水流早已不是緩變流，且由于不同富水性的多層含水層的復(fù)雜性，在大流量大降深條件下，很難處于穩(wěn)定流狀態(tài)，因此其模型與假設(shè)條件存在誤差。

(3)運(yùn)用裘布依公式計(jì)算時(shí)，一般要求最大水位降不大于含水層一半，當(dāng)降深很大時(shí)含水層處于疏干狀態(tài)，理論上大井過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為零，已無(wú)水量可疏，因此用大井法計(jì)算的礦坑涌水量偏大。

3 結(jié)語(yǔ)

“大井法”作為一種常用的礦坑涌水量計(jì)算方法，具有簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定流裘布依公式對(duì)于礦體形態(tài)較規(guī)則，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，降深小，計(jì)算精度不高的情況下較適用。而對(duì)于礦體形態(tài)不規(guī)則，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，大降深的礦坑涌水量計(jì)算則不適宜，計(jì)算結(jié)果容易失真。

礦井涌水量預(yù)測(cè)作為是礦床水文地質(zhì)勘查的根本任務(wù)之一，關(guān)系到礦山的生產(chǎn)安全與成本，對(duì)礦床的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)有很大的影響，而目前有些礦區(qū)計(jì)算誤差高達(dá)數(shù)十倍，甚至百倍以上[4]，為此建議:

(1)礦坑涌水量計(jì)算時(shí)，根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，選擇適用的計(jì)算預(yù)測(cè)方法，才能取得比較符合客觀實(shí)際的結(jié)果。數(shù)值模擬方法、水文地質(zhì)比擬法、Q-S曲線方程法、相關(guān)分析法、水均衡法、解析法和數(shù)值法等，每種方法都有其使用條件，只有選擇恰當(dāng)?shù)姆椒?，預(yù)測(cè)的礦坑涌水量才有較高的可信度。

(2)盡量采用兩種以上的方法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，驗(yàn)證偏差的大小。無(wú)論用何種方法計(jì)算礦坑涌水量，一定要進(jìn)行礦區(qū)地下水補(bǔ)給量計(jì)算，從水量均衡的角度考慮礦坑涌水量計(jì)算的合理性。

(3)在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)時(shí)，要有目的的布置勘查工作量，盡可能的查明礦床的水文地質(zhì)條件。根據(jù)礦床的水文地質(zhì)條件選擇合適的礦坑涌水量計(jì)算方法，才能取得較好的礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果。

[1]楊永國(guó)，韓寶平，謝克俊，等.用多變量時(shí)間序列相關(guān)模型預(yù)測(cè)礦井涌水量[J].煤田地質(zhì)與勘探.1995，23(6):38-42.

[2]杜敏銘，鄧莫爾，許橫.礦井涌水量預(yù)測(cè)方法綜述[J].地質(zhì)學(xué)報(bào).2009，29(1):70-73.

[3]郎利國(guó)，白東照，黃芳根，等.“大井法”在礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用分析——以黑龍江省遜克縣高松山金礦區(qū)為例[J].德州學(xué)院學(xué)報(bào).2012，69(28):69-71.

[4]華解明.“大井法”預(yù)測(cè)礦井涌水量問(wèn)題探討[J].中國(guó)煤炭地質(zhì).2009，21(6):45-47.