水文地质观测资料在矿坑涌水量预测中的应用

2011-10-13曲伟勋王旭明邵明明陈兵宇

采矿技术 2011年1期

关键词：三山矿坑涌水量

曲伟勋,王旭明,邵明明,陈兵宇

(山东黄金集团三山岛金矿, 山东莱州市 261442)

水文地质观测资料在矿坑涌水量预测中的应用

曲伟勋,王旭明,邵明明,陈兵宇

(山东黄金集团三山岛金矿, 山东莱州市 261442)

山东黄金集团三山岛金矿是我国典型的裂隙充水矿床,矿体离海最近部位仅 100余米,全部埋藏在海平面以下,矿区构造裂隙较为发育,富含构造裂隙水。根据三山岛金矿深部中段的水文地质编录资料以及涌水点监测数据,确定了深部矿坑的充水条件、充水通道,运用解析大井法,根据实测数据确定了各项参数值,对矿坑深部中段涌水量进行了预测,为矿山深部中段的疏干设计提供了依据。从而保证了矿工的人身安全及矿山的安全生产,为濒海矿山开采提供了宝贵的实践经验,具有重要的现实意义。

三山岛金矿;水文地质;解析大井法;矿坑涌水量预测

矿坑涌水量是矿山制定疏干排水设计的主要依据,是评价矿坑充水条件复杂程度的主要标志。做好矿坑涌水量的预测工作,对保证矿工的人身安全及矿山的安全生产十分重要。

地下开采一般要求预测各开采水平坑道涌水量及全矿最大涌水量,而正确预测矿坑涌水量,首先要求正确分析矿坑充水条件,合理选用计算参数,在详尽查明矿坑充水因素及获得可靠计算参数的基础上,根据矿床开采设计,选择相应的公式进行计算[1]。不论选用什么计算方法,如果充水条件分析不正确或者选用计算参数原始数据有误,都无法保证涌水量的预测精度,甚至有可能导致严重错误[2]。本文利用原始水文地质观测资料,正确分析矿床深部的水文地质条件,利用实际观测数据确定了大井法预测计算所需的各项参数,较为准确地预测了深部中段的正常最大涌水量。

1 矿区自然地理概况[3]

山东黄金集团三山岛金矿位于山东省莱州市三山岛特别工业区,该区为新建的莱州港所在地,南距莱州市 27 km,东距招远市区 45 km。文 (登)-三(山岛)公路 (304省道)由矿区向东 16 km与烟(台 )-潍 (坊 )公路 (206国道 )相接,再向东 10 km入刚修建的威 (海)-乌 (海)高速公路;正在建设的黄 (骅)—烟 (台)铁路从矿区东侧 8 km处通过,交通极为方便。

矿区位于向莱州湾突出的小半岛—三山岛,三面环海,仅南东方向与陆地相连。矿区地表水体有渤海和王河,矿体北部距海约 100 m,西部距海 400～600 m,南部伸入王河之下,王河属间歇性河流,矿区南部为王河入海口。

2 前人工作概况

矿区位于区域水文地质单元地下水的径流排泄区。矿区三面濒临渤海,仅南东方向与陆地相连。由于其特殊的地理位置,同时基建时期多次发生突水事故,并导致工期延误,矿山及主管部门高度重视,自 1989年 1月至 2003年底 2次同长沙矿山研究院合作,开展防治水科研攻关。第一期科研为国家“八五”重点科技攻关项目。随着矿山深部开拓的进展,深部水文地质条件发生了一定的变化,随后矿山防治水项目又被列入 2001年山东省科学技术发展计划。

经过 2次科研攻关,基本查清了矿床的水文地质条件。三山岛金矿为裂隙充水矿床,除第四系含水层外,矿区主要的裂隙含水层 (带)有 F3断裂含水带 (Ⅰ)、F1上盘裂隙含水岩体 (Ⅱ)和 F1下盘构造裂隙含水带 (Ⅲ)。矿坑充水水源主要是海水和封存卤水,进水通道为 F3断裂及其北部的一系列断裂构造,是水文地质条件中等复杂的构造裂隙充水矿床[4]。

但是随着矿山深部开拓中段的揭露,加上矿山四期深部开拓方案的改变,疏干范围发生了变化,矿坑涌水量也会相应发生变化,矿区存在涌、突水,甚至海水溃入的潜在危险。因此需对深部矿坑的水文地质条件进行调查,对矿坑深部中段的涌水量进行预测。

3 深部中段地质条件分析

3.1 流量动态分析

坑内地下水流量没有日、月间的周期性变化,季节性变化也很小,流量动态类型为开拓阶段的人为干扰型和开拓结束后的自然衰减型。根据莱州气象台提供的 2007和 2008年降雨量数据,与矿山同年矿坑总排水量统计资料两相对比 (见图1),可以看出地表降雨量对于地下水流量影响很小,这也说明了降水对Ⅰ、Ⅲ含水带的补给通道不畅,补给量非常有限。

图1 2007和 2008年降雨量与矿山同年矿坑总排水量对比

在 -510 m中段平巷掘进时Ⅲ含水带涌水量约为 70～80 m3/h,通过 -555 m中段 F3断裂带的放水疏干,涌水量锐减为 20 m3/h。这一规律表明,矿坑涌水中有相当的静储量,通常上部中段的涌水点都会随下部中段的突水而逐渐干枯,只有极少数流量很小的涌水点能够长期存在。根据对矿坑总涌水量的动态观测,总涌水量与地下水位的降深有关,降深越大,总涌水量越大。矿坑总涌水量的动态与各主要涌水点的动态相类似,即基本上不受气候因素的影响,其动态类型也与矿山所处的时期有关,可分为回采阶段的平稳衰减型和基建阶段的人为干扰型。

3.2 水质动态分析

根据水样化学分析中的各项指标分析,矿化度M与 Cl-、、等离子浓度之间存在显著的线性正相关,而与 pH值、HCO3-浓度呈线性负相关。坑内水水质变化特征可归纳为以下 2点:

(1)刚开拓时,坑内出水点以卤水流量占多数,一般为矿化度大于 30 g/l的卤水。当降落漏斗形成后,漏斗的北西侧水质逐渐淡化,接近海水水质,并基本稳定,说明北西侧的矿坑充水水源为海水。降落漏斗南东侧最低高程的坑道仍主要排泄矿化度约28 g/l的卤水,淡化不明显直至干枯,即南东侧的矿坑充水水源,绝大部分为卤水;

(2)降落漏斗北西侧的坑内盐水的水质不随季节变化,南东侧的卤水水质也无趋势性的变化。

3.3 矿坑充水水源和通道

本矿矿坑涌水组成成分主要是海水和封存卤水,此外还有少量的第四系地下水,通过 -510 m中段和 -555 m中段的取样分析,水质与海水几乎完全一致,说明这些部位的涌水直接来源于海水 (从出露位置看,这些部位处于地下水疏干漏斗的临海一侧)。由此可见,海水是本矿最主要的充水水源。

根据原始水文地质编录和构造条件分析,矿区西部和南部的花岗岩体致密完整,是良好的隔水体,矿区东北部有 F1隔水断裂的阻挡,海水难以进入下盘岩体,海水进入矿坑的通道只能是 F3断裂破碎带和其北部的一系列节理构造。通过编录统计并绘制成节理走向玫瑰花图 (见图2～图5),矿区内的导水节理主要为NW及近 EW走向的节理,两组节理倾角均大于 75°。NW向节理走向 300°～330°,是矿区内最发育的一组导水节理;近 EW向节理走向50°～80°。这些节理无论纵向上还是横向上都时而张开时而闭合,这就给地下水的存储和运移提供了很好的条件。导水节理发育部位,即是地下水富集部位。在矿坑深部裂隙的发育具有明显的分带性,富水带分为 4个区,即:F3断裂以南至 1540线;F3断裂带;F3以北、2200线以南及 F2以东;2560线以北及 F2以东。

图2 -510m中段南巷节理走向玫瑰花图

图3 -510m中段北巷节理走向玫瑰花图

根据物探结果,渤海岸边的海砂底部的粘性土隔水层不连续,因此海水可直接通过海砂渗入基岩裂隙,然后向矿区径流。从 F3以北的涌水淡化速度较快可知,海水通过 NW向节理组进入矿坑是较直接和快捷的。海水补给基岩裂隙水的方式应该是以垂直渗漏为主,在海水到达基岩地下水面之前先要经过一段非饱水裂隙岩体。在这种补给方式下,海水的补给量便主要取决于岩层 (体)的透水性,与海水和基岩裂隙水的水头差关系不大。正是这一原因,决定了本矿在疏干水位不断下降的条件下,矿坑内海水的排泄量却没有明显增大。

图4 -555 m中段南巷节理走向玫瑰花图

图5 -555 m中段北巷节理走向玫瑰花图

F3从矿区中部穿过后进入渤海,使海水沿 F3进入矿坑具备了基本的构造条件。但由于 F3在浅部或第四系底部隔水层的封闭条件,其导入海水的能力是有限的,这从 F3及其南部的水质淡化速度较慢、水温较高也可以看出。通过十多年的疏干,上部中段的 F3断裂带已基本干枯也证实了此点。

3.4 地下水水力特征

根据十多年的长期观测资料,在矿山基建阶段,由于有部分地下水储存量的释放,矿坑涌水量和地下水位都处于非稳定状态。进入回采阶段后,便能趋于稳定。基建阶段的矿坑总涌水量与掘进速度、注浆堵水的工程量和效果等因素有关 (亦即与开拓高差内地下水储存量的释放速度有关),从观测到的涌水量数据看,如果对 F3及其北侧的几条大的断裂作了有效的预注浆处理,掘进中坑内的总涌水量不会出现灾害性的增大现象。因此,本次涌水量预测计算只需 (而且也只能)确定各疏干高程的矿坑稳定涌水量。

在天然状态下,矿区 F1下盘的基岩裂隙水具有微承压性质,但在矿床疏干后,大部分区域内的基岩地下水均处于无压状态,而 F1覆盖下的深部和降落漏斗的边缘还具有承压性质。因此需要考虑承压 -无压混合流动的情况。

综上所述,本次涌水量预测计算采用承压 -无压稳定流渗流模型。

4 涌水量预测

4.1 计算公式的选择

涌水量预测计算方法有水文地质比拟法、涌水量曲线方程法、稳定流解析法和数值法。前 2种方法简便易行,但仅适用于水文地质条件比较简单的矿床,而数值法计算工作量巨大,必须借助计算机进行,它对工程控制的要求较高,仅用于工程控制程度较高的复杂大水矿床,再加上计算软件还是比较昂贵的,经济条件制约了该方法的应用。而解析法适用于任何类型的井巷和坑道系统,其方法是根据地下水动力学原理,用数学分析方法,对特定模式的地下水运动建立解析模型,达到预测矿坑涌水量的目的,具有对井巷类型适应能力强、快速、简便、经济等优点,是最常用的基本方法[1]。

根据上述分析决定采用解析法中的“大井”法,本次计算引用俅布依公式中承压 -潜水完整井的涌水量计算公式[5]:

式中:Q——矿坑涌水量,m3/d;

K——渗透系数 ,m/d;

M——含水层厚度,m;

综上，黄铁矿与铅锌矿的极化率接近，变化范围交叉，算数平均值低于铅锌矿，但黄铁矿亦是近矿产物，对寻找铅锌矿有指示作用；铅锌矿石和强黄铁矿化岩石具有明显的低阻高极化特征，具备开展激电工作的物性前提。

H—水头高度,m;

Ro——引用影响半径,m;

r0—引用半径,m。

4.2 模型计算参数的确定

(1)大井引用半径 r0的确定,因为开采系统在地面的垂直投影为矩形,a、b为矩形的长、短边的边长,在水文地质平面图中分别量取各中段 a、b的值,所以采用公式:

计算得出:-510 m中段 r0=179.05 m;-555 m中段 r0=136.025 m;-600 m中段 r0=87.225 m。

在预测 -645 m和 -690 m中段涌水量时,由于深部矿体形态规模和采准设计与 -510 m中段变化不大,所以计算时采用 -510 m中段 r0=179.05 m。

(3)含水层厚度M为从中间隔水带底界至底板无水岩体顶界的垂直距离,按剖面及中段统计的平均真厚度,取为M=45 m。

(4)水头高度 H为静止水位标高与各预算中段的差。2009年 9月观测的稳定水位为 -495 m,水头高度 H即是稳定水位与各预算中段的差。

(5)渗透系数 K的确定根据 2009年 9月-510,-555,-600 m中段实测的矿坑涌水量 (见表1)和以上参数,利用公式 (1)反算求出,取其平均值。通过计算得出:K=0.0186 m/h。

表1 矿区各中段监测点流量汇总

具体参数见表2。

表2 坑道涌水量预测计算参数

4.3 涌水量预测计算

根据矿山的开采计划,三山岛矿区四期深部设计采用盲竖井辅助斜坡道联合开拓,盲竖井为混合井,井深 542 m(-531～-1180 m),基建期辅助斜坡道从 -600 m中段到 -690 m中段,长度 705 m,由于盲竖井位于 1280线以南花岗岩强隔水带,不作为疏干中心考虑,因此,只预测 -645 m和 -690 m中段的涌水量。

根据上面确定的计算公式 (1),将表2参数代入,通过计算得出 -645,-690 m中段稳定涌水量:

-645 m中段:Q=341.6 m3/h;

-690 m中段:Q=453.9 m3/h。