湖北省宜昌磷矿杨柳矿区麻坪矿段矿坑涌水量预测

曾 波

中化地质矿山总局湖北地质勘察院，湖北 荆州 434020

湖北省宜昌磷矿杨柳矿区麻坪矿段矿坑涌水量预测

曾 波*

中化地质矿山总局湖北地质勘察院，湖北 荆州 434020

在对区域和矿区水文地质条件综合研究分析的基础上，采用水文地质比拟法、解析法、数值法对矿坑涌水量进行了预测对比分析，并给出了较合理的涌水量推荐值，为矿山排水设计提供了理论依据。论文提出了矿井初步防排水措施，对今后整个宜昌东部磷矿的安全开采具有指导意义。

矿坑涌水量 水文地质比拟法 解析法 数值法

杨柳矿区属宜昌磷矿东部，为一特大型隐伏磷矿床【1】。矿区位于湖北省远安县城北西307°方向，直距约42 km处，行政区划隶属于远安县荷花镇望家村管辖。

宜昌磷矿区域上属黄柏河水系的西河-断江流域系统，区内地形总体西高东低、北高南低，海拔最高1770.86m，一般为500～900m。矿区位于水文地质单元的北东部，属中山地貌，最高点海拔1155m，最低点为矿区东南角西河下游河床，河床海拔434m（视为当地侵蚀基准面）。矿体均位于当地侵蚀基准面以下。区内地表水系较发育，均自西向东流入西河。杨柳矿区磷矿床属以溶蚀裂隙为主、顶板间接充水、水文地质条件中等的岩溶充水矿床类型【2】。

麻坪矿段位于杨柳矿区西部。麻坪矿段将11勘探线以北的北西部地段资源储量范围作为首期开采地段并预测矿坑涌水量，首期开拓水平为+441～+50 m（即XJ1斜井底部标高）。

1 矿区水文地质概念模型

1.1 含水岩组概化

将矿区内地层由上到下概化为10个岩组：

（1）寒武系下统（Є1）白云岩裂隙岩溶含水岩组：平均厚248m。

（2）寒武系下统牛蹄塘组（Є1n）下部相对隔水层：平均厚30m。该层阻隔了上部寒武系地下水进入矿坑；当首采区定为+50 m标高时，该层亦为东部侧向隔水边界。

（3）灯影组（Z2dn）白云岩裂隙岩溶含水岩组：平均厚458m。该岩组主要在西部丁家河矿区及北部出露，出露宽1400～3000m，平均2200m，接受大气降水补给，由西北向东南径流。该岩组为矿坑间接充水及主要充水含水层。

（4）陡山沱组第四段（Z1d4）相对隔水层：平均厚约18m。

（5）陡山沱组第三段（Z1d3）相对隔水层（或极弱含水层）：平均厚约25m。

（6）陡山沱组第二段（Z1d2）相对隔水层：平均厚约48m。

（7）第二含磷层Ph2相对隔水层：平均厚约3m。

（8）陡山沱组第一段（Z1d1）上白云岩相对隔水层（或极弱含水层）：平均厚约6m。

（9）第一含磷层Ph1相对隔水层：平均厚约5m。

（10）Z1d1底部及以下相对隔水层。

1.2 边界条件概化

（1）侧向边界条件概化

根据区域调查及钻孔揭露，从区域水文地质剖面图可知，ZK1203的Є1n 与Z2dn 地层分界标高为19.07 m，即当首采区定为+50 m标高时，其东部边界应为Є1n下部隔水边界，并且边界应在ZK1203以西。由于首采区地下水位从标高+756 m降到+50m，降深大，矿床疏干排水的面积也大，根据计算地下水降落漏斗已扩展到区域水文地质边界。因此，根据水文地质条件和排水影响范围，可将矿段未来开采到+50 m标高的边界条件概化为：西部为前震旦系崆岭群（Ptkn）变质岩相对隔水边界；东部为牛蹄塘组（Є1n）下部隔水边界；北部为地表分水岭，距离本矿区较远，约18 km，可以视为无限边界处理；南部的七里峡—两河口为排泄边界，可以视为已知水头边界（第一类边界）。

其中东、西两条平行直线隔水边界相距（2d）约12600m（即d=6300 m）（图1）。

图1 两条平行直线隔水边界示意图Fig.1 Schematic diagram of 2 parallel lines impervious boundaries

（2）垂向边界类型的概化

顶部边界：Є1n下部隔水边界；底部边界：Z1d1底部及以下相对隔水层。

（3）内边界的概化

首采区开采系统长约1400～1500 m、宽约1500～1700 m，形状比较规则，可概化为圆形“大井”。

2 地下水数值模拟法

2.1 水文地质概念模型

采用Visual Modflow软件4.2版本建矿区地下水流三维模型。

（1）计算范围

考虑到边界条件的设置需求，模拟区范围大于矿区范围，基本由矿区范围向外扩展一倍，即计算面积东西长8.0km，南北长5.33km，总面积约为42.64km2。

（2）含水层的概化

将研究区地下水系统概化为非均质各向异性三维非稳定地下水流系统，在垂向上将岩组重新组合概化为4个含水层和3个隔水层，共7层结构：

Layer1：寒武系潜水含水层；Layer2：寒武系牛蹄塘组隔水层；Layer3：震旦系灯影组承压含水层；Layer4：陡山沱组第四段隔水层；Layer5：陡山沱组第三段极弱含水层；Layer6：陡山沱组第二段隔水层；Layer7：陡山沱组第一段极弱含水层。

（3）边界条件的确定

在平面上由于四周没有明显的自然边界，将模型四周均按通用水头边界处理；在垂向上，由于顶部有寒武系地层覆盖，故不考虑降雨与蒸发量，底部以Ph1磷矿为隔水边界。

2.2 数值模型

2.2.1 计算区域剖分（空间离散） 有限差分法是对含水介质进行等间距自动剖分，本矿区在row（行）×column（列）×layer（层）上剖分为150×100×7个网格单元，其中将研究区边界外的网格设为不计算单元格（即不参与模型计算），建立剖分图（图2）。

图2 模型的网格剖分图Fig.2 Mesh subdivision graph for model

2.2.2 模拟期的确定 采用ZK1106孔的抽水试验期间的水位动态观测资料，确定模拟期为抽水试验时间，以一天作为一个时间段，每个时间段内包括若干时间步长，时间步长为模型自动控制。

2.2.3 定解条件的处理 初始条件：采用2012年11月观测的地下水水位作为初始水位，采用内插和外推法获得各个含水层的初始水位。边界条件：按通用水头边界处理。

2.2.4 源汇项的处理 研究区的源汇项主要包括补给项和排泄项。该区地下水的补给来源主要为侧向边界流量，地下水排泄方式为侧向边界排向西河。

2.2.4 模型识别与验证 采用ZK1106长观期间的水位动态资料来进行模型识别与验证（图3）。程序经过多次自动计算，直至达到较为满意的拟合结果，说明参数选择基本合理，能满足矿坑涌水量预测精度。

图3 ZK1106孔水位拟合对比曲线Fig.3 Comparison fitting curves of water level for drill ZK1106

2.2.6 模型识别和验证后的参数 本次参数主要参考矿区水文孔及XJ1坑道的抽水试验结果，对各7个目标层进行分区，设置不同的渗透系数和储水率初值【3】。本区地下水流向为由西向东、由北向南，且地下水从径流区变为排泄区，因此渗透系数一般也据此规律由小到大，对于陡山沱组第四段隔水层的分区，地层埋深越大，则渗透系数更小。水文地质参数见表1。

表1 各层位水文地质参数Table 1 Hydrogeological parameters for each horizon

3 矿坑涌水量预测

3.1 数值法预测

3.1.1 预测方案 由于陡山沱组地层均不含水，所以模型只需将地下水位控制在灯影组含水层底板即可，整个进度期为33天，即提前一个月开始按预测涌水量32200m3/d进行疏排，可以在开采前将水位降至灯影组底板。由模拟结果可知，首采区内灯影组含水层涌水量为32200m3/d。水位情况见图4和图5。

图4 抽水前地下水水位分布图Fig.4 Distribution map of groundwater level before pumping

图5 首采区灯影组含水层疏干图Fig.5 Drainage map for aquifers of Dengying Formation in first mining area

3.1.2 预测精度评述 模型经识别验证有效，收敛性和稳定性较好，能够较好地反映本矿区水文地质条件，模拟预测结果可以作为井下排水设计的参考依据。由于只有ZK1106一个孔的观测资料可利用，因此对计算区边界水位条件控制不太理想，随着矿井后续资料的完善，可对模型进行更进一步的优化，从而能够更好地调试和验证模型。

3.2 地下水动力学法预测

3.2.1 计算原理方法 本矿区矿坑系统的涌水量主要来自间接顶板含水层Z2dn，Z1d1内上、下白云岩裂隙岩溶水因厚度薄可忽略不计。Z2dn浅部为潜水，深部为承压水。首采区矿坑进水的水文地质模型即为顶板间接进水，东与西边为二条平行的直线隔水边界，首采区坑道系统较规则，可概化为“大井”【4】，且基本上位于两条边界中间。可采用“大井”法估算进入采矿坑道系统的涌水量，选用二条平行直线隔水边界的稳定流承压—无压水的完整井公式计算矿井涌水量。选择《水文地质手册》【5】中公式如下：

其中：

3.2.2 参数选取

Rc：二条直线隔水边界的水流阻力值。其中2d为边界之间距离12600 m，则d=6300 m；R为影响半径=10478 m，因为R＞d，则R取d值。算出Rc=5。

含水层渗透系数K：采用XJ1抽水试验成果0.078m/d。

含水层静水柱高度H：即为首采区未来坑道的地下水位降低S；采用该区内15个钻孔的平均水位标高为756 m ，即H=S=756-50=706m。

含水层厚度M：根据首采区15个钻孔含水层（Z2dn）厚度算术平均值确定：M=379 m。

首采区采矿坑道系统引用大井半径r：首采区332范围F=2000000m2，按不规则园形计算式计算确定：

含水层引用影响半径R0：采用库萨金的近似公式计算：

其中排水影响半径：

因为R0＞d，则R0取d值。

动水柱高度h：因矿坑水必然降至坑底，故h=0m。

3.2.3 计算结果评述 通过计算结果（表1）分析，杨柳矿区边界较明显，首采地段形状也较规则，尽管灯影组Z2dn含水层不能满足裘布依（A.Dupuit）稳定井流公式“均质、各向同性”【6】的要求，但渗透系数K值采用矿区XJ1抽水试验值来参与计算，因XJ1“口径”远远大于钻孔口径，含水层过水断面大，因此抽水试验的代表性和计算的渗透系数代表性强。

大井法中含水层引用影响半径R0计算结果为11276 m，大于区域单元边界半径d值（6300 m），因此R0取d值，更符合水文地质条件的实际情况。

本次参与估算的水位降深值为706 m，较大，且疏干水位降至矿层底板以下时，含水层处于疏干状态，井壁过水断面上面积为零，已无法满足裘布依稳定井流公式的导出条件【7】，但只要地下水补给条件充足，矿坑疏干量被补给量平衡，地下水仍可作为相对的稳定流处理，只是计算结果偏大，设计部门可以参照作为上限值。

3.3 水文地质比拟法预测

用矿区现有斜井排水量来比拟整个首采区的排水量不切合实际，会导致涌水量结果偏大很多。本矿区同一水文地质单元的西部有丁家河矿区，南部有晒旗河矿区，本矿区相当于上述两矿区的北东延伸部位，因此，可以根据晒旗河矿区的排水资料来比拟。

3.3.1 计算原理方法 根据水文地质比拟法预测矿坑涌水量，即在整理生产矿井排水资料的基础上，根据疏干面积（F0）和水位降（S0）及矿井涌水量（Q0）来预测在某个F和S条件下的涌水量（Q）。选择《专门水文地质学》【4】中公式如下：

公式：

3.3.2 参数选取 Q0—为晒旗河矿区2007年XJ1、XJ2的排水量和，取日均排水量1875m3/d为Q0正常。

F0—为两坑道控制面积，约为291500 m2。

F—为本矿区麻坪矿段未来首期开拓水平坑道面积，约为2000000m2。

S0—为晒旗河矿区XJ1、XJ2的地下水位降低，S0=524-374=150m。

S—为麻坪矿段首采地段坑道的地下水位降低。则S=756-50=706m。

3.3.3 计算结果评述 通过计算结果（表2）分析。①晒旗河矿区相比本矿区构造要复杂些，坑道在Z1d中遇构造裂隙发育处有淋水现象，而本矿区XJ1进入Z1d后基本无水，因此，采用晒旗河矿区的系统排水资料来比拟，结果更安全可靠。②丁家河矿区主要含水岩组Z2dn地层大都出露地表，其接受大气降水的补给要远远强于处于隐伏状态的本矿区，且丁家河矿区坑道系统面积为本矿区首采地段面积的4倍多，水位降低值为300多m，是本矿区降低值的一半左右，其坑口总排水量最大约为12500 m3/d；南部鱼林溪矿区，其最低开拓标高为+25 m，低于本矿区，面积基本为矿区的50%，流量最大不到4000 m3/d，因此，采用晒旗河矿区比拟更切合实际。

表2 首期开拓水平+50矿坑涌水量估算结果表Table 2 Estimation results for pit water inflow of first development opening level +50

3.4 预测结果对比分析

大井法的计算结果最大，为比拟法的1.4倍；比拟法比较符合本矿区的实际；数值法是对前两者的验证。考虑到当本矿区首采地段水位降到+50m标高时，低于西部丁家河矿区开采标高，未来丁家河矿区不能自排的地下水可能会有少部分流向本矿区，因此，选用数值法计算结果作为首期开采地段+50m标高的排水设计依据比较可靠；大井法计算结果可以作为上限值。

4 矿井开采防排水措施

麻坪矿段首采地段水位平均标高756m、降深约706m，含水层平均厚度约379m。对于如何在顶板存在高压水头约706m的含水层之下安全采矿，是同预测矿坑涌水量同样重要的问题，对今后整个宜昌东部磷矿的安全开采具有指导意义。根据本矿的实际情况，建议如下：

（1）做好地面防水。对白花鱼沟西部河床可能渗漏的地段进行防渗处理，防止地表水对地下水补给。

（2）做好井下防水及疏水降压。XJ1坑道起到了很好的疏水降压作用，但必须处理好配套排水设施的合理配置。

（3）做好疏干排水。XJ1内坑道钻位于灯影组底部，主要用来观测含矿岩系中的水头，可采取对其进行陡山沱组地下水疏干排水。

（4）做好应急措施。打一口专供救援用的应急井，作为逃生通道，确保井下工作人员人身安全。

5 结论

（1）东、西两条直线隔水边界间的距离大约为12600m，并且边界随着疏干流场而变化。

（2）采用比拟法、“大井”法、数值法计算首期开采地段+50m标高的正常涌水量分别为：2.8×104m3/d、3.8×104m3/d、3.2×104m3/d。推荐数值法计算结果作为排水设计依据；大井法计算结果作为上限值。未来首采区各个中段的涌水量估算可以用上一中段的排水资料来预测，效果会更好。

1 程昌红，曾波等. 湖北省远安县杨柳矿区麻坪矿段磷矿详查报告[R]. 湖北地质勘查院，2013

2 曾波. 湖北省宜昌磷矿杨柳矿区水文地质条件研究[J]. 化工矿产地质，2016，38（增刊）：17～23

3 解慧. 基于Visual Modflow 沁水盆地南部水动力条件及其对煤层气富集控制机理的研究：[D]. 北京:中国地质大学（北京），2012，30～43

4 蒋辉,郭训武. 专门水文地质学. [M].北京：地质出版社. 2007

5 水文地质手册[M]. 北京：地质出版社，1978

6 蒋辉，曾波，潘宏雨. 地下水动力学[M]. 北京:地质出版社，2009

7 华解明. “大井法”预测矿井涌水量问题探讨[J]. 中国煤炭地质，2009，21（6）：45～47

The water inflow prediction of maping ore section in Yangliu mining area, Yichang phosphorite mine, Hubei

Zeng Bo

Hubei Geological Exploration Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Jingzhou 434020, Hubei, China

This article has adopted the hydrogeological analogy method, the analytic method , the numerical method to conduct a prediction comparison analysis of the water flow of wicket in the mine section on the basis of the comprehensive research and analysis of the hydrogeological conditions. In the end, a comparatively reasonable recommended value of filling water is given , and we get a rationale of the design of mine drainage.This article has also put forward with the elementary measures of waterproofing and drainage ,which is instructive to the future secure exploration of phosphorite in eastern Yichang at large.

Water inflow of mine， hydrogeological analogy method， analytic method，numerical method

P619.213

A

1006–5296（2017）02–0078–06

曾波（1970～），女，水文地质工程地质专业，从事水工环地质工作，高级工程师

2017-04-06；改回日期：2017-04-11