刚果(金)Sicomines铜钴矿矿坑涌水量预测及矿山防治水

李 响

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄050021)

Sicomines铜钴矿位于刚果(金)科尔韦兹市西南，包括Dikuluwe和Mashamba outest两个矿段，两矿段均为已采矿山，以往两采坑共采出铜金属量236.96万t，钴金属量5.53万t。Sicomines铜钴矿从上世纪70年代初开采，由于矿坑涌水量大又无适当的防治水措施，开采20年后至上世纪90年代中期又被迫停产，根据资料［1］，矿山仍有较大的可采资源量，其中铜金属储量854.49万t，钴金属储量57.1万t。近年来，该矿区又进行了大量的勘探工作，对矿区的水文地质工程地质条件取得了一系列的研究成果［2－4］，笔者全程参与了该项目水文地质勘察工作，通过对矿山水文地质条件和矿坑涌水量的认识和评价，可供国内外类似矿山借鉴和应用。

1 水文地质条件概述

1.1 水文地质条件

Sicomines铜钴矿区整体地势为东南高、西北低，海拔标高1 390～1 480m，地貌为低缓丘陵地貌。Luilu河自南向北横贯全区，并直接从矿床上部穿过，为当地最低侵蚀基准面。主要矿体位于当地最低侵蚀基准面之下。矿区历年平均降水量1 188.00 mm，蒸发量1 860 mm(Kolwezi气象站，1953年至2007年)。降水量年际分布不均匀，最大年降水量1 799.2 mm(1987年)，最小年降水量760.2 mm(1992年)，降水量年内分布不均匀，降水主要集中在11月份至次年3月份。

矿区位于科尔维兹推覆体中，构造极其发育，含水层强弱相间、结构复杂。主要充水含水层为上部的CMN弱硅化白云岩和下部的RSC蜂窝状硅化白云岩岩溶裂隙含水层。钻孔抽水试验，单位涌水量0.83 ～25.76 L/s.m，渗透系数1.08 ～22.87 m/d;RSC蜂窝状硅化白云岩岩单位涌水量0.46～5.32 L/s.m，渗透系数0.61 ～5.73 m/d。

矿区地下水的补给方式主要为大气降水入渗补给、区域地下水的侧向补给，和地表水渗漏补给。天然状态下，矿区地下水接受区域地下水侧向补给后，自东南向西北径流，主要排泄方式为侧向径流排泄、人工开采及蒸发。

1.2 矿山露天采坑积水情况

本矿区以往开采形成的露天采坑切穿主要含水层，采坑大量积水。目前，区内已形成两个大型采坑并积水(见图1)，其中，Dikuluwe露天采坑面积约 1.32 km2，深约 169m，水位标高1 400.83 ～1 402.10m，估计集水量7 655 ×104m3。Mashamba Outest露天采坑面积约0.89 km2，深约134 m，水位标高1 406.68～1 407.44m，估计集水量4 269×104m3。两坑总水量近1.2亿m3。此外，矿区外围尚有部分露天采坑，总面积约1.3 km2，采坑水位标高分布在1 260.8 m ～1 407.29 m之间，露天采坑积水与地下水联系密切，影响着地下水的补给和排泄条件。

图1 Sicomines铜钴矿水文地质及采坑积水略图

2 矿坑涌水量预测

矿山扩大生产规模继续开采后，设计开采方案为露天开采，基建及生产初期，两坑(Dikuluwe和Mashamba Outest露天采坑)相对独立，生产期最终露天采坑汇水面积5.5 km2，坑底最低标高990 m。因此，本次矿坑涌水量预测仅对露天采坑进行涌水量预测。

2.1 露天采坑涌水量预测

露天采坑涌水量由地下水流入采矿坑的水量和大气降水汇入采场的水量组成。

2.1.1 地下水流入量计算

矿山为已采矿山，根据矿区以往多年排水资料，矿区排水主要分布在三个地段:Dikuluwe采坑筏排和井排，Mashamba Outest采坑筏排和井排，以及Mashamba Est采坑井排。三个地段排水相互干扰，可概化为三口大井的长期的群孔抽水试验，矿山多年排水已经形成了具有较大降深和一定范围的相对稳定的地下水空间流场，且与未来疏干条件基本一致，矿区深部主要含水层与浅部主要含水层透水性差异不大，具备比拟法预测矿坑涌水量的基础［5］。因此，采用比拟法计算地下水流入量，可回避各种水文地质参数求参过程中的失真。此外，比拟法在当地矿坑涌水量预测已有相关应用研究［6］。

根据迪玛矿区多年排水资料分析(见图2)，矿山排水自1976年至1996年停止，经过10多年的水位恢复，目前矿区地下水流场基本为天然状态下初始流场，本次预测以Dikuluwe采坑2009年12月30日水位1 401.29 m作为排水前初始水位。

图2 迪玛矿区排水量、地下水位历时曲线图

迪玛矿区1992年平均排水量3.395万m3/d，地下水降落漏斗中心水位(Dikuluwe采坑)1 269.20～1 269.99m，1993－1996年，为维持该疏干水平，排水量在这个水平上下波动，该期间年降水量1 202.5mm，略低于多年平均降水量1 435.33mm，因此，1992 年迪玛矿区排水量基本代表了矿区1 270m水平的偏枯水年矿坑涌水量。

1986年7月－1987年7月，迪玛矿区排水量为11.805万m3/d，地下水降落漏斗中心水位(Dikuluwe采坑)1 299.26～1 300.64 m，Mashamba Outest采坑水位1 327.32 ～1 326.02 m，该期间年降水量为2 630.80mm，为丰水年。因此，1986年7月至1987年7月迪玛矿区排水量基本代表了矿区1 300m水平的丰水年矿坑涌水量。

根据上述资料，可通过以下公式推算未来露天开采矿坑涌水量。

式中:Q为未来矿坑涌水量，万m3/d;Q1为1992年矿坑排水量取3.395万m3/d，1986年矿坑排水量取11.805万m3/d;S1为1992年矿坑地下水位降低值取131.30m，1986年矿坑地下水位降低值取101.29m;S为未来矿坑地下水位降低值，取411.29m;r1、r为以往矿坑引用半径、未来矿坑引用半径，以往矿坑排水先后采用57眼疏干井、Dikuluwe坑内筏排和Mashamba Outest坑内筏排，疏干井及采坑分布范围与未来采坑分布范围基本一致，因此，r1、r基本相同。

计算结果，未来露天采坑开拓至坑底990 m标高时，偏枯水年矿坑涌水量为6.01万m3/d，丰水年矿坑涌水量为23.79万m3/d。

2.1.2 大气降水流入量计算

矿区附近地势比较平坦，本次计算假设矿区露采闭合圈以外的地表径流可采用明渠引走的方式阻止其汇入矿坑，只考虑矿坑范围内直接接收大气降水的水量。按平水年、丰水年分别计算。计算公式如下:

式中:Q为大气降水流入量，m3/d;A为平水年、丰水年雨季日平均降水量，根据Dikuluwe气象站和Mashamba Outest气象站资料(1977年至1999年10月至次年4月)，分别取值6.6mm、9.3mm。F为露天采矿场的汇水面积，取最终封闭圈面积5.31 km2;α为降水地表径流系数，封闭圈内直接接受降水，取值1。

计算结果:平水年雨季大气降水直接进入采矿场的水量为3.50万m3/d，丰水年雨季大气降水直接进入采矿场的水量为4.92万m3/d。露天采矿场总涌水量见表1。

表1 Sicomines铜钴矿露天采矿场涌水量预测成果表

2.2 矿坑涌水量预测评述

(1)矿区为已采矿山，矿山长期排水已经形成了具有较大降深和一定范围的相对稳定的地下水空间流场，比拟法预测矿坑地下水流入量提供了足够的资料。大气降水流入量计算是基于以矿区两个气象站20年气象观测资料，时间系列长，代表性好。

(2)本矿区为深大露天采坑，Dikuluwe矿段最终开采水平为990 m，而Mashamba Outest矿段最终开采水平为1 020 m，矿坑涌水量预测基于最终开采水平990m计算最终水位降深，取值偏大。此外，矿坑水的最终补给来源为外围RAT砂页岩和ku砂页岩含水层，在矿坑排水影响边界一带，含水层发育深度可能较矿区内浅，深部含水层透水性可能较弱，因此，矿坑涌水量预测结果可能偏大。

(3)由于矿区缺少历年日降水量观测资料，因为无法准确计算暴雨期最大矿坑涌水量。本次勘探期间气象观测，暴雨期日最大降水量为123.95mm(2009.12.16);据此估算，暴雨期大气降水直接汇入采坑水量65.82万m3/d，该数据不代表多年暴雨期矿坑最大涌水量。

(4)由于本矿区与周围其他矿山处于同一个地下水系统，矿坑涌水量大小与周围矿山排水密切相关。矿坑涌水量预测是基于1976年至1996年期间周围矿山排水状况，若区内其它矿山加大开采量，本矿的涌水量会相应地减少，反之则增大。

(5)以往矿山排水资料表明，矿区地下水静储量较大，矿区排水初期，矿坑涌水量以消耗地下水的静储量为主，随着静储量的不断被消耗，涌水量将逐步趋于稳定。

3 矿山防治水方案探讨

3.1 地表坑排与井排疏干方案

本矿山为已采矿山，以往开采形成了三个巨大的露天采坑，Dikuluwe露天采矿面积约1.32 km2，深约169m，估计集水量7 655×104m3;Mashamba Outest露天采坑面积约0.77 km2，深约134m，估计集水量4 269×104m3。Mashamba Est露天采坑面积约0.34 km2，深度和集水量不详。三个露天采坑相当于三眼巨大的疏干井，在排水规模、排水效果等方面，其他排水方式无法与之抗衡，因此，矿山疏干排水首先应立足于现有露天采坑集水的排放。

由于矿区垂向上强弱含水层相间分布，在露天采坑排水过程中，由于弱含水层存在残余水头，将会出现边坡失稳滑塌问题，因此，为了边坡稳定性，在现有露天采坑排水的同时，应在坑边边坡影响范围内，施工地表疏干井排水。疏干井深度不宜太大，以疏干上部CMN含水层地下水为目的，井距300～400m。因此，该排水方案以坑排为主，以井排为辅。

3.2 地下巷道疏干排水方案

当水文地质条件复杂、边坡稳定性条件复杂、其他手段的排水效果不理想时，可使用巷道排水系统。此种疏干排水方案已在许多露天采矿项目中得到应用，如我国的平庄西露天煤矿、元宝山露天煤矿等。疏干巷道位于露天坑边坡的后部、底部，排水是通过施工矿坑边坡的垂直钻孔切穿含水层，在重力作用下，地下水流向巷道中央泵站，并排出地表。地下巷道疏干排水可以大幅降低水位，把水位降至矿坑底面以下，疏干排水效率高，特别是对于弱含水层，疏干排水效果更加明显。

4 结语

Sicomines铜钴矿已经过多年开采，矿区水文地质条件较之以前已发生很大的变化，尤其是以往勘探取得的认识，已得到了初步的验证。本研究主要基于研究以往勘探所取得的水文地质资料的基础上，对矿坑涌水量进行预测，由于工作量所限，矿区强径流带和岩溶地下水动力场有待进一步查明。建议在查明矿区强径流带的基础上，进一步构建水文地质模型，进行矿坑涌水量预测，以获得相对准确的矿坑涌水量。另外，借鉴当地矿山以往疏干排水经验，建议采矿初期采取坑排、井排相结合的疏干方案，采矿后期采用巷道排水方案。

［1］刘运纪，高进路，王纪昆，等.刚果(金)加丹加省科卢韦奇市SICOMINES铜钴矿区地质补勘报告［R］.天津:华北地质勘查总院，2010.

［2］崔世新，方良平.刚果(金)SICOMINES矿区水文物探测井视电阻率成果分析研究［J］.勘察科学技术.2010(6):61－64.

［3］折书群.刚果(金)Sicomines铜矿水文地质条件和疏干方案研究［J］.工程勘察.2011(9):46－50.

［4］陈兴海，贺云等.刚果(金)SICOMINES铜钴矿三维地质模型的建立与应用［J］.现代矿业.2012(8):41－43.

［5］祝小辉.用比拟法与稳定流“大井”法计算预测铁嶂矿区白云岩矿矿坑涌水量［J］;矿产勘查;2012，3(4):570 一574.

［6］畅秀俊.Kolwezi铜钴矿露天采场矿坑涌水量预测及治水方案分析［J］.地下水.2013(3):83 －84.