贵州某厚大溶蚀－裂隙承压含水层储存量计算

2017-07-24李红伟徐大宽

采矿技术 2017年4期

关键词：排量含水层标高

赵鹏,李红伟,徐大宽

(长沙有色冶金设计研究院有限公司, 湖南长沙 410000)

贵州某厚大溶蚀－裂隙承压含水层储存量计算

赵鹏,李红伟,徐大宽

(长沙有色冶金设计研究院有限公司, 湖南长沙 410000)

在矿区水文地质条件的研究过程中,针对涌水量的计算的难题提出了采用大流量、大降深的群孔抽水试验来求取含水层给水度μ和降落漏斗面积F的值,并根据抽水试验结果,得出等幅下降值,以确定整个漏斗内水位的下降值。同时对储存量和动流量进行区分,计算疏排量和疏排时间的关系,得到了厚大含水层下矿井的排水能力应为25134.8m3/d。

矿井涌水量;含水层;抽水试验;等降深线

0 引言

矿井涌水量是矿山水害防治工作的一个关键且具有基础意义的量[1]。它是矿井生产系统,特别是矿井防排水系统能力及其在井下分配分布情况设计的基础,也是矿井制定水害防治技术路线和防治水工程规划与设计的依据[2]。

近年来,矿井涌水量的预测方法不断更新,从解析法、水文地质比拟法、水均衡法等确定性方法逐渐发展为模糊数学模型、灰色系统理论、BP神经网络等非确定性预测方法[3-4]。

本文以矿区半工业性大井群孔抽水试验实测资料为基础,结合区域地下水资源的均衡计算和矿区单孔抽水试验资料,运用地下水动、静转化基本原理[5]。分析研究厚大承压含水层降落漏斗内单位储存量计算方法,从而确定开采设计需要的疏排水中段储存量及疏排时间。

1 矿区概况

矿区位于贵州省瓮安县,矿层赋存于白岩背斜北倾伏端[6]。矿层顶板灯影组白云岩溶蚀－裂隙承压含水层厚约300m,受多期次构造运动影响,节理裂隙、溶孔、晶洞发育,裂隙率为0.7%～2.95%,渗透系数为0.151～0.103m/d,含水层出露面积13.3 km2,补给源主要为大气降水和岩根河局部渗漏,形成背斜控水,裂隙、孔洞赋水的封闭式泉排型岩溶地下水完整水文地质单元。

2 承压含水层动流量与疏干排水量的关系

矿区含水层中水资源由动流量、储存量和疏干消耗量3部分组成。这3部分并不是彼此孤立,而是可以相互转化。在天然条件下,同一水文地质单元上游的动流量,进入含水层转化为储存量,同时下游的储存量不断转化为疏干消耗量。在疏排条件下,疏排量是由漏斗范围内的储存量以及流入漏斗区的动流量两部分组成的。矿区地下水的动流量、储存量和消耗量的转化过程是矿区地下水在天然和人工疏排条件下运动的普遍现象。

老虎洞矿区为远离补给区的承压含水层的矿区,当弹性储存量不断消耗(疏排),漏斗也不断扩展,其疏排量组成关系为:

式中:Q疏排——预计矿区疏排量,m3/d;

ΔQ补——矿区动流量补给量,m3/d;

ΔQ消——天然消耗量,即天然状态下泉排泄量和天然蒸发量,m3/d;

μFΔh/Δt——降落漏斗内提供的单位面积储存量,m3/d;

μ——含水层的给水度;

F——降落漏斗面积,m2。

当ΔQ补和ΔQ消量有限时,Q疏排主要为降落漏斗范围内的储存量μFΔh/Δt。这种不断消耗承压含水层中弹性储存量和溶蚀裂隙中重力水而无法使漏斗稳定的矿区,称为非稳定的消耗型矿区。

3 疏排漏斗内单位储存量计算

在疏排漏斗范围内出现等幅下降的过程中,任一时段内储存量的变化量,应该等于该时段抽出的水体积。即为:

式中:QΔt——在Δt时段内抽出的地下水总量, m3/d;

μF——当水头下降一个单位时,降落漏斗面积内释放的储存量(静储量),m3/m;

ΔS——在Δt时段内漏斗内水位等幅下降值,m/d;

ΔQ补——在Δt时段内漏斗内的动流量补给量,m3/d。

从公式(2)可知,要精确求出μ和F比较困难,必须在抽水过程中求出ΔS值(即等幅下降值)。为此,抽水总量应达到动、静转化,必须形成动水位等幅下降,以便确定整个漏斗内水位下降值。

老虎洞磷矿区,设计3个大口径抽水钻孔,抽水能力达到11520m3/d。该矿区抽水试验从2015年9月11日起至2015年10月25日止,历时45d。抽出总水量约38万m3,抽水规模达到半工业型试验。抽水试验结果见表1,抽水试验期间24h各观测孔地下水位埋深变化平均值曲线见图1,抽水试验期间各抽水孔流量变化曲线见图2。

表1 老虎洞磷矿区抽水试验结果

图1 抽水试验期间24h各观测孔地下水位埋深变化平均值

图2 抽水试验期间各抽水孔流量变化

根据抽水试验数据,当抽水试验进行到第18d (9月30日)时,漏斗内各观测孔水位开始出现等幅下降,等幅下降延续至10月3日,这4d的平均等幅下降值为0.169m/d(见图1),此4d的抽水量基本不变,平均值为11182m3/d(见图2)。同时,据9月30日至10月3日共4d的等降深线图(见图3),这4d的等降深线图形态基本一致,说明漏斗已达边界,出现动静转化,反应出漏斗范围内的动流量补给严重不足,此时抽水以消耗储存量为主。

根据表1的第二个降深S2,当抽水量为7128.48 m3/d时,漏斗内各观测孔水位和抽水量出现稳定值,即达到相对均衡,见图1、图2。确定动流量出现区间值为7182.48～11137.44m3/d,在计算中近似取值7182.48m3/d,根据以上抽水资料利用公式(2)来计算漏斗内单位储存量:μF＝QΔt－ΔQ补/ΔS＝11137.44－

7182.48 /0.169＝23402.13m3/m

故漏斗范围内,地下水头每下降一个单位,释放出来的地下水储存量为23402.13m3。

图3 等降深线图

4 疏排中段储存量、疏排量及疏干时间计算

根据矿山建设需要,结合矿山设计的首采中段,矿山基建期间必须把矿区地下水位由目前的1000 m标高降至400m标高,方能确保矿山建设免受水害的威胁。根据矿区的水文地质条件,矿山建设初期拟采用地表疏干井群对浅部(700m标高以上)地下水进行预先疏干,这部分地下水的疏排量和疏排时间计算如下:

4.1 700m标高以上的储存量

目前矿区平均地下水位标高为1000m,当疏干至700m标高时,地下水位降低值为300m。

根据大井抽水试验,抽水降落漏斗内地下水位等幅下降值为0.169m/d,同期对应的大井抽水量为11137m3/d,降落漏斗内单位储存量为23402.13 m3/m(已减去同一时间的动流量7182.48m3/d)。

故700m标高以上的储存量为23402.13m3/m ×300m＝7020639m3。

4.2 700m标高以上疏排量与疏排时间的关系

疏排量Q的计算采用公式(3)计算:

式中:Q疏排量——700m标高预计疏排量,m3;

μF——当水头下降一个单位时,降落漏斗面积内释放的储存量(静储量),m3/m; Smax——预计疏干标高的水位最大降低值,m;

S0——预计疏干标高的残余水头,m。

根据式(3),当疏排中段设在700m标高,残余水头为20m,疏干时间为一年,疏排量为9174201 m3,所需排水能力为25134.8m3/d;当疏排中段设在700m标高,残余水头为20m,疏干时间为两年,疏排量为11795806m3,所需排水能力为16158.64 m3/d。疏排量与疏排时间关系见下表2。