中洞石灰岩矿区矿坑涌水量预测方法.pdf

总第 1 2 6期 2 0 0 6年第 1 O期 西 部探矿工程 W ES TCHI NA EXPL 0RAT1 0N E NGI NEERI NG s e r i e s No ． 1 2 6 0c t ． 2 0 0 6 文章编号 l O 0 4 5 7 l 6 2 0 0 6 l 0 0 1 5 2 0 2 中图分类号 TD 7 4 5 ． 2 1 文献标识码 B 中洞石灰岩 矿 区矿坑涌水量预测方法 邱文才， 刘旭文， 钟志芳 广东省地质勘查局七。三地质大队， 广东 惠州 5 1 6 0 0 8 摘要 介绍 了中洞石灰岩矿 区的水文地质边界 条件 、 主要含水层及岩溶发 育特征 ， 研 究 了地 下水 的补 给、 径流、 排 泄条 件 ， 分析了矿坑 充水 因素 ， 采用 了两种 方法对矿坑 涌水量进行计算 。 关键词 含 水层 ； 隔水层 ； 充水 因素 ； 矿坑 涌水量 1 自然地 理概 况 中洞石灰岩矿区以北面中洞山、 南面山口岭、 东面罗山岭和 西面中洞山山脊分水岭为汇水边界， 汇水面积 3 ． 4 8 k m ； 南西面 水库坝址为排泄边界， 形成一个完整的水文地质单元。矿区总的 地势北高南低 ， 最低侵蚀基准面标高 1 0 ． 8 0 m， 最低 自然排泄面标 高 9 ． 0 0 m。未来矿床开采底界标高一8 O m。矿区距巴江河较远， 南部为中洞水库， 最高水位标高 2 O ． 3 0 m。 2地下水 类型 1 松散岩类孔隙水 主要分布于矿区中部山间凹地第四系 冲洪积含卵石粉质粘土和粉质粘土孔隙中， 厚度 3 ． 0 0 4 4 ． 7 7 m， 平均厚度 1 5 ． 1 5 m， 弱透水， 含水微弱； 2 层状岩类裂隙水 主要分布于矿区北部中洞山和东南部 罗山岭一带三叠系小坪组和石炭系测水组砂岩裂隙中。浅部岩 体破碎， 风化裂隙较发育， 平均厚度 2 2 ． 0 0 m， 为弱富水的裂隙水 含水层； 3 碳酸盐岩类岩溶水 北部和西部与三叠系小坪组呈 不整合接触 ， 为埋藏 型岩溶水 ； 中部 多 为第 四系土层所 覆 盖， 属覆 盖型 岩溶水。标 高 一5 0 m 以上灰 岩裂 隙、 溶 洞发 育 ， 为矿 坑 充水 的 主要 含 水 层 ， 平 均 厚 度 6 4 ．3 4 m； 标 高 一 5 O ～一8 0 m灰岩裂 隙、 溶洞不发育 ， 岩体完整性 较好 ， 可 视为相对隔水层 。钻孔抽水试验结果表明 见表 1 ， 岩溶水 分布很不均匀。Z K4 4 0 8孔无 水可抽 ， 其他钻孔 的单位涌水 量0 ． 0 0 2 ～0 ． 5 0 L ／ sm， 渗透系数 0 ． 0 0 4 ～1 ． 4 1 m／ d ， 其含 水性及透水性弱一中等。 裹 l 钻孔抽水试验成果裹 3 地下水的补给、 径流、 排泄条件 1 补给条件 ①大气降雨补给 矿区属亚热带季风气候， 温和湿润， 年降雨 量 1 2 8 5 ． 7 2 7 5 3 ． 1 m m。充沛的降雨为地下水补给提供了较充 足水源。矿区为四面环山的汇水盆地， 是大气降雨的补给区， 降 雨垂直入渗补给地下水。由于周边山势较陡， 有利于形成地表径 流， 不利于入渗补给； 低凹处第四系冲洪积覆盖层厚度大， 透水性 弱， 降雨入渗补给量较小； ②地 表水 补给 矿 区南西 部为 中洞 水库， 集水 面积 达 3 ． 4 8 k m2 ， 正常水 位 2 0 m， 调 节库 容 2 1 41 0 ‘ m3 ， 最 高水 位 2 O ． 3 0 m。但库底粉质粘土层厚度大于 5 m， 透水性弱， 水库水与 地下水的水力联系甚微， 地表水补给量也较小； 2 径流、 排泄条件 在天然状态下， 矿区为补给～径流区。 大气降雨垂直补给地下水 ， 转换为地下水的水平径流； 水库水侧 向补给地下水。补给区与径流区基本一致。山丘地下水径流距 离短， 在地形低凹处以侵蚀下降泉排泄于地表； 天然状态下地下 水总的流向是由北向南西， 通过水库大坝沟口以地下径流形式 流出区外 ； 3 岩溶发育特征及构造破碎带的含、 导水性 ①岩溶发育特征 全区共有控矿钻孔 8 1 个 ， 见溶洞钻孔 4 O 个， 见洞率 4 9 ． 3 8 ％， 全区岩溶率 4 ． 2 9 ， 浅部岩溶形态表现为溶 槽 、 溶沟、 溶蚀芽等， 深部岩溶形态为溶洞、 溶蚀裂隙， 岩溶发育程 度随着深度的增加而减弱。溶洞充填率为 6 4 ． 9 6 ， 空洞率为 3 5 ． O 4 。岩溶在平面上具有分带性， 经钻探结合物探方法， 平面 维普资讯 2 0 06在 第 1 O期 邱文才 ， 刘旭文 ， 钟 志芳 中洞石灰岩矿 区矿坑涌水量预测方法 1 53 上圈出 3 个岩溶发育带 Y R1 、 YR 2 、 YR 3 。以YR1 为主要岩溶 发育带 ， 面积 0 ． 3 9 k m2 ， 占石灰岩出露面积的 2 4 ． 5 6 ， 控矿钻孔 3 8个， 见洞孔 2 8 个， 见洞率 7 3 ． 6 8 ， 岩溶率 6 ． 7 4 ， 高于岩溶 全区和欠发育带， 抽水试验表明， 岩溶发育带的含水性及导水性 较好 ； ②构造破碎带的含、 导水性 矿区东部有 F 1 断层， 走向北北 西， 倾向北东东， 倾角 7 5 。 ～8 O 。 ， 为张性正断层， 存在一定的导水 性， 含水性较好， 为矿床地下水的补给提供有利条件。 4 矿坑涌水量预测 1 矿坑充水 因素 ①大气降雨 矿坑露天开采时， 大气降雨可直接落人矿坑， 成 为矿坑充水的主要水源。矿坑涌水量与降雨量密切相关， 雨季充 水量增加， 尤其暴雨对矿坑充水往往构成较大的威胁； ②地下水 矿坑露天开采揭露灰岩含水层 ， 使储存于灰岩含 水层中的地下水成为矿坑 主要 和直接的充水水源 ； 2 矿坑 涌水 量预测 ①大气降雨充水量； 计算公式 QF A 1 0 0 0 FoA／ 1 0 0 0 式中 Q-一大气降雨时流人矿坑的水量， ／ d ； F 0 按可采边界圈定的矿坑面积， m 2 ； F -_一扣 除矿坑面积的外 围汇水 面积 ， m2 ； A 日降雨量， mm； t 卜大气降雨地表径流系数， 取 0 ． 6 。 根据未来矿坑的边界， 在 1 ／ 5 0 0 0的图上， 用微机处理， 求得 F 0 面积为 1 5 8 9 4 5 2 m3 ； 用同样 的方法求 得 汇水 区面 积， 减去 矿坑 面积为外围面积即 1 8 9 0 5 4 8 m3 ； 日降雨量选用 日平均和日最大降 雨量 ， 分别为 5 ． 0 3 ram、 2 6 9 ． 5 0 mm。 在没有降雨时， 大气降雨对矿坑的影响为 O ； 若矿坑周边有 排洪沟， 矿坑外围的降雨影响也可不计； ②地下水涌水量 计算方法一 解析法。 把矿区水 文地 质边 界 条件 进 行 简化 。以西侧 石 炭 系灰 岩 C 1 s h 2 与三叠系砂岩 r r 3 x p 及石炭系灰岩 C 1 s h 1 接触界线概 化为直线隔水边界， 东侧 F 1 导水断裂带概化为直线补给边界， 并 将两者作为平行边界， 矿床开采至一5 0 m标高以下岩溶裂隙不 发育， 含水性及透水性甚微， 视为相对隔水层 涌水量可以忽略不 计 。矿坑疏干排水后地下水由承压转为无压， 满足潜水完整井 “ 大井法” 井流条件 ， 井中心位于两平行 边界 中央。 依据地下水动力学公式 Qx K 2 H s S ／ l n 4 L／ r o r o O ．5 65 式中 一 矿坑涌水量， ／ d ； K一灰岩含水层的渗透系数 ， m／ d ； H⋯ 一 矿坑初始水头值， I n ， 分别取 6 4 ． 2 8 m、 7 0 ． 3 O m； s I 一 矿坑开采水位降深， m； L 『 ⋯两平行边界 间距离 ， m； r o ⋯一矿坑引用半径， m， 按 r o O ． 5 6 5 √ F 计算； F 矿坑开采中间面积 ， m2 。 K值采用岩溶发育带与不发育带求得渗透系数面积加权平 均计算。 计算结果 ～5 0 m以上矿坑地下水平均涌水量 9 9 9 7 m ／ d ， 最 大涌水量 1 1 9 7 8 m3 ／ d 。 计算方法二 比拟法。 根据水文地质条件和开采技术 条件相 似的相邻 东方 红矿 区 矿坑露天开采的实际排水资料 ， 预测新建矿坑 的涌水量 。 一 般关系式为 0 _ 2 一 Q1 2 H2 ～S 2 r 2 S 2 ／ 2 H1 ～ s 1 r l sl 式 中 Q2 预测新建 矿坑 的涌水量 ， m3 ／ d ； Q】 生产矿坑的涌水量 ， I n 。 ／ d ； r 2 新建矿坑的引用半径 ， m{ 1“ 1 生产矿坑的引用半径， m； s 2 新建矿坑的水位降深， m； s l 生产矿坑的水位降深， m； H 新建矿坑的水头值， m； H 生产矿坑的水头 值， I n 。 计算结果 ～5 0 m以上新建矿坑平均涌水量 7 3 2 0 m ／ d ， 最大 涌水量 1 1 8 8 0 m3 ／ d 。 3 矿坑涌水量预测评价 对比分析上述两种方法对地下水 涌水量的计算结果， 比拟法预测平均涌水量偏小。原因是对相邻 东方红矿坑的实际排水观测次数偏少， 造成实际涌水量均值可 能偏低； 而两种方法对最大涌水量计算结果较接近。矿床开采至 一 8 O m标高时， 不同充水条件下的矿坑平均涌水量和最大涌水 量见表 2 。 表 2 矿坑涌水量汇总表 注 表中地下水 涌水量采用解析法计算结果 。 5 结束语 在实际工作中， 预测矿坑涌水量的方法有很多， 但要保证矿 坑涌水量预测的精度， 关键在于查明矿坑充水因素 ， 查明矿区水 文地质边界条件 ， 获得具代表性的水文地质参数， 建立符合客观 实际的水文地质概念模型， 选择合理的计算方法， 建立与水文地 质模型相符的数学模型， 而不能盲 目地套用计算公式。利用比拟 法来预测新建矿坑涌水量， 对 比采用解析法预测矿坑涌水量， 具 有很好的参考价值。 参考文献 [ 1 J 邱文才， 等． 中洞石灰岩矿区地质勘探报告J R ] ． 2 0 0 5 ． 0 7 ． E 2 3 矿区水文地质工程地质勘探规范[ s ] ． 国家技术监督局， 1 9 9 1 ， 2 ， [ 3 3 地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究 队． 水文地质手册 [ M] ． 地质出版社 ， 1 9 8 5 ， 8 ． 维普资讯