（模式识别与智能系统专业论文）中桥南铁矿水资源综合利用方案的研究.pdf

中桥南铁矿水资源综合利用方案的研究 摘要 以当涂县中桥南铁矿矿坑涌水量风险分析和矿排水综合利用为研究目标， 在矿区地质普查成果的基础上，确定详查中水文地质勘查程度、设计相应的工 作内容；在对包括详查在内的野外勘查资料进行综合分析与整理的基础上，综 述该铁矿区域和矿区的地质与水文地质条件，建立水文地质概念模型与相应的 数值模拟模型；结合矿山开采的初步方案，预测矿坑正常涌水量，并进行相关 的风险分析；在分析生产各环节需水水质要求与水量变化、矿坑涌水水质条件 与水量变化过程的基础上，从环境保护与水资源节约角度，计算矿山生产需用 水量，研究水资源综合利用方案。基于承压转无压井公式运用m o n t ec a r l o 法 计算涌水量预测值风险概率的思路如下：进行不确定分析，利用灵敏度分析法 确定主要风险因子；基于承压转无压流公式运用m o n t ec a r l o 法生成涌水量随 机数；依据贝努利定理计算涌水量风险率。矿坑涌水量预测，数值法较解析法 更贴近现实，东区在三年内涌水量计算值序列平均值为5 8 7 4 6 m 3 d ，西区为 2 8 8 9 5 m 3 d ；西区第一种情况( 见3 2 2 2 节) ，6 9 2 9 8 9 7 m 3 d 风险率为0 4 3 3 3 ， 第二种情况3 7 5 7 9 0 7 m 3 d 风险率为0 3 1 4 4 ；东矿段污废水循环使用率达到 7 8 5 5 ，并实现无害排放，生产供水保证率为l o o ，西矿段第一种情况下的 生产供水保证率为1 0 0 ，第二种情况下的生产供水保证率为9 9 9 l 。 关键词：矿坑涌水量不确定分析风险率废水处理回用 r e s e a r c ht om u l t i p l e - - u t i l i z i n gs c h e m e o fw a t e rr e s o u r c ei nz h o n g q i a o n a ni r o nm i n e a b s t r a c t r i s ka n a l y s i so f p i t sw a t e ri n f l o wa n dm u l t i p l eu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e i nz h o n g q i a o n a ni r o nm i n ew e r er e g a r d e da sd i s q u i s i t i v et a r g e t ，w ea s c e r t a i n e d h y d r o l o g i c a lg e o l o g i c a lp e r a m b u l a t i o n s e x t e n ta n d d e s i g n e dr e l a t e dw o r k i n g c o n t e n tb a s i n go nt h er e s u l to fd i g g i n g s g e o l o g i cs u r v e y ；o nb a s i so fm u l t i p l e a n a l y s i sa n da r r a n g e m e n to ff i e l dp e r a m b u l a t i o n sd a t u mw h i c hi n c l u d e dd e t a i l e d p e r a m b u l a t i o n sr e p o r t ，w es u m m a r i z e da r e aa n d d i g g i n g s g e o l o g i c a l a n d h y d r o l o g i c a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o no ft h ei r o nm i n e ，e s t a b l i s h e dt h eh y d r o l o g i c a l g e o l o g i c a lc o n c e p t u a lm o d e la n dc o r r e s p o n d i n gn u m e r i cs i m u l a t i v em o d e l ；w e f o r e c a s tw a t e ri n f l o wi n l a y e r a n dm a d ec o r r e l a t i v er i s k a n a l y s i sc o m b i n i n g m i n i n g sp r i m a r ys c h e m e ；o nt h eb a s i so fa n a l y s i n gw a t e rq u a l i t y sd e m a n da n d w a t e rv o l u m e sc h a n g eo fw a t e rn e e di ne a c ht a c h eo fp r o d u c t i o n ，q u a l i f i c a t i o no f w a t e rq u a l i t ya n dp r o c e s so ff l o w sc h a n g eo fp i t s g u s h i n gw a t e r ，i nt e r m so f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds a v i n go f w a t e rr e s o u r c e ，w ec a l c u l a t e dm i n e s p r o d u c i n gw a t e rr e q u i r e m e n ta n ds t u d i e dm u l t i p l e u t i l i z i n gs c h e m eo fw a t e r r e s o u r c e b a s i n g o nf l o wf o r m u l a o fa r t e s i a n p h r e a t i cw e l l a n dm o n t ec a r l o m e t h o d ，t r a i no ft h o u g h to fc a l c u l a t i n gr i s kp r o b a b i l i t yo fp i t sw a t e ri n f l o ww a sa s f o l l o w s ：m a k i n gu n c e r t a i n t ya n a l y s i s ，u t i l i z i n gm e t h o do fs e n s i t i v i t y a n a l y s i s a s c e r t i a n i n g m a i nr i s k f a c t o r s ；m a k i n g r a n d o mn u m b e r so f p i t s w a t e r i n f l o w ；a c c o r d i n gt ob e r n o u l l it h e o r e mc a l c u l a t i n gr i s kr a t i o f o rp r e d i c t i n gp i t s w a t e ri n f l o w , n u m e r i c a lm e t h o dc o m p a r i n gw i t ha n a l y t i cm e t h o dm o r ec l o s i n gt o r e a l i t y , t h ea v e r a g eo fas e r i e so fc a l c u l a t i o n a lv a l u ef o rp i t sy i e l dw a s5 8 7 4 6 m 3 d i ne a s to r eb l o c ka tt h r e ey e a r s ，t h ea v e r a g ew a s2 8 8 9 5 m 3 di nw e s to r e b l o c k ；i nt h e f i r s ts i t u a t i o no fw e s to r eb l o c k ( s e c t i o n3 2 2 2f o rd e t a i l s ) ，r i s kr a t i oo f p i t sy i e l d w a s0 4 3 3 3t o6 9 2 9 8 9 7 m d ；i nt h es e c o n dc o n d i t i o nr i s kr a t i oo fp i t sy i e l dw a s 0 31 4 4t o3 7 5 7 9 0 7 m d ；i ne a s to r eb l o c k ，r a t i oo fs e w a g ea n dr e u s ew a s7 8 5 5 a n du t i l i z a t i o n h a r m l e s s l yd i s c h a r g i n g c a nb e a c h i e v e df o rw a t e r r e s o u r c e s ，r e l i a b i l i t yo fw a t e rs u p p l yf o rp r o d u c t i o nw a s10 0 ，i nw e s to r eb l o c kt h e r e l i a b i l i t yw a s10 0 i nt h ef i r s tc o n d i t i o na n d9 9 9 1 i nt h es e c o n dc o n d i t i o n k e y w o r d s ：p i t sy i e l d ；u n c e r t a i n t ya n a l y s i s ；r i s kp r o b a b i l i t y ；s e w a g ea n dr e u s e 插图清单 图2 1中桥南铁矿地理位置示意图4 图2 2 矿体分布范围( 1 ：1 0 0 0 ) 9 图2 3 矿区地层三维立体图1 0 图2 4 矿区地层三维立体剖面图1 1 图2 5 模拟区范围示意图( 1 ：10 0 0 ) l 5 图2 6 研究区平面图( 1 ：1 0 0 0 ) 1 7 图2 7 研究区垂向网格剖分图( 第4 6 行) ( 1 ：1 0 0 0 ) 17 图2 8 东区开采井和观测井的分布( 1 ：1 0 0 0 ) 1 8 图2 9 第三层黄马青含水层组分区( 1 ：1 0 0 0 ) 1 9 图2 1 0z k 2 1 1 水文观测孔水位拟合过程线一2 0 图2 11 z k 31 1 水文观测孔水位拟合过程线2 0 图2 1 2 西区和东区在三年内矿坑涌水量变化过程线图2 l 图2 1 3 东区三年末的地下水位流场图( 1 ：1 0 0 0 ) 一2 2 图2 1 4 西区三年末的地下水位流场图( 1 ：1 0 0 0 ) 2 2 图3 1 西区第一种情况下渗透系数变化对计算涌水量的影响2 8 图3 2 西区第二种情况下渗透系数变化对计算涌水量的影响2 9 图3 3 西区涌水量数据的统计直方图3 3 图3 4 东区涌水量数据的统计直方图3 3 图4 1 东矿段选矿工艺流程示意图3 9 图4 2 东矿段以矿排水处理水为水源的给排水系统水量平衡图4 4 图4 3 东矿段以第四系孔隙水处理水为水源的给排水系统水量平衡图4 4 图4 4 矿排水处理工艺流程示意图4 8 图4 5 东矿段选厂回水流程示意图4 9 图4 6 生活用水处理工艺流程示意图5 0 图4 7 生活污水处理工艺流程示意图5 l 图4 8 废石堆放场淋溶水处理流程示意图5 3 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表4 1 表4 2 表4 3 附表l 附表2 插表清单 钻孔地层信息一览表1 0 抽水试验钻孔基本信息一览表1 2 非稳定流抽水试验计算成果1 2 大井法计算矿坑涌水量成果表1 4 西区第一种情况下渗透系数增大时灵敏度系数计算结果表2 7 西区第一种情况下渗透系数减小时灵敏度系数计算结果表2 8 西区第二种情况下渗透系数增大时灵敏度系数计算结果表2 8 西区第二种情况下渗透系数减小时灵敏度系数计算结果表2 9 判断概率分布时的频率计算结果表3 2 西区第一种情况下涌水量风险率计算结果3 5 西区第二种情况下涌水量风险率计算结果3 6 东矿段给排水水量及水量平衡表4 3 裂隙水水样水质测试结果4 7 地表水和第四系水样水质测试结果4 9 以0 1 2 5 天为步长，西区0 7 5 天3 7 2 5 天涌水量数据5 5 以0 1 2 5 天为步长，东区1 6 2 5 天2 2 2 5 天涌水量数据5 7 独创性声明 本人声明所警交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究i ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 佥目墨：些厶堂 域其他教育机构的学位或证f5 而使用过的材料。与我一同 i ：作的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明丸：表示谢意。 学位敝作者签名：i 秽夸签字眦川年牛月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 巴! ：些厶堂有关保留、使川学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部fj 或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被奄阅利借阅。本人授权佥垦! ：些厶堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采州影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学何论文在解密后适川本授权f 5 ) 签字日期：月日 学位论文作者毕业后去向： ，作掌劈： ；| 匆套y 通讯地址： 签字瞅，7 年叶月 电话：m 侈以7 7 ；? 邮编： 致谢 在三年的硕士学习生活中，感谢我的导师陶月赞教授，他为我提供了良好 的学习机会和生活上的帮助，并结合我未来的学习为本论文选择了一个合适的 主题，并在期刊论文上给予了全力的支持，让我能够全身心的投入硕士论文的 写作当中，老师为人热情开明，意志坚强，学识渊博，对我各方面都产生了非 常好的影响。谢谢陶老师! 感谢父母对我学习的激励与生活上的支持! 谢谢和自己在一起学习生活的兄弟姐妹，大家在一块共同度过了充满乐趣 的时光，共同进步；师兄师姐们( 包括原河海大学的刘佩贵师姐) 对我学习上 的帮助，我很感动，谢了；这里还想对寝室室友表示祝福；同时也要对那些在 生活和学习上给予我帮助的人们表示感谢。 在即将开始的硕士论文答辩工作中，我想预先感谢下相关的评审专家和答 辩专家；最后我想感谢合工大这个大集体对于我个体默默地强大支持和帮助。 作者：汪凯举 2 0 0 9 年4 月1 0 日 第一章绪论 1 1研究的目的和意义 位于安徽省马鞍山市境内的中桥南铁矿，是一热液交代型夕卡岩型铁矿， 矿体埋藏深度为2 0 0 - - 4 0 0 m ，矿体围岩是赋水性与导水性都较好的三迭系黄马 青组泥砂岩；在这类采用地下开采形式的矿山，铁矿开采将不可避免地排出一 定量的地下水。矿坑涌水的大量排放，不仅造成了地下水资源的严重浪费，而 且也在不同程度地影响到水环境；从区域可持续发展角度，合理地利用了矿山 排水，不仅可以解决上述矛盾，而且可以减少因矿山生产生活的新水给水而引 起的大量投资，进而使生产成本大幅降低。 由于矿床水文地质条件的复杂多变，准确地进行矿坑涌水预测，是目前学 术界一大难题；矿坑涌水量的变化，将对铁矿水资源综合利用系统产生明显的 影响。为此，研究中将结合矿床开采设计方案，建立地下水流数值模拟模型， 以预测矿坑涌水量；采用m o n t ec a r l o 抽样方法，在一定置信度条件下，进行 矿坑涌水量预测的风险分析；根据铁矿生产生活所需水量和矿排水量、质特点， 设计矿山水资源综合利用系统。 以矿坑涌水作为铁矿生产用水水源，研究矿坑涌水的变化对铁矿生产供水 保证率的影响，具有一定的理论意义；结合铁矿需水要求、矿排水量与质的特 点，设计矿山水资源综合利用系统，可以指导实际生产。 1 2国内外相关研究的概况及趋势 论文主要内容属于水文地质的内容，从力学和数学角度来讲，其核心就是 渗流力学，其中的一个主要部分是地下水动力学。下面简单论述下渗流力学发 展历程和研究趋势，首先现渗流理论是由经典渗流理论发展而来的，1 8 5 6 年， 法国工程师h e n r yd a r c y 在实践过程当中总结出了线性渗流方程，即d a r c y 定 律，从而奠定了定量研究渗流问题的基础，经过许多专家的多方研究，逐渐形 成了整个经典渗流理论体系。渗流理论发展到现在，基础研究方面不断进步， 应用方面由过去的抽象概化解析向更贴近于现实的数值有限差分模型方向发 展【1 1 。 随着数值模拟基础理论研究的发展；新的技术方法，新的数学工具的提出， 相关应用计算机程序不断完善以及遥感、地理信息系统在水文地质应用的深 入，可以实现直观地模拟地下水流和实时地监测地下水的动态1 2 j 。 地下水三维流数值模拟通过建立正确的数值模型，并收集、整理、输入大 量的观测和分析数据，利用计算机技术，模拟地下水的流场。在矿山开发这方 面，可以根据具体的巷道开采方案预测矿坑涌水量，数值模型模拟的流场更加 接近实际的流场，因而相比过去大井法计算矿坑涌水量精确性更高。 以概率与数理统计为基础用于风险分析的方法有均值一次二阶矩法、改进 一次二阶矩法、m o n t ec a r l o 法、降维数值解法、随机有限元法等多种分析方法， 其中m o n t ec a r l o 法已被广泛应用在科研和生产中【3 4 】。 现代水文地质的风险分析主要包括研究对象的不确定分析和数值模型的 建立，前者主要涉及参数问题，后者主要是选择何种数学理论结合水文地质概 化模型建立相关数值模型。研究对象不确定因素的认识、确定主要风险因子的 方法选择都是不确定分析的研究热点；随着各工程学科的实践研究，提出了模 糊集理论和神经网络等数学优化理论，它们在水文地质学科的应用研究日益深 入，那么使用这些理论进行相关风险分析也成为一种趋势【3 j 。 铁矿水资源的综合利用中对矿排水的处理是该领域的一个研究热点。欧美 发达国家在矿排水和选矿废水循环利用率都很高，美国铁矿废水利用率达到 9 0 ，工艺也比较先进，美国对矿排水的处理一般采用中和法、蒸发法和沉淀 法进行处理，日本在离子( 泡沫) 浮选法处理重金属工艺非常先进；近年来我 国在矿排水处理的研究方面也取得了长足的进步，在铁矿水处理方面的方法有 重力沉降法、絮凝沉降法、离子吸附离子交换絮凝沉淀法、热力法、电渗吸 和反渗透技术等。 1 3研究内容和解决办法 课题研究的相关内容：在当涂县中桥南铁矿矿区地质普查成果的基础上， 确定详查中水文地质勘查程度、设计相应的工作内容，在对包括详查在内的野 外勘查资料进行综合分析与整理的基础上，综述该铁矿区域和矿区的地质与水 文地质条件，建立水文地质概念模型与相应的数值模拟模型，结合铁矿开采的 初步方案，预测矿坑涌水量；运用m o n t ec a r l o 法，计算矿坑涌水量预测值风 险率；确定开采方案和选矿工艺，在此基础上进行水资源论证，计算各部分水 量，研究矿坑涌水量变化对铁矿生产供水保证率的影响，分析生产生活各环节 需水水质要求与水量变化，地表水、第四系孔隙水和矿坑涌水水质条件与水量 变化过程，并从环境保护与水资源节约角度，进行给排水处理工艺设计。 解决办法：( 1 ) 综合分析与整理详查和野外勘查资料，根据该铁矿区域和 矿区的地质与水文地质条件，建立水文地质概念模型和数值模型，模拟矿区地 下水流场，最后结合巷道开采方案和模拟疏干采矿层地下水预测预测矿坑涌水 且 里； ( 2 ) 进行不确定分析，利用灵敏度分析法确定主要的风险因子，分析主要风 险因子的概率分布类型，建立水文地质概化模型和数值模型，根据班报表和岩 芯编录的文字和数据记录，确定地层分布，划分含水层、隔水层，隔水边界， 断裂带等，根据水文地质孔的抽水和观测数据计算出主要风险因子的一些序列 值，接着进行m o n t ec a r l o 随机模拟，即首先生成( 0 ，1 ) 均匀分布下大量的随 2 机数，再将( 0 ，1 ) 均匀分布下的随机数转化成相应的概率分布下的随机数， 进而根据随机变量与矿坑涌水量之间的解析式或者数值微分方程组模型得到 矿坑涌水量的随机数，最后依据贝努利定理算得涌水量预测值的风险概率； ( 3 ) 首先依据矿体的地质和水文地质埋藏条件和资源量分布确定中桥南铁 矿的开采方案，根据铁矿石类型和选矿试验，确定选矿工艺流程。基于节约水 资源、保护环境和节省成本考虑，对上述开采方案和选矿工艺流程的某些环节 采取一些优化的工程措施以提高回水量、实现尾矿浆的高效浓缩和部分处理水 的环保利用，其中重要的措施有对浓密机进行改进( 或在浓密机旁增设辐流式 沉淀池) 和省去尾矿库。东矿段磁铁矿属易选矿，选矿工艺成熟，可参考的资 料丰富翔实，故可具体详细分析计算确定各部分用水量，其中可以得到东矿段 生产用水补给量，并给出以矿排水为水源和以第四系孔隙水为水源的水资源利 用系统的水量平衡图。西矿段褐铁矿属难选矿，选矿工艺成本高，可参考的资 料有限，但可依据安徽省行业用水定额( d b 3 4 t6 7 9 - - 2 0 0 7 ) p 】，算得生产 用水补给量。以铁矿矿区地下水数值模拟得到的矿坑涌水量计算值序列或利用 m o n t ec a r l o 法算得的矿坑涌水量随机数为基础，依据贝努利定理，计算矿坑涌 水量大于生产用水补给量的超过概率，即得相应的铁矿生产供水保证率。在以 上的分析和计算基础上，结合各部分给排水的水质情况和对水质的要求，确定 该铁矿相应的给排水处理系统方案，其中主要包括矿排水处理系统，东矿段选 矿厂的回水系统，生活给水处理系统，生活污水处理系统，并进行给排水公用 设备计算，制图出图，以完成该铁矿水资源利用系统的给排水设计。 1 4 创新点 创新点有：阐述了对“风险”这个概念的认识；研究了矿坑涌水量的变化 对矿山生产供水保证率的影响；提出了铁矿山尾矿处理一种较明确的解决办 法，即在尾矿处理系统中，利用山东某选矿厂对浓密机的技术改进成果或在浓 密机旁设立辐流式沉淀池，以减小尾矿在环境方面的负面影响。 3 第二章中桥南铁矿的数值模拟和矿坑涌水量预测i s 】 2 1 区域水文、地理 矿床位于当涂县南1 6 k i n 的中桥乡( 参见图4 1 1 ，属于中亚热带湿润季风气 候，气候温暖，雨量充沛，年平均降水量1 2 5 0 m m ，蒸发量l3 0 0 m m 。 该区位于宁芜断陷盆地南段为长江冲积洪积平原区，局部为低山丘陵区， 地面标高6 l o m 。矿区范围内为第四系所覆盖，地势平坦，外围主要河流为 青山河，矿区西侧与马钢开采的姑山铁矿以该河为界( 参见图4 1 ) ：青山河为长 江的一级支流，其干流全长4 6 k m 。区内水塘、沟渠较多，常年积水。 图2 - l中桥南铁矿地理位置示意圈 2 2 区域、矿区水文地质条件 221 区域水文地质条件 区域的主要含水层为第四系孔隙水，次为基岩裂隙水，其补给来源为大气 降水及地表水系，水位变化幅度一般1 2 m 。 ( 一) 区域含水层和隔水层分布及其特征 1 、第四系孔隙含水层与隔水层 ( 1 ) 第四系孔隙含水层 第四系上更新统残坡积亚粘土夹碎石微弱孔隙含水层 分布在白象山至和睦山一线以北，龙山与青山之间凹地及其近山周围，底 板标高在3 2 m 以上。有黄褐色亚粘土及亚粘土夹碎石层组成，内含有铁锰结核， 并夹有灰绿、灰白色花斑状粘土，由上往下碎石含量增多，平均厚度1 4 0 4 m ， 最后达4 4 2 0 r i i ，由山脚向外厚度变薄。 第四系全新统孔隙含水层 全新统孔隙含水层可进一步细分为两个层组：砂砾卵石含水层、粉细砂一 中细砂含水层。 砂砾卵石强富水含水层：分布在白象山至和睦山以南、九山至龙山以西的 冲积平原中，平均厚度1 3 7 1 m ，最大厚度为5 8 5 4 m ( z k 7 孔) ，一般北与东面厚 度变薄至尖灭，南与西面厚度大，尤其是年陡、大桥、新桥一线以西，厚度普 遍较大，局部地段有所缺失。 粉细砂一中细砂强富水层：分布范围与砂砾卵石层基本一致，而面积稍微 大些，平均厚度1 5 2 6 m ，最大厚度4 7 1 5 m 。 ( 2 ) 第四系全新统隔水层 灰黑色亚粘土隔水层 在近山周围呈裙状分布，平均厚度为1 2 8 1 m ，最厚达3 6 m ，一般远离山边 5 0 0 - - 1 0 0 0 自然尖灭，由灰黑色亚粘土组成，局部夹有薄层状粉细砂层。上部 与砂层或互层接触，下部与坡积层或砂卵石层接触。 亚粘土与粉细砂互层相对隔水层 分布范围很广，为冲积层的上部。平均厚度为1 9 9 9 m ，最厚达4 4 3 7 m ， 上部普遍有2 - - , 5 m 厚的黄褐色亚粘土层，下部由亚粘土、粉细砂呈薄层状互层 产出。 2 、岩溶裂隙与基岩裂隙含水层及相对隔水层 ( 1 ) 三叠系中统周冲村组白云岩中等富水岩溶裂隙含水层 分布于姑山，钓鱼山、中九、和睦山、龙山和云楼等矿区。厚度变化不大， 一般在3 0 - 2 0 0 m 。背斜轴部埋藏较浅，和睦山矿区出露地表，呈薄层状，含 泥质高，内夹泥质或钙质页岩，普遍大理岩化，岩溶不甚发育，云楼矿区个别 钻孔见有溶洞，其它矿区在白云岩中只见溶蚀裂隙和溶蚀现象。 ( 2 ) 基岩裂隙含水层 三叠系上统黄马青组杂色粉砂岩组杂色粉砂岩强富水裂隙含水层：为本 区各矿床主要充水岩层，厚度为1 0 0 - - 2 0 0 m ，由灰、灰白和灰绿等杂质砂页岩 组成，多为岩( 矿) 体顶板。由于受热变质或烘烤作用，岩石受到不同程度蚀 变，角岩化、硅化，碳酸盐化等。 三叠系上统紫红色粉砂质泥岩富水裂隙含水层：分布在背斜两翼及向斜 地带，背斜轴部大都缺失。厚度一般在3 0 0 - - 4 0 0 m ，由粘土质粉砂岩和粉砂质 泥岩组成。 侏罗系中下统象山群砂岩弱富水裂隙含水层：分布范围广，厚度大，最 5 后3 0 0 - - 5 0 0 m ，东部青山地区出露位置较高，裸露面积大。含水层岩性有厚层 状的长石石英中粗砂岩、含砾粗砂岩和底砾岩组成，其中夹粉砂质粘土层与炭 质页岩。 白垩系下统火山岩弱富水裂隙含水层：分布于本区南部和西部。最大厚 度达4 0 0 多i l l 。由安山岩和火山碎屑岩组成。裂隙不发育。岩石高岭土化强， 松软易崩解，上部受第四系砂砾卵石孔隙含水层所覆盖。 ( 3 ) 基岩相对隔水层 三叠系中统周冲村组硬石膏隔水层：主要分布在钟九、和睦山、龙山、 向阳、年陡等矿区的深部。最大厚度l 6 0 m 。硬石膏层很完整，未见到溶蚀现 象。 岩浆岩隔水层：主要为闪长岩类，在深部为一巨大的岩床。岩床顶部以 岩株，岩枝侵入钟姑复式背斜构造的轴部和断裂带中，部分出露地表。是各矿 床的主要底板，部分为项板，深部新鲜岩浆岩含水微弱。 ( 二) 区内含水背斜构造的分布及富水特征 在钟姑复式背斜中，次一级背斜构造较发育，有白象山背斜、长岭背斜和 姑山穹窿等。使轴部的刚性岩石破碎，产生裂隙，透水性强，形成了储水构造。 含水层岩性以黄马青组下段杂色页岩为主。两翼岩层透水性逐渐减弱。 ( 三) 断裂构造的导水性 在断裂带中的破碎岩石，虽被岩( 矿) 浆胶结，但具有导水中至弱导水性， 起沟通含水层作用。 2 2 2 矿区水文地质条件 矿区内为5 5 6 5 m 厚的第四系地层所覆盖，其上部为粘土、亚粘土夹亚砂 土层，渗透性较差，厚度为3 o 5 0 m ；中部为粉细砂、粗砂层夹少量卵砾石， 渗透性较好，厚度为0 4 0 m ；下部为卵砾石层，砾石分选较差、成份复杂，渗 透性较好，厚度为0 3 0 m 。 第四系下伏基岩为安山岩等火山岩系地层，富水性、渗透性差；该层之下 为黄马青砂页岩，层厚1 4 0 4 5 0 m ，其厚度和含水条件变化很大。 ( 一) 含水层、隔水层分布规律及其特征 矿区内含水层，主要有第四系孔隙含水层和基岩裂隙含水层： 1 、第四系孔隙含水层组 全区被第四系覆盖，其厚度变化均受基岩地形控制，一般层厚 5 5 6 5 m ( c k l 0 5 8 孔厚度最大，达6 6 0 3 m ) ，由北西向东南逐渐变厚。其沉积规 律自上而下，颗粒由细变粗；按富水性及岩性，自上而下将第四系孔隙含水层， 总体分为三层： ( 1 ) 粘土、亚粘土夹亚砂土弱含水层 本层在矿区均有分布、范围广、厚度变化较大，一般层厚3 0 5 0 m ( z k 7 孔厚度最大，达5 8 5 4 m ) ；该层透水性很差，其上部水平k = 0 3 8 0 5 6 m d ，深 6 部k = 0 0 6 m d ，全层垂向k = 0 0 1 7 - 0 0 3 m d 之间。 ( 2 ) 粉细砂、粗砂层，中强含水层 从区域看，层位较稳定，厚度为0 - 4 0 m ( z k l 9 1 孔厚度最大，达4 2 6 1 m ) ， 但在本矿区南部z k 6 、z k l 0 孔均未见到此层；该层渗透系数k = 1 6 1 3 2 5 1 m d 。 ( 3 ) 砂砾卵石层强含水层 本层分布范围广、比较稳定，北部薄以致尖灭，由此向南层厚10 - 2 0 m 之 间( z k l 5 孔厚度最大，达5 8 0 5 m ) ，由西向东层厚1 5 0 2 3 4 2 8 m ，据姑山矿区 资料k = 3 2 4 6 6 6 0 7 m d ；通过该层，松散孔隙水可向下直接补给基岩裂隙水。 2 、基岩裂隙含水层与相对隔水层 全区被第四系冲积层覆盖，所揭露岩层为上火山岩系安山岩、熔岩角砾岩、 砂页岩，矿体、闪长玢岩或闪长岩。主要发育有风化、构造、原生三种裂隙且 不均匀，构成非均质基岩裂隙含水量水层，主要补给源为第四系砂砾卵石含水 层，裂隙发育深度一般到矿体底盘以下2 0 5 0 m ( 也有少部分在岩体中间断续 破碎) 。闪长玢岩，闪长岩虽受不同程度的碳酸盐化、绿泥石化、高岭土化， 但岩性细密完整，裂隙少，且多被方解石充填，可视为本矿区底板隔水层。按 现有资料，各不同岩层、岩性、富水性分述如下： ( 1 ) 上火山岩系弱富水岩层 该区火山岩普遍分布，上部1 0 5 0 m ，含风化裂隙水，但水量不大，岩石 均受不同程度的碳酸盐化，由于松软受水膨胀，容易崩解，工程地质条件差， 虽钻进过程中，有坍塌掉块和漏水现象，但含水裂隙大为减少。层厚1 0 0 2 0 0 m 之间，为此，该层富水性微弱，经c k l 8 0 1 孔( 临近地区的孔) 抽水试验结果 k = 0 0 4 0 9 - 0 0 4 8 6 m d ，g = 0 0 3 9 9 - 0 0 5 0 9l s m 。 ( 2 ) 黄马青砂页岩互层强富水岩层 本层分别广泛、厚度变化大，在矿区东部厚0 - 4 0 m 、西部厚8 0 5 0 0 m ，含 水部位大多接近矿体1 5 0 2 0 0 m 之间，其厚度和含水条件变化很大，硅化强烈 者呈刚性，岩石破碎，裂隙发育，有利于地下水活动，钻孔中打到此层有严重 漏水和坍塌掉块现象，经c k l 8 0 1 孔( 临近地区的孔) 抽水试验结果 k = i 4 4 - 1 7 8 m d ，g = 2 9 0 7 - 3 9 0 8 l s m 。 本次抽水试验的结果：矿区东部z k 2 1 2 孔，k - - - 0 0 8 5 8 8 m d ；矿区西部 z k 2 9 2 孔，k = 0 4 6 0 9 9 m d 。 ( 3 ) 矿体高岭土化闪长岩及其他围岩。弱富水岩层 本层为近矿含水层，各种裂隙发育不均，矿体一般细致密坚硬，围岩蚀变 强烈，裂隙发育，接近矿体时也偶有漏水现象，因高岭土化，碳酸盐化而松软， 工程地质条件较差，含水裂隙大为减少。故本层富水弱。8 0 8 队5 8 年在姑山矿 区经c k l 9 孔抽水试验平均k = 0 0 4 0 9 m d ，g = 0 。0 4 8 6 0 1 7 9 l s 。m 。 ( 二) 导水断裂带 7 断裂带处于和睦山和白象山一线，中桥南铁矿与该断裂带的相对位置，参 见图2 1 。由图2 1 ，中桥南铁矿位于该断裂带的正东南面，且距离较远，因而 中桥南铁矿的矿区水文地质条件不受该断裂带的影响。矿区内未新发现有导水 断裂带。 ( 三) 地表水、地下水变化规律及外排条件 由于各种原因，对中桥南的地质和水文地质勘探相对不足，所积累下的关 于各种水力联系的资料欠缺；借鉴与本矿床总体类似白象山铁矿资料【7 1 ，供参 血 巧： 1 、地表水、地下水水位动态变化规律 区内地表水、地下水动态变化受季节降水控制。每年四月至九月份为洪水 期，降水量占全年7 2 ，七月份为峰值期；第四系孔隙水，一般在雨后2 0 天 后左右回升最高，十月至下年三月份为枯水期。 2 、青山河与地下水的水力联系 青山河历年平均最高、最低水位分别为6 9 8 5 m 、1 5 4 1 m ，年变幅5 4 4 4 m ； 最高洪水水位9 2 4 m 。 青山河流经矿区，虽然切割第四系亚粘土与粉细砂层，但在天然状态下青 山河与地下水水力联系不密切。这主要是因为，矿床范围内青山河床下部的 2 5 , - 一3 5 m 厚的第四系松散地层中，有5 - - - 2 0 m 厚的亚粘土隔水层；这一点，在 青山河西岸c k 31 6 k 孔f 2 断裂破碎带中进行的抽水试验( 水位下降1 8 3 1 2 4 1 0 m ，河东的基岩观测孔多数受影响，水位下降o 4 1 1 0 1 m ) 、大孔径群孔 抽水试验( 两岸都有观测孔) 中得到了验证。 3 、矿区地下水补给条件 矿区第四系松散层，直接受降水渗透补给，少量接受表水渗透补给；基岩 裂隙含水层也是上部高水头岩层地下水补给下部低水头含水层。 2 3 矿坑涌水量预测 2 3 1 矿体分布特征与地质条件概化 ( 一) 矿体分布特征 根据7 0 年代、2 0 0 7 年以及本次的钻探所以构成了1 9 ，2 1 ，2 3 ，2 5 ，2 7 ， 2 9 ，31 ，3 3 ，3 7 号勘探线，基本摸清中桥南地区的铁矿分布；矿床以i 、号 两个主矿体为中心，分布在当涂县南1 6 公里的中桥乡境内3 9 k m 2 范围内；如 图2 2 所示。 8 丁 卜。 。 l ， o 时，系统处于可靠状态；当z = o 时，系统处于极限状态；当 z 2 2 4 2 5 。现 l u jj - - i g , qj = 8 3 2 3 4 2 2 4 2 5 ，j u 2j - - i ( 9 2 一心) 吒j _ 1 1 9 5 2 2 2 4 2 5 ，1 1 2 = 3 7 8 1 3 2 2 4 2 5 。故东区的数据总体不服从正态分布。 现在论述画西区和东区的直方图的具体步骤： 对于西区数据，选取数据的范围是 2 8 9 5 8 ，3 2 0 6 9 】，现取区间【2 8 9 5 7 ，3 2 0 7 0 】， 它能覆盖区间【2 8 9 5 8 ，3 2 0 6 9 ，将区间 2 8 9 5 7 ，3 2 0 7 0 等分成1 1 个小区间，小 区间的长度记为，a = ( 3 2 0 7 0 2 8 9 5 7 ) 11 = 2 8 3 。a 称为组距。小区间的端点 称为组限。数出落在每个小区间内的数据的频数，算出频率f i n ( n = 2 9 3 ) ， 如下表： 表3 5判断概率分布时的频率计算结果表 组限频数 频率f i n 累计频数 2 8 9 5 7 2 9 2 4 01 2 20 4 1 6 4 0 4 1 6 4 2 9 2 4 0 一2 9 5 2 3 4 5o 1 5 3 60 5 7 0 0 2 9 5 2 3 2 9 8 0 6 2 80 0 9 5 60 6 6 5 6 2 9 8 0 6 3 0 0 8 9 2 10 0 7 1 60 7 3 7 2 3 0 0 8 9 3 0 3 7 2 170 0 5 8 00 7 9 5 2 3 0 3 7 2 3 0 6 5 51 30 0 4 4 30 8 3 9 6 3 0 6 5 5 3 0 9 3 8 1 20 0 4 1 0 0 8 8 0 5 3 0 9 3 8 3 1 2 2 11 00 0 3 4 1 o 9 1 4 7 3 1 2 2 l 一3 1 5 0 4 l o 0 0 3 4 l0 9 4 8 8 3 1 5 0 4 3 1 7 8 7 80 0 2 7 30 9 7 6 i 317 8 7 3 2 0 7 0 70 0 2 3 91 现在自左至右依次在各个小区间上作巫a 为高的小区间如图3 3 所示，这 n ， 样的图形就叫做直方图。显然这种小矩形的面积就等于数据落在该小区域的频 率f i n 。由于当n 很大时，频率接近于概率，因而一般来说，每个小区间上的 小矩形的面积接近于概率密度曲线之下该小区间之上的曲边梯形的面积，故一 般直方图的外廓曲线接近于总体x 的概率密度曲线，从本例的直方图看，呈乙 形曲线，可知该样本很可能来自于皮尔逊型分布，由于水文及水文地质数据 一般符合正态分布和皮尔逊型分布，前面已经证明了该样本不属于正态总 体，由于该样本直方图的外廓曲线与皮尔逊型曲线大体一致，因而基本判定 该样本来自于皮尔逊型分布。 3 2 料o 0 0 0 6 爨o 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 蓉詈蓉罄雪g 童璧蠢蚤量0 0 嚣嚣嚣嚣量聋舅舅舅舅寿 涌水量 图3 3西区涌水量数据的统计直方图 量数据的 直方图 使用同样的方法，也可以基本判定东区的涌水量数据样本来自于皮尔逊 型分布。东区涌水量数据的直方图如下图： 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 5 9 2 2 5 9 6 5 6 0 0 86 0 5 16 0 9 46 1 3 1 6 1 8 06 2 2 3 6 2 6 6 涌水量 图3 4东区涌水量数据的统计直方图 矿坑涌水量统计直方图外轮廓线( 即矿坑涌水量概率分布曲线) 大致是一 条乙字形曲线，在第二章中知道，在开采量保持不变的情况下，矿坑涌水量与 时间的关系曲线也是一种乙字形曲线。那么可知( 在开采量保持不变的情况下) 矿坑涌水量和时间的关系与概率和矿坑涌水量的关系服从大致相同的规律： ( 在开采量保持不变的情况下) 矿坑涌水量随时间而变小，经过一段时间后矿 坑涌水量保持不变；概率随矿坑涌水量增大而变小，增大到一定的值后概率保 持不变。 2 、抽水观测数据越丰富，算得的渗透系数值就越多，由这些渗透系数值得到 3 3 加心地 - 0 o 0 0 0 姆丑g世眷因盯 9 8 t 6 5 4 毫| 蚴 。 吲吣 0 0 o 0 0 0 鲤羞品艇鼎叵凶肝矮 的均值，均方差就越接近渗透系数所属概率分布下| i ，0 真值，也就是由算得 的1 1 ，0 值进行随机模拟生产的随机数更符合实际情况。一般要求所做的抽水 试验能够得到1 0 组左右渗透系数数据比较好。中桥南铁矿抽水试验数据只能 算得四组渗透系数，而且这四组渗透系数还存在一定的缺陷，其随机模拟效果 可能不会非常好，故该论文中在这块分两种情况加以讨论，以期获得一个比较 全面的认识。 3 、利用随机模拟计算风险概率的数学依据： 贝努利定理【2 1 】：“设n a 是n 次独立重复试验中事件a 发生的次数，p 是事 件a 在每次试验中发生的概率，则对于任意正数 o ，有l i m 跏。玎一p i 6 5 5 3 6 6 5 5 3 62 0 6 0 2 风险率 0 0 7 6 6 o 1 7 5 6 0 9 9 9 9 8 5 o 9 9 9 9 8 5 o 3 1 4 4 可靠率 0 9 2 3 4 0 8 2 4 4 1 5 2 6