水文地质概念模型预测某铝土矿涌水量

Conceptual Model of Hydrological Geology to Forecast Water Inflow of Some Bauxite

Bo Guangli

（No.4 Geological Brigade of Henan Nonferrous Geological Mineral Resourse Bureau，Zhengzhou 450016，China）

摘要： 正确认识区域及矿区水文地质条件，通过矿区抽水试验获取具有代表性的水文地质参数，研究矿区地下水流场，简化地下水供水边界，确立概化合理的矿区水文地质模型，可以提高对矿坑涌水量预测的准确度。本文结合具体工程实例，阐述建立水文地质模型在实际中的应用，得到了较为理想的效果。

Abstract: To recognize the hydrology geological conditions exactly from the pumping test to get the representative parameters. To simplify the boundary of water supply and to establish a reasonable hydrogeological model, to improve the exact predicting water exactly. In this article, it established hydrogeological model in the practical application with specific examples of projects and get a perfect result.

关键词： 水文地质条件 水文地质参数 水文地质概念模型 直线隔水边界 涌水量预测

Key words: hydrogeological condition；hydrogeological parameter；hydrogeological conceptual model；straight line impervious boundary；forecast water inflow

中图分类号：TD8文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）14-0328-02

1概况

层状沉积矿床水文地质详查阶段，对矿坑涌水量的预测，是矿区水文地质工作的主要任务之一，也是开采设计部门制订疏干措施、确定排水设备及生产能力的主要依据，是矿产开采企业既确保施工安全而又不至于过量投资排水工程及设施的依据。对矿坑涌水量预测是一项重要而复杂的工作，结合矿区区域地层水文地质条件、充分认识构造对矿区水文地质条件的影响，建立合理的水文地质概念模型，是能否准确预测矿坑涌水量的关键。本文依据工作中的实践经验，从水文地质模型的建立到矿坑涌水量的预测进行阐述，探索正确进行水文地质工作的方法。

2方法过程

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，即可认为以矿坑为中心形成的地下水辐射流场，基本满足稳定井流的条件。由于矿坑周边供水性质的不同，需要将其理想化为隔水边界或供水边界，有限边界或无限边界。将形状复杂的坑道系统看成是一个大井在工作，而把不规则的坑道系统圈定的面积，相当于大井的面积，整个坑道系统的涌水量，就相当于大井的涌水量，从而可以近似应用裘布依的稳定井流理论计算矿坑涌水量。正确预测矿坑涌水量，应遵循下述三个工作步骤：①查清区域及矿区水文地质条件；②通过试验计算确定水文参数；③分析疏干流场的水力特征，概化矿区水文地质边界条件，建立正确的水文地质概念模型；④计算矿坑涌水量。

3水文地质条件

3.1 矿区水文地质条件

3.1.1 地形矿区地形东、南地势稍高，地形制高点95.4～513.5米，北、西面地形稍低，中央偏西部位有一条间歇性马峪川河从矿区通过。矿区屈沟附近最低点标高239.9米，为当地侵蚀基准面。铝土矿区位于马峪川河与屈沟河河间地块地带。

3.1.2 地表水系①马峪川河：全长16公里。河谷呈U型，在矿区附近宽25～30m。平时无水，雨季最大洪流量150立方米／秒，有利于大气降水的排泄。② 屈沟河：全长5公里，河床坡度陡，宽约10m，河床呈U型，平时无水，雨季最大洪流量15.5立方米／秒，是矿区附近大气降水的排泄通道。马峪川、屈沟河为矿区内间歇性水流，对矿床开采影响不大。

3.2 含水层、隔水层

3.2.1 含水层①第四系洪积、冲积孔隙含水层。该层仅分布在矿区的沟谷中，由粉质粘土及含砾粘性土组成，含微量孔隙水，厚度1.5-9.5m。地下水位埋深2.91～11.3m，水位年变幅5.12m，单位涌水量0.05～0.085升/秒米。②石炭系上统太原组（C2t）：燧石灰岩岩溶裂隙承压水含水层组。燧石呈团块状，岩溶较发育，连通性较好，岩溶发育形态，以溶洞为主，溶洞最高达0.8米，洞中一般无充填物，为矿体顶板间接充水岩层。燧石灰岩厚度6-25m，平均厚16.4m，渗透系数6.94米/日。地下水类型为岩溶裂隙承压水，水化学类型为重碳酸钙镁型水。③石炭系上统本溪组（C2b）：矿层位于该组岩层底下部。该层岩性以灰褐-深灰色白云质灰岩、灰岩、角砾状灰岩为主，岩溶发育，连通性好，岩溶发育形态以溶洞为主，溶洞最高达1.4米，洞中大都无充填物，岩溶发育段地下水活动强烈。该含水岩组出露的地下水点涌水量5－10升/秒。该含水组地下水，最高水位242.92米。最低水位为232.93米，年变幅10.0米，承压水头28.53米，单位涌水量0.485升／米秒，渗透系数10.6米／日。为矿体直接顶板含水层。水化学类型为重碳酸钙镁型水。④统寒武系上统：以白云质灰岩、灰岩为主，岩溶裂隙发育程度一般，部分溶洞被泥质充填。为矿体底板直接充水层。岩溶裂隙水为承压含水，该含水岩组厚度大，承压水头36.63m，渗透系数4.1米／日。

3.2.2 隔水层①二叠系砂页岩隔水层。岩层由粉砂岩、长石石英砂岩、页岩及煤层线等组成，厚48-275m，层位稳定，含水性差，在砂岩中发育的构造节理切割联通性较差，不形成连续稳定的含水层组，构成矿坑良好的间接隔水层。②石炭系上统本溪组隔水层。位于本溪组下部，属含矿层。岩性由铝土矿、高硫铝土矿、铁矿、铝质页岩及铁质页岩组成，岩石结构致密，一般裂隙不发育，含水性差。铝质页岩及铁质页岩浸水后膨胀呈可塑状。一般厚度2-6米，最厚可达55.3米。

3.3 断裂构造的水文地质特征区内断裂构造具影响水文地质条件的有3条，即F1、F2、F3断层，三条断裂均属张性正断层，均切穿矿区主要含水层组，沟通各含水层，成为良好的汇水廊道和导水通道。

3.3.1 F1断层：区内长380m，地层断距55m，走向65度，倾向155度，倾角65度，断层角砾岩成分为角砾状灰岩，角砾磨圆度较好，胶结物为泥质钙质。断层两侧破碎及影响带地下水活动强烈，并形成大小不等的溶蚀洞穴。该断层为导水断层，断层两侧地下水标高及水力坡度与矿区地下水渗流场特征一致。

3.3.2 F2断层：区内发育近900m，走向300度，倾向30度，倾角50度，断层角砾成分有页岩、白云质灰岩等，以页岩为主，角砾呈棱角状，粒径小于10mm，无定向分布，胶结物为泥质。据抽水试验断层两侧水位降深资料表明，该断层带为导水构造。

3.3.3 F3断层：区内长1400m，宽0.9-4.55m，断层角砾成分以白云质灰岩为主，并有灰岩、角砾灰岩等，胶结物有钙质、泥质，胶结松散。断层影响带内岩石裂隙节理发育强烈，岩石溶蚀后多呈蜂窝状。据抽水试验资料，该断层在抽水主供水方向，抽水时断层两侧钻孔地下水位下降同步，断层具有导水性。

3.4 矿区地下水渗流场特征

3.4.1 断层是控制矿区水文地质条件的重要因素，它切穿并联通了各含水岩组，使得层间薄隔水层失去隔水功能。矿区西部区域地下水主要通过F1、F2、F3三条断层破碎带或影响带导入矿区，使矿区地下水具有充沛的补给来源。

3.4.2 矿区赋存的主要岩溶裂隙承压水，地下水流向基本由西向东汇流，基本与含水岩层倾向一致。但富水性和透水性并不均匀，断层破碎带及影响带富水性强，透水性好，其他地段相对较差。

3.4.3 据长观水位观测及抽水试验资料，由于断层切割连通作用，各含水层间具有明显的水力联系，地下水位接近一致，动态变化同步。

3.4.4 地层倾向东，倾角较缓，矿区东部地下水不能补给矿区。

4首采区露天采场涌水量预测

4.1 首采区露天采场充水因素及边界条件屈沟矿段矿坑主要充水含水层为矿层顶板的石炭系本溪组、间接顶板的太原组燧石灰岩岩溶裂隙含水层和直接底板的寒武系上统岩溶裂隙含水。隔水岩层为二叠系岩组。

由于各含水层（组）具有水力联系，故具有统一的地下水位。正常水位标高为231m。

4.2 边界概化矿区水文边界概化为：矿区东侧以石炭系太原组与二叠系接触带构成隔水边界，其他三方为无限透水边界的单直线隔水边界模型。

4.3 首采区露天采场充水水量计算首采区露天采场位于马峪川河与屈沟河交汇处的河间地块上，采场外无汇水面积，仅在其边界范围内接受大气降水。

①正常降水充水量：

Q=FA（立方米/日）

式中：F-采场受水面积（106688平方米）；

A-历年雨季日平均降雨量（3.69毫米/日）；

正常降雨采场充水量为394立方米/日。

②暴雨充水量：

Q=FA（立方米/日）

式中：F-采场受水面积（106688平方米）；

A-历年（24年）最大日平均降雨量（226.1毫米/日）；

最大暴雨采场充水量为24122立方米/日。

4.4 估算C级储量最低标高158.21米时的矿坑涌水量

①开采水平标高158.21m；

②矿区水位标高231.0m；

③计算公式：采用承压完整井稳定流含水层“大井”法公式，

Q=2πφ■-φ■=2.73■

式中：含水层平均渗透系数k=6.9米/日，隔水层别距离b=28m；

含水层平均厚度M＝38m；

大井水位降深S0=231-158.21=72.79m；

大井引用半径r■=■=■=259m

大井引用影响半径R■=r■+R=259+10s■■=2171m

④计算成果

矿区C级储量最低标高158.21m开采时矿井涌水量预计为20743.3立方米/日。

5结论

5.1 矿井涌水量预测中，查明矿区及区域水文地质条件、弄清地下水流场特征是水文地质的基本工作，也是能否恰当预测矿坑涌水量的关键；

5.2 岩溶裂隙含水层带为非均质各向异性介质，水文地质参数选取要具有代表性，能够综合反映各含水层组的性质；

5.3 水文地质条件概化及大井法为地下水动力学方法，属理想化的模型，与实际条件有一定偏差，解析法计算公式为理论推导出，有严格的假设条件限制，计算结果与实际会有偏差，但在合理概化条件下，这些偏差不影响对矿区地下水涌水量预测的可靠性。

参考文献：

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[5]吴章锟.矿区水文地质工作实践[J/OL].地学论坛.2009年7月.