大型群孔抽水试验在矿区防治水中的应用——以安徽省庐江县黄屯硫铁矿为例

胡程亮

湖南省勘测设计院，湖南 长沙 410014

一般来说，矿山防治水工作应深入掌握矿区水文地质条件，只有在此基础上才能采取技术上可靠、经济上合理的防治水综合措施。大型群孔抽水试验是一种大流量、大降深、长时间的抽水，它能对研究区水文地质条件进行整体暴露，具有技术含量高、观测精度高、反映信息多的特点。虽然群孔抽水试验费用高、耗时长、实施难度大，但由于其本身的优越性，越来越多的工程勘查开始采用大型群孔抽水试验，其是查明水文地质条件、预测涌水量最直接、保证程度最高的勘察手段之一[1]，可为准确制订防治水措施提供保障。

1 研究区概况

安徽省庐江县黄屯硫铁矿位于安徽省庐江县城东南方向约30km，探矿权范围面积为1.3km2，属于未开发利用的新矿床，矿体顶、底板赋存标高为-89.06～-375.61m。矿体位于强含水层当中，矿区西部发育有F1断层，东部发育有F2断层，南部发育有F3断层，受矿区内构造及破碎带的影响，含水层基岩裂隙发育，沿裂隙及硅化处多发育有孔洞，透水性好，与矿体构成统一的含水体。矿床具有巨大的水头压力，地下水储量丰富，为水文地质、工程地质条件复杂矿床，预测矿坑涌水量极大[2]。东西向水文地质剖面如图1所示。

图1 东西向水文地质剖面图

2 大型群孔抽水试验分析

黄屯硫铁矿大型群孔抽水试验于2012年12月15日12：00开始，共启用3个抽水孔（BK01、BK02、SK604-2）、63个观测孔，至12月24日12：00停抽，计连续抽水146h5min，最大涌水量∑Qmax=20850m3/d，BK01孔最大降深Smax=22.19m，BK02孔最大降深Smax=30.41m，SK604-2孔最大降深Smax=18.58m。

群孔抽水试验的降落漏斗均到达或揭露边界，如图2、图3、图4所示，西部F1断层具有纵向导水、横向阻水的特点，在断层中段由于受北东和北西向破碎带的切割，阻水作用稍差；F2-2具有较好的隔水效果；南部F3断层具有较强的富水和导水性能，可视为无限补给边界；矿区北部无明显构造迹象，各含水岩组向北延伸，天然条件下，地下水由南向北径流。区域地下水接受大气降水补给，由南向北径流向北部天河，在矿区范围内第四系黏土层具有一定的隔水性，黄屯河、堰塘地表水与地下水联系微弱；底板为砂岩、泥灰岩等，富水性较弱，按弱含水层处理。

图2 黄屯硫铁矿群孔大型抽水试验12月23日12：00等水位线图

图3 黄屯硫铁矿群孔大型抽水试验12月24日12：00南北向降落漏斗剖面图

图4 黄屯硫铁矿群孔大型抽水试验12月24日12：00东西向降落漏斗剖面图

3 涌水量预测

3.1 矿区水文地质概念模型

根据大型群孔抽水试验分析，可以把该矿区水文地质概念模型概化为平面近似梯形(南宽北窄)，东西两侧以隔水边界为主（其中西侧中段为导水边界），南北两侧为导水边界的，垂向5层结构的（3个弱透水层-相对隔水层夹2个承压-微承压孔隙-裂隙含水层），内部由5条相互交叉的强导水破碎带所组成的高度非均质非稳定的地下水流模型。

3.2 水文地质参数计算

此次水文地质参数计算方法分为解析法和地下水有限元数值反演法，其中解析法分别用泰斯标准曲线配比法和直线图解法确定水文地质参数。结合抽水试验流场形态及各水位观测孔的水位变化划分矿区水文地质参数分区图，如图5所示。将按解析法求得的矿区水文地质参数作为反演的初始猜测值，在此基础上以矿区内各观测孔水位降深为目标函数进行数值法反演求参，在满足水文地质条件定性认识的基础上，不断调整各分区的水文地质参数值，直至得到既能符合水文地质条件的定性认识，又能最佳拟合群孔抽水试验资料的水文地质参数，模型选用数据样本总体拟合程度较好、结果质量较高，可作为涌水量预测的基础。分区水文地质参数拟合值如表1所示。

表1 分区水文地质参数拟合值

图5 矿区水文地质参数分区图

3.3 预测结果

在前述矿区水文地质数值模拟反演识别的模型基础上[3]，根据上述区域水文地质数值模型模拟得到了矿山不同开采工况条件下的边界流量，然后对矿区数值模型的边界流量进行赋值，预测了-240m及-340m开采水平涌水量，矿坑涌水量预测如表2所示。

表2 矿坑涌水量预测

4 防治水方案及实施

（1）矿区防治水采用中南西大帷幕注浆堵水为主、井下疏干为辅的综合防治水方案，帷幕轴线布置于矿区南、北边界及西边界局部，且帷幕穿越主要含水层，深度至矿体底板隔水层。帷幕完成后，在矿床开采时利用坑道进行疏干排水，将地下水降至开采面标高以下[4]。

（2）该矿区自2014年3月至2016年11月分批完成了帷幕注浆工程，共计完成419个帷幕钻孔，完成注浆量为654297.438m3。为检验帷幕注浆工程的堵水效果，同样采用大型群孔抽水试验，与防治水实施前抽水试验成果进行对比分析，其试验方法、水文地质参数计算、矿坑涌水量预测方法一致。检验阶段大型群孔抽水试验于2017年2月9日15：00开始，共启用2个抽水孔（XBK01、XSK604）、53个观测孔，至5月29日，涌水量Q=22320m3/d，XBK01孔降深为104.62m，X604孔降深为117.54m。预测矿坑涌水量Q-240m=38738.2m3/d，Q-340m=46449.2m3/d。可用帷幕修建完毕用数值模拟计算减少的进水量来定量评价隔水帷幕的有效性[5]，计算帷幕有效性分别为60%、57.256%。

5 结束语

针对庐江县黄屯硫铁矿复杂的水文地质条件，该矿在前期通过大型群孔抽水试验充分地揭露了矿区地下水流场及边界条件，并采用数值模拟软件进行地下水流场的数值反演和矿坑涌水量预测，确定了技术可行、经济合理的矿区防治水方案，并在实施后进行了效果评价，为确保矿山井下作业安全，提高矿山经济效益，减轻对矿区地下水资源的破坏提供了保障。