矿山涌水量预测探讨——以某铁矿为例

程梅，张静，向阳，杨利均，林红梅

(1.四川省仪陇县环境监测站， 四川南充 637600；2.四川农业大学环境学院， 四川成都 611130；3.四川景星环境科技有限公司， 四川成都 611130)

地下水的概念在不同领域具有一定的争议。地下水指的是赋存于地面以下岩石空隙中的水，狭义上它是指地下水位线以下饱和含水层中的水［1］。国家标准《水文地质术语》（GB/T14157-93）中对地下水的定义是指埋藏在地表以下的各种形式的重力水［2］。地下水是我国的重要供水水源，直接或间接维持着全国近70%的生活饮用水，40%的农田灌溉用水，它在保证居民生活用水、社会经济发展和生态环境平衡等各个方面，都起着不可替代的作用［3］。

金属市场作为国民经济发展的重要风向标，直接决定了国家工业经济的发展。通过矿山开采将地下的矿产资源挖掘出来，并经过洗选、精炼等过程，最终将其产品金属用于其他各个行业［4］。然而，矿山开采在供给工业产品的同时，伴随着大量的环境问题，例如：采矿废石丢弃、选矿尾渣的堆存、矿山涌水排放等。我国西部作为主要的矿业贮备区域，矿区往往位于高山峡谷地带，矿区附近的河流通常按照地表水II类水质目标管理，区内禁止设置排污口［5-7］。而矿山建设过程中涌水的产生量及消耗量将直接决定了矿山能否开采。

因此，通过水文地质方法或数值方法，探讨矿山开采各个阶段的涌水量，判断矿山开采过程中是否需要排水，或设置合理的开采方案，尽可能的减少多余矿山涌水对地表水环境的影响具有重要的意义［8］。本文以我国西部某省的铁矿为例，通过数值法探讨各个开采阶段过程中涌水量的产生和使用，尽可能实现矿山清污分流，减少涌水、污水产生量，实现矿山开采与地下水资源保护、地表水环境保护的协调发展。

1 研究区域概况

1.1 矿区概况

本文以西藏某铁矿为例，矿区位于西藏高原冈底斯-念青唐古拉山脉南麓，海拔高度5100m以上，平均海拔高度5240m，系雅鲁藏布江中游河谷区，该区域地貌属冈底斯-念青唐古拉山脉以南喜山以北地区的雅鲁藏布江中游河谷区。矿山采用露天采矿方式，开采矿体由3个区块构成（记为IIc-1、IIc-2及IIc-3），矿区面积约8.9985km2，开采年限为19年。

开采过程中，将Ⅱc-1矿体、Ⅱc-2矿体所在区域建立1号露天采坑，Ⅱc-3矿体所在区域建立2号露天采坑，分区域依次对地下的Ⅱc-1矿体、Ⅱc-2矿体、Ⅱc-3矿体进行开采，以控制矿区涌水量。

其中1号露天采坑平均标高5222m，5200m标高以上基本为地表剥离，长250m、宽220m、面积0.055km2；2号露天采坑平均标高5180m，长300m、宽220m、面积0.06km2，两个露天采坑的总面积0.115km2。

矿区矿体及采坑分布详见下图所示。

图1 矿区一览图

1.2 矿区地质

矿区内分布地层简单，主要出露白垩系塔克那组（K1t)，广泛分布于矿区内。第四系仅分布于斜坡坡麓等局部地区。地层总体走向大致是近东西向；倾向北西，倾角在30°～60°之间。区域的构造发育，主要是断裂构造，按方向分为东西向、南北、北东以及北西向断裂。矿区内岩浆岩发育，主要分布在矿区西部及南部，呈岩基产出。

矿区内工程地质岩组主要为第四系松散岩组、角岩岩组、碳酸盐岩组、岩浆岩岩组。矿区岩（矿）层以坚硬岩组为主，局部破碎带地段富水性中等，矿体顶底板为灰岩、矽卡岩，岩石坚硬，稳定性好。

1.3 矿区水文

矿区处于弄勒沟与纳普沟的分水岭-他自拉东部，海拔4900 m～5300m，为极高山地带。矿区北至弄勒沟源头，南到纳普沟上游为界，东至纳普沟支沟为界，西到他自拉一带，其中矿区他自拉山体为弄勒沟与纳普沟的Ⅲ级分水岭，未形成一个涵盖整个矿区的完整水文地质单元。

矿区的地形坡度大，切割较强烈，沟谷发育密集并且纵坡降大，主要是以基岩裂隙水为主，地下水与地表水分水岭基本一致，矿床地下水受大气降水、冰雪融水、季节性泉水、溪流地表水，沿第四系孔隙、基岩裂隙入渗补给，地下水径流途径短，分散排泄，沟谷为其主要排泄区，水文地质条件简单。

1.4 矿区含（隔）水层

矿区出露地层为白垩系典中组、白垩系塔克那组、喜山晚期黑云母二长花岗岩和第四系。虽然其下伏新近系（喜山晚期黑云母二长花岗岩）风化程度中等，为一相对隔水层，为上伏第四系构成储水条件。但是地表第四系，其厚度为3.25 m～14.76m，以砂土、砾石为主，孔径大，厚度较小，加上区域坡降大，使得第四系富水程度弱，不能构成完整含水层。

中生代白垩系塔克那组，其岩性为灰岩夹粉砂质板岩、粉砂岩，孔隙较新近系喜山晚期黑云母二长花岗岩大，通过水文地质勘查，该层为矿区的主要含水层，其分水岭以下露头接受大气降雨补给。上伏的新近系喜山晚期黑云母二长花岗岩为其隔水顶板，下伏的白垩系典中组玄武岩、安山岩、英安岩、火山角砾岩和凝灰岩为其隔水底板。

综上所述，根据矿区的地下水赋存条件、水理性质以及水力特征，其地下水可以分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水两类。

1.5 矿区地下水

矿山地带地下水类型有两种：分别为分布于山体白垩系塔克那组的基岩裂隙水和分布于沟谷地带的第四系孔隙水。

①基岩裂隙水：在矿体的露采过程中，基岩裂隙水通过侧向排泄和坑底溢出，直接渗入到露采矿坑内，地下水成为矿床充水的主要来源；矿区断裂构造远离矿体，因此，断裂构造带地下水对矿床开采并无大的影响；大气降水(包括降雪融雪入渗)成为矿床充水的另一来源，矿区降水量不大，年降雨量约350mm，7～9月为雨季，矿体直接顶底板围岩的张裂隙大部分为泥质充填，降水入渗和暴雨沿岩石裂隙灌入对矿床充水影响较小。

②第四系孔隙水：矿区地下水主要以降雨和降雪融化入渗补给为主，本区年降雨量约350mm，矿区内第四系松散堆积物孔隙和基岩表面风化张裂隙发育，使岩石有利于接受降雨入渗的补给。矿区内岩层裂隙、节理发育，使岩石有利于接受降雨入渗的补给。

1.6 开采计划

该铁矿矿区藏有Ⅱc-1矿体、Ⅱc-2矿体、Ⅱc-3矿体，矿区经1年基建期后，以每年10万吨的矿产资源开发速度开始对矿区地下铁矿资源进行开采，开采过程中优先开采1号露天采区的Ⅱc-1矿体，其次再对1号露天采区的Ⅱc-2矿体进行开采，最后再开采2号露天采区的Ⅱc-3矿体。具体采区计划如下表所示。

表1 开采计划一览表

2 矿坑涌水量预测方法及参数

2.1 矿坑涌水量预测方法

如果把矿井整个井巷系统看成为一个具有等效面积的大井，那么流入大井的水量就相当于流入整个井巷系统的水量。利用该方法预测矿井涌水量被称为“大井法”［9］。本次研究采用潜水完整井稳定流袭布依公式对潜水井的涌水量进行预测，

上式中，

Q表示矿井涌水量，m3/d；

K表示含水层渗透系数，m3/d；

H表示水头高度，m；

S表示水位降深，m；

R表示矿坑的影响半径，m；

r表示大井的引用半径，m。

2.2 计算参数

（1）含水层渗透系数K：根据项目区的水文地质报告，项目所涉及的含水层为白垩系塔克那组的基岩风化带裂隙含水层组和基岩构造裂隙脉状水含水层，获取的该岩组渗透系数介于1×10-9～6×10-6cms-1（8.64×10-7～5.184×10-3m/d），取最大的渗透系数5.184×10-3m/d。

（2）含水层厚度M：矿山本次露采所涉及IIc-1、IIc-2及IIc-3共三个矿脉，三个矿脉所在位置处的白垩系塔克那组的厚度在70m～90m之间。因此，取白垩系塔克那组潜水含水层的厚度为80m。

（3）平均水位降深S：矿山露天开采工程的地下水水位降深深度主要取决于项目开采进度，S为自然水位标高与工程即时开采标高之差。

（4）引用半径r计算：本项目矿山近似为一个椭圆形，使用矿坑或井群引用半径计算方法：长轴长为b1，短轴长为b2。引用半径计算公式为：

（5）影响半径R

根据《水文地质手册》，对于使用稳定流袭布依公式预测矿坑影响半径［11］：

在上式中：

R表示矿山的影响半径，m；

S表示平均水位降深，m；

K表示渗透系数，m/d；

r表示矿井引用半径，m。

3 涌水量预测结果与讨论

3.1 涌水量预测结果

对矿井涌水量分区预测，依次预测1号、2号露天采坑的涌水量，预测过程中各项参数的具体数值及最后涌水量的预测结果如下：

（1）1号露天采坑涌水量预测

1号露天采区平均标高5222m，地下的Ⅱc-1矿体赋存标高5152m～5221m，深度69m，矿体共58.77吨，以每年10吨的速度进行开采，每年采深约11.7m；Ⅱc-2矿体赋存标高5142m～5213m，深度71m，矿体共49.18吨，以每年10吨的速度进行开采，每年采深约14.4m。

开采1号露天采矿的Ⅱc-1矿体时，涌水量预测各参数情况及涌水量预测结果如下表：

表2 涌水量预测结果及参数一览表

开采完Ⅱc-1矿体后，随即对1号露天采矿的Ⅱc-2矿体进行继续开采，开采Ⅱc-2矿体时，涌水量预测各参数情况及涌水量预测结果见表3。

（2）2号露天采坑的Ⅱc-3矿体涌水量进行预测

2号露天采区平均标高5180m，地下的Ⅱc-3矿体赋存标高5019-5167m，深度148m，矿体共73.28吨，以每年10吨的速度进行开采，每年采深约20.2m。

开采2号露天采矿的Ⅱc-3矿体时，涌水量预测各参数情况及涌水量预测结果如下表：

表3 涌水量预测结果及参数一览表

表4 涌水量预测结果及参数一览表

3.2 讨论

该铁矿矿区分区域依次对1号露天采区的Ⅱc-1矿体、Ⅱc-2矿体，2号露天采区的Ⅱc-3矿体进行露天开采。在进行一年的基建期过后，于第二年至第七年对1号露天采区的Ⅱc-1矿体进行开采，此阶段，矿井平均涌水量441.8m3/d ～510.1m3/d，经沉淀池沉淀过后，其中一部分水用于场区洒水抑尘和绿化用水，约100m3/d，另一部分由于符合国家污水排放标准，直接排入当地污水管网。随后第八年至第十二年，对矿区1号露天采区的Ⅱc-2矿体进行开采，此时，开采Ⅱc-1矿体时遗留的矿洞，涌水量510.1m3/d，由于无工程扰动，属于清水，可直接排放进入污水管网，开采Ⅱc-2矿体的矿洞涌水量455.3～512.4m3/d，经沉淀池沉淀后，其中每天有100m3用于场区洒水抑尘和绿化用水，其余的水排入污水管网。在第13年开始，停止对1号露天采区的开采，1号矿区矿洞涌水量1022.5m3/d，直接排入污水管网。2号矿坑的矿洞涌水量512.6m3/d～644.5m3/d，并在第19年涌水量达到最大值，644.5m3/d。之后，在开采完矿区的Ⅱc-1矿体、Ⅱc-2矿体与Ⅱc-3矿体之后，对矿区进行闭坑处理，填埋矿洞，填埋好之后，将不再产生涌水。

4 结论与存在问题

4.1 结论

该铁矿开采工程基建期预计一年，随后开始正式开采，以每年10万t的速度对矿区铁矿资源进行开采，矿区铁矿资源赋存与Ⅱc-1矿体、Ⅱc-2矿体与Ⅱc-3矿体之中，以Ⅱc-1矿体、Ⅱc-2矿体赋存区域为1号露天采区，以Ⅱc-3矿体赋存区域为2号露天采区进行分区分阶段开采。矿区涌水量预测结果见下表。

表5 矿区涌水量预测结果一览表

从第2年开始，对1号露天采区的Ⅱc-1矿体进行开采，矿坑涌水量随着开采深度的增加而增加，与第7年年底，开采完Ⅱc-1矿体时，涌水量达到最大，为510.1m3/d，即18.62万m3/a；随后，随着工程进度的进行，在开采完Ⅱc-1矿体后，开始对1号采区的Ⅱc-2矿体进行开采，此时，涌水量一部分来自于开采Ⅱc-1矿体时产生的矿洞的涌水，涌水量为510.1m3/d，属于清水，另一部分来自于开采Ⅱc-2矿体的矿洞涌水，为污水，随工程进行，涌水量逐步增加，在第12年年底，此矿洞涌水量达到最大，为512.4m3/d。当1号露天采区的Ⅱc-1矿体、Ⅱc-2矿体均被开采完毕之后，开始对2号露天采区的Ⅱc-3矿体进行开采，此时，1号露天采区的日均涌水量为1022.5m3，属清水，可直接排入城镇污水管网，2号露天采区涌水量在第19年，达到最大值，644.5m3/d，即23.52万m3/d。

4.2 存在的问题

（1）在使用大井法对矿井涌水量进行预测时，由于将不规则的矿坑概化成一个规划的几何模型，存在的不可避免的误差。

（2）在使用矿井长度、宽度等数据资料时，存在的不可避免的测量误差，也会对最终的涌水量预测结果精度造成一定的影响。

（3）矿坑涌水量影响因素较多，虽然区域降水量不大，矿体直接顶底板围岩的张裂隙大部分为泥质充填，降水入渗和暴雨沿岩石裂隙灌入对矿床充水影响较小，但仍然会对矿区地下水涌水量造成影响。