中关铁矿涌水量计算及帷幕注浆治水方案研究

韩贵雷，于同超，刘殿凤，蒋鹏飞，贾伟杰

（华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021）

摘要：矿坑涌水量预测在地质勘探中占有重要位置，它直接关系到矿山开发远景和生产安全。本文在充分研究邯邢区域地下水流场演变规律情况下，利用以往矿区大型抽水试验、区内长期供排水和水位观测资料，模拟了各种水文地质计算参数，结合中关铁矿矿区水文地质边界条件，建立了比较合理的矿床疏干水文地质概念模型，采用数值法预测了矿坑不同中段的涌水量，较全面、逼真地反映了中关矿区水文地质条件，所预测的矿坑涌水量可以作为矿山设计的依据。根据计算结果提出了采用帷幕注浆进行矿山治水的方案，同时采用反算的手段，给出了设计10m宽帷幕能达到80%的堵水效果时的渗透系数，为帷幕注浆施工提供了关键技术标准，取得了良好的技术与经济效果，其理论、方法、思路可供同类工程借鉴。

关键词：矿坑涌水量计算　帷幕注浆　地质模型　有限差分法

1.引言

邯郸钢铁集团公司中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，北距邢台30km，南距邯郸53km，矿体南北长2　000m，宽800m左右，平均厚度38.0m，最大厚度193.06m，埋深300 ～700m，总储量9　345万t。矿床埋藏较深，含水层奥陶系中统石灰岩为其直接顶板，该含水层厚度大、分布广，富水性强，且沙河位于矿区的西北侧，两岸局部河床石灰岩裸露，使得地表水与地下水联系密切，矿区地下水具有丰富的动、静储量。因而，矿区水文地质条件较为复杂。

矿坑涌水量预测在地质勘探中占有重要位置，它直接关系到矿山开发远景和生产安全。同时，矿床充水程度又是决定矿山取舍的条件之一，因此，做好矿坑涌水量的预测工作对矿床的设计和开发有着重要意义。影响矿坑涌水量的因素很多，采用的计算方法也很多，但许多方法难以准确计算。准确地预测矿坑涌水量，必须在详细查明影响矿坑充水的因素及获得可靠计算参数的基础上，根据矿床开采设计，选择相应的计算模型及计算公式。

本文在充分研究区域地下水流场演变规律情况下，利用以往矿区大型抽水试验、区内长期供排水和水位观测资料，模拟了各种水文地质计算参数，结合现状边界条件，用数值法较合理地预测了中关铁矿不同开采中段的矿坑涌水量，而且对邢台泉域石灰岩地下水系统也有了新的认识，同时根据中关铁矿赋水情况，利用数值计算模型讨论了利用帷幕注浆进行矿山治水的可行性。

2.水文地质模型

2.1　含水层结构的概化

矿区所处的地下水系统，南起上泉，北至北沙河，西起北?河，东至西葛泉，面积272.82km2。研究区的主要含水层为奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层，它分布在岩浆岩体与武安盆地相对隔水体之间，下有燕山期闪长岩托底，上部为石炭—二叠系及第四系地层覆盖，区内含水层顶底板起伏不平，含水层厚度较大，渗透性和贮水性不均一，宏观上各向异性不太突出。因此，将含水层概化为非均质各向同性承压—无压含水层。根据地下水运动特征，忽略地下水的垂向运动，将地下水运动按平面二维非稳定渗流问题处理。

图1　计算区域及边界条件示意

2.2　边界条件的概化

根据区域水补给及排泄情况，将水文地质模型边界条件简化为以下几部分（图1）。

（1）东北口子和北部口子（L1、L2）边界是计算区的天然排泄口，根据边界附近观测孔的地下水位动态资料作为一类边界。

（2）北?河口子和西北口子（L3、L4）边界：北?河口子西部老地层只发育基岩裂隙水，透水性很弱，且由于山高坡陡，降水大部分变为表流汇入河床，故地下径流量较小。西北口子由于沙河大量渗漏，侧向流量很大。两者均按二类（流量）边界处理。先根据勘探及前人成果给出初值，经模型识别后确定。

（3）闪长岩周边（L5、L6、L7）边界：闪长岩风化裂隙水对石灰岩含水层有相对稳定的补给，补给强度各处不一，都按二类（流量）边界处理。先给初值，待模型识别时确定。

（4）东部煤系地层边界（L8）：玉泉岭—郭二庄断裂带以东，奥陶系中统石灰岩埋藏很深，岩溶裂隙不发育，径流微弱，可视为相对隔水边界。

2.3　对垂向交换量的处理

（1）大气降水补给量：根据石灰岩裸露区及第四系薄层覆盖区的地表岩性、地貌等因素，概化为几个降水入渗系数不同的小区，并根据降水入渗系数经验值给出初值，待模型识别后确定。

（2）河流入渗补给量：根据河流渗漏段的岩性、地貌等因素，将其分为几个入渗强度不同的小区，并按照勘探及前人研究成果、降水量和水库的放水情况给出入渗强度的初值。经模型调试后确定。

（3）地下水人工开采量：根据实际调查资料，按不同时段分别加在开采结点上。

3.数值模型的建立

3.1　数学模型

根据前述的水文地质条件，可写出相应的数学模型：

式中：H为地下水位；K为渗透系数；M为含水层厚度；ε为降水入渗强度；E（x，y）在降雨入渗区时，其值为1，非降雨入渗区时，其值为0；ω为河水入渗强度；F（x，y）在河流入渗区时，其值为1，非河流入渗区时，其值为0；μ在承压区为贮水系数，在无压区为给水度；H0（x，y）为初始水位；He（x，y）为一类边界水位；qe（x，y）为流量边界的单宽流量；Ω、Γ1、Γ2分别表示渗流区域一类边界、流量边界。

3.2　数值模型的建立

为了求解数学模型，采用三角网格有限差分方法建立数值模型。首先采用三角网格剖分渗流区域，剖分时按重点研究区适当加密，其他区域适当疏一点的原则，并将各观测孔尽可能与结点重合，将计算区域剖分为结点488个，单元889个。

渗流区域被剖分后，各结点上的基本差分方程可用积分离散法或水均衡原理及达西定律来导出，推导过程略去，在这里仅给出结果，为不失一般性，以结点i为例给出结点i的隐式差分方程：

式中：；P表示以i

为顶点三角形单元的个数；Δβ表示第β三角形单元的面积）；bi、bj、bm、ci、 cj、cm是这样定义的：bi＝yj－ym，bj＝ym－yi，bm＝yi－yj，ci＝xm－xj，cj＝xi－xm，cm＝xj－xij；i、j、m是三角形单元的三个顶点的编号，按逆时针方向编排。

对计算区内的所有结点（一类边界结点除外）均建立上述差分方程，所有差分方程联立起来，形成代数方程组，采用超松弛（SOR）迭代方法求解方程组。

4.数值模型的调试和识别

为了使所建的数值模型能够正确地反映研究区的实际水文地质条件，原数值模型分别利用1994年1月至2003年12月期间的部分地下水动态资料（玉石洼观8孔、显德旺煤矿中心观测孔的地下水动态资料）对数值模型进行识别和验证。模型识别过程中，基本保持原数值模型水文地质参数不变。由于近几年区内矿坑排水量很大（特别是王窑铁矿和凤凰山铁矿），但排出的水量基本上没有排出计算区域以外，除一部分被利用和蒸发消耗外，还有一定数量的水又重新回渗补给地下水，在模型识别时给予了考虑。

模型识别结果见地下水动态拟合曲线（图2），水文地质参数列见表1。模型识别结果表明建立的模型是正确、可靠的。

图2　地下水动态拟合曲线(www.xing528.com)

表1　水文地质参数

5.矿坑涌水量预测

原地下水数值模型经过玉石洼观8孔、显德旺煤矿中心观测孔10年的地下水动态资料的检验，应该说数值模型比较准确地刻划了地下水系统的特征，模型是正确的。因此，利用此模型来预测矿坑涌水量是非常可靠的。

5.1　矿坑涌水量的基本设置

根据矿床开采设计，要求预测－110m、－170m、－230m开采水平时矿坑疏干水量和正常涌水量。

根据当地水文气象情况，丰水年、平水年和枯水年的降雨量分别设置为800mm、450mm、300mm。

为了稳定各水平疏干流场，求得正常矿坑涌水量，在疏干到各开采水平时，先运行一个偏枯的平水年后，再运行枯水年、平水年及丰水年求其矿坑涌水量，偏枯平水年降水量设置为400mm。

5.2　矿坑涌水量预测模型所需的基本数据

（1）利用数值模型进行矿坑涌水量预测，其水文地质参数保持不变。

（2）边界侧向补给量、降水入渗量、河水渗入量均按我们设置的枯水年、平水年、丰水年及偏枯的平水年的降水量，参考模型识别时相应降水量年份的补给量给出。

（3）矿坑涌水量预测时，地下水开采量保持2003年开采量不变。

（4）一类边界水位的设置：为了不使矿坑涌水量预测受边界影响太大，矿坑涌水量预测时，在一类边界外侧距离足够远的地方（这次设定为20km）设置一排结点，作为一类边界结点，其值相当于现在的水位值（枯水季节设置为10m，丰水季节设置为15m）。这样一来，将大大减小边界对矿坑涌水量的影响。

5.3　矿坑涌水量的预测及预测结果

矿坑涌水量预测结果见表2、表3。

表2　各水平矿坑疏干量及疏干时间

表3　各水平矿坑涌水量预测（单位：104　m3／d）

注：王窑铁矿、风凰山铁矿矿坑排水量回渗补给地下水量分别占矿坑排水量的37.5%和58.3%。

6.矿区治水方案

帷幕灌浆就是在主要矿体外围一定距离内，利用帷幕灌浆的方法将矿体地段与外界的水力联系隔断，最大限度地减少矿坑涌水量。

目前，本区域内各矿山的供排水量很大，已达到320340m3／d（即3.71m3／s），邢台市开采量604　800m3／d（7.0m3／s），总合计925　140m3／d（10.71m3／s）。大量抽取地下水引起了区域地下水水位大幅度下降，恶化了水文地质环境，造成了地下水资源严重亏损，因此，从保护水环境出发，中关铁矿的开采采用帷幕灌浆堵水的方法。

在上述数值模型的基础上，沿矿坑周边结点设置一层10m厚的帷幕墙，使矿坑正常涌水量减少80%，求帷幕墙的渗透系数和内、外地下水水位高差。计算结果见表4。

表4　各水平矿坑涌水量预测

根据数值模拟结果，针对中关铁矿地下水治理，提出帷幕注浆方案：注浆帷幕设计厚度T＝10.0m，浆液扩散半径R＝8.0m，设计孔距D＝12.0m，注浆帷幕完工后的帷幕防渗性能指标q≤2Lu，帷幕形成后堵水率达80%，透水系数K小于0.08m／d。

7.结论

在对中关铁矿区域水文地质条件进行详细研究的基础上，利用数值计算的方法预测了中关铁矿矿坑涌水量。同时，从保护地下水资源及矿山安全开采的角度出发，提出了中关铁矿治水采用帷幕注浆的方案，具体结论如下。

（1）在详细研究区域水文地质条件的基础上，采用有限差分的数值方法预测中关铁矿最大－230m水平丰水年最大涌水量为15.03×104　m3／d，从保护水环境及开采安全的角度出发，中关铁矿的开采采用帷幕灌浆堵水的方法。

（2）针对矿山治水提出的帷幕注浆方案，利用数值模型计算出采用10m厚的注浆帷幕，帷幕形成后堵水率达80%时，透水系数K＜0.08m／d，能够满足矿山安全开采及有效保护地下水资源的目的。

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（本论文发表于《工程勘察》2009年增2）