广西下雷锰矿涌水量计算分析与研究

时间：2024-09-03

王荣庚

(广西锡山矿业有限公司，广西南宁 530022)

1 区域自然地理概况

1.1 气候

广西大新下雷锰矿矿区地处亚热带，气候温暖潮湿，雨量充沛，历年日最大降雨量183.2 mm，多年最大降雨量1 796.90 mm，最小降雨量为1 073.10 mm，多年平均降雨量为1 302.40 mm，降雨多集中在4～9月份，其中6～8月份多暴雨，占全年降雨量的54.63%。区域最大的河流为黑水河(又称下雷河)，属珠江流域左江的一级支流，一般水面标高约为246.50 m，河床宽度 1.0 ～3.0 m，流量为 2.5 ～184.6 m3/s，流速为 0.20 ～1.40 m/s，洪峰水位标高为247.60 m。

1.2 区域地形地貌

区域上属溶蚀—侵蚀构造峰丛洼地地貌，峰丛山体主要由灰岩、硅质岩组成，峰顶地形标高在450.00 ～866.00 m 之间，标高一般＜500.00 m，山间洼地标高为241.50～350.00 m，山脊走向主呈北东向，总体趋势为西北高，东南低［1］。

2 矿区水文特征

矿区分布在下雷向斜南西端，起于0线，南西至46线以西。东面以黑水河为界;北西面边界:黑水河—蹬高梁山—矿区边界拐点8—矿区边界拐点7—矿区边界拐点1;南面边界在泥盆系中统东岗岭组(D2d)与泥盆系上统榴江组(D3l)和泥盆系上统五指山组(D3w)的交界处。矿区形成了以泥盆系上统五指山组第1～3段(D3w1－3)硅质岩裂隙水为矿床直接充水层的向斜构造水文地质单元，该单元的总面积为17.462 3 km2，年均降雨量 1 302.40 mm。根据降雨渗入法计算矿区所在水文地质单元地下水天然资源量为 0.041 3 亿 m3/a［2］。

区内出露地层由新到老为第四系冲洪积层Qal+pl及新近堆积层，石炭系中统(C2)及下统大唐阶(C1d)、岩关阶(C1y)，泥盆系上统五指山组(D3w)、榴江组(D3l)、中统东岗岭组(D2d)，辉绿岩(βu)。根据岩性结构、贮水空间等，地下水含水层类型划分为:裂隙溶洞含水层，地层为石炭系中统(C2h)灰岩;溶洞裂隙含水层，地层为下统大塘阶(C1d)、岩关阶(C1y)灰岩;硅质岩裂隙含水层，地层为泥盆系上统榴江组(D3l)、五指山组第1～3段(D3w1－3);灰岩裂隙溶洞含水层，地层为中统东岗岭组(D2d);辉绿岩(βu)为相对隔水层。

3 矿区涌水量计算

3.1 矿区涌水量概况

矿区锰矿体赋存在泥盆系上统五指山组第2段(D3w2)的地层中。富水性弱—中的泥盆系上统五指山组第1～3段(D3w1－3)硅质岩裂隙含水层是矿坑直接充水含水层;富水性弱的泥盆系上统五指山组第4段(D3w4)硅质岩裂隙含水层(相对隔水)为矿层的直接顶板;富水性中等的下石炭统岩关阶下段(C1y1)纯碳酸盐岩溶洞裂隙含水层为间接顶板充水含水层;泥盆系上统榴江组(D3l)硅质岩相对隔水层为矿层的直接底板;富水性中—强的泥盆系中统东岗岭组(D2d)灰岩裂隙溶洞含水层为坑道系统的间接底板充水含水层。

目前，矿区南部正在开采坑道共有385，340，280，220 m 4个中段，矿坑涌水主要通过 PD385、PD340和PD280洞口排出。根据2012年2月至2013年3月观测资料，各洞口排出水量均具有明显的季节变化，其雨季(5～9月份)涌水量是旱季的数倍甚至十几倍。将矿坑的涌水情况与1988年提交的矿区南部勘探报告中预测的涌水量进行对比(见表1)，以全面了解矿坑的充水因素。目前主要开采坑道为220 m中段，矿坑排水主要通过抽水至280 m中段坑道排出。因此，可以将 PD385、PD340和PD280洞口排水量之和作为220 m中段的涌水量，分雨季、旱季和年平均以说明涌水量全年变化情况。

表1 矿区南部预测涌水量与实际涌水量对照 m3/d

从表1可以看出:预测的涌水量偏小，预测值与旱季的涌水量相对比较接近，其主要原因可能是对降水渗入补给量估算不足。实际调查中发现，矿山露采采场、堆渣场等地段降水地表径流能力有限，降水易于渗入地下转化为地下水，进而增大矿坑涌水量。与年平均涌水量相比，预测误差为13% ～33%，预测精度为B级，精度较高，这也表明以往的勘探工作对矿区水文地质条件了解比较充分。

3.2 涌水量的计算方法

分别采用比拟法、地下水动力学法及均衡法对矿坑涌水量进行预测，计算水平为340，280，220，160，100，40，8 m。

3.2.1 比拟法

由于南矿段和北矿段有矿床水文地质条件基本一致，且南部矿段有地下开采的实测数据，利用矿区南部矿坑涌水量进行比拟预测。经分析，涌水量与降深、矿坑长度成正比，利用下面计算公式进行北中部矿段涌水量预测［3］:

式中 Q——设计矿坑某阶段涌水量，m3/d;

Q'——相似矿坑某阶段涌水量，m3/d;

S——设计矿坑水位降低值，m;

S'——相似矿坑水位降低值，m;

L——设计矿坑某阶段开采长度，m;

L'——相似矿坑某开采长度，m。

根据开采设计及现状开采情况，其中南矿段现状采坑道L'长为4 800 m，S'为127 m，Q'分别采用雨季、旱季和年平均计算。根据矿体分布情况，拟建北中部开采坑道为2 600 m。中北矿段南端D3w2－3含水层静水位为347 m。矿坑涌水量预测结果值见表2。

表2 比拟法预测结果 m3/d

3.2.2 地下水动力学法

1)参数来源

水位和厚度:厚度取所有钻孔D3w2－3含水层厚度的算术平均值，水位取各区段的加权平均值，计算公式如下［4］:

式中 F——含水层各区段的面积，m2;

H——对应与各区段的含水层水位，m。各钻孔揭露含水层厚度相差不大，因此，本次计算含水层厚度取所有钻孔的算术平均值，为63.6 m。地下水位整体上呈现北西高，南东低的特点，分别求出北部、西部和中部水位的平均值，然后取其平均值作为计算的水位，其值大小为387 m。南部矿段取347 m。渗透系数:按面积取矿区北部和中部的加权平均值:

D3w2－3含水层在不同地段，渗透系数相差较大，北部注水试验计算渗透系数平均为0.001 5 m/d(ZK14a1:0.002 7 m/d，ZK1101:0.000 37 m/d)。中部 ZK1307抽水试验计算渗透系数为0.018 3 m/d。这一数值与报告［1］中涌水量计算采用的0.022 4 m/d基本一致。按面积加权，取平均值，大小为 0.012 7 m/d。

2)大井法

把矿坑概化成开采大井，其涌水量计算公式如下，计算结果见表3。

表3 大井法计算涌水量结果 m3/d

式中 Q——矿坑涌水量，m3/d;

K——平均渗透系数，m/d;

H——含水层静水位，m;

M——含水层厚度，m;

S——水位降深，m;

B——矿坑的长度，m;

r0——大井引用半径，m;

R——影响半径，m;

R0——引用影响半径，m。

3)水平廊道法

涌水量计算公式如下:

计算结果见表4。

表4 水平廊道法计算涌水量结果 m3/d

3.2.3 均衡法

矿层含水层主要补给来源为大气降水，因此，可以用降水渗入补给量估算矿坑涌水量。本次勘探范围位于某向斜盆地内，地表水与地下水分水岭一致。首先，计算全区的降水渗入系数。计算面积由地表水分水岭确定。根据渗入系数，分别计算年平均及雨季矿坑的涌水量。计算公式如下:

式中 Q——降水渗入补给量，m3/d;

F——矿坑的汇水面积，m2;

A——日平均降雨量，mm/d;

α——降水渗入系数。

1)计算降水渗入系数

布康小溪上游(W1动态观测点)枯水期主要由地下水补给，该流域范围内地下水径流量可以用动态曲线删除雨季洪峰流量计算。各参数数据见表5，经计算降水渗入系数α为0.181 7。

表5 降水渗入系数计算结果

2)计算矿坑涌水量

根据矿区地表分水岭圈定计算的矿坑汇水范围、年平均降水量和雨季平均降水量，分别计算未来矿坑的平均每日涌水量以及雨季每日涌水量，结果见表6。

表6 每日平均涌水量计算结果

4 各涌水量预测方法评述

运用比拟法、大井法、水平廊道法和近似均衡法对矿坑涌水量进行了预测，结果见表7。从表7可以看出:大井法和水平廊道法两种方法计算结果基本一致，说明矿区水文地质条件概化和计算参数较合理。这两种方法与均衡法计算结果都比较接近，说明含水层主要补给来源为大气降水，且补给充足，矿区水文地质边界条件概化合理。

表7 涌水量预测结果汇总 m3/d

比拟法计算结果比其他方法明显偏大，可能是由矿区南部与北中部水文地质条件的差异性造成的，也有可能计算公式选用不恰当等。矿区南部矿坑充水来源不仅来源于大气降水，也来自与风化层及泥盆系东岗岭组灰岩充水含水层，另外，地表氧化锰矿露天开采，改变了降水渗入条件等。因此，此方法计算的涌水量精度较差，精度为E级，误差为80% ～90%。

均衡法考虑大气降水为矿层充水含水层主要来源，通过求取含水层的补给量近似获得矿坑的涌水量。文中降水渗入系数为W1上游(原布康小溪上游)流域的渗透系数，但对整个计算区域有一定适用性。此方法计算结果与地下水动力学法计算结果较接近，说明计算参数有一定合理性，因此，此方法计算的涌水量精度为D级，误差为60% ～80%。

大井法和水平廊道法计算采用的渗透系数为多个钻孔抽水试验、注水试验的平均值，水位、含水层厚度等参数为不同地段的平均值，且计算参数与前人工作一致，因此，选取的计算参数较合理。影响半径根据经验公式估算，约为100～300 m。这两种方法中的水位均为年平均水位，因此，计算结果可能比雨季实际涌水量偏小。因此，这两种方法所计算的涌水量精度均为D级［5］。