石灰岩矿区矿坑涌水量的预测

孟祥宇 陈杰

（广西水文地质工程地质勘察院，广西 柳州 545006）

石灰岩矿区矿坑涌水量的预测

孟祥宇 陈杰

（广西水文地质工程地质勘察院，广西 柳州 545006）

文章介绍了某石灰岩矿区水文地质勘察的基本情况，通过地质调查及水文地质条件分析，提出水文地质参数计算方法，并结合矿区水文地质条件对水文地质参数进行确定，最后进行了矿区开采条件下矿坑涌水量的预测。

水文地质参数；稳定流；非稳定流；矿坑涌水

（一）前言

在山多地少的南方岩溶区，地下水位埋深浅的侵蚀溶蚀谷地区，由于水量丰富、地势较平等原因，人类居住较为密集、生产生活比较适宜。然而由于岩溶强烈发育，地表水、地下水联系密切，在这一类地区进行石灰岩矿的露天开采活动，矿井采取疏干排水进行开采，势必影响该地区的地表、地下水的开采及利用，甚至可能因为地下水长期疏干，导致地质环境条件恶化，形成岩溶地面塌陷、区域地下水位下降等环境地质问题。

某水泥生产公司拟兴建水泥生产线，拟采用珊罗镇北面约3km的荔枝山矿区石灰岩作为原料基地，矿区用地面积约1425亩，设计矿山服务年限36年。

荔枝山矿区现是一片峰林，矿区地面标高约80m，80m标高以上为露天矿， 80m（地面）以下拟采用露天凹陷式分台段开采（即自地面向下开采）。每台段高度15m，终采标高42m。矿坑开采深度随时间不断加深，矿坑疏排水量增大，地下水水位降深随之加大。将会出现一系列环境地质问题。

通过对涌水量的计算，可以对矿坑疏干排水影响范围、影响方式、影响程度进行分析，为今后矿坑排水工作及防治方案等指明了方向。

（二）矿坑涌水条件概述

1.矿区水文地质条件

矿区主要为碳酸盐岩含水岩组，岩性主要为石炭系中统（C2）、上统（C3）厚层状灰岩、白云质灰岩，其中C2为矿山主要分布地层。地下水类型为碳酸盐岩裂隙溶洞水，地下水主要赋存于灰岩、白云质灰岩的溶洞裂隙中，根据钻孔抽水试验结果确定，并参考了泉水流量，其含水量丰富。地下水的补给来源主要为大气降水，测区地形较平坦，地下水径流速度比较缓慢，水力坡降小，径流途径短，地下水通常以泉的形式集中泄露地表。据动态观测，矿区地下水动态类型属气象型、气象－水文型，民井一般开挖至下伏基岩面为止，水位埋深浅，一般为0～3.5m，年水位变幅0～5.0m，这类民井枯季仍有水，但水量明显减少，流量变化较大。

2.矿坑涌水的主要来源

矿山开采过程中，为保证正常开采需将矿区地下水降至适时开采平台以下。矿坑水位下降后与外围天然水位形成水位差，使地下水水力坡度加大，流向和流速发生改变，大量外围地下水沿岩石裂隙、溶隙或管道向矿坑涌入。根据分析，涌水来源主要有4个方面，即大气降雨的垂向补给以及周边地表水、矿坑四周地下水、农田灌溉水的入渗补给。

3.矿坑涌水的主要形式及其特点

荔枝山矿区尚未开采，其涌水形式只能根据岩溶发育特征分析判断，据地面调查，推测矿区主要通过岩溶裂隙涌水。地下水主要沿区内较发育的南北向及东西方向岩溶裂隙涌水，地下水通过采矿坑壁、坑底岩溶裂隙通道以分散或较集中流量涌入采坑。

（三）矿坑涌水量预测

1.水文地质条件概化

根据地层岩性及地面调查结果，矿区北西面、南东面地层岩性为石炭系下统（C1）硅质岩，少量泥质硅质岩或硅质页岩，南西面为燕山期晚期（aμ52b）侵入岩，岩体渗透性差，隔水性能良好，故概化为隔水边界。矿区北东面地层岩性为石炭系中统（C2）灰岩、白云质灰岩、白云岩和石炭系上统（C3）灰岩，浅层岩溶发育，导水性强，富含地下水，为矿区开采疏干排泄地下水的补给区。

2.参数计算

含水层水文地质参数主要为含水层厚度（M）、导水系数（T）、导压系数（a）及渗透系数（K）。

（1）含水层厚度的确定：经过对地下水位观测、水文地质勘探及矿坑开采方案分析，含水层厚度按丰、平、枯确定为 H丰=48m、H平=47m、H枯=46m。

（2）矿区内先后对四个孔组进行了抽水试验，在透明单对数纸上绘制S=f（lgt）关系曲线图，用直线解析进行分析，在直线取两点（取在对数周期上），图上量得△S=S2－S1或△S=（S2－S1）/（lgt2－lgt1） ，代入公式 T=0.183Q/△S，求得导水系数（T），延长该直线与横轴相交得，S=0时 t0值，代入公式a=γ2/2.25t0，求得导压系数（a）。

其中△S为降深差（m），Q为涌水量（m3/d），γ 为观测孔至主孔距离（m），t0为时间（s），T为导水系数（m2/d），a为导压系数（m2/d）。

各孔组观测孔水文参数见下表1。

表1 各孔组观测孔水文参数

据本次抽水试验所计算得参数，确定荔枝山矿区导水系数（T）取639.95m2/d，导压系数（a）取1235113m2/d 。

（3）含水层渗透系数（K）的确定

1）按非稳定流计算渗透系数K

据水文地质勘探资料及抽水试验结果，矿区北侧及北西侧浅层岩溶发育，利用观测孔资料按公式K=T（导水系数）/M（含水层厚度）计算各孔段渗透系数。结果显示，矿区浅层岩溶发育段渗透系数较大（10.95～15.16m/d），岩溶弱发育地带，其渗透性较小，岩溶发育具有不均匀性、方向性。

据上述各孔段渗透系数分析及参照区域资料，结合矿区岩溶发育程度，确定含水层渗透系数取值：

地下水强富水带，即岩溶发育段：K=15.16m/d；地下水富水～中等富水带：K=10.95m/d；地下水中等～弱地带：K=6.75m/d。

荔枝山矿区浅层岩溶发育，充水含水层的渗透系数具有明显的不均匀性，根据计算要求，应作均值概化，根据矿区各富水块段的大小不同，采用面积加权平均值确定渗透系数。

其中 Ka——矿区含水层均化渗透系数（m/d）；Fi——各富水块段的面积（km2）；Ki——各富水块段的渗透系数（m/d）。

根据矿坑开采到 42m标高的影响范围，总面积约20.18km2，经初步分析，各块段面积分别为9.57、2.32、4.43、3.86km2，代入上式，计算得Ka= 11.6m/d。

2）按稳定流理论计算渗透系数K

本次勘查分别对ZK3、ZK4号孔进行抽水试验，依孔组试验资料采用潜水完整井公式计算。K=0.733Q（lgr1-lgrw）/（2H-SW-S1）（SW-S1）。

其中：Q－钻孔出水量（m3/d）；r1－抽水孔至观测孔的距离（m）；rw－抽水井半径（m）；H－动水位到含水层底板厚度（m）；SW－抽水孔水位降深（m）；S1－观测孔水位下降值（m）

经过计算，ZK3号孔平均渗透系数为15.01 m/d，ZK4号孔平均渗透系数为15.01 m/d。

综合上述两种计算结果，结合矿区实际情况，矿区含水层渗透系数取K=11.6m/d。

3.矿坑涌水量预测

（1）非稳定流理论预测矿坑涌水量

非稳定流方法是在测知含水层渗透系数之后，运用数学公式计算在给定的开采速度下矿井疏干抽水能力，即计算多长时间后当水位降到某一深度时矿井的涌水量。也可以说，在给定矿坑规模后，某一深度多长时间抽水后，矿坑的最大涌水量。这是因为水位下降速度完全取决于抽水能力，而任何一个过程都要有时间经历。非稳定流经典方程正是给出了涌水量、水位降深与时间三者之间关系的方程式。用上节求得的含水层导压系数（a=1235113m2/d），渗透系数（K=11.6m/d），含水层厚度（h0=48m、47m、46m），计算采用以下公式。

其中S（rt）－以固定流量抽水时与矿坑距离为γ处某一时间t的水位降深（m）；h0－抽水前含水层厚度（m）；Q－矿坑预测涌水量（m3）；K－含水层渗透系数（m/d）；A－导压系数（m2/d）；T－抽水时间（按抽水后第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10…天计）；ri－各映射井与主井之间的距离（m）。

荔枝山矿区地处地下水迳流地带，据矿区水文地质条件，矿坑北西侧、南东侧为碎屑岩组成的相对隔水边界，南西面为燕山期晚期侵入岩组成的相对隔水边界，北东面为无限边界。为了简化计算，不考虑岩溶发育的各向异性。可大体概化为2条平行的边界组成的两侧受限的含水层，应用镜象法原理（映射井，如图1计算简图），为了简化计算，在此仅进行一次映射计算来概算矿区涌水量。

将矿坑开采看成一个大井，矿坑半径取r1＝311m，北西面边界映射井距离为r2=1362m；南东侧边界映射井为r3=3710m。映射后矿区边界处水位降S（rt）=主井水位降（S1）+北西侧映射井水位降（S2）+南东侧映射井水位降（S3）。

图1 计算简图

计算结果见下表2。

表2 非稳定流理论预测矿坑涌水量计算结果表

（2）稳定流理论预测矿坑涌水量

矿坑引用半径（r0）的确定。矿坑引用半径按矿坑系统所占范围加以圈定，并使其等于一假想圆面积，此圆的半径即为引用半径。通常情况下不同几何形态的矿坑系统引用半径的计算公式不同。荔枝山矿坑为不规则多边形，共5个边，长轴长1652.2429m，短轴长469.668m，矿坑的长度与宽度的比值为3.52，比值介于3～10之间。

经测得矿坑各边长分别为469.668m、567.5041m、

1537.7343m、539.1306m、1652.2429m。总周长 P=4766.2799m。据图2及说明，按下式计算。

矿坑涌水量预测。按公式Q=2πK（2H-S）S/ln（R/rW）计算矿坑涌水量见下表3。

表3 稳定流理论预测矿坑涌水量计算结果表

图2 引用影响半径计算略图

从表3中可知，随着开采台面的下降，不断抽排地下水，矿坑的涌水量逐渐增大。同时，由公式可看出，计算时将影响半径当成常数，岩溶发育是均匀各向同性，因此所计算的涌水量偏大，不能反映含水层的实际情况。

（3）稳定流与非稳定流预测矿坑涌水量结果对比分析

采用稳定流理论计算的涌水量比采用非稳定流理论计算的涌水量大3.97～5.22倍。

从理论上分析，稳定流预测方法几乎都以裘布依（Dupuit）稳定井流理论为基础，其公式适用于有定水头供给边界的岛状含水层，即假设存在圆形定水头外边界。然而现实中这种圆形定水头边界条件显然不符合荔枝山矿区的边界条件；同时公式中不包括时间变量，因而将其用于大规模开发地下水后所引起的降落漏斗的扩展以及地下水位的动态变化预测会产生较大误差。

荔枝山矿区开采过程中，含水层中地下水的运动，受自然因素和人为因素的影响，其流量、水位是随着空间坐标和时间的不同而发生变化的。非稳定流预测涌水量即是考虑空间、时间变化的理论预测。岩溶区地下水的非稳定运动是普遍的，比较符合实际。

（四）结束语

本文是在实际工作的基础上进行总结，介绍了石灰岩矿山水文地质的基本工作及矿坑涌水计算过程。通过水文地质试验，结合分析水文地质条件，确定了水文地质计算参数，以对矿坑涌水量进行预测计算；此外，根据水文地质参数，还可以对矿坑疏干排水影响范围、影响方式、影响程度进行分析计算，为今后矿坑排水工作及防治方案等指明了方向。

[1] 水文地质手册[M].北京:地质出版社,1983.

P641.1

A

1008-1151(2011)03-0070-03

2010-12-27

孟祥宇（1985－），男，吉林乾安人，广西水文地质工程地质勘察院助理工程师，从事水文地质、工程地质、环境地质的勘察设计工作。