0 引言

随着中国发展进入新时代，资源开发对环境的影响得到越来越多的重视（杨胜堂等，2018；张珊珊等，2020），在分析矿山开采对地下水环境的影响时，准确预测矿坑涌水量显得尤为重要，这也是矿山作为开采设计和安全防护的重要依据。目前矿坑涌水量常用的的预测方法主要有：大井法（李亮经等，2009；管斌等，2020；于崇波，2020；秦磊等， 2021；秦贞娜等，2021；张涛等，2021）、比拟法（陈书客等，2018；崔义文和文相正，2020；施强等，2020； 赵雪琼等，2020；贲世连等，2021）、水均衡方法（李兰，2015；王西荣和胡长友，2018）、数值法（李秀娟等，2017；修艳敏等，2021），但是以上预测均是基于矿山为单一类条件类型进行的，对于多种条件类型叠加的复合型矿山涌水量预测鲜有研究。本文以河北某金属矿山为例，研究开采前水文地质条件，计算了矿坑首采段涌水量，并根据实际开采情况进行实践验证。在开采条件下，由于矿山深部开采面积急剧减小，并且中部存在相对隔水层，将矿山条件合理概化，上部概化为抽水大井，深部概化为抽水大井中深部叠加的抽水小井，以相对隔水层为界，将井型概化为半圆形（河北省地质局水文地质四大队，1978），从而形成复合型矿山水文地质模型，利用大井法预测了深部矿坑涌水量，并与相关分析法预测的涌水量进行了对比验证。为同类型设计期矿山提供地下水研究参考，也为深部开采条件变化的矿山提供了矿坑涌水量预测参考。

1 矿山概况

矿山地处中低山所环绕的盆地地区，盆地四周为构造剥蚀基岩山区，地形切割较强烈，沟谷发育，盆地内发育两条季节性河流，区内年均降水量345.74 mm，蒸发量 1980.90 mm，降水主要集中在 6—9月份。

矿区出露基岩为南部的中震旦统雾迷山组 （Z₂w）硅质白云岩以及燕山早期侵入的基性杂岩体，矿体即赋存于后期东西向和北东向裂隙构造中，整体呈近东西向似层状分布。中更新统（Q₂）、上更新统（Q₃）、全新统（Q₄）覆盖，其中 Q₂全区分布，下部为含黏性土砾石层，矿区中段该层缺失，上部为红色黏土层；Q₃整合接触于 Q₂之上，下部为杂色黏土夹薄层细砂，上部为黄土夹砾石透镜体和黄土与砾石互层；Q₄主要分布于河床及一级阶地，岩性为粉土、粉质黏土。

该矿山于 20 世纪 70 年代开始普查工作，90 年代开始投产，目前矿山已开拓+515 m、+425 m、+335 m三个主要中段，下一步准备继续以+335 m和新设 +235 m作为主要开采中段。

2 矿区水文地质条件

对于同一个矿山，当矿区内水文地质条件差异较大时，将其不同区域划分为不同的水文地质单元去研究，是一种更符合客观情况的研究方法（肖乐乐等，2015）。通过本矿区水文地质条件分析，矿区所处水文地质单元进一步划分为西区、东区 2 个次级水文地质单元。

2.1 水文地质单元

矿区位于盆地东南边缘，水文地质单元范围界定如下：西部以隔水断层 F₅为界，北部以隔水断层 F₁ 为界，东部至 F₄ 隔水断层，南部至基岩山麓一带（图1）。

矿区中部因古地形较高，Q₂下部砾石层缺失，基岩顶面直接覆盖Q₂上部红色黏土，风化带裂隙被黏土充填，形成了相对隔水层。矿山开采过程中，在此相对隔水层垂向延伸地段，预留了安全隔离矿柱，保证了此相对隔水层在深部的延伸，以此中间隔水带为界将矿区分为 2 个相对独立、不互相干扰的次级水文地质单元，虽然在含水层、隔水层构成上相似，但是流场和补径排条件都有差异。

1—全新统砂砾卵石潜水含水层；2—上更新统黄土砾石承压含水层；3—中震旦统雾迷山组白云岩裂隙含水层；4—燕山期杂岩体裂隙含水层； 5—断层；6—铅锌矿体；7—相对隔水层；8—水文地质单元界线

天然条件下，2个次级单元中，西区水位要高出东区160 m。开采条件下，由于西区顶板预留100 m 安全矿柱，并采用充填法采矿，充填效果良好，开采对第四系中更新统（Q₂）含水层影响较小，东区采用崩落法，第四系中更新统（Q₂）含水层受采矿塌陷区影响，水位降深较大，所以两区仍然存在着高水头差。在矿山将来的生产中，两区分界仍然会继续保持，在水文地质条件不变的情况下，2个次级的水文地质单元会继续保持不变。

2.2 含水层与隔水层

2.2.1 含水层

（1）全新统砂砾卵石潜水含水层（Q₄）：分布于河床及其一级阶地，岩性为冲洪积砂砾卵石夹粉土、粉质黏土，矿床地段一般厚 6～10 m，往北渐厚，宽度约 1500 m，渗透系数 42.5 m/d，单位涌水量 3～4 L/s·m，透水性、富水性中等。

（2）上更新统黄土砾石承压含水层（Q₃）：分布于黄土台地，上覆黄土 30～40 m，下伏厚大且稳定分布的黏性土隔水层，岩性为黏土与砾石互层，分布不稳定，多呈条带状分布，单位涌水量一般小于0.1 L/s·m，其透水性差、富水性弱。

（3）中更新统底部含黏土砾石承压含水层（Q₂）：矿区广泛分布，但在中部缺失，表现为承压水性质，渗透系数 2.19～11. 00 m/d，单位涌水量 0.142～5.389 L/s·m。东区在矿坑长期排水后，地下水位降深较大，Q₂下部砾石层被疏干，成为透水不含水地层。

（4）杂岩体基岩裂隙含水层：杂岩体顶部风化裂隙较发育，风化带厚度 10～20 m，透水性较弱。构造裂隙较发育处，巷道多呈现强滴水和淋水区，透水性弱—中等。与其上覆的黏土砾石承压含水层（Q₂）组成统一的含水体。

2.2.2 隔水层

（1）上更新统下部杂色黏土隔水层：主要为黏土局部夹砾石，一般厚度 30～50 m，厚度较稳定，隔水性好。

（2）中更新统上部红色黏土隔水层：Q₂上部为红色黏土，具有半成岩性质，分布稳定，厚度在 5～143 m，隔水性能良好，很好地将Q₂下部砾石含水层与Q₄含水层分开，分层径流，二者之间无水力联系。

2.3 地下水补给、径流、排泄特征

（1）第四系全新统（Q₄）砂砾石含水层地下水补径排特征：主要分布于河床、河漫滩及一级阶地。其接受大气降水直接入渗、雨季河流补给、南部白云岩含水层的侧向补给，在旱季以白云岩侧向补给为主，在雨季以白云岩侧向补给和降雨入渗补给为主。天然条件下其接受区域补给以后，由南至北运动，泄向水库。矿山开采条件下，受塌陷区影响，在对隔水层破坏地段形成对矿坑的排泄。

（2）Q₂黏土砾石与杂岩体裂隙统一含水层地下水补径排特征：上覆有隔水性能良好的黏性土隔水层，无大气降雨直接补给，只能接受南部山区基岩的侧向补给。由于该含水层往南厚度变薄、透水性变弱，接受的补给量有限，地下水接受补给后，依地形向北东方向运动，由于矿区中部缺失Q₂含黏性土砾石含水层，该地段填充为隔水性能良好的黏性土隔水层，地下水径流分成东西两区，东区受 F₄隔水断层及地形影响，地下水由南至北径流运动，构造裂隙是地下水的主要径流通道，西区主要沿Q₂黏土砾石与杂岩体裂隙统一含水层径流。天然条件下，地下水在径流过程中受断裂构造及古地形影响，在断层带以泉水形式排泄，矿山开采条件下，地下水主要通过人工开采排泄，还有部分泉水排泄。

2.4 地下水动态特征

（1）Q₄砂砾卵石含水层地下水动态：天然状态下，砂砾卵石含水层地下水动态无论枯水期还是洪水期变化均很小。一是由于南部山区区域地下水动态变化不大，二是因为矿区南部分布的砂砾卵石含水层厚度不大，其控制着地下水的径流量也不大。矿区砂砾卵石含水层分布宽＞1000 m，而且透水性强、水力坡度大，这样补给含水层的地下水很快地得以排泄，使得天然情况下，该含水层水位变化不大。开采状态下，由于春夏季节灌溉大量抽取该含水层地下水，使得地下水位下降较快，南部山区部分井深较浅的民井因水位下降，甚至不能使用。过了灌溉季节，水位又逐渐回升。

（2）Q₂黏土砾石与杂岩体裂隙统一含水层动态：天然状态下，该含水层上覆有厚大的黏性土，大气降水不能直接补给该含水层，其主要接受南部白云岩的侧向补给和少量Q₄含水层垂向越流补给，动态变化与区域水位变化一致，年际变化不明显，年内呈现季节性变化。随着近些年工农业生产需要，对Q₂含水层的开发利用也在增大，通过2005—2020 年 Q₂含水层水位曲线可以看出（图2），地下水位年际呈现出缓慢下降的趋势，通过2020年钻孔水位曲线（图3），可以看出虽然水位呈现了季节性变化，雨季后稍微有所抬升，但年内的总体趋势仍然是有所下降的。

3 矿床充水因素

（1）水源：矿床赋存于碱性超基性杂岩体中，该杂岩体上覆有平均厚度 60～70 m 的 Q₂含黏土砂砾石层与基岩风化带的统一含水带，该含水带直接接受南部及西南部震旦系雾迷山组白云岩风化裂隙水的侧向补给，通过构造裂隙进入矿坑，是矿床充水的直接水源。另外，若矿山开采破坏了Q₄砂砾石含水层与开采区之间的相对隔水层，则Q₄砂砾石含水层也会从间接充水水源变为直接充水水源。

（2）通道：西区矿体顶部预留100 m厚安全矿柱作为保护层，杂岩体基岩上部为风化严重的辉石岩，风化带上部为含粉质黏土砾石承压含水层，地下水主要通过构造裂隙与矿坑沟通，由于构造不发育，透水性较弱，地下水进入坑道径流途径较长，坑道内单点出水量较小，压力不大，巷道出水点水量多为1 m³ /h左右。

东区采用崩落法采矿，正常开采时，对矿体上部的岩体造成破坏，增加了裂隙通道的透水性，使上部的 Q₂、Q₃和 Q₄含水层及地表水大部分汇入矿坑，矿坑涌水量主要取决于矿坑塌陷区控制范围内构造裂隙是否通畅。

4 水文地质概念模型验证

以建立的矿区水文地质概念模型为基础，通过事后预测涌水量并与实际涌水量进行对比的研究方法，来验证矿区水文地质概念模型的准确性。

矿山设计阶段没有矿山实际开采水量做为依据，只能在正确认识水文地质条件基础上，概化水文地质边界，结合水文地质试验取得的参数，利用地下水动力学的计算方法计算矿坑涌水量。本矿山设计阶段采用解析法和比拟法计算涌水量。

由于潜水含水层主要集中在河床一带，河床宽度和长度变化不大，故将其横断面概化为一个矩形。利用解析法中断面法进行计算顶部潜水含水层对矿坑补给量，其原理为根据抽水试验取得的渗透系数 k，河床平均宽度 B，上下游平均断面宽度 （h₁+h₂）/2，上下游断面计算水力梯度（H₁+H₂）/2，利用达西公式（薛禹群，1997）求得。

比拟法原理为在同一地区，地质、水文地质条件相似，可以根据已有矿井排水数据比拟计算矿区的涌水量。本矿区在水文地质勘查中采用了抽水试验，故将抽水试验抽水孔作为比拟的基础，将整个矿区开采概化为一个抽水大井，作为比拟的对象，计算矿坑涌水量，但是由于其中部存在的隔水层，概化的矿区抽水大井仅取一半的水量。

4.1 矿坑涌水量计算

在矿山开采前的设计阶段，针对矿山首采中段 （+500 m水平左右），为研究矿山采用崩落法采矿的方式下矿坑涌水量，同时为地下水资源环境的研究提供依据，各个含水层补给矿坑涌水量计算如下：

（1）Q₄砂砾卵石含水层：由于 Q₄砂砾卵石含水层下地下水沿河床及其阶地呈南北向运动，属潜水平面流，按均质缓倾斜潜水含水层估算其顺河方向地下径流量，计算公式如下：

式（1）中：Q 为砂砾卵石含水层径流量（m³ /d），k 为渗透系数（m/d），B 为含水层宽度（m），h₁、h₂为上下游断面处含水层厚度（m），H₁、H₂为上下游断面处地下水位标高（m），L为上下游断面间的距离（m）。

根据含水层抽水试验及水位动态观测数据可得，k 为 42.5 m/d，B 为 1500 m，h₁ 为 2.35 m，h₂ 为 9.45 m，H₁为715.35 m，H₂为694. 00 m，L为1200 m。计算得Q为6690 m³ /d。

（2）Q₂黏土砾石与杂岩体裂隙统一含水层：矿体赋存在杂岩体中，其上覆盖着Q₂黏土砾石与杂岩体裂隙统一含水层，是矿床直接充水水源，控制着矿坑涌水量，根据矿山水文地质条件，分西区、东区 2 个无互相干扰的分区，分别预测涌水量。天然条件下，此含水层地下水为承压水，矿床疏干时转化为承压—潜水状态，取矿坑范围内水位降至含水层中部时的涌水量为矿坑涌水量预测值。

根据群孔抽水试验资料，采用比拟法预测涌水量，考虑到概化后的矿坑为半圆形，所以水量按 1/2 进行修正，比拟公式如下：

式（2）中：Q 为预测水量（m³ /d），Q_抽为抽水孔出水量（m³ /d），R为矿坑引用半径（m），s为矿坑疏干降深值（m），r_抽为抽水孔至观测孔距离（m），s_抽为观测孔处水位降深值（m）。

根据钻孔抽水试验成果，Q_抽=1367.5 m³ /d，r_抽= 196.6 m，s_抽=2.912 m。

矿坑引用半径按照矩形矿坑公式计算，如下：

式（3）中，R 为计算引用半径（m），η 为换算系数，a 为映射后矩形长度（m），b 为映射后矩形宽度（m）。

西区矿坑引用半径计算时，将矿体投影范围概化为长1100 m，宽267 m，再对矿区中部相对隔水层进行映射，形成长 2200 m，宽 267 m 的矩形，即 a 为 2200 m，b为 267 m，η 查表为 1. 09，计算得西区引用半径R=672 m。

同理，东区概化时，将矿体投影范围概化为长 1100 m，宽 145 m，映射后长 2200 m，宽 145 m，即 a 为 2200 m，b为 267 m，η查表为 1. 06，带入公式计算得东区引用半径R=621 m。

疏干前，西区初始水位标高 760. 0 m，含水层顶底板标高分别为 602.5 m、573.2 m，含水层平均厚度29.3 m；疏干时，地下水位降至含水层中部，水位降深值取s=172.15 m。

同理，东区初始水位标高 595. 0 m，含水层顶底板标高分别为 579.1 m、551.4 m，含水层平均厚度 27.7 m，疏干时水位降深值取s=29.75 m。

带入式（2），计算得出西区预测涌水量 Q_西= 9720 m³ /d，东区预测涌水量 Q_东=3884 m³ /d，由于 Q₄ 砂砾卵石含水层仅影响东区矿坑，其转入矿坑水量取决于开采对含水层底部黏土等相对隔水层的破坏程度。

4.2 计算矿坑涌水量验证

经计算，在矿区西区、东区均采用崩落法采矿时，首采段西区矿坑涌水量为 9720 m³ /d，东区在不对上部第四系相对隔水层破坏的情况下，矿坑涌水量为3884 m³ /d，但是一旦河床附近形成了较大范围的塌陷区，Q₄砂砾卵石含水层径流量基本都转入了矿区矿坑水时，东区矿坑涌水量为 3884+6690= 10574 m³ /d。

矿山生产时，考虑到崩落法采矿西区对地下水环境影响较大，故对西区矿体顶部预留 100 m 厚的安全矿柱作为保护层，并采用充填法采矿，每个采区开采结束及时充填，保证充填体和围岩的连续性，以此截断上部含水层对矿体的补给水源和通道，经后期开采验证，效果良好，西区坑道内单点出水量与压力较小，矿坑涌水量约 1000 m³ /d。而东区，采用崩落法采矿，地表形成了塌陷区，对第四系相对隔水层造成了破坏，增加了矿坑水源，连通了补给通道，采矿时矿坑涌水量初期约 7618 m³ /d，后稍有增大，并受深部同时开出的综合影响，涌水量增至约10000 m³ /d。

经过实际生产的验证，设计阶段对矿区水文地质条件分析准确，模型概化合理，涌水量计算准确度高。

5 深部开采矿坑涌水量预测

矿山经过初期开采后，可以对矿区的水文地质条件、矿床充水要素进一步分析总结，在此基础上，利用矿山实际开采时总结的水文地质相关资料，对深部中段开采时矿坑涌水量进行预测。

相关分析法适用于有大量统计数据、存在某种统计关系的矿床，可以采用数理统计分析方法建立统计模型，计算矿坑涌水量，可以避免因解析公式中参数取值偏差的问题。

比拟法特别适用于有多年排水量观测资料的生产矿井，根据已开采中段的实际排水资料，预测延伸水平或中段的涌水量。

5.1 相关分析法预测深部矿坑涌水量

矿山多年开采后，形成了多个开采中段，积累了长年的涌水量观测数据，可通过矿坑涌水量与主要影响因素之间建立相应的回归方程，预测下一中段开采的矿坑涌水量。根据矿山 1998—2020 年巷道累计开拓工程量和平均日排水量资料，绘制拟合曲线图（图4），利用样本数23，拟合优度R² =0.9344。根据曲线图，矿坑涌水量与巷道开拓工程量拟合曲线方程为：

式（4）中：Q为预测矿坑涌水量（m³ /d）；L为巷道累计开拓工程量（m）。

根据矿山开拓设计，深部工程全部展开后，预计巷道长度为 57473 m，带入方程，求得深部开采时，预测矿坑涌水量为17697 m³ /d。

5.2 优化比拟法预测深部矿坑涌水量

矿山长期排水引起基岩地下水位大幅下降，形成了很大范围的压力释放空间场，基本暴露了矿区含水系统的内部矛盾，矿山前期排水相当于长期大型放水试验，与未来深部工程排水降压条件基本一致，可采用比拟法估算矿坑涌水量，西区、东区分别进行涌水量计算。

5.2.1 西区矿坑涌水量预测

西区矿坑涌水量主要分为两部分，一部分为西风井排水量，另一部分为西区巷道涌水量。

（1）西风井排水量：西风井的出水段主要和揭露Q₂黏土砾石与杂岩体裂隙统一含水层有关，根据 Q₂含水层钻孔水位资料，含水层水位变化不大，西区的深部工程不考虑开采爆破震动等对西风井的影响时，其出水量与现状出水量相近，取720 m³ /d。

（2）西区巷道涌水量：西区采用充填法采矿，并在顶部预留约 100 m 安全厚度，由于矿区基岩含水层厚度大、透水性弱，矿床地下水接受区域地下水侧向补给水量有限，以垂向补给为主，控制着中上部地下水流场分布，中下部含水层压力释放并向上传导，形成了以疏干巷道为中心的从源到汇的三维空间流场分布特征。矿山西区含水层无法疏干，水位难以降至开采水平，井巷排水量主要受井巷揭露基岩构造裂隙的数量控制。因此，矿山西区以巷道长度作为比拟要素。根据西区水文地质条件及收集 2016—2020年共 5年资料，西区巷道涌水量基本保持稳定状态（表1），平均涌水量1172 m³ /d。

目前，矿山西区开拓+515 m、+425 m 和+380 m 共 3 个中段，巷道揭露总长度 13498 m，涌水量为 1172 m³ /d，深部工程全部展开后，巷道长度约为 22398 m，按线性关系推算，矿山西区的巷道正常涌水量为1946 m³ /d。

矿山西区正常涌水量为西风井排水量和巷道涌水量之和，即720+1946=2666 m³ /d。

5.2.2 东区矿坑涌水量预测

东区采用崩落法采矿，正常开采时，使矿体上部的岩体遭到破坏，增加了通道的透水性，使上部 Q₂黏土砾石与杂岩体裂隙统一含水层的水通过构造裂隙进入矿坑，根据目前巷道出水情况分析，矿山东区已经形成了一定范围的降落漏斗，涌水量随着开拓深度和揭露面积的加大而逐渐增加。由于 +235 m 中段深部开拓面积较上部+335 m 中段减小很多，深部+235 m 水平开采时，无法将+335 m 中段全部疏干，尚有残余水量。因此，矿山深部工程开展后，涌水量分两部分计算，一部分为矿山东区以巷道开拓长度和水位降深作为比拟要素计算的 +235 m 中段矿坑涌水量，另一部分为东区疏干至 +235 m中段时，+335 m中段的残余涌水量。

（1）+235 m 水平中段矿坑涌水量：根据 2016— 2020 年 5 年资料，东区矿坑涌水量基本保持稳定状态（表2），平均涌水量10719 m³ /d。

目前，矿山东区+335 m中段巷道分布控制面积 128875 m²，水位标高约+380 m，初始水位标高约 +595 m，水位降深215 m，涌水量为10719 m³ /d；深部工程展开后，预计+235 m中段巷道分布控制面积约为53375 m²，设水位降至最低开采中段+235 m，水位降深360 m，比拟公式如下：

式（5）中：Q 为预测东区矿坑涌水量（m³ /d），Q₀ 为现状东区矿坑涌水量（10719 m³ /d），F 为未来 +235 m 中段开拓系统分布控制面积（53375 m²），F₀ 为现状+335 m中段开拓系统分布控制面积（128875 m²），S为深部工程完成后东区水位降深值（360 m）， S₀为现状东区水位降深（215 m）。

代入数值计算得出，东区+235 m水平中段矿坑涌水量为8926 m³ /d。

（2）东区开采至+235 m 中段时，+335 m 中段残余涌水量计算公式为：

式（6）中：Q 为预测东区疏干至+235 m 中段时， +335m 中段残余水量（m³ /d），Q₀为现状东区矿坑涌水量（10719 m³ /d），F为未来+235 m中段开拓系统分布控制面积（53375 m²）；F₀为现状+335 m 中段开拓系统分布控制面积（128875 m²）。

代入公式，东区疏干至+235 m 中段时，+335 m 中段残余涌水量为6281 m³ /d。

综上所述，在深部工程与前期条件相似情况下，并且东部塌陷区规模不再进一步扩展，东区矿坑涌水量为两部分水量之和，为15207 m³ /d。

矿坑深部矿坑涌水量取西区、东区预测水量之和，为17873 m³ /d。

5.2.3 深部矿坑涌水量说明

通过相关分析法预测矿坑涌水量为 17697 m³ / d，比拟法预测矿坑涌水量为 17873 m³ /d，两者基本接近。但两种方法均存在一定的局限性，比拟法采用的数据中，对矿山总排水量根据经验和部分数据分为了东西区各自排水量，且东区缺乏观测系统； 采用相关分析法时，忽略了矿山东西两个次级水文地质单元的差别。总体上讲，在有限的工作条件下，计算方法及结果较合理、可靠。

6 结论

（1）通过对矿山水文地质条件分析，矿区分为西区、东区两个次级水文地质单元并概化为半圆大井，矿山在西区、东区开采时分别使用了充填法和崩落法采矿，且矿山深部中段开采面积较上部中段急剧减小，概化为大井叠加深部小井，矿山在水平和垂向上水文地质条件复杂，成为复合型矿山。

（2）根据抽水试验的数据使用比拟法预测了首采段的矿坑涌水量，根据实际验证，水文地质模型概化合理，计算结果较准确。

（3）在深部开采需要预测矿坑涌水量时，利用上部中段开采数据，在比拟法计算的基础上进行了优化，并与相关分析法相印证，预测了矿坑涌水量。

（4）对同类型复合型矿山涌水量从设计阶段到深部开采阶段的涌水量预测提供了理论和实践依据，为矿山的安全开采和相关地下水资源保护提供了依据。

参考文献