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大井法中水资源论证的应用

摘要]在矿坑取(排)水水资源论证工作中,由于坑道内的水来自于巷道周围基岩裂隙中的渗聚,相对于传统的取水井来说,坑道内布局复杂,常有多个水平中断,无固定的水面埋深,无静止的潜水水面,其涌水量受矿坑面积的变化而增减。因此,随着回采工作的进行,采空区的不断加大,矿坑涌水量也会随之变化。“大井法”是预测矿坑涌水量的一种常用的方法。文中运用抽水试验确定矿坑现阶段渗透系数K值及影响半径R值后,利用“大井法”预测矿井未来涌水量的大小,再通过相应的公式计算未来矿坑采空疏干后最大涌水量及R值,最终完成地下水取水水资源论证工作。

关键词]矿坑取(排)水;大井法;水资源论证

1确定矿坑涌水量的重要性

在水资源论证工作中,确定取水工程的涌水量是水文地质工作及编制论证报告书的主要任务之一,也是企业确定生产用水及疏干排水设备配套安装的依据,涌水量的大小直接影响着企业设计生产能力。

2大井法的应用原理

在矿井疏干过程中,当矿井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。虽然矿坑的形状极不规则,尤其是坑道系统,分布范围大,构成复杂的边界,要求将它理想化,在理论上可以将形状复杂的坑道系统看成一个在工作的大井,整个坑道系统的涌水量就是大井的涌水量从而可以近似应用裘布依稳定流基本方程计算矿坑涌水量,这种矿坑涌水量的计算方法称为“大井法”。

3大井法工作实例

辽宁省北票市沙金沟金矿是北票市一家金选企业,始建于20世纪70年代,原为小型集体企业,后经当地政府批准转制,现为私营企业,现正在生产运行中。该企业金矿石为井下开采,同时取用采区内生产2号斜井巷道内矿坑排水为企业生产用水。在为其编制《水资源论证报告》书时,其矿井未来涌水量大小的预测采用了“大井法”。3.1矿区所在区域地质条件水文地质条件3.1.1地质条件该区属大凌河二级支流蒙古营河流域上游山丘区,该区属典型低山丘陵区,山势陡峭,沟谷发育,基岩裸露,生产取水井处于山丘坡地上,由古老的太古界变质岩类构成。该区基岩区以古老的太古界变质岩,主要岩性为黑云角闪斜长片麻岩及石英岩为主,由于该区岩浆活动较为强烈,主要岩性的片麻岩片麻理产状紊乱,因此区内片麻理方向不能显示区域变质作用的指示方向。该区火成岩体为二叠系黑云母石英闪长岩,岩体内常见片麻岩俘虏体,接触带附近同化混染作用较强。矿区内构造以断裂构造为主,规模较小,该矿矿脉受此构造控制,该断裂为导矿和容矿构造。3.1.2水文地质条件1)地下水的赋存条件及分布规律该区地下水的赋存规律受气象,水文,地貌,地层岩性等因素影响,按地下水赋存条件及地层成因类型划分,该区地下水主要为变质岩类裂隙水。2)变质岩类裂隙水该区基岩区赋存变质岩类裂隙水。基岩由古老的太古界变质岩混合而成岩性黑云片麻岩,角闪片麻岩,夹石英岩构成。颗粒间有孔隙存在,孔隙度较第四系松散沉积物小得多,透水性及含水性也较弱,但受风化作用及压扭性,张扭性小断裂构造的影响及冰劈作用等因素进而产生裂隙,形成裂隙含水层。该矿主要生产用水均为基岩裂隙水3.2地下水资源量分析由于该矿生产取水井所处位置的特殊性及水源取水类型特殊性不太适用于降雨入渗系数等一些方法评价地下水资源量,故依据《导则》采用抽水试验实抽法评判供水井的实际供水能力,并利用“大井法”推算未来矿井涌水量的大小。3.2.1利用抽水试验实抽法确定K值及现阶段Q和R该企业生产斜井斜长360m,坡度32°,依据三角函数计算出垂深190.8m,矿井井口开口即为基岩,斜长300m处垂深150m处见有裂隙水,基岩裂隙含水层40.8m,井内底部蓄水,积蓄矿坑内的排水,再通过流量50m3/h潜水泵抽到地面车间用于生产用水。抽水试验出水量使用该企业安装的超声波流量计计量,抽水试验结果为:采用50m3/h的潜水泵进行抽水,稳定出水量28m3/h,抽水24h,日供水能力672m3/d。由于基岩含水层揭露,故采用承压转无压及经验公式:Q=1.366K(2H-Sω)•SωLgR-Lgr(1)R=10SωK(2)二者联立,采用试算法,求出渗透系数K值以及现阶段的影响半径R值。式中:Q——矿井涌水量,m3/h;K——基岩渗透系数,m/d;H——矿井含水层厚,m;Sω——矿井疏干后水位降深,m;R——矿井现阶段影响半径,m;r——矿井半径m。通过抽水试验及试算法得出:K=0.74m/d现阶段:R=350.97m,Q=672m3/d。3.2.2“大井法”推测未来最大Q及R值由于该企业为矿坑排水取水,生产人员入升井的工作面已经疏干,实抽的地下水为井下巷道内岩石渗水,因此,矿井的涌水量会随着井下采空区面积的增大而有所变化,抽水试验涌水量只能代表此生产矿井现阶段生产状态下的涌水量,依据《水资源论证导则》要求,要推算评价矿坑未来排水量,由于矿井水的疏干,水位降深值取值为含水层厚度值,由于未来井田设计开拓延伸的岩石结构及岩性与现阶段岩层无变化,这样,渗透系数K值可以取用现阶段计算出的值。采用“大井法”再通过公式计算矿井未来最大涌水量Q及最大影响半径R值。该企业的自主采区矿体长680m,现主采生产斜井共6个中段,巷道截面每个宽2.2m,通过先期钻孔勘测得到该企业坑道系统含水层H:40.8m,坑道内开采矿体地面投影大致为矩形,且b/a>0,(a,b为矩形的边长),查坑道系数b/a对应取值表,利用公式r0=坑道系数值×(b+a)/4,求得企业采区坑道系统在地面投影,换算成圆柱体大井半径为r0=182m,渗透系数K值为0.74m/d,未来矿体采空矿井疏干后水位降深值为40.8m。将大井半径r,渗透系数K值,含水层厚度H,疏干后水位降深值Sω等以上数据代入涌水量公式。利用试算法(逼近法)计算,矿井矿体采空后矿井最大涌水量150.2m3/h,最大影响半径532.97m。以上通过抽水试验及大井法的运用共同确定了矿坑现阶段及未来的Q,K,R等值,再依据《水资源论证导则》其他要求编制,最终完成《水资源论证报告》书的编制工作。格式及要求见《水资源论证导则》。

4结语

“大井法”预测矿井涌水量虽工作程度简单,但有它的不足之处,它毕竟只是通过简单地数值计算推算,在复杂的地下水及地质岩层构造系统中,可能会产生与实际相差误差较大的结果,所以,该方法只适用于地质构造简单、企业生产规模较小、地下水含水层无复杂水力联系的区域中,在上述条件都不具备时,应采用其他的方法相结合比较,如数值模拟法、水文地质比拟法等,相互验证,最终使预测的涌水量值更加接近实际值,从而积累出宝贵的经验。

参考文献

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[5]SL/322-2013,建设项目水资源论证导则[S].

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作者:李秉伟 单位:辽宁省北票市水资源办公室

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