摘要
矿坑涌水量预测是矿产地质勘查中一项重要且复杂的工作，对矿山而言，做好矿坑涌水量的预测工作，可以为矿山建设项目可行性研究及矿山开采设计提供必要的地质基础。笔者结合多年现场工作经验，分析岩溶含水层水文地质特征及其对矿床充水的影响，并进行了多种地下水动力学涌水量估算，最终选择比拟法预测结果更接近实际，并对预测结果进行了评述。
Abstract
The prediction of mine water inflow is an important and complicated work in mineral geological exploration， it can provide necessary geological basis for feasibility study of mine construction project and mining design. Based on many years' field work experience， the author analyzes the hydrogeological characteristics of karst aquifer and its influence on the water filling of the deposit， and estimates the amount of groundwater inflow by various groundwater dynamics， finally， the comparison method is chosen to predict the results closer to the reality， and the prediction results are reviewed.
Keywords
0 引言
近年来，中国矿业开采中水害问题日益突出，特别是一些大型矿山的涌水问题更是引起了广泛关注，矿坑涌水不仅会影响矿山的安全生产，还会导致环境污染和地质灾害。在这种背景下，深入研究矿坑涌水量的分析、预测和防治措施，对于矿床开发前景，提升矿山安全生产水平以及保护环境和资源，具有重要的现实意义。
因此，本文以湖北省宜昌磷矿走马岭矿区（杨亮和罗根，2019①）为研究对象，深入探讨未来矿坑涌水量分析，有助于了解矿坑涌水的来源和形成机制，为采取相应的防治措施提供技术支持和科学依据。
1 区域地质概况
1.1 区域水文地质特征
鄂西地区属川东—鄂西大巴山余脉东延部分，主体山脉走向北西、北西西—北东，地貌上属构造侵蚀中山类型。地形总体为西高东低、北高南低。广泛分布上震旦统灯影组（Z2Є1d）和陡山沱组 （Z1d），绝大多数属碳酸盐岩类，总厚度 600 m以上； 碎屑岩类地层基本局限于下寒武统牛蹄塘组 （Є1-2n）和陡山沱组樟村坪段中亚段（Z1d12）中，总厚度小于 50 m，且前者大都分布于分水岭顶地段；第四系则分布在沟谷地带，厚度0～12.6 m。
该区地下水类型主要为岩溶裂隙承压水与无压水，局部有溶洞水，其次为构造裂隙、层间裂隙无压与承压水，再次为第四系松散碎石土层中的孔隙无压水（表1）。
1.2 相邻矿山水文地质特征
自 20 世纪 70 年代后期，当地乡村集体企业相继对一些磷矿段建井开采（Ph2、Ph1磷矿层）。目前开采范围和深度较大，甚至有些已接近尾声，各矿山开采情况及矿坑充水特征详见表2。
表1宜昌磷矿区地层含、富水特征
表2宜昌磷矿区主要矿山矿坑充水特征
根据上述主要矿山坑道水文地质调查，宜昌磷矿矿坑涌水量来源大致可划分为 3 种：（1）顶、底板含水层中的溶隙水直接进水或间接进水；（2）断层破碎带中的构造水；（3）地表水补给。
2 矿坑充水因素分析
走马岭矿区开采对象为 Ph22 磷矿层，该矿体赋存于下震旦统陡山沱组胡集段下亚段（Z1d21）隔水层中，埋藏于浸蚀基准面以下，未来矿山开采将采用平硐开采系统。矿坑充水因素主要有：
（1）大气降水对矿井充水的影响，区内主要为裸露的碳酸盐类岩层，岩溶和裂隙均较发育，对降水灌入补给有利，大气降水成为各含水层地下水的主要补给水源，也是矿床充水的主要水源之一。根据本文长期观测孔静水位观测结果，地下水位的动态变化与季节变化和降雨量的多少密切相关。雨季地下水位明显升高，秋冬季节降雨稀少，地下水位下降。因此大气降水不仅是矿坑充水的主要因素，也是控制其他充水水源及其变化的根本因素。
（2）含水层对矿井充水的影响，区内岩溶发育，矿床地下水主要为含岩溶裂隙水，浅部无压、深部承压。灯影组（Z2Є1d）含水层为弱—中等富水，Z1d3、 Z1d22、Z1d1属弱富水含水层。矿床充水层主要来自陡山沱组（Z1d3+Z1d22 +Z1d1）含水层以直接方式补给及灯影组含水层（Z2Є1d）的间接补给。在自然条件下灯影组含水层通过裂隙贯通形成矿层的间接充水层，未来矿坑顶板导水裂隙带和冒落带波及本层时，将导致本层由间接充水向直接充水转化。因此矿坑水也将随降水量的变化而递变。
（3）地表水体对矿井充水的影响，经过地表调查，地表水体附近未发现有地表塌陷及地裂缝，也未出现河流水量有漏失现象。正常情况下地表水体不会对矿井造成直接充水威胁。未来矿山开发形成的采空区自然坍塌或放顶后，地表水体可能出现地表塌陷及地裂缝，将会使地表水沿塌陷裂隙渗漏，成为未来矿坑的充水源之一。
3 矿坑涌水量预测
3.1 未来矿坑充水来源与特征
走马岭矿区主平硐位于灯影组（Z2Є1d），未来矿坑充水来源主要来自灯影组（Z2Є1d）和陡山沱组 （Z1d3、Z1d22、Z1d1）的岩溶裂隙承压水，充水水源为顶、底板含水层直接或间接补给。由于矿坑水必须要降低至坑道底板以下，矿山开采 Ph22 磷矿层主要表现为顶板以上进水，属于承压转无压的进水特点。
3.2 水文地质边界及水文地质模型与数学模型
除浅层地下水向就近的沟谷运移排泄外，区内无明显隔水边界，而深层地下水总体流向北东，其承压性也由西向北东加强，因此矿坑排水漏斗将向北东扩展，故视为无限补给边界的条件。
根据矿区水文地质特点，未来矿坑水主要为顶板直接或间接进水和承压转无压的完整井，在矿坑排水疏干过程中，周边的地下水降落漏斗将可以自由扩展，属无限补给的水文地质边界。另外，又因矿区一带矿床主要充水层岩溶发育程度较强，地下水类型主要属岩溶裂隙承压水，虽不排除其含、富水性存在局部不均一的情况，但为简化计算，故在按地下水动力学法对未来矿坑涌水量计算中，仍采用均质、层流运动的数学模型予以计算。
3.3 计算方法和参数的来源
经勘探取得地下水埋深、含水层厚度、抽水试验渗透系数以及坑道排水量的观测等资料，本文将首采区范围即南部+460 m 以上资源量范围作为涌水量估算范围，首采区开采标高+650～+460 m，选择地下水动力学“大井法”及“水文地质比拟法”对矿坑涌水量进行估算预测，然后对预测结果进行对比评价，为矿山开采设计提供依据。
3.3.1 地下水动力学法
本文分别采用传统半径、经验半径大井法及补给模数大井法估算矿坑的涌水量。
1）涌水量估算方法与估算公式
考虑本矿区矿体赋存与埋藏特点，Ph22 磷矿层及间接底板下亚段隔水层（Z1d12）局部地段变薄或缺失，本文将陡山沱组（Z1d3+Z1d22 +Z1d1）含水层归属同一含水地层进行混算。开采系统必将是由主、副井和各开采中段的开拓巷道网络构成。
矿坑涌水量将主要来自灯影组（Z2Є1d）和陡山沱组（Z1d3、Z1d22、Z1d1）的岩溶裂隙承压水。灯影组 （Z2Є1d）含水层为含无压溶隙水，陡山沱组（Z1d3+ Z1d22 +Z1d1）含水层为含承压溶隙水。基于上述因素考虑，故未来矿坑开采系统涌水量的计算式分别为：
陡山沱组（Z1d）含水层涌水量计算式：
图1走马岭矿区相对位置关系图（a）及等水位线图（b）
灯影组（Z2Є1d）含水层涌水量计算式：
2）计算参数的确定
①Z1d3+Z1d22 渗透系数（K1）：根据本文勘探的 ZK402、ZK902、ZK1203、ZK1302、ZK1504 共 5 孔相应含水层最大降深的抽水、注水试验的厚度加权平均值参与计算（表3）。
表3Z1d3+Z1d22 含水层厚度及渗透系数统计
即：
② Z1d1 渗透系数（K2）：根据矿区的 ZK402、 ZK902、ZK1203、ZK1504 共 4 孔相应含水层最大降深的抽水、注水试验的厚度加权平均值参与计算（表4）。
表4Z1d1含水层厚度及渗透系数统计
即：
③Z2Є1d 渗透系数（K3）：根据矿区的 ZK402、 ZK902、ZK1203、ZK1504 四孔相应含水层最大降深的抽水试验的厚度加权平均值参与计算（表5）：
表5Z2Є1d含水层厚度及渗透系数统计
即：
④（Z1d3+Z1d22）含水层厚度（M1）：单孔工程揭露的该层底板厚度的算术平均值确定。即 M1= 49.35 m。
⑤（Z1d3+Z1d22）水头降低（H1）：附近的抽水试验孔和抽水试验观测孔（ZK1504、ZK1503、ZK1302、 ZK902）对该层进行分层止水的静水位平均值 （610.75 m）与首采区最低开采标高（+460. 00 m）确定，即H1=150.75 m（表6）。
⑥（Z1d1）含水层厚度（M2）：单孔工程揭露的底板厚度的算术平均值确定，即M2 =20.85 m。
⑦（Z1d1）水头降低（H2）：抽水试验孔及抽水试验观测孔（ZK1504、ZK1503、ZK1302、ZK902）对该层进行分层止水的静水位平均值（611.84 m）与首采区最低开采标高（ +460. 00 m）确定，即 H2= 151.84 m。
⑧（Z2Є1d）水头降低（H3）：（Z2Є1d）因属全层疏干，故 H3 值与（Z2Є1d）含水层厚度（M3）相同，M3=117.60 m。
表6走马岭矿区主要含水层水位标高统计
（1）传统半径大井法
矿坑开采系统引用“大井”半径 r0：估算面积 1941667 m2，并按不规则圆形计算式确定引用大井半径r0：
涌水量预测计算范围矿坑排水系统（Z1d3+ Z1d22）、（Z1d1）及（Z2Є1d）含水层的引用影响半径 R01、 R02及 R03，由于矿井疏干排水中，顶板含水层进水类型为承压转无压，因此（Z1d3+Z1d22）、（Z1d1）、（Z2Є1d） 均采用库萨金经验公式计算：
坑道内动水柱高度 h01、h02：由于矿坑排水必须要使水位降低至坑底以下，故h01=h02=0。
则Q=Q1+2+Q3=（3668+3689）+8183=15540 m3 /d；
根据《地下水资源分类分级标准》（GB 15218-2020）矿坑涌水量的计算及其精度级别和可信度分类（钱学溥等，2016），该计算方法精度级别 D，可信度为0.3。
（2）经验半径大井法
涌水量预测计算范围矿坑排水系统（Z1d3+ Z1d22）、（Z1d1）及（Z2Є1d）含水层的引用影响半径 R01、 R02及 R03，由于矿井疏干排水中，顶板含水层进水类型为承压转无压，因此（Z1d3+Z1d22）、（Z1d1）、（Z2Є1d） 均采用经验大井法采用陈善成影响半径经验公式：
则：
坑道内动水柱高度 h01、h02：由于矿坑排水必须要使水位降低至坑底以下，故h01=h02=0。
则 Q=Q1+2+Q3=（2181+2576）+4516=9273 m3 /d； 精度级别D，可信度为0.35。
（3）补给模数（理论半径）大井法
矿坑排水引用影响半径与矿坑排水量及地下水补给模数有关，推导出矿坑排水引用影响半径计算的理论公式（钱学溥等，2019），利用这个理论公式与大井法公式配合，简称补给模数大井法。
则：
(1)
式（1）中：M0为地下水补给模数（L/（s. km2）），Q 为矿坑涌水量（m3 /d），R0为矿坑排水地下水引用影响半径（m）。
则 Q=Q1+2+Q3=（2878+3696）+4987=11561 m3 /d； 精度级别D，可信度为0.4。
3.3.2 水文地质比拟法
1）计算依据
龙洞湾磷矿位于走马岭矿区南部，2010 年建矿，设计规模为50万t/a，方柱法开采，开采对象为开采对象均为Ph2、Ph1，矿坑水的补给主要来自矿层顶板 Z2Є1d、Z1d3+Z1d22、Z1d1含水层，其水文地质条件与走马岭矿区极为相似。根据龙洞湾磷矿坑道涌水量长期观测相关资料，坑道涌水量大小与开采面积和水位降低具有密切关系，具有较强的代表性。
图2走马岭、龙洞湾磷矿水文地质剖面图
2）计算公式的选择与参数的确定
该矿井开采最低标高为+510 m，走马岭矿区钻孔终孔静水位平均值为680.22 m。
2014年底，龙洞湾磷矿坑道系统揭露面积达到 50464 m2，相应正常涌水量为4310 m3 /d，水位降低值为 S1=680.22-510=170.22 m；2015 年年底，坑道系统揭露面积达到 73833 m2，相应正常涌水量为 4496 m3 /d，S2=680.22-510=170.22 m；2016 年年底，矿坑系统正常涌水量为5680 m3 /d，开采最低标高为+495 m，相应的水位降低 S0=680.22-495=185.22 m 及矿坑开拓面积为 92126 m2。采用上述资料，根据涌水量（Q）与水位降低（S）以及涌水量（Q）与开采面积 （F）分别建立函数关系比拟公式。
20 14年底：
Q1=4310 m3 /d，S1=170.22 m，F1=50464 m2；
20 15年底：
Q2=5008 m3 /d，S2=170.22 m，F2=73833 m2；
20 16年底：
Q0=5680 m3 /d，S0=185.22 m，F0=92126 m2；
假设矿坑涌水量与面积和降深乘积的n次方根呈正比：
则：
所以：
其平均质n=（n1+n2+n3）/3=2.49，基于上述考虑，采用日正常涌水量与水位降深、开采面积比值的 2.49次方根成正比关系式，计算走马岭磷矿未来矿山日正常涌水量。即：
(2)
式中各参数确定：
①作为比拟依据的龙洞湾坑道系统的实测涌水量 Q1：根据 2015 年 12 月—2016 年 12 月的实测与统计资料，该矿坑的正常涌水量为 5680 m3 /d，最大涌水量为7043 m3 /d。
②龙洞湾坑道排水目前相应的水位降低值 S0：为天然水位标高与最低开采标高之差，即 S0=680.22-495=185.22 m。
③龙洞湾坑道系统 2016 年年底揭露面积总面积F0：92126 m2。
④预测计算未来矿坑开采系统的相应水位降低S：即S=680.22-460. 00=220.22 m。
⑤预测涌水量计算范围总面积F：1941667 m2。
计算得出 Q=21142 m3 /d；精度级别 D，可信度为0.5。
3.4 矿坑涌水量预测结果
分别采用水文地质比拟法（李小勇等，2014）、地下水动力学法（大井法）对走马岭矿区矿坑开采系统涌水量进行了估算（表7）。
表7矿坑涌水量预测结果统计
（1）地下水动力学法（大井法）中渗透系数 K 值是钻孔水文试验计算所得，为实测、贴近实际具有一定代表性。传统的大井法计算矿坑涌水量，由于没有矿坑排水地下水影响半径的计算公式，只能用抽水孔地下水影响半径的计算公式，传统半径大井法计算的矿坑涌水量，属于 D 级精度，可信度 0.3； 经验半径大井法根据全国各省市多个矿山实测涌水量资料，反求 R 值，进一步拟合计算，公式中的影响半径R是用经验公式计算所得，R值相对偏小，没有考虑大井引用半径r0范围内地下水垂直补给的问题（钱学溥等，2017），但亦接近实际，属于D级精度，可信度0.35；采用补给模数大井法计算矿坑涌水量时，公式中计算的影响半径R值用补给模数法求得，基本切合实际，属于D级精度，可信度0.4稍低。
（2）水文地质比拟法是以水文地质条件相似的龙洞湾磷矿开拓坑道系统并经过雨季和平水期的坑道涌水量资料为依据，坑道充水因素和充水方式均与实际相符，客观的反应了未来矿坑涌水量的水平随季节性降水量的变化和采空面积扩大，矿坑涌水量也随之增大。从所收集的资料来看，水文地质比拟法的预测结果更加符合矿区实际，具较强的可比性。基于此，计算其矿坑涌水量为21142 m3 /d，涌水量精度级别D，可信度0.5，真实可靠度较高，可以作为矿山开采设计的依据。
4 结论
（1）地下水动力学法（大井法）是矿坑涌水量预测解析法的一种，也是矿坑涌水量预测最常用的方法。但由于该估算方法只考虑了直接充水含水层的水文地质条件及相关参数，未考虑大气降水和生产用水等影响因素，把坑道系统看成一个面积与之相等、半径为r0的等效的理想“大井”，导致矿坑涌水量预测值偏小。
（2）本文宜昌磷矿走马岭矿区选用与水文地质条件相似的龙洞湾磷矿开拓坑道系统涌水量资料为依据，考虑了含水层、坑道排水和生产用水等多种因素，反应了未来矿坑涌水量随季节性降水量的变化和采空面积扩大，从而导致矿坑涌水量也随之增大的变化，坑道充水因素和充水方式均与实际相符，计算坑道涌水量为21142 m3 /d，涌水量精度级别 D，可信度0.5，可以作为矿山开采设计的依据。
因此，鄂西地区宜昌磷矿未来矿坑涌水量预测研究采用“相邻开采磷矿山排水量资料比拟”所得矿坑涌水量预测结果更接近实际，预测数值更真实，预测结果更加可靠。
注释
① 杨亮，罗根 .2019. 湖北省宜昌磷矿走马岭矿区勘探报告[R]. 宜昌：湖北煤炭地质一二五队.
