露天矿坑涌水量预测的应用

■曾向东 高会彬 杨福鹏

（辽宁省核工业地质局241大队辽宁凤城118100）

露天矿坑涌水量预测的应用

■曾向东 高会彬 杨福鹏

（辽宁省核工业地质局241大队辽宁凤城118100）

矿产资源开发和利用为国家经济发展带来了巨大的经济效益和社会效益，同时矿山开采的安全性问题也日益突出显现，尤其是矿山突水事故的频繁发生，给国家和人民生命财产带来巨大损失，因此，在对矿床勘查工作中，对矿床开采技术条件提出更加严格的要求，尤其是对矿床开采过程中矿坑涌量的预测要求更加规范、科学、准确、有效，能够更好地指导矿山采矿中的给排水工作，减少和避免发生矿坑突发性涌水，导致淹矿灾害的发生，更加科学、合理、有效地开发利用矿产资源，确保矿山生产安全起着至关重要的作用。本文以辽宁省某地一矿山勘查工作中有关开采技术条件中的矿坑涌水量预测为例，浅析露天矿坑涌水量预测的应用。

矿床开采技术条件 水文地质条件 矿床充水因素 矿坑涌水量预测

F407.1[文献码]B

1000-405X（2016）-5-368-2

0 前言

随着我国经济和社会的高速发展和进步，国家对矿产资源的需求与日俱增，矿业开发为国家经济发展带来了巨大的经济效益和社会效益。同时矿山开采的安全问题也日益突出显现，尤其是矿山突水事故的频繁发生，给国家和人民生命财产带来巨大损失，因此，对矿床勘查有关开采技术条件中矿坑涌水量预测的科学有效性提出更加严格的要求，要能够更好地指导矿山采矿中的给排水工作，减少和避免发生矿坑突发性涌水，导致淹矿灾害的发生，确保矿山生产安全起着至关重要的作用。本文以辽宁省某地一矿山勘查工作中有关开采技术条件中的矿坑涌水量预测为例，浅析一下矿山开采技术条件中矿坑涌水量预测的应用。

1 水文地质条件

1.1 矿山概况

矿区地处千山山脉南麓低山丘陵区，属构造侵蚀地貌。总体地势东部高，西部低。区内地形标高一般在225m～300m之间，最高海拔高程为385m，最低海拔高程为210m，一般相对高差为75m，最大相对高差为175m。区域侵蚀基准面标高约为158m±，地形坡度平均约为23°，局部地带较为陡峻。区内地表植被较发育，原始地貌保持较好，现有矿山露天开采区、渣石堆放区地形及植被破坏较大。

矿山目前主要采用露天采矿方式，矿区铁矿体分布标高一般为100m～280m，最低标高为20m。由于矿区所处山沟中尾矿库区的存在，抬高了矿区内的地下水位，使矿区最低侵蚀基准面标高抬高至195m±，使本区最低矿体标高低于侵蚀基准面约175m。

1.2 水文气象

矿区气候属北温带湿润区大陆性季风型气候，中纬度东亚季风区，气候温暖，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季多雨，气温变化幅度大，每年七、八月份气温较高，一、二月份气温较低，最高气温可达37.3℃，最低气温可达-32.6℃，年平均气温8.2℃。结冰期为十一月至翌年三月，冻土层深度138mm，霜冻期206天。雨季降雨多集中在七、八月份，年最大降水量1692.3mm，最小降水量567.6mm，年平均降水量998.2mm，春秋季节少雨。

区内水系属爱河水系上游支流，矿区内没有大的地表水体通过，多为季节性山间溪流。矿区所处砬子沟汇水面积约为0.76km2，主沟坡度约9.15°，坡降约6.55‰。各山间溪流河水径流量受季节性变化影响明显，雨季径流量明显增大，旱季径流量大减以致枯竭，矿区内地表及地下水多排入山间溪流河中，并沿山间沟谷或人工排水渠道经尾矿库区向区外排泄或经人工排水管道向矿区外围北部的曲大沟中排泄。矿区地下水主要靠大气降水和融化雪水补给，地下水动态明显受季节性制约，水量在枯水期及丰水期有明显差异，地下水位随季节变化变幅明显，表现为气象型特征，对矿区生产有一定影响。

1.3 矿区地下水类型及含水岩组的分布特征

矿区内地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水。区内出露地层岩性主要有下远古界辽河群里尔峪组中的各种变粒岩以及吕梁期、燕山期的各类斑岩、混合岩等和第四系松散堆积物。依据区内岩性特征及其赋水条件可划分以下含水岩组：

1.3.1 第四系松散岩类孔隙含水岩组

1.3.1.1 全新统冲洪积孔隙含水岩组

主要分布于区内河谷地带。物质组成为砂质粘土、粘质砂土、砂及砾卵石，厚度不等，富水性不均，为中等—强富水性。补给源主要为大气降水，径流条件较好，多以人工开采形式排泄或部分补给基岩裂隙水。

1.3.1.2 第四系上更新统残坡积孔隙含水岩组

主要分布在山坡、山麓、沟谷地带及岩石表层强风化带中，物质组成为薄层亚砂土、亚粘土、砂砾石及风化碎石层等，厚度不均。含水层直接接受大气降水渗入补给，通过地表径流、下渗补给基岩裂隙、构造裂隙含水层排空，含水不均，富水性随含水层结构、厚度、岩性等变化较大，水位标高受季节性降水量控制，为一中等富水性层位，此层水与基岩裂隙水联系密切。

1.3.2 块状岩类裂隙含水岩组

大面积分布于区内辽河群里尔峪组中各种变粒岩及各类岩奖岩和脉岩中。岩石均含有微弱的风化裂隙水和弱的构造裂隙水，水量一般不大，如遇强含水构造破碎带，地下水量可能增大。地下水补给来源主要为大气降水下渗或接受区域性地下径流补给，径流条件较差，以地下径流形式排泄为主。为微弱—弱富水性。

1.4 地下水的补径排条件及含水岩组之间的水力联系

区内地下水的补给、径流、排泄主要受地形地貌、地层岩性、地质构造及水文气象等因素综合控制。矿区地形地势有利于地下水的排泄。各含水层主要接受大气降水的渗入补给，地下水动态变化严格受大气降水的控制。

区内各含水岩组地下水均直接或间接接受大气降水补给，大气降水后，一部分水呈地表径流汇入小溪注入主河道形成地表水体，另一部分水则通过植被根系或直接沿松散岩类孔隙、基岩裂隙、构造裂隙下渗，分别形成孔隙水、基岩裂隙水、构造裂隙水。各含水层之间相互连通、补给，存在一定程度的水力联系，其间的径流条件好坏与补给程度、岩石孔隙、基岩裂隙及深部构造裂隙的发育程度、破碎程度和充填物性质等有关。本区地下水径流条件一般，主要以人工开采、地下径流形式排泄为主，蒸发及植物蒸腾作用也是重要排泄途径，各含水层（带）之间存在一定程度的水力联系。由于矿山地表及地下采矿多年，矿坑长年排水，因此区内地下水位有以矿区露天采坑及地下坑道系统为中心形成降落漏斗的趋势。

2 矿床充水因素分析

区内地表基岩表面风化强烈，裂隙发育，透水性良好，直接受大气降水和融化雪水补给，形成松散层类孔隙水，并沿孔隙、裂隙向下渗透补给基岩裂隙水、构造裂隙水，同时接受区外远途侧向地下径流的遥补，并通过基岩裂隙、构造裂隙及断裂破碎带进入矿坑，因此，区内基岩裂隙水和构造裂隙水是矿床充水的主要因素之一，同时局部岩脉穿插及构造破碎形成的充水构造带，也是矿床充水的主要因素之一。

矿区采矿多年，地表形成多处采坑，极易汇集地表及地下水，尤其雨季露天采坑汇聚大量大气降水，加大地下水渗入补给量，同时区内探矿坑道亦是汇集地表及地下水的重要场所，并在坑内形成积水，加大地下水渗入补给量。因此，区内地表及地下的新老采矿工程汇水、积水也是矿床充水的主要因素之一。

矿区外围建有一尾矿库，库中尾水及地表水径流汇聚，将会使库区及周边地下水位抬高，改变区内地表及地下水的径流条件，进一步加大区内地下水的渗入补给量，并可能通过基岩裂隙，构造裂隙及断裂破碎带进入矿坑，如地下开采突遇大的储水构造，地下水会突入矿坑，因此，区内尾矿库区汇水、积水也是矿床充水的主要因素之一。

3 预测矿坑涌水量

矿区含水层主要以基岩裂隙含水层为主，第四系松散层类孔隙水、构造裂隙水为辅，矿体及围岩中的裂隙充水性不强，层间裂隙水微弱，矿体位于当地侵蚀基准面以上。矿体及围岩均为属非可溶性岩石，矿区内断裂构造及脉岩较发育，构造及破碎带容水性及充水性较强，施工过程中可能会出现大量渗水、滴水、淋水、涌水等现象。区内块状岩类裂隙含水岩组含水层主要分布在近地表10m～45m风化壳及其下部彼此贯通的区域性构造裂隙带中，地下水埋深随地形起伏而异，一般在5m～40m之间。区内块状岩类裂隙含水岩组单位涌水量q=0.0086～0.1080L/s.m，渗透系数K=0.0041～0.055m/d。矿坑涌水量预测应根据矿山开采方案及相应开拓工程的进展情况，并随着对矿区水文地质条件认识的深化逐步地修正和完善。

式中：Q—预测矿坑的涌水量（m3/d）

Q1—大气降水的影响量（m3/d）

Q2—地下水的涌水量（m3/d）

F1—为露天采坑面积（m2）

F2—扣除露天采坑面积后的大气降水影响面积（m2）

W—历年平均降水量（m）

α—大气降水渗入系数

t—时间（d）

患者接受治疗之前，FMA评分和BI评分没有显著差异，接受六个月的康复治疗之后，相关患者的评分都有提升，康复组的提升幅度更高，和对照组情况对比，差异有统计学意义（P＜0.01）。见表1。

Kcp—平均渗透系数（m/d）。

H—含水层厚度（m）

S—露天采场中的水位降低（m）

r0—露天采场引用半径（m）

R0—引用影响半径（m）

计算参数的确定：

①露天采坑面积F1在经实地测量为F1=157963.03m2

②露天采矿坑降水影响范围及边界，以采坑所处小汇水盆地降水补给面积及地表分水岭界线或沟谷为边界，作为降水的影响范围，露天采坑所处区域降水补给面积约为763934.99m2，则扣除露采坑面积后的大气降水影响面积为：

F2=763934.99-157963.03=605971.96m2。

③大气降水量W为历年平均降水量998.20mm（0.9982m）。

④泉水历年平均径流量约为 40150m3，补给面积为763934.99m2，由泉水历年平均径流量与补给面积和历年平均降水量的积相比，求得大气降水渗入系数α=0.05265。

⑤时间t按年365天计算。

⑥平均渗透系数Kcp根据以往本区钻孔水文地质试验成果计算求得为0.02955m/d。

⑦含水层厚度H根据勘查钻孔水文地质观测结果，该区裂隙含水层静止水位平均标高约为230.42m，向下扩界开采至100m水平计算，按潜水完整井考虑，H=230.42-100=130.42m。

⑧露天采场中的水位降低S=H=130.42m。

⑩引用影响半径R0=R+r0（其中为露天采场的影响半径），则R0=R+r0=439.19+224.23=663.42 m。

将上述各计算参数分别代入（1）、（2）、（3）式后，计算求得露天采坑涌水量为Q=Q1+Q2=519.17+1457.43=1976.60m3/d

本次矿坑涌水量计算是符合矿山开采实际情况的，计算参数的选择确定是适宜的、合理的，说明本次矿坑涌水量预测的水文地质模型概化合理、计算结果可靠，但对于总涌水量来说如果考虑月或日最大降水量因素，其计算结果可能偏小，因此，开采中应以日最大降水量考虑矿坑涌水量，指导矿山建设中的排水工作，配备相应的排水设备，确保矿坑排水的安全。

矿山未来地下深部开采矿坑涌水量预测，应以上部开拓工程实施状况和矿坑长期观测实际排水量情况，依据“水文地质比拟法”预测矿坑深部涌水量，则更加符合实际。

4 结束语

随着我国的物质文明和精神文明建设的不断向前推进，随着国家综合国力的不断提高，强大的矿产资源储备与科学安全开发利用，是国家经济不断向前发展的强大推进动力，随之而来的矿业开发的安全问题也日益突出显现，尤其近几年的矿山突水安全问题更加明显，国家有关部门也非常重视矿山开采中所遇到的水文地质问题，因此，在矿山勘查中要重视对矿床水文地质问题，特别是矿坑涌水量的预测，要严格执行国家有关技术规范，为矿山安全开采提供科学有效的预测数据，更好的指导矿山开采过程中的给排水工作。

［1］ 《水文地质手册》 [M]，地质出版社，1990.

［2］ 《矿区水文地质工程地质勘探规范》 [S]，（GB12719-1991）.

［3］ 《供水水文地质勘察规范》 [S]，（GB50027-2001）.

［4］ 《固体矿产地质勘查规范总则》 [S]，（GB/T13908-2002）.

［5］ 《矿山地质环境保护与治理恢复方案编制规范》，（DZ/T 223-2009）.

［6］ 《专门水文地质学》 [M]，长春地质学院，1985.

［7］ 《1/20万综合水文地质调查报告》 [R]，辽宁省第一水文地质调查大队，1973.

［8］ 《1/20万区域地质调查报告》 [R]，辽宁省地质局第一区域地质调查队，1975.