论文部分内容阅读
【摘 要】 矿坑涌水是关系到矿井能否安全、正常地生产，准确预测矿坑涌水量是矿区水文地质工作的核心问题之一。通过广泛调查矿区的水文地质情况，从水文地质条件、地下水补给、径流、排泄条件、充水情况等方面研究了影响矿区地下水涌水量的因素。结合抽水试验资料，运用“大井法”公式计算了矿区矿坑涌水量，并针对计算结果及开采条件对安全开采提出了建议，从而作为矿山防治水措施的选择和施行的参考依据。
【关键词】 水文地质条件;矿坑涌水量;大井法
1 矿区自然概况
矿区地处滇东南岩溶高原中部，地形坡度较平缓，属中低山浅-中切割地貌，总的地势是北西高，南东及北东低。区内属北亚热带高原季风气候，年平均气温13.5℃，年降水最911.5-1272.6mm，由于降水不均及岩溶渗漏，地表干旱特征明显。区内地表水系不发育，沟谷多呈近南北向及北东向。
2 矿区水文地质条件
2.1含水层特征
矿区内揭露的地层主要有：第四系（Q）、下第三系（古近系）（E）、三叠系中统法郎组（T2f）、三叠系上统鸟格组（T3n）、三叠系中统个旧组（T2g）等。各地层水文地质特征如下：
a、第四系18725052550（Q）松散堆积物孔隙含（透）水层
分布于山间凹地、山坡地带和沟谷两侧以及岩溶漏斗和岩溶洼地中，主要由粘土组成，虽然残坡积层透水性较好，属透水层，但分布面积较小，储水量有限，对开采无影响。
b、碎屑岩类风化裂隙含水层
下第三系（E）：沿含矿带的南边大面积分布，主要岩性为泥岩、细砂岩及砾岩，砾岩泥质胶结。赋存少量节理裂隙水，单泉出水量小于0.01L/S，对矿床开采无影响，为弱含水层。
三叠系上统鸟格组（T3n）：中厚层粉细砂岩与页岩互层，含贫乏风化裂隙水，对矿床开采无影响，为弱含水层。
c、三叠系中统法郎组（T2f）基岩裂隙含水层
根据地下水赋存情况及矿体赋存情况，将本层分为上中下三部：
上部，为矿体顶板，是矿体直接充水含水层，主要赋存在三叠系中统法郎组T2f53及T2f6地层中。为砂质泥岩夹粉细砂岩，厚85-230m，风化层厚一般为10-32米。该层只在浅部赋存有少量的风化裂隙水，区内无泉点出露，仅在个别断层的局部位置可见地下水溢出。主要靠大气降水通过地表风化裂隙等补给，富水性弱。
中部，本层为含矿层，矿体主要赋存于此层，主要赋存于T2f53、T2f51、T2f43及T2f42中，岩性为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹多层氧化锰矿。没有淋水滴水现象，地表无泉点出露，富水性贫乏。
下部，为矿床隔水底板，主要賦存于T2f41、T2f1-3地层中，为粉砂质泥岩、泥岩，厚74-176m。裂隙细微且被泥质填充，富水性贫乏，隔水性好，渗透系数为7.99×10-3m3/d，单位涌水量小于1.0×10-3L/sm，此隔水层隔断了矿床与底部个旧组灰岩岩溶含水层的联系。
d、碳酸岩盐类岩溶裂隙含水层
三叠系中统个旧组（T2g）：岩性主要为灰岩、白云岩，厚层块状构造。该层为单孔涌水量0.28-0.40L/s，渗透系数.3.4×10-2-6.4×10-2m3/d弱透水层，富水性小，且与矿体中间有一厚74-176m的隔水层存在，对矿床开采无充水影响很小。
2.2构造水文地质特征
矿区构造受北东-东西向的斗南复式向斜褶皱与北东-东西向断裂控制。斗南向斜直接控制着矿床的水文地质条件，向斜内次级褶皱强烈，但只能形成岩层微细裂隙的发育，不能改变矿床水文地质条件。矿区内断裂构造的发育，但断裂多为压扭性质，且断裂的富水性严重受岩性条件制约，富水性贫乏，多显隔水性质。
2.3地下水的补、径、排特征
地下水的补给、径流和排泄通道和方向明显严格受构造、岩性控制。地下水主要受大气降水补给，地表水仅在雨季在沟谷中形成顺时溪流，历时短且受地表隔水地层控制，补给地下水十分有限。降雨和地表水沿裂隙及岩溶凹地等通道进入地下，沿裂隙通道下渗向深部进行径流，以垂直运动为主，深部则以侧向近水平运动为主。随着地下水的运动和溶蚀，于接触带近碳酸盐岩岩溶含水层逐步形成暗河通道，最终形成以暗河径流为主的岩溶地下水径流体系。
因此，矿区地下水具有补给源近，补给范围小，径流途径短，以通过断裂或暗河的形式集中排泄的特点。其排泄量受降雨控制明显，雨季流量大，枯季流量骤减。随着开采活动的进行，部分构造、通道、岩性结构层将发生改变，会造成地下水流量增大。
3 矿床充水因素分析
3.1地表水及其对矿床充水影响
矿区地表水系不发育，都是受季节影响较大的溪沟，枯水季流量一般在0.003-0.02m3/s左右，流量较小，流速快，只有雨季瞬时流量相对较大，但是矿区溪沟表层多具隔水性，阻碍地表水下渗，地表水与地下水无直接水力联系。
3.2大气降水对矿山开采的影响
矿区开采以矿洞开采为主，露天开采少见，矿区内自然边坡坡角大。矿区地层以砂岩、泥岩为主夹薄层状灰岩，岩层破碎裂隙发育，裂隙及溶蚀通道较发育，大气降水通过裂隙流迅速下渗移动。通过对矿区内S15井水位观测枯季水位标高1556m，雨季水位标高1558m，随季节性变化大，说明降水对矿区地下水影响大。
3.3地下水对矿山充水的影响
矿体顶板三叠系中统法郎组T2f53及T2f6地层中只在浅部赋存有少量的风化裂隙水，深部由于分化程度降低，裂隙减小，隔水性质好。矿床底板T2f41、T2f1-3地层中其富水性弱，隔水性好，隔断了矿床与底部个旧组灰岩岩溶含水层的联系。
3.4构造对矿山充水的影响
矿区内褶皱发育，但只形成微细裂隙;断裂多为压扭性质，显隔水性质。因此，构造对矿床充水影响小。 综上，本区的充水来源主要为大气降水渗入补给，降水是矿坑涌水量的主要影响因素。
4 矿坑涌水量预测
（1）抽水试验及其成果整理
为取得矿区主要含水层、矿层顶（底）板的水文地质参数和进行矿坑涌水量预测提供基础资料，选定ZK4602和ZK11601勘探孔进行了抽水试验，勘探孔试验段为主要充水含水层T2f地层，岩性以泥质粉砂岩为主，并根据抽水试验所得参数，进行矿坑涌水量的预测。
经抽水测得各钻孔流量分别为0.00653L/S、0.0797LL/S，且抽水后水位不恢复。从试验成果分析，ZZK11601和ZK4602所处地层为相对隔水层，地下水源补给差。
（2）矿坑涌水量计算
1、计算原则
矿坑涌水量预测，根据矿区水文地质特征和水文地质条件，结合采矿及所揭露的矿体范围，适宜采用“大井”法预算矿坑涌水量。T2f为主要充水含水层，因此计算参数的选择根据ZK4602与ZK11601号孔抽水试验所取得的数据。设定含水层为均质层流、各向同性。
2、涌水量计算
根据矿坑涌水量预算范围，水平分布范围近似于一个不规则圆形，可视为一“大井”，采用“大井”法进行涌水量预测计算，“大井”直接充水含水層（T2f上部）部分暴露于地表，水力性质为潜水。
根据主要含水层的空间分布与开采坑道系统的充水关系，采用潜水井公式：
Q=
涌水量预测计算及成果
式中：Q为矿坑涌水量（m3/d）;K-渗透系数;H-潜水含水层水头高度。第一水平采用综合平均静止水位标高与该层水平计算标高之差，第二水平采用上一水平计算标高与该层水平计算标高之差，即H1=1620.77-1550.00=70.77m，H2=1550.00-1400.00=150.00m;Sω-含水层的水位降低，S1=1620.77-1550.00=70.77m，S2=1550.00-1400.00=150.00m;R-影响半径，根据抽水试验资料求得，即，R1==106.43m，R2==328.43m。ro为“大井”引用半径，基坑面积为不规则的多边形，采用公式ro=C/2π，其中F为基坑面积，即，F=1.07km2，ro=1102.28m;RO-“大井”的引用影响半径，Ro1=R1+ro=106.43m+1102.28m=1208.71m，Ro1=R2+ro=328.43m+1102.28m=1430.71m。
把各参数代入式中计算得：
第一水平涌水量QI=1365.51（m3/d）
第二水平涌水量QII=2168.24（m3/d）
5 结论及建议
涌水量计算结果，为最大资源储量估算区采区水量。
矿坑涌水量计算中，各项参数均为勘探工程中实际获得，计算方案和选用公式基本符合客观实际，计算结果可作为矿山开采设计的依据。
本次矿坑涌水量预测为均质含水层评价性计算，且目前予算的各中段矿坑涌水量为总的涌水量，以及随着采矿范围的扩大，开采区地下水降落漏斗将会逐渐向外扩展，将暴露更多的水文地质问题，所以采矿时应根据具体设计另作计算。
在开采到三叠系中统个旧组（T2g）附近时做好排水及防护工作，特别是在雨季来临时候，防止矿坑涌水、突水现象。
在坑采时需注意碰到裂隙流时的涌水现象，及部分地段的阻隔积水。矿区地下水流量与大气降水有密切关联，雨季流量较大。所以坑采需要注意雨季大规模降雨后坑道涌水量的变化，及时做好排水及防护工程;同时在开采过程中，大量降雨会造成第四系岩、矿层软化、松动造成崩塌，因此开采时加强其稳定性的监测，防止岩层软化松动造成的事故。
对于露天采场，为减少采场充水，应在采场上方施工排水沟，泻洪沟等一些必要的防洪工程，采用组合台阶开采方法，合理确定台阶高度和人工边坡角，避免崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害发生。
参考文献：
[1]田成成，李成英，张磊等，大场金矿区水文地质特征及矿坑涌水量预测[J]，西部探矿工程2012（11）：177-180.
[2]吴健飞，刘银，陈基龙等.大冶铁矿铁门坎采取深部开采地下水涌水量预[J].西部探矿工程，2011（10）：99—102.
【关键词】 水文地质条件;矿坑涌水量;大井法
1 矿区自然概况
矿区地处滇东南岩溶高原中部，地形坡度较平缓，属中低山浅-中切割地貌，总的地势是北西高，南东及北东低。区内属北亚热带高原季风气候，年平均气温13.5℃，年降水最911.5-1272.6mm，由于降水不均及岩溶渗漏，地表干旱特征明显。区内地表水系不发育，沟谷多呈近南北向及北东向。
2 矿区水文地质条件
2.1含水层特征
矿区内揭露的地层主要有：第四系（Q）、下第三系（古近系）（E）、三叠系中统法郎组（T2f）、三叠系上统鸟格组（T3n）、三叠系中统个旧组（T2g）等。各地层水文地质特征如下：
a、第四系18725052550（Q）松散堆积物孔隙含（透）水层
分布于山间凹地、山坡地带和沟谷两侧以及岩溶漏斗和岩溶洼地中，主要由粘土组成，虽然残坡积层透水性较好，属透水层，但分布面积较小，储水量有限，对开采无影响。
b、碎屑岩类风化裂隙含水层
下第三系（E）：沿含矿带的南边大面积分布，主要岩性为泥岩、细砂岩及砾岩，砾岩泥质胶结。赋存少量节理裂隙水，单泉出水量小于0.01L/S，对矿床开采无影响，为弱含水层。
三叠系上统鸟格组（T3n）：中厚层粉细砂岩与页岩互层，含贫乏风化裂隙水，对矿床开采无影响，为弱含水层。
c、三叠系中统法郎组（T2f）基岩裂隙含水层
根据地下水赋存情况及矿体赋存情况，将本层分为上中下三部：
上部，为矿体顶板，是矿体直接充水含水层，主要赋存在三叠系中统法郎组T2f53及T2f6地层中。为砂质泥岩夹粉细砂岩，厚85-230m，风化层厚一般为10-32米。该层只在浅部赋存有少量的风化裂隙水，区内无泉点出露，仅在个别断层的局部位置可见地下水溢出。主要靠大气降水通过地表风化裂隙等补给，富水性弱。
中部，本层为含矿层，矿体主要赋存于此层，主要赋存于T2f53、T2f51、T2f43及T2f42中，岩性为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹多层氧化锰矿。没有淋水滴水现象，地表无泉点出露，富水性贫乏。
下部，为矿床隔水底板，主要賦存于T2f41、T2f1-3地层中，为粉砂质泥岩、泥岩，厚74-176m。裂隙细微且被泥质填充，富水性贫乏，隔水性好，渗透系数为7.99×10-3m3/d，单位涌水量小于1.0×10-3L/sm，此隔水层隔断了矿床与底部个旧组灰岩岩溶含水层的联系。
d、碳酸岩盐类岩溶裂隙含水层
三叠系中统个旧组（T2g）：岩性主要为灰岩、白云岩，厚层块状构造。该层为单孔涌水量0.28-0.40L/s，渗透系数.3.4×10-2-6.4×10-2m3/d弱透水层，富水性小，且与矿体中间有一厚74-176m的隔水层存在，对矿床开采无充水影响很小。
2.2构造水文地质特征
矿区构造受北东-东西向的斗南复式向斜褶皱与北东-东西向断裂控制。斗南向斜直接控制着矿床的水文地质条件，向斜内次级褶皱强烈，但只能形成岩层微细裂隙的发育，不能改变矿床水文地质条件。矿区内断裂构造的发育，但断裂多为压扭性质，且断裂的富水性严重受岩性条件制约，富水性贫乏，多显隔水性质。
2.3地下水的补、径、排特征
地下水的补给、径流和排泄通道和方向明显严格受构造、岩性控制。地下水主要受大气降水补给，地表水仅在雨季在沟谷中形成顺时溪流，历时短且受地表隔水地层控制，补给地下水十分有限。降雨和地表水沿裂隙及岩溶凹地等通道进入地下，沿裂隙通道下渗向深部进行径流，以垂直运动为主，深部则以侧向近水平运动为主。随着地下水的运动和溶蚀，于接触带近碳酸盐岩岩溶含水层逐步形成暗河通道，最终形成以暗河径流为主的岩溶地下水径流体系。
因此，矿区地下水具有补给源近，补给范围小，径流途径短，以通过断裂或暗河的形式集中排泄的特点。其排泄量受降雨控制明显，雨季流量大，枯季流量骤减。随着开采活动的进行，部分构造、通道、岩性结构层将发生改变，会造成地下水流量增大。
3 矿床充水因素分析
3.1地表水及其对矿床充水影响
矿区地表水系不发育，都是受季节影响较大的溪沟，枯水季流量一般在0.003-0.02m3/s左右，流量较小，流速快，只有雨季瞬时流量相对较大，但是矿区溪沟表层多具隔水性，阻碍地表水下渗，地表水与地下水无直接水力联系。
3.2大气降水对矿山开采的影响
矿区开采以矿洞开采为主，露天开采少见，矿区内自然边坡坡角大。矿区地层以砂岩、泥岩为主夹薄层状灰岩，岩层破碎裂隙发育，裂隙及溶蚀通道较发育，大气降水通过裂隙流迅速下渗移动。通过对矿区内S15井水位观测枯季水位标高1556m，雨季水位标高1558m，随季节性变化大，说明降水对矿区地下水影响大。
3.3地下水对矿山充水的影响
矿体顶板三叠系中统法郎组T2f53及T2f6地层中只在浅部赋存有少量的风化裂隙水，深部由于分化程度降低，裂隙减小，隔水性质好。矿床底板T2f41、T2f1-3地层中其富水性弱，隔水性好，隔断了矿床与底部个旧组灰岩岩溶含水层的联系。
3.4构造对矿山充水的影响
矿区内褶皱发育，但只形成微细裂隙;断裂多为压扭性质，显隔水性质。因此，构造对矿床充水影响小。 综上，本区的充水来源主要为大气降水渗入补给，降水是矿坑涌水量的主要影响因素。
4 矿坑涌水量预测
（1）抽水试验及其成果整理
为取得矿区主要含水层、矿层顶（底）板的水文地质参数和进行矿坑涌水量预测提供基础资料，选定ZK4602和ZK11601勘探孔进行了抽水试验，勘探孔试验段为主要充水含水层T2f地层，岩性以泥质粉砂岩为主，并根据抽水试验所得参数，进行矿坑涌水量的预测。
经抽水测得各钻孔流量分别为0.00653L/S、0.0797LL/S，且抽水后水位不恢复。从试验成果分析，ZZK11601和ZK4602所处地层为相对隔水层，地下水源补给差。
（2）矿坑涌水量计算
1、计算原则
矿坑涌水量预测，根据矿区水文地质特征和水文地质条件，结合采矿及所揭露的矿体范围，适宜采用“大井”法预算矿坑涌水量。T2f为主要充水含水层，因此计算参数的选择根据ZK4602与ZK11601号孔抽水试验所取得的数据。设定含水层为均质层流、各向同性。
2、涌水量计算
根据矿坑涌水量预算范围，水平分布范围近似于一个不规则圆形，可视为一“大井”，采用“大井”法进行涌水量预测计算，“大井”直接充水含水層（T2f上部）部分暴露于地表，水力性质为潜水。
根据主要含水层的空间分布与开采坑道系统的充水关系，采用潜水井公式：
Q=
涌水量预测计算及成果
式中：Q为矿坑涌水量（m3/d）;K-渗透系数;H-潜水含水层水头高度。第一水平采用综合平均静止水位标高与该层水平计算标高之差，第二水平采用上一水平计算标高与该层水平计算标高之差，即H1=1620.77-1550.00=70.77m，H2=1550.00-1400.00=150.00m;Sω-含水层的水位降低，S1=1620.77-1550.00=70.77m，S2=1550.00-1400.00=150.00m;R-影响半径，根据抽水试验资料求得，即，R1==106.43m，R2==328.43m。ro为“大井”引用半径，基坑面积为不规则的多边形，采用公式ro=C/2π，其中F为基坑面积，即，F=1.07km2，ro=1102.28m;RO-“大井”的引用影响半径，Ro1=R1+ro=106.43m+1102.28m=1208.71m，Ro1=R2+ro=328.43m+1102.28m=1430.71m。
把各参数代入式中计算得：
第一水平涌水量QI=1365.51（m3/d）
第二水平涌水量QII=2168.24（m3/d）
5 结论及建议
涌水量计算结果，为最大资源储量估算区采区水量。
矿坑涌水量计算中，各项参数均为勘探工程中实际获得，计算方案和选用公式基本符合客观实际，计算结果可作为矿山开采设计的依据。
本次矿坑涌水量预测为均质含水层评价性计算，且目前予算的各中段矿坑涌水量为总的涌水量，以及随着采矿范围的扩大，开采区地下水降落漏斗将会逐渐向外扩展，将暴露更多的水文地质问题，所以采矿时应根据具体设计另作计算。
在开采到三叠系中统个旧组（T2g）附近时做好排水及防护工作，特别是在雨季来临时候，防止矿坑涌水、突水现象。
在坑采时需注意碰到裂隙流时的涌水现象，及部分地段的阻隔积水。矿区地下水流量与大气降水有密切关联，雨季流量较大。所以坑采需要注意雨季大规模降雨后坑道涌水量的变化，及时做好排水及防护工程;同时在开采过程中，大量降雨会造成第四系岩、矿层软化、松动造成崩塌，因此开采时加强其稳定性的监测，防止岩层软化松动造成的事故。
对于露天采场，为减少采场充水，应在采场上方施工排水沟，泻洪沟等一些必要的防洪工程，采用组合台阶开采方法，合理确定台阶高度和人工边坡角，避免崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害发生。
参考文献：
[1]田成成，李成英，张磊等，大场金矿区水文地质特征及矿坑涌水量预测[J]，西部探矿工程2012（11）：177-180.
[2]吴健飞，刘银，陈基龙等.大冶铁矿铁门坎采取深部开采地下水涌水量预[J].西部探矿工程，2011（10）：99—102.