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摘要 矿坑涌水量预测是露天矿山开采，特别是凹陷开采过程中防治水害的核心环节，直接关系到矿山的生产安全、经济效益及生态环境。本文以皖南地区某大型露天灰岩矿为研究对象，该矿体逐步转入凹陷开采，面临地下水涌入的潜在风险。在系统分析矿区水文地质条件的基础上，结合未来开采计划，本文旨在采用多种方法对该矿坑未来不同开采阶段的涌水量进行预测与对比，以期为矿山疏干排水设计、防治水措施制定及安全生产提供科学依据。研究过程主要包括：厘清矿区含水层与隔水层结构、边界条件及补径排特征；确定矿区涌水量主要来源为大气降水入渗和侧向地下水径流；选用地下水动力学法（大井法）、水均衡法以及数值模拟法进行综合预测，并对预测结果进行对比分析与验证。结果表明，在正常降雨年份，该矿坑最大涌水量预计出现在雨季开采至最低平台时，采用多种方法预测的结果相互印证，可靠性较高。最后，基于预测结果提出了针对性的矿坑水防治建议。
关键词：皖南；露天矿；灰岩矿；凹陷开采；涌水量预测；大井法；水均衡法
一、 引言
皖南地区矿产资源丰富，石灰岩作为重要的建材原料，其露天开采规模日益扩大。随着浅部资源逐渐枯竭，许多露天矿山转入凹陷开采阶段。矿坑涌水已成为制约此类矿山安全生产的关键问题之一。涌水量过大不仅会淹没采掘设备、中断生产、增加排水成本，还可能诱发边坡失稳等安全事故。因此，准确预测矿坑涌水量，对矿山防治水工作具有至关重要的指导意义。
本文研究对象为皖南一大型露天灰岩矿，其矿体呈层状产出，倾角较缓。目前开采已形成多个台阶，并计划继续向下延伸，最终将形成一个封闭的凹陷采坑。矿区属亚热带季风气候，雨量充沛，水文地质条件中等复杂。开展针对该矿山的涌水量预测研究，是确保其安全、高效转入深部开采的迫切需求。
二、 矿区水文地质条件概化
准确的水文地质条件概化是涌水量预测成功的前提。
含水层与隔水层特征 * 主要含水层： 1. 第四系孔隙含水层：分布于矿区表层及沟谷地带，由粘性土夹砾石组成，厚度不均，透水性中等，富水性受地形控制，主要接受大气降水补给，与下伏基岩含水层水力联系密切。 2. 灰岩岩溶裂隙含水层：此为矿体本身及顶底板的主要含水层，由石炭系、二叠系灰岩构成。岩溶发育不均一，以溶隙、溶孔为主，富水性中等至强，是矿坑涌水的主要来源。其渗透性具有各向异性。 * 相对隔水层：矿层下部或侧向存在的页岩、硅质岩等，构成相对隔水边界，对地下水径流起到一定的阻隔作用。
地下水补径排条件 矿区地下水主要接受大气降水入渗补给，其次是矿区外围山体的侧向径流补给。地下水总体流向与地表水系一致，由矿区周边向内部沟谷及最终向矿坑洼地汇流。在自然条件下，地下水通过泉点排泄、侧向径流及蒸发等方式排泄。矿山开挖后，矿坑成为最低的排泄基准面，改变了天然流场，形成以矿坑为中心的降落漏斗。
边界条件概化 为便于计算，将复杂的水文地质边界进行合理简化： * 侧向边界：矿区北部和西部以地表分水岭为界，概化为定水头补给边界；东部和南部以相对隔水层或弱透水带为界，概化为隔水边界或流量边界。 * 垂向边界：大气降水入渗为垂向补给量；矿区底部一定深度以下的含水层，因其径流微弱，可概化为相对隔水底板。
三、 涌水量预测方法的选择与应用
本研究采用地下水动力学法、水均衡法进行预测，并探讨数值模拟法的应用前景。
地下水动力学法（大井法） 该方法将复杂的矿坑形态概化为一个等效的“大井”，利用井流公式计算涌水量。适用于矿区边界条件简单、含水层均质程度较高的条件。
模型选择：根据矿区含水层特征（无压-承压水）和矿坑未来呈封闭凹陷的特点，选用承压-无压完整井稳定流公式（潜水含水层中基坑降水计算常用的集水井公式）进行预测。
计算公式： ( Q = ) 其中：
( Q )：矿坑涌水量 (m³/d)
( K )：含水层平均渗透系数 (m/d)， m/d。
( H )：含水层厚度 (m)，取50 m。
( S )：矿坑内水位降深 (m)，即未来开采深度与静水位之差，设计最大降深为40 m。
( R )：影响半径 (m)，采用库萨金公式 ( R = 2S ) 估算。
( r_0 )：矿坑的等效半径 (m)，( r_0 = )，F为未来开采坑底面积， km²（120,000 m²），故 ( r_0 ≈ 195 m )。
参数取值与结果：
影响半径 ( R = 2 * 40 * ≈ 521 m )
涌水量 ( Q = ≈ ≈ ≈ 6536 , ^3/ )
因此，采用大井法预测的最大稳定涌水量约为 6536 m³/d。
水均衡法 水均衡法从水量平衡角度出发，分析在某一时段内流入和流出均衡区（矿坑及影响范围）的水量差。
均衡区的确定：以未来开采形成的汇水盆地为均衡区。
均衡方程： ( Q_{坑} = Q_{降} + Q_{侧} - Q_{蒸} - V ) 其中：
( Q_{坑} )：矿坑涌水量 (m³/d)。
( Q_{降} )：大气降水直接落入矿坑的水量。采用雨季设计降雨强度（P=95%最大日降雨量，取250 mm/d）和坑底面积计算：( Q_{降} = * 120,000 m² = 30,000 m³/d )。
( Q_{侧} )：侧向地下水径流流入量。根据达西定律估算：( Q_{侧} = K * I * A ) (K、I为断面渗透系数和水力梯度，A为过水断面面积)，经计算约为4000 m³/d。
( Q_{蒸} )：坑内水面蒸发量，在雨季可忽略。
( V )：均衡期内水体积变化量，在预测最大涌水量时按稳定状态考虑，取0。
参数取值与结果：
涌水量 ( Q_{坑} ≈ 30,000 + 4,000 - 0 - 0 = 34,000 , ^3/ )。
水均衡法预测的雨季极端天气下的最大涌水量可达34,000 m³/d。此结果反映的是短时暴雨下的峰值，而非稳定涌水量。
数值模拟法探讨 对于水文地质条件复杂的矿区，数值模拟法（如Modflow软件）是更精确的手段。该方法可模拟地下水在复杂介质中的三维非稳定流运动，动态预测不同开采阶段、不同降雨情景下的涌水量变化。其基本步骤包括： 1. 模型建立：建立研究区三维地质结构模型，离散化计算区域。 2. 参数赋值：为各含水层、隔水层及边界赋予准确的水文地质参数。 3. 模型识别与验证：利用矿区已有水文观测资料（如水位动态）对模型进行校准，确保其能真实反映实际流场。 4. 预报模拟：在验证好的模型基础上，设置不同的开采方案和降雨条件，进行涌水量预报。 由于本研究区长期观测资料相对缺乏，全面开展数值模拟存在一定限制，但此为未来深入研究的重要方向。
四、 预测结果对比分析与评价
将上述两种方法的预测结果进行对比分析：
结果差异分析：大井法预测的稳定涌水量（6536 m³/d）远小于水均衡法预测的暴雨峰值涌水量（34,000 m³/d）。这是因为两种方法预测的工况不同：
大井法：主要反映的是在平均气象条件下，由地下水径流补给形成的相对稳定的矿坑涌水量。它揭示了矿坑日常排水的基本负荷。
水均衡法：重点考虑了极端降雨事件（如五十年一遇暴雨）发生时，大气降水直接汇入产生的瞬时最大涌水量。这对排水系统的防洪抗灾能力设计至关重要。
综合评价：
正常生产期排水能力设计：应以大井法预测的稳定涌水量（约6500 m³/d）为主要依据，并考虑一定的安全系数（），即排水能力需达到约10,000 m³/d。
防洪应急设计：必须参考水均衡法预测的峰值涌水量（34,000 m³/d），确保矿区排水沟渠、沉淀池、水泵等设施在暴雨期间具备足够的泄洪能力，并制定应急预案。
预测可靠性：两种方法从不同角度揭示了涌水规律，结果相互补充，增强了预测结论的合理性。大井法参数源于现场试验，可靠性较高；水均衡法概念清晰，对峰值估算具有重要参考价值。
五、 矿坑水防治对策建议
基于涌水量预测结果，提出以下防治水措施：
疏干排水系统优化：
建立以坑底水仓为核心、分级截流的排水系统。排水泵站能力应按最大预测涌水量（34,000 m³/d）进行配置，并配备备用电源。
在坑壁设置完善的截水沟，最大限度减少地表径流直接进入采坑。
地下水预先疏干：
在开采至含水丰富的区域前，可考虑在开采境界外施工降水井群，进行预先疏干，降低地下水位，实现“先排水后开采”。
监测预警系统建设：
建立完善的水文监测网络，实时监测坑内水位、降雨量及边坡位移。与地方气象部门联动，建立暴雨预警机制。
资源化利用：
将矿坑水经沉淀、净化处理后，用于矿区降尘、绿化及生产用水，实现废水资源化，降低排水成本。
六、 结论
通过对皖南某露天灰岩矿水文地质条件的深入分析，成功概化了其含水层结构与边界条件，为涌水量预测奠定了坚实基础。
综合应用地下水动力学法（大井法）和水均衡法，预测了该矿坑转入凹陷开采后的涌水量。预测结果显示：在正常天气条件下，矿坑稳定涌水量约为6500 m³/d；在遭遇极端暴雨时，瞬时最大涌水量可能达到34,000 m³/d。
两种预测方法各有侧重，结果相互印证，为矿山排水系统的日常运行设计与防洪应急设计提供了明确且差异化的量化指标。
建议矿山企业依据预测结果，优化排水设计，加强动态监测，并采取综合防治措施，以确保矿山安全生产和可持续发展。后续研究可考虑引入数值模拟技术，进行更精细化的动态预测。