浅谈大井法在矿山涌水量计算中的使用

2020-02-25宁凤娟

世界有色金属 2020年23期

宁凤娟

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局二总队，贵州六盘水 553000）

我们平时工作中，在矿山储量核实、开采设计方案、详查设计方案等方面，均要对矿山进行水文地质调查工作，预测矿坑涌水量，为矿床开采提供设计依据，它对选择采矿方法，确定排水设备能力和排水方案、制定探水防水措施都有着重要的意义。矿山涌水量常用的计算方法有水均衡法、水文地质比拟法、“大井法”、大气降水入渗法等，由于各种方法的适用条件不尽相同，所以在实际工作中，可以根据水文地质条件复杂程度，以及实际工作的程度等方面来确定。其中“大井法”在近似稳定流中较为常用，通过概化矿区水文地质条件，构造理想化数字模型，然后求取矿坑涌水量，具有广泛的适用性。

1 涌水量影响因素

在矿山涌水量计算中，很多因素都会对涌水量的计算结果产生一定的影响，因此，需要采用三种及以上的方法来求取数据，通过水文地质条件以及矿体的分布特征、矿区的平面形态等综合分析对比，选取更贴合实际矿床的计算结果。涌水量计算的影响因素，经过前人总结分析有：①降水量。当矿区为露天开采时，矿坑涌水量主要来源于大气降水，降水量对涌水量计算结果的影响更为明显和突出，当降水量处于动态变化的情况下时，涌水量也会随之产生一定的变化。②产量与开采面积。不同的矿井内存在产量和开采面积的区别，在涌水量计算的过程中，这些因素同样是需考虑的因素，当开采面积和产量逐步增大的情况下，一旦含水介质空间与顶板含水层结构发生了一定的改变，涌水量就会出现一定的变化，因为在这一条件下，涌水量对地下水静储量存在一定的消耗，而消耗的同时也接受地下水的补给，涌水量呈现出不断增长的趋势[1]。③采掘作业。矿井在采掘工作不断进行的过程中，地下水静储量会随之减少，当矿井涌水主要是由地下水补给实现的，地下水接受补给量日渐平稳的情况下，矿井涌水量也相对平缓，变化不大。④地质构造。随着矿山地表、地下的开采作业，巷道连通，往往难以保持矿区地质地形的原貌，对地质构造的破坏使得涌水量增加。

2 “大井法”的基本原理和计算公式

在矿井涌水量计算中，大井法是一个应用比较普遍的方法，因为在矿床疏干的过程中，会伴随着严重的矿井涌水现象，该现象使得周围水位逐步降低，当呈现相对稳定的状态以后，基本上可以认定在以矿坑为中心所形成的地下辐射流场周边，已然达到了稳定井流的条件。事实上，在利用大井法进行矿坑用水量计算时，往往会将矿区水平坑道系统所占面积等价于理想的大井面积相等，并保持坑道系统涌水量与大井涌水量相一致[2]。其计算公式如下：

上式为潜水完整井裘布依公式，式中，Q 代表的是矿井涌水量（m3/d），K 和S、H 分别为含水层渗透系数（m/d）、水位降深值（m）、水头高度（m），而R 和R0分别为影响半径（m）和引用影响半径（m），r0为引用半径（m）。

3 矿井概况

以某矿山作为研究对象，该矿区地势总体北西高、南东低，最高海拔标高2190m；最低点海拔标高1763m，相对高差427m，一般海拔1800m～2000m，属中低山地貌。

3.1 矿区补径排条件

该矿区内呈现北西高、南东低的特征，矿体呈陡倾斜脉状产出，走向320°～345°，倾向北东，倾角70°～90°。矿区地下水主要补给来源于大气降水。补给方式主要通过矿区内大面积分布的岩溶裂隙、漏斗、落水洞、洼地及地表露天采场形成的洼陷等通道渗入或灌入地下补给地下水。在地下经最短距离的径流后，大部分地下径流在不同含水性的地层界面、含水层受强烈切割处、低洼河（沟）谷地带、采矿坑道等排泄于地表，补给地表水，又经地表水体排泄，最终注入北盘江。综合现场水文情况的调查，该区属于地下水的补给区域，且碳酸盐岩广分布，地下岩溶发育。

3.2 含水层特征和富水性评价

矿区出露地层由老到新有石炭系下统上司组（C1sh）、上至下统摆佐组（C1-2b）、石炭系上统黄龙组（C2h）、第四系（Q），地表为丘峰洼地与峰丛谷地为特征的岩溶地貌，其中发育暗河、溶斗、溶洞等岩溶微地貌形态。各岩层含水性分述如下[3]：

石炭系下统上司组（C1sh）：为灰色中厚层灰岩，夹薄层泥灰岩，中下部见白云岩，上部含燧石条带和结核、硅质条带等，厚100m。矿区未发现泉水点，富水性强。

上至下统摆佐组（C1-2b）：上部为深灰色厚层状石灰岩，沿层面有燧石条带和团块产出，顶部常见4m～6m 厚条带状灰岩，中部为中厚层至厚层状灰岩，层间常夹大量燧石条带，并见生物碎屑灰岩和同生角砾状灰岩，下部为底部含泥质较重，本层有部分白云岩为铁矿主要含矿层。厚约200m。矿区未发现泉水点，富水性强。

石炭系上统黄龙组（C2h）：上部为厚层致密灰岩及白云岩，含大量硅质结核、燧石结核或条带，并有一层数米至十余米厚的生物碎屑灰岩，中部为中厚层灰岩及白云岩，含少量硅质结核，下部为中厚层灰岩，底部有10m～20m 厚的燧石条带灰岩，本层为主要的含铁矿层，厚200m。富水性强，为含水层。

第四系（Q）：浅黄色、褐黄色粘土，含砾亚粘土、厚0m～7m。主要分布在沟谷褐岩溶洼地内。为孔隙水，富水性弱，透水性强。

4 矿井涌水量计算和预测

根据对该矿山实际情况、岩性、地表水体、分水岭等分布情况进行调查和分析，该矿床的地下水径流、排泄区为一个完整的水文地质单元，在该矿井内的含水介质具有以下的特征：主要充水含水层含水介质主要为溶蚀裂隙和小规模溶洞溶孔的组合，岩溶发育对该矿井的含水介质产生了非常大的影响，且整个岩层中的含水性呈现出不规律的分布特征[4]。

在该矿井涌水量计算中，使用了大井法，为保障计算结果的准确性，往往需将整个矿井巷道系统作为圆形大井，且将该含水层作为一单一潜的含水层，在该计算中暂不考虑地表水的影响，假定存在S=H 的前提件，那么，根据计算公式：

在上式中，存在：

其中，公式中的各个参数与上述一样，F 代表的是第一开采水平面积。

在涌水量的计算过程中，为保障计算结果的准确性，重点是要进行公式中每个参数的选取。首先，在渗透系数选取上，通过对矿山的水文孔进行抽水试验，取抽水试验中含水层渗透系数的平均值；在充水层潜水水位高度H 的取值方面，取的是抽水钻孔实测充水层静止水位高度的平均值。大井半径r0取值时，利用第一开采水平面积，根据相应的公式计算。影响半径R 取值时，需依据特定的计算公式来获得，因为已知含水层渗透系数K，依据库萨金公式，得出R 取值。引用影响半径在影响半径和大井半径已知的情况下，可以获得最终取值。根据这些取值结果，最终可以求取矿区涌水量。

5 存在的问题及解决措施

大井法在矿井涌水量的计算过程中，创造的是一个相对理想化的模型，当矿井地下水为均质的含水层时，这一计算方法所获得的计算结果较为准确，但很多矿井的条件特殊，并不一定都是均质的含水层，有很多的矿井为非均质裂隙含水带，当在计算中将这些矿井作为均质含水层处理时，所计算的矿井涌水量与实际存在一定的偏差。

该矿区，经过实际求算，涌水量有上万方，而实际矿山自行疏干排水记录只有几百方，存在了很大的差距。原因查找有：随着开采逐年进行，从露天到坑采，矿区内的渗流场已经改变，地下水位降深也不断加大，而本次计算采用的抽水钻孔数据，仍为原五六十年代钻孔数据，渗透系数、钻孔水位等均于现在不符合，因此，该矿区如果要使用大井法求算涌水量，还需要通过现在的水文钻孔资料来求取。

由于该矿山连年开采，地下水位下降急剧，区内地下水主要来源于大气降水，各段矿体高程高于当地排泄基准面，位于包气带中，矿井水量只有垂直交换，无水平方向上交换。矿坑涌水量的构成仅有矿体平面投影范围内大气降水通过上覆岩石裂隙向矿井入渗，因此，可采用水均衡方程来计算。