关键词：矿区水文地质条件；矿坑突涌水；涌水量预测；大井法；比拟法
引言
矿区开采过程中，地表水体和地下水体以各种算途径向矿坑涌入，当涌水量超过矿山排水能力时，就可能出现突透水事故，造成人员伤亡和财产损失[1]。因此，矿坑涌水量预测是矿区水文地质调查的主要任务之一，也是制定安全开采方案的主要依据之一[2]。刚果共和国奎卢省布谷马西钾盐勘探区位于非洲西海岸，其地下埋藏着丰富的钾盐资源。勘探发现矿区水文地质条件复杂，矿坑涌突水已成为矿山开发建设的主要制约因素之一。矿山开发建设前，查明矿区水文地质条件，准确预测矿坑涌水量并合理制定矿区疏排水方案是保证矿区安全开采的前提条件。
本文深入分析研究了布谷马西钾盐勘探区水文地质条件并进行了合理概化，运用解析法中的大井法和水文地质比拟法对矿坑涌水量进行了预测评价，为矿山合理开发与建设提供了较可靠的基础数据。
1 矿区地质及水文地质条件
1.1矿区自然地理概况
布谷马西钾盐矿区位于刚果（布）奎卢省西南部黑角市北部，毗邻大西洋。地理极值坐标为东经11°49′22″- 11°56′46.9″，南纬4°24′36.68″-4°31′43″，面积102.98km2。区内属热带草原气候，植被发育，一年分雨季和旱季两个季节。多年平均气温在19.6℃，年平均降水量为1285.6mm，最大降水量为2290.5mm（2007年），但降水量年分配极不均匀，多集中在雨季，而6、7、8等月份降水量很小。区内地表水系发育，主要河流为奎卢河及其支流，自北东流向西南从矿区中部横穿而过，河流两侧多形成沼泽，是区域地表水和地下水的主要排泄通道。
矿区位于非洲大陆西侧，刚果沉积盆地的中部，自东向西整体呈一单斜构造盆地。新生代松散沉积物广泛分布于盆地内，其东部为马永背（MAYOMBE）山脉，出露元古界沉积变质岩。矿区处于刚果沿海盐化沉积盆地地貌单元的中北部，为沿海微倾斜平地，与刚果西部造山运动形成的马永背山脉山前坡积地貌相接。区域上属冲-洪积平原地貌，地势总体北东高，南西低。区内发肓有低丘、洼地、湖泊、河间沼泽等微地貌。相对高差小于228m，最高点海拔230m左右；最低点海拔高度2m左右。地面平均坡度<0.77°。奎卢河河床为当地最低侵蚀基准面，标高2米左右，本矿床矿层埋深位于当地最低侵蚀基准面之下。
通过勘探资料可知矿床赋存于白垩系中部盐类沉积中，盐类沉积为石盐岩和光卤石岩呈互层状韵律分布，钾盐矿层赋存于光卤石岩层中。空间上矿层延伸较大，在10勘探线至24勘探线之间连续稳定分布，被施工的钻孔分别控制，平面上（控制）南北长8.9km，东西宽12km。矿层厚度2.55m -27.90m。矿层产状总体呈近水平层状，倾角小于 3°，局部略有凸起（ZK143、ZK182-3），整体略有自东北向西南倾的趋势。
1.2 矿区水文地质条件
1.2.1 含水岩层及地下水类型
矿区地层主要为白垩系、新近系和第四系，依据含水岩层特点、含水层介质结构特征以及水动力条件划分，矿区地下水类型主要有松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水三种类型（见图1）。此外还存在盐岩晶间卤水。
松散岩类孔隙水区内普遍分布，厚度0～170m。浅部含水层岩性为粉细砂，与地表水联系也较为密切、富水性强。主要接受大气降水入渗补给，此外在现代河流、海滨和沼泽等地附近，旱季地下水还接受河流、沼泽等地表水侧渗补给。区域地下水总体流向由东向西流入大西洋。深部孔隙水含水层主要为第四系下部粉细砂、砂砾石孔隙和新近系上部胶结较差的粉砂岩、粉细砂岩碎屑岩类孔隙裂隙水共同组成，厚度一般小于100m，富水性弱至中等。与第四系浅层孔隙含水层之间，局部存在粘土隔水层，与下伏白垩纪白云岩岩溶裂隙含水层间夹有多层固结程度相对较好砂岩、粘土岩相隔，两者之间水力联系弱。松散岩类孔隙水区内分布广泛且与地表水体联系密切，如果断裂构造沟通上下含水层，将成为矿坑突涌水的一大安全隐患。
碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于新近系下部和白垩系上部粉砂岩、粉细砂岩等碎屑岩类孔隙裂隙中，岩石结构致密，孔隙裂隙不发育。因此，岩层富水性弱，可作为矿区顶部隔水边界。
岩溶裂隙水主要赋存于白垩纪白云岩岩层中，白云岩地表未出露，隐伏于第四系和新近系之下。受自身岩性特点、岩层组合特征以及地质构造等条件控制，富水程度不一。局部裂隙岩溶发育，富水性强，特别是在地质构造附近，常形成富水段，例如ZK182钻进247m
白云岩层时出现涌水，水头高出孔口0.2m以上，实测自流涌水量达93.6m3/h。白云岩岩层与下伏矿体之间发育有一层厚度约15m硬石膏岩隔水层,地震及重力勘探资料表明，矿区断裂发育，且断裂构造切穿了矿体及上部覆盖层，可能构成了地下水良好的通道，对矿床开采形成较大威胁。
盐岩晶间卤水：盐类沉积的顶板标高为-190.95m至-489.15m，厚度为167.05～633.47m。岩性主要为青白-青灰色、白色石盐岩和砖红色、玫瑰色、深红色光卤石岩，二者呈互层状，从下往上可分为四个岩性带。盐岩晶间卤水一般富存于Ⅳ带和Ⅲ带中上部。其中Ⅳ带位于盐类沉积的上部，其顶板埋深位于198.46m-285.50m，底板埋深位于311.12m-463.11m，厚度83.69m-189.23m，平均厚度131.75m。该层透水而不含水。
Ⅲ带：该带位于盐类沉积的中上部，其顶板埋深位于311.12～463.11m，底板埋深位于525.20～717.80m，厚度195.12～284.99m，平均厚度251.65m。该带沉积厚度最大，除ZK169外其余钻孔全部大于200m。该带是主要的富矿层位，Ⅲ-11、Ⅲ-10主矿层即赋存于该带上部。
盐岩晶间卤水含水层特征：位于矿层顶板隔水层（硬石膏岩）之下，岩心呈致密块状、完整，裂隙盐溶不发育，总体上为弱含水层。含水层一般发育深度在287.51～556.23m，含水段岩性以灰白色石盐岩与砖红色光卤石岩互层。钻孔揭露岩心有细小溶蚀裂隙和水化现象，钻进过程中涌水并伴有气体溢出。本次施工ZK182-3、ZK121、ZK101、ZK122、ZK143地质孔在盐层钻进过程中，均遇到盐岩晶间卤水，具承压性。根据实际观测资料，ZK101、ZK121、ZK122、ZK143、ZK182-3地质孔自流量0.001～0.38L/s，为弱富水性。
各含水岩层在矿区分布状况、富水程度及与矿体相对空间关系如图2的所示。
1.2.2 地下水补给、径流、排泄条件
第四系孔隙水接受大气降水垂直入渗补给，水位受降水影响，季节性变化明显。地下水运动以奎卢河为界，北部地下水由北向南汇聚，南部地下水由南向北汇集，至奎卢河后由东向西运动流入大西洋。
岩溶裂隙水主要接受上游地下水的侧向径流补给，承压、动态稳定、季节性变化不明显，局部受地形影响，自流水头高出地面2～3米。监测显示岩溶水水位始终高出第四系孔隙水和碎屑岩孔隙裂隙水水位。地下水运动方向总体与孔隙水一致，矿区南段岩溶水自南向北流动。
盐岩晶间卤水：密封于矿体中，来源推测为盆地碎屑岩类沉积物中的同生沉积水或得到盆地深部油田水的补给。上述补给水对晶间卤水的运动的控制作用在不同部位、不同时间存在较大差别，构造运动和古气候变化可能在区域上长期控制水运动格局中，而现代降水、深部地层水对晶间卤水的运动作用范围有限，作用时间短。
2 矿坑充水条件分析
2.1 矿坑充水水源
（1）大气降水：区域内属热带草原气候，潮湿多雨，雨量充充水沛，大气降水是矿区地下水的主要补给来源，当充水含水层接受降雨补给后，其地下水可通过导水断裂带、岩溶发育带、采空塌陷带及突水带直接或间接进入矿坑，对矿床充水，大气降水成为矿坑充水的重要源泉。
（2）地表水体：区内地表水体众多，从地表至盐上存在孔隙水、裂隙水和岩溶地下水，矿体自身还存在晶间卤水。根据物探和地震解译资料，矿区断裂构造发育，有的构造切穿了第四系到白垩系，导通上下含水层，因此，矿体开采时地表水体可能通过顶板岩层突入矿坑，成为矿坑主要充水水源之一。
（3）第四纪松散岩类孔隙水：第四纪松散层覆盖整个矿区，含水层厚度大，且与地表水体联系紧密。区域上粘土隔水层分布不连续，断裂构造又可能沟通了下伏岩溶裂隙水和盐岩晶间卤水，因此，孔隙水可以通过顶板岩层过水通道进入矿坑，成为矿坑开采时矿坑的主要充水来源之一。
（4）岩溶裂隙水：岩溶含水层厚度平均30m左右，最厚达64m（ZK241白云岩）；东部薄，仅3～4m（ZK169白云岩厚度仅3.68m）。一般情况下与上部含水层水力联系差，地下水补给条件一般，富水性弱-强。地质孔施工过程中遇到该层时，均出现了塌孔、掉块、埋钻等事故，岩心破碎。ZK182在孔深238m出现掉钻、埋钻事故，钻进至247m时出现涌水，水头高出孔口0.2m以上，实测自流涌水量达93.6m3/h，水温31℃。说明矿区断裂构造可能沟通含水层之间的联系，成为地下水的沟通通道。矿体开采时顶板由于断层的切割导通上部含水层，地下水不断补给溃入矿坑，成为矿坑充水来源之一。
（5）盐岩晶间卤水：位于矿层顶板隔水层之下，岩心呈致密块状、完整，裂隙盐溶不发育，总体上为弱含水层。含水层一般发育深度在287.51～556.23m，含水段岩性以灰白色石盐岩与砖红色光卤石岩互层。钻孔揭露岩心有细小溶蚀裂隙和水化现象，涌水并伴有气体溢出，具承压性。根据实际观测资料，自流量0.001～0.38L/s，为弱富水性。隔水顶板为厚度10-30m的硬石膏岩，但矿区断裂构造发育，岩体分布不连续，裂隙发育。与上部岩溶裂隙水存在联通渠道，盐岩自身又是易溶岩，矿体开采时，上部含水层透过不稳定的隔水顶板，地下水不断补给溃入矿坑，成为矿坑充水来源之一。
2.2矿坑充水途径
矿区属于断陷盆地，受断裂构造、地层岩性、地形地貌等因素影响，形成了北西—南东向由溶洞、岩溶裂隙、盐溶溶腔等岩溶介质组成的岩溶水径流通道。相互贯通构成布谷马西矿区充水通道和联接充水水源的输送网络。
（1）断裂构造带通道。据二维地震资料反映区内断裂主要有两组，分别为：走向320°～350°和走向300°～310°。其中走向320°～350°方向的断裂为主要断裂，呈张性追踪特征，多向西倾，多为正断层，倾角较陡；走向300°～310°方向的断裂，为前者的次级断裂，多发育于其两侧，断层性质主要为正断层，向东或向西倾，倾角较陡，多大于60°。断裂沿线地带地下水相对富集例如ZK182附近，构成了地下水的主要径流带，矿体开采条件下成为白云岩岩溶充水层向矿坑充水的主要通道。
（2）溶洞、岩溶裂隙、盐溶溶腔等通道。溶洞、岩溶裂隙、盐溶溶腔等岩溶介质交织构成岩溶水径流带，也成为矿区地下水富集、径流和补给矿坑充水的主要通道。矿区岩溶发育为非均质各向异性，表现为裂隙岩溶含水介质和岩溶管道含水介质、盐溶溶腔等含水介质并存的特点。其中岩溶管道连通性好，导水性强，当岩溶管道直接揭露矿床时，其不仅是导水廊道，还是储水空间，对矿坑充水危害大，作用强。
3 矿坑涌水量预测
通过上述水文地质条件和矿坑充水条件的分析研究，本文采取了解析法中的大井法和水文地质比拟法对开采Ⅳ-2矿体进行了涌水量预测，其中Ⅳ-2矿体顶板埋深242.40～408.71m，取其平均顶板埋深291.22m。
依其水文地质勘探资料分析：矿坑自上而下揭穿的充水含水层主要有浅层孔隙水、深层孔隙水、白垩系碳酸盐岩裂隙岩溶水含水层和盐岩晶间卤水。我们概化认为自上而下所揭露的含水层均质、各向同性、等厚、水平的；地下水为层流，符合达西定律，地下水运动处于稳定状态:静水位是水平的，矿井具有圆柱形定水头补给边界;对于承压水，顶底板是隔水的，对于潜水，井边水力坡度不大于1/4，底板完全隔水，边界条件概化如下图3，Ⅳ-2矿体涌
水量预测为四个含水层对矿坑涌水量之和。基于此，本次对Ⅳ-2矿体涌水量采用裘布依公式进行计算。采用公式如下：
式中：Q为竖井涌水量（m3/d）；H为承压水头高度（m）；M为承压含水层厚度（m）；K为渗透系数（m/d）；R0为矿坑引用半径（m），R0=R+r0；r0为矿坑的半径，取4m。
（1）渗透系数K：通过多孔抽水试验所取得的数据进行计算求取，各含水层渗透系数如下表：
（2）含水层厚度M：依据实际勘探水文地质孔取得。
（3）水位降深S：取勘探时地下水位标高与预测开采水平之差值。
依据上述水文地质参数取值，得Ⅳ-2矿体开采时，四个含水层勘探时节涌水量之和为18.11万m3/d。
4 水文地质比拟法预测矿坑涌水量
4.1矿坑涌水量预测
这种方法是用类似水文地质条件矿山地下水涌水量的实际资料，来推求设计矿山的涌水量。多用于扩建或改建矿山。对于新建矿山，若相邻地区有类似条件的矿山，亦可应用。新设计的矿山与所比拟的矿山的地质、水文地质条件相似，是使用本方法预计矿坑涌水量的基础。
布谷马西矿区与霍利圣保罗矿区同处一个水文地质单元，其两者具有相似的水文地质条件和开采方式。根据水文地质条件相似的圣保罗矿山中的霍利矿床矿坑涌水量资料，采用比拟法来预测矿坑涌水量。
采用的比拟法计算式如下：
用于水位降深对矿坑涌水量主要作用的矿山
Q—为设计矿坑某阶段涌水量，m3/d； S设计—矿坑水位降低值，m； qs为已知矿山单位降深涌水量，m3/m·d
霍利圣保罗矿区突水事故，是在开挖两个平行的勘察坑道时，上部淡水涌入出现的，此时霍利矿床埋深为375m，涌水量为24万m3/d。可作为已知矿山单位降深涌水量的降低值。布谷马西矿区Ⅳ-2矿体顶板平均埋深291.22m，可视为设计矿坑水位降低值。因此，将上述数值代入式中，得设计矿坑涌水量为18.64万m3/d。
4.2预测结果分析研讨
本文利用解析法中的大井法和水文地质比拟法对刚果布奎卢省布谷马西钾盐矿区Ⅳ-2矿体开采过程中矿坑涌水量进行了预测。由于前期对矿区水文地质条件进行了较深入研究，对矿坑充水因素进行了客观分析，在此基础上对矿区水文地质边界进行了合理地概化，选择了合理地计算公式，计算地结果具有较高地可信度；同时积极收集了与之具有高度水文地质条件相似地霍利圣保罗矿区突水事故资料，采用比拟法计算预测矿坑涌水量，两种方法预测地结果极为相近，可以较为客观地反映实际涌水量。
通过上述两种方法可知，无论是解析法求解还是比拟法预测，都要求对矿区水文地质条件有清晰地认识，解析法比较适宜矿区水文地质条件复杂程度为中、低等的矿区，参数取得较为容易，预测结果有较高地可信度。比拟法强调预测地区与试验地区的水文地质条件基本相似，要充分收集邻区或邻近矿山生产巷道的开采系统涌水量与相应水位降低等各方面的详细资料，并分析各类相关曲线的类型，选择合理地计算公式，从而使计算结果最大程度地符合实际。
5 结论与建议
（1）通过对矿区水文地质条件和矿坑充水条件研究分析，Ⅳ-2矿体开采过程中矿坑主要充水为地表体，通过不断补给四个含水层不断溃入矿坑，对矿体开采构成具大威胁。针对矿区突涌水手段阻断地表体补给含水层，构建防水帷幕切断各个含水层之间的联系，同时有效地减少涌入矿坑的地下水量，结合涌水量预测 值制定科学地排水方案，避免突涌水事故地发生。
（2）布谷马西钾盐勘探区为一特大型钾盐、光卤石矿床，水文地质条件复杂，受国外施工条件所限，许多技术工作方法未做到位，国内亦无成功开采经验可循，为加速矿山建设和开发，基建以前，需开展专门性水文地质勘探工作，为矿山开发建设提供可靠依据。
参考文献：
[1]房佩贤，卫中鼎，廖资生.专门水文地质学[M].北京：地质出版社，1996，192-199.
[2]马洪超，林立新.大井法预测矿坑涌水量[J].采矿技术，2009，9（2）：53-54
[3]黄卓广,黄钟焕,黄梅新.比拟法在矿区矿坑涌水量预测应用实例[J].西部探矿工程，2006，（3）：93-94
[4]薛禹群，朱学愚.地下水动力学【M】.北京：地质出版社.1981.
[5] 巍克敏，赵荗森，王友长。宝矿区深部水文地质条件研究及涌水量计算[J]中国煤炭地质，2011，23（1）29-35.
[6]温文富,曹丽文.比拟法和解析法某在矿井涌水量预测中的分析比较.中国煤炭,2011,7（7）:38-40
[7]管恩太,武强:矿井涌水量预测评述.中州煤炭,2005（1）：7-8
论文作者:游其军,尚宇宁
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年22期
论文发表时间:2019/12/12
标签：矿坑论文; 矿区论文; 含水层论文; 水量论文; 水文地质论文; 岩溶论文; 裂隙论文; 《工程管理前沿》2019年22期论文;