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随着我国矿产开发力度不断加大,矿坑涌、突水现象成为威胁矿区安全生产的最主要的问题,对矿坑涌水量的预测和防治水方案的研究是解决这一问题的关键,因为涌水量的大小直接影响着矿山基建工程投资规模,矿石生产成本和矿山生产经济效益的高低,也影响着矿山治水方案的确定,同时正确的治水方案能使矿区排、供、生态环保三位一体化,取得矿山的经济、环境和社会效益。
湖南道县后江桥铁锰铅锌矿属于我国南方典型的岩溶水充水矿床,位于湖南道县的后江桥一带,处于驷马桥向斜西翼的北段,呈一平缓的单斜构造,地层整体为南北走向,地形为南高北低,南部地形陡峭,以岩溶景观为主,北部地形平缓,多被第四系覆盖。区内岩溶发育,表现为明显的平面分带性和垂向分层性。
本文以道县后江桥铁锰矿矿区为研究切入点,来探讨类似的复杂岩溶充水矿床的涌水量预测和防治水方案制定的方法。围绕这一目的,本文在已有研究的基础上,通过野外的现场调研和室内资料的分析整理,首先总结了矿区的岩溶发育特征,主要讨论了矿区岩溶在平面上和垂向上的发育规律以及与断裂构造、地层岩性的关系。在此基础上,深入研究了矿区的水文地质条件,分析研究区的水文地质岩组结构特征,查明地下水运动规律及补径排条件,判明矿区充水水源及充水途径,利用解析法和均衡法先计算矿坑的涌水量,再以数值法为主,以Modflow软件为技术平台来预测不同条件下的矿坑涌水量,以此制定矿区防排水方案。
本文重点研究分析了矿区地下水含水层的空间介质特征,通过分析岩溶在空间上的发育规律,在平面上将矿区大致分为3个发育区,垂向上分为四个发育带,其中以220~0m标高段内岩溶最为发育。水文地质参数的分区是含水层空间结构分析的另一重点,本次研究主要根据本区岩溶发育的主要影响因素(岩性、地质构造、埋藏条件、汇水条件、径流排泄条件等)、区域地下水流场特征、钻孔岩溶发育程度的统计分析以及各次抽水试验的成果、最终得出符合实际的水文地质参数分区及其各参数值
根据研究区的水文地质条件,分析得出矿床的充水来源广泛,形式多样,但主要以大气降水和地表水体为主,由于矿区岩溶极其发育,其充水途径也是以各种溶洞、溶蚀裂隙、地下暗河等岩溶通道为主,断裂构造带在一定程度上起到了导通地下水的作用。
在查明矿区充水条件的基础上,对研究区的边界条件进行了合理概化,建立了符合实际情况的水文地质概念模型。预测矿坑涌水量采用解析法、水均衡法与数值法相结合,以数值方法为主,运用“Visual Modflow4.2”软件对道县后江桥铁锰铅锌矿区的地下水渗流场进行模型识别,根据矿坑涌水量计算要求,预测不同条件下的矿坑涌水量。通过模拟计算,预算出50m水平Ⅰ矿体的矿坑涌水量平水期和丰水期分别为52898 m3/d、147040 m3/d;0m、-50m水平Ⅱ矿体涌水量平水期分别为56013 m3/d、58036 m3/d,丰水期分别为84308m3/d、87132 m3/d。并计算出从矿体各来水方向、各种补给水源的来水量及其所占比重进行了分析,表明矿体各期主要来水方向为矿体底部和西部方向,主要来水水源为车子江河水和降水。
根据矿区的主要充水水源和矿坑涌水量预测结果的分析,制定了排堵结合、帷幕止水和疏干排水三种方案。利用Modflow软件,预测了排堵结合方案中,设置车子江帷幕后的Ⅰ、Ⅱ矿体矿坑涌水量及减少幅度,防渗效果对Ⅰ矿体平水期、丰水期减幅分别为23.3%、72.0%,对Ⅱ矿体0m水平、-50m水平分别为17.4%、47.9%;19.7%,50.5%。效果较理想。在帷幕止水方案中,Ⅰ、~Ⅱ矿体周边全防渗条件下,Ⅰ矿体+50m水平、丰期减幅为24.9%、72.7%;Ⅱ矿体减幅0m、-50m水平各期分别为17.7%、44.8%;21.0%、44.9%。在疏干排水方案中,对各矿体的各开采水平采用了三种不同的疏干流量进行计算。通过比较分析,从工程可行性和安全角度考虑,建议选取帷幕止水方案。
本论文在矿区涌水量预测和防治水方案制定两方面作了深入细致的研究,在计算方面采用了多种方法相结合,克服了以往涌水量计算方法较单一的不足之处,防治水方案的制定不仅进行了定性分析,还结合了定量评价,为开展岩溶地区矿井涌水量预测和水害防治方案的研究,对指导矿区安全生产具有重要的现实意义。