浅谈露天凹陷开采石灰岩矿床矿坑涌水量预测

2020-03-01许卓朋李彦伟

西部资源 2020年3期

许卓朋李彦伟

摘要：通过对收集的地质、水文、物探资料进行研究分析，对矿区及周边进行详细的水文地质调查，查明矿区地下水类型及含水层特征；地下水的补给、径流、排泄条件；矿坑充水水源及其途径；通过一系列水文地质试验，确定各含水层的渗透系数，结合矿床开采预测矿床矿坑涌水量。

关键词：地下水类型；地下水补给、径流、排泄；渗透系数；矿坑涌水量

1.引言

石灰岩矿作为水泥工业主要原材料，在我国经济的高速发展，城市建设、房地产开发及基础设施建设进程高速发展的大环境下，大量优质石灰石资源正在被大规模的开发利用，凹陷型开采的石灰岩矿床也随之越来越多，伴随着凹陷开采深度的增加，需要大量抽排地下水（礦坑涌水），确定的预测矿坑涌水量对矿床的开发具有重要意义。

以化州那洪水泥用石灰岩矿床为例，对露天凹陷开采石灰岩矿床的矿坑涌水量进行预测。

2.矿区水文地质条件

矿区位于粤桂隆起与桂湘赣粤褶皱带交汇处的南端，吴川大断裂的北西侧。矿区一带在区域上位于长达78km，宽8km～16km的中垌-廉江复式向斜的北东端，构造相对较发育，构造线方向以北东向为主。区域地貌单元属于低丘陵地区，矿区地处丘前平原地带，矿区位于区域覆盖型岩溶区的补给径流区，是地下水的富集区。矿区地下水的补、径、排条件主要受气象水文条件及地形地貌因素的制约。

3.矿区含水层特征

根据地下水的分布规律及其赋存条件、地层岩性、水文特征，将矿区地下水类型划分第四系松散岩类孔隙潜水、碳酸盐岩岩溶裂隙水及层状岩类裂隙水岩性组三种类型。

（1）松散岩类孔隙水。第四系土层孔隙水赋存于第四系砂质粘土及含砾、含砂粘性土中，含水层厚度在4.0m～ 40.5m之间。总体上矿区内第四系土层富水性弱，为潜水型孔隙水。第四系土层孔隙水补给来源主要为大气降水补给。地下水位埋深在0.1m～3.5m。根据地表表层土试坑渗水试验，其渗透系数K值为1.18×10-5～1.17×10-4cm/s，属弱透水层。

（2）碳酸盐岩类裂隙溶洞水。矿区石灰岩裂隙溶洞水主要赋存于灰岩岩溶裂隙中，属于覆盖型岩溶水，是矿区的主要含水层。主要赋存层位为灰岩岩溶裂隙发育带及溶洞洞穴中其连通性较好，是地下水良好的径流途径，富水性较好。灰岩裂隙溶洞水总体上富水性强，其补给来源主要为大气降水及地表水的下渗补给，同时也接受上部孔隙水的越流补给。该含水层水位埋深在0.5m～2.5m，根据抽水试验成果资料分析。根据矿区物探勘查报告及矿山详查阶段钻孔揭露资料，岩溶裂隙溶洞垂直多分布多在0m～-30m标高范围，据矿区9条勘探线89个钻孔统计，15个钻孔见有溶洞（未见填充物），见洞率16.8%，线岩溶率为0%～3.26%，溶洞高度为1.3m～17.2m。其中0m以上线岩溶率为0%～6.25%，平均为0.93%；0m～- 30m之间线岩溶率为0% ～4.99%，平均为1.07%；-30m～-60m之间线岩溶率为0%～2.50%，平均为0.30%，全矿区线岩溶率为0.74%，岩溶发育程度一般。

根据抽水试验资料，钻孔单位涌水量为0.6 L/s？m ～1.48 L/s？m，根据矿区含水层富水性划分等级，属极中等～强富水性，水质类型HCO3-Ca·Na，矿化度118.66，水温22℃。

（3）层状岩类裂隙水。分布于矿区的北西、南东部。岩性主要为紫色浅紫红色、暗灰色、浅灰白色、黄褐、土黄色页片状泥质页岩、粉砂质页岩、粉砂岩夹石英砂岩等。浅部岩体破碎，裂隙发育，为弱富水性的裂隙水含水层。

4.地下水的补给、径流、排泄条件

本区地层与构造较简单，地下水补给主要为大气降水，大范围内地下水水力联系一般，沿低山～浅丘走向分割成若干区域性地下水单元。由于有区内灌渠较多，水流沿灌渠流向平原地区。各区地下水和地表水运动方向大体一致，为由北西、南东流向中部。地下水的排泄与消耗主要是潜水的蒸发、向附近丘前平原或向通过裂隙转为埋藏型基岩裂隙溶洞水、人工开采。地下水的排泄与径流条件密切相关，径流条件好的低山丘或河流的上游地区，地下水排泄以水平方式为主，径流条件不好的河流下游，主要是垂直排泄。

5.矿坑涌水量预测

（1）矿坑充水因素。矿床类型为露天凹陷开采型，矿体（层）本来就在含水层（体）之中，含水层中的地下水受大气降水及地表水的补给，矿区附近没有较大的地表水系，有两条小河流自北东流经矿区后转向西南，流量不大，流量分别为2520L/s及1350L/s，未来矿区开采时可进行河流改道。因此，矿坑充水主要来源于大气降水及矿坑地下岩层涌水。

（2）预测矿坑涌水量。预测未来矿坑涌水量是一项重要而复杂的工作，它对矿产技术经济评价有很大的影响，也是开采设计部门制定疏干措施、确定排水设备及生产能力的主要依据，为此进行评价性涌水量计算，本矿区主要预测开采地段矿坑涌水量。

①边界条件。根据矿区资源储量分布及其初拟矿坑终采坑界大体为一北东-南西展布的矩形，矿区开采总面积为1166147m2。未来矿坑以大气降雨和地下岩溶水充水为主，其东部为泥盆系中下统桂头组碎屑岩，可视为相对隔水边界；岩溶水含水层向西可视为无限延伸。估算资源储量的底板仍在岩溶水含水层内，未来预测矿坑涌水量均视为非完整井。

②计算公式的确定。在矿坑疏干过程中，当矿坑的涌水量，包括其周围的水位降低呈现相对稳定的状态时，可认为以矿坑为中心形成的地下水辅对流场，矿坑的形状不规则，分布范围大，构成较复杂的边界，要求将它理想化，在理论上可将形状复杂的矿坑系统成一个大井在工作，而把不规则的矿坑系统圈定的面积相当于大井的面积，矿坑在排水过程中，其外围逐渐形成一个统一的降落漏斗，因此，可将形状不规则的矿坑看成一个理想的“大井”。整个矿坑的排水量看为一个“大井”工作时的涌水量。

③抽水试验。为了确定井的实际出水量，洗井结束后，对含水层进行抽水试验。试验方法单孔稳定流抽水试验，对抽水孔一般进行2次～3次降深的抽水试验。

在整个抽水试验过程，均安排水文地质技术人员轮流值班，按规范要求对抽水孔的水位降深、流量等进行观测记录，在抽水稳定延续时间里，取连续观测资料，水位、涌水量波动相对误差基本达到规范要求，各种观测数据准确可靠。

本次抽水试验主要采用稳定流抽水试验，根据井管结构及含水层类型，根据试验过程实际情况，按《水文地质手册》表8-1-1选用多孔抽水，有一个观测孔，承压、非完整井、非淹没型计算模型及公式来计算渗透系数及影响半径：