忠曲金礦巷道涌水水源判識(shí)研究

曹珍珍，康衛(wèi)東，李貴娟，王潤(rùn)蘭

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069;2.陜西省煤田地質(zhì)局一八六隊(duì)，陜西西安 710054)

忠曲金礦巷道涌水水源判識(shí)研究

曹珍珍1，康衛(wèi)東1，李貴娟2，王潤(rùn)蘭1

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069;2.陜西省煤田地質(zhì)局一八六隊(duì)，陜西西安 710054)

在綜合分析忠曲金礦水文地質(zhì)特征及巷道滲水與涌水水動(dòng)力特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合各組水樣的水化學(xué)相關(guān)性分析結(jié)果，判定巷道滲水及涌水與大氣降水、雪水、泉水、溪溝水、尕海湖水、黃河水等各種類型水的關(guān)系，從而判識(shí)巷道涌水的水源。分析結(jié)果表明最終水源為礦區(qū)北側(cè)的溪溝水、區(qū)域降水、表土層地下水、溝流水等，為忠曲金礦巷道涌水治理提供了依據(jù)。

巷道涌水;水源分析;水源判識(shí);地下水水動(dòng)力特征;水化學(xué)相關(guān)性分析

礦井巷道涌水是礦井生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)災(zāi)害，涌水量較大時(shí)不僅抽排費(fèi)用大甚至還會(huì)造成停產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。忠曲金礦巷道內(nèi)出現(xiàn)12處滲水與涌水。巷道標(biāo)高3 575.7～3 578.7 m段有9處滲水與滴水，滲滴水量1 L/s左右，巷道標(biāo)高3 553.97～3 572.53 m段有3處涌水，總涌水量大于300 m3/h。為了給忠曲金礦巷道涌水治理提供依據(jù)，本文通過(guò)對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)特征特征及各組水樣進(jìn)行水化學(xué)相關(guān)性分析，對(duì)忠曲金礦巷道滲水與涌水的水源進(jìn)行了探討。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件分析

1.1 工程地質(zhì)條件分析

礦區(qū)地層主要有石炭系、二疊系和白堊系，石炭系上統(tǒng)(C)主要分布在礦區(qū)北部，與白堊系下統(tǒng)(K1)不整合接觸，二疊系下統(tǒng)(P1)厚度大于709 m，二疊系上統(tǒng)(P2)厚370 m，二疊系上統(tǒng)下巖組(P2a)厚度45 m，白堊系下統(tǒng)(K1)與下伏地層呈角度不整合接觸，厚179 m。礦區(qū)主要為一向南或向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向?yàn)?290°～300°，傾角為 65°～85°。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要為北東向和北西向兩組斷裂構(gòu)造。北東向斷裂構(gòu)造，傾向 NNW，傾角為75°～85°，斷裂破碎帶長(zhǎng) 50～120 m、寬2～15 m，為壓扭性斷裂;北西向斷裂構(gòu)造，傾向 SSW，傾角為35°～55°，斷層面平直，為平推斷層。斷裂構(gòu)造具多期次活動(dòng)的特點(diǎn)，是本區(qū)主要的導(dǎo)水構(gòu)造。

1.2 水文地質(zhì)條件分析

1.2.1 含水層特征

區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系松散層、碳酸鹽巖層、構(gòu)造破碎帶等。

1)第四系全新統(tǒng)(Q4)松散巖類含水層

礦區(qū)北側(cè)小溪溝的溝腦處出露下降泉，泉水流量0.2～0.5 L/s，泉水與溪水 pH 值 7.4 ～ 7.7，礦化度 0.19 ～ 0.53 g/L，均屬重碳酸—鈣型水。

2)白堊系下統(tǒng)(K1)泥鈣質(zhì)礫巖隔水層

分布于礦區(qū)北東山梁、斜坡及溝谷，為紫紅色泥鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖，膠結(jié)程度較高，滲透系數(shù)很小，上覆0.5～2.5 m為泥炭草根層，透水性很差，該層無(wú)泉水出露，可視為隔水層。

3)二疊系(P)與石碳系(C)碳酸鹽巖類含水層

(1)二疊系中統(tǒng)(P2)碳酸鹽巖透水不含水層:

分布于礦區(qū)南溝谷斜坡。上巖組為青灰色塊狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，無(wú)泉水出露;下巖組為灰色、青灰色薄層狀灰?guī)r，含少量裂隙水，PD1平硐內(nèi)200～270 m段硐頂有節(jié)理裂隙滲滴，雨季滲滴量增加。上、下巖組均可視為透水不含水層。

(2)二疊系下統(tǒng)(P1)碳酸鹽巖含水層:

分布在礦區(qū)的中部，為青灰色、黃褐 ～紅色中層 ～中厚層～塊狀灰?guī)r，硅化蝕變灰?guī)r，為含金賦礦層;巖層節(jié)理裂隙、溶洞均較為發(fā)育，可見(jiàn)最大溶洞長(zhǎng) 8.6 m、寬 0.3～0.7 m，大部分被泥質(zhì)充填，局部地段含風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙溶洞水。地表及露天采場(chǎng)未見(jiàn)地下水出露，推斷礦床地下水埋深在3 650 m以下。

(3)石碳系上統(tǒng)(C3)碳酸鹽巖透水不含水層:

分布于礦區(qū)北東端U型谷地坡麓，為青灰色塊狀灰?guī)r，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，透水性很好，區(qū)內(nèi)無(wú)水點(diǎn)出露，可視為透水不含水層。

(4)構(gòu)造破碎帶(Pd):

由塊狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及方解石碎塊混合組成，呈碎裂松散狀，裂隙孔隙較為發(fā)育，隙間多被土、砂質(zhì)填充，含微弱構(gòu)造裂隙水。

1.2.2 地下水補(bǔ)徑排特征

礦區(qū)碳酸鹽巖含水層地下水的補(bǔ)給源為大氣降水與地表水，構(gòu)造破碎帶與碳酸鹽巖的裂隙、溶隙是降水與地表水下滲的主要滲水通道之一，構(gòu)造破碎帶也成為碳酸鹽巖含水層之間地下水流動(dòng)及其涌入巷道的主要導(dǎo)水通道之一。礦區(qū)碳酸鹽巖層地下水主要以潛滲、暗流等形式徑流排泄于山前斷陷沼澤盆地或遠(yuǎn)處更低的侵蝕基準(zhǔn)面(如黃河谷地等)。

2 巷道滲水與涌水水動(dòng)力特征

2.1 巷道井口與出水點(diǎn)高程

礦區(qū)的主斜井井口高程3 783 m，井底高程3 576 m，垂直高差207 m;2號(hào)斜井井口高程3 780 m，井底高程3 577 m，垂直高差203 m。巷道內(nèi)的12處出水點(diǎn)高程在3 554.0～3 578.7 m之間，較井口低202～229 m，較巷道頂部地面(3 700～3 900 m)低約 300 m，較北側(cè)溪溝溝底(小橋處3 721 m)低142～167 m。

2.2 巷道滲水與涌水水力特征

巷道5段及以上無(wú)涌水現(xiàn)象，僅有9處滲水與滴水(標(biāo)高 3 575.7～3 578.7 m)，滲滴水量較小，且明顯無(wú)壓，為局部含水層地下水(潛水)，其主要接受當(dāng)?shù)亟邓c溪溝水的下滲補(bǔ)給。巷道施工至6段開(kāi)始出現(xiàn)3處涌水(標(biāo)高3 553.97～3 572.53 m)，涌水量大，且具有承壓性質(zhì)，水頭高出巷道底板約8 m(枯季停抽后巷道水位上升的穩(wěn)定高度)，推斷巷道涌水源為底板以下的區(qū)域含水層地下水(承壓水)，承壓水通過(guò)構(gòu)造斷裂帶持續(xù)導(dǎo)入巷道。

根據(jù)巷道內(nèi)滲水點(diǎn)與涌水點(diǎn)高程及其水力特征分析:二疊系下統(tǒng)碳酸鹽巖層，在標(biāo)高3 575 m以上分布局部潛水含水層(大部分地段為透水不含水層)，在標(biāo)高3 575 m以下存在區(qū)域承壓水含水層。巷道掘進(jìn)到潛水含水層，則會(huì)出現(xiàn)滲水、滴水現(xiàn)象;巷道掘進(jìn)至溝通區(qū)域承壓含水層的斷裂帶，當(dāng)巷道高程低于承壓水頭時(shí)即會(huì)發(fā)生涌水。

2.3 巷道涌水與排水動(dòng)態(tài)特征

根據(jù)6段抽排水量統(tǒng)計(jì):巷道涌水點(diǎn)的抽排水量在100～160 m3/h之間，巷道抽排水總量枯季約300 m3/h、雨季600～800 m3/h，年抽排水總量約 400×104m3。巷道滲水量、涌水量隨季節(jié)變化十分明顯，雨季涌水量約是枯季涌水量的2倍以上，且部分小涌水點(diǎn)具有枯季枯竭、雨季復(fù)現(xiàn)的特點(diǎn)，表明碳酸鹽巖含水層地下水與降水、地表水有較密切的水力聯(lián)系。

3 地表水與地下水水化學(xué)成分的相關(guān)性分析［1］

為進(jìn)一步判識(shí)巷道滲水與涌水水源，共采集水樣12組，其中巷道滲水與涌水點(diǎn)水樣5組、礦區(qū)北側(cè)溪溝水樣5組、礦區(qū)周邊的尕海湖與黃河水樣各1組，進(jìn)行水化學(xué)離子與化合物及主量和微量元素的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析，水樣類型與采樣位置見(jiàn)圖1。各水樣的主要離子與化合物以及主量元素和微量元素含量的變化曲線詳見(jiàn)圖2、圖3、圖 4。對(duì)水樣進(jìn)行了相關(guān)性分析，求解其相關(guān)系數(shù)R。

圖1 區(qū)域水樣采集點(diǎn)位置圖

分析各水樣的水化學(xué)成份曲線以及相關(guān)系數(shù)R:各水樣化學(xué)成份含量的變化含量均有較好的一致性(即含量變化的同步性)，各樣本(水樣)的相關(guān)系數(shù) R大多在0.98以上，僅以主量元素為指標(biāo)的黃河水(K－07)、尕海水(K－06)與其它水樣本(K－01～K－05，K－001～K－005)的相關(guān)系數(shù) R在0.92～0.94之間，以37種微量元素為指標(biāo)的泉水(K－01)與其它水樣本的相關(guān)系數(shù) R在 0.70～0.84之間，但以36種微量元素(不含 Ba)為指標(biāo)的泉水(K－01)與其它水樣本的相關(guān)系數(shù)R仍達(dá)到0.98以上。即各水樣(以水化學(xué)成份為指標(biāo))具有很好的相關(guān)性。

圖2 各水樣的主要離子與化合物曲線圖

4 巷道滲水與涌水的水源判識(shí)［2］～［4］

4.1 雪水、泉水、溪溝水關(guān)系

分別采集雪水(K－03)、泉水(K－01)、雪水與泉水混合水(K－02)各1組水樣，采集溪溝水2組水樣(K－04、K－05)。

雪水源于降水，降水與雪融水滲入表土層并在溝腦溢出形成泉水，所以泉水實(shí)源于降水與雪水，溝溪水為匯集的上游雪融水與泉水及其混合水。雪水的礦化度較低，但微量元素較高;泉水由于溶濾表土鹽份(主要是Ca離子)以及表土吸附微量元素的作用較強(qiáng)，所以泉水較之雪水，其礦化度急劇增高、微量元素明顯降低;溪溝水繼承了雪水與泉水的水化學(xué)成份，其含量多寡大致取決于雪水與泉水物質(zhì)含量的混合比。

圖3 各水樣的主量元素曲線圖

圖4 各水樣的微量元素曲線圖

4.2 溪溝水、滲水、涌水關(guān)系

分別采集溪溝水(雪水與泉水混合水)3組水樣(K－02、K－04、K－05)，采集巷道滲水2組水樣(K－004、K－005)、涌水 3組水樣(K－001、K－002、K－003)。

礦區(qū)北側(cè)溪溝水匯集雪融水、泉水后沿河道徑流，徑流過(guò)程中不斷滲失，調(diào)研期間溪溝水徑流至小橋附近即全部滲失，采集水樣時(shí)溪溝水徑流至K－05取樣點(diǎn)即全部滲失。當(dāng)融雪水較多或雨水較大時(shí)，溪溝水流量大，溪溝水可徑流過(guò)小橋(礦區(qū)東北角)流向下游;一般情況下溪溝水流量較小，在小橋之上游區(qū)即全部滲失。溪溝水滲失水量，即為礦區(qū)碳酸鹽巖層地下水的補(bǔ)給量組成之一;事實(shí)上，礦區(qū)碳酸鹽巖層地下水還有來(lái)至區(qū)域降水、表土層地下水、溝流水的入滲補(bǔ)給。

巷道滲水水化學(xué)離子和化合物及主量元素的平均含量，總體略大于或大致相當(dāng)于溪溝水的平均含量;巷道滲水微量元素的平均含量，大多小于或大致相當(dāng)于溪溝水的平均含量，滲水僅Ni、Zn等少數(shù)微量元素的平均含量略大于溪溝水的平均含量。表明巷道滲水為標(biāo)高3 575 m以上的碳酸鹽巖層局部含水層地下水(潛水)，其主要來(lái)源于北側(cè)溪溝水的入滲補(bǔ)給。

巷道涌水水化學(xué)離子和化合物及主量元素的平均含量，均明顯大于溪溝水、滲水的平均含量;巷道涌水微量元素的平均含量，基本上均大于滲水的平均含量，大多小于溪溝水的平均含量，涌水僅 Li、Cr、Ni、Zn、Ge、Sr、Cs 等少數(shù)微量元素的平均含量略大于溪溝水的平均含量。表明巷道涌水來(lái)源于標(biāo)高3575m以下的碳酸鹽巖層區(qū)域含水層地下水(承壓水)，導(dǎo)水通道為構(gòu)造斷裂帶，區(qū)域含水層地下水既有來(lái)至礦區(qū)北側(cè)溪溝水的入滲補(bǔ)給，也有來(lái)至區(qū)域降水、表土層地下水、溝流水等的入滲補(bǔ)給。

4.3 巷道涌水與尕海湖水、黃河水關(guān)系

為查明巷道涌水與尕海湖水、黃河水的關(guān)系，分別采集了尕海湖(K－06)、黃河(K－07)水樣各1組。

巷道涌水水化學(xué)離子和化合物及主量元素的平均含量，均明顯大于尕海湖水、黃河水的含量;巷道涌水微量元素的平均含量，大多小于尕海湖水、黃河水的含量，涌水僅 Sc、Cs、U等少數(shù)微量元素的平均含量大于尕海湖水、黃河水的含量。從水化學(xué)特征分析，巷道涌水接受尕海湖水、黃河水補(bǔ)給的可能性甚微。

巷道涌水點(diǎn)標(biāo)高3 554.0～3 572.5 m，涌水水頭高程不會(huì)低于3 554 m;尕海湖水面標(biāo)高為3 438 m，黃河水面標(biāo)高為3 391 m;巷道涌水水頭高出尕海湖水面、黃河水面的高度分別為116 m和163 m。顯然，從水動(dòng)力特征分析，尕海湖水、黃河水不可能成為礦區(qū)巷道涌水的水源。

5 結(jié)論

(1)從水化學(xué)特征分析，礦區(qū)巷道涌水接受尕海湖水、黃河水補(bǔ)給的可能性甚微;從水動(dòng)力特征分析，尕海湖水、黃河水也不可能成為礦區(qū)巷道涌水的水源。

(2)采集的12組水樣，可分為雪水、泉水、溪溝水、巷道滲水、巷道涌水、尕海湖水、黃河水等水樣類型。各水樣的水化學(xué)成份曲線與數(shù)據(jù)均有很好的相似性和相關(guān)性，表明所有水樣均具有親緣性，即各類型水的最早源頭均應(yīng)為大氣降水。雪水源于降水，降水與雪融水滲入表土層并在溝腦溢出形成泉水，雪融水(降水)與泉水匯流成溪溝水。礦區(qū)北側(cè)溪溝水繼承了雪水(降水)與泉水的水化學(xué)成份，其含量多寡大致取決于雪水(降水)與泉水物質(zhì)含量的混合比;礦區(qū)北側(cè)溪溝水，當(dāng)融雪水較多或雨水較大時(shí)，溪溝水可徑流過(guò)小橋(礦區(qū)東北角)流向下游;一般情況下溪溝水流量較小，在小橋之上游區(qū)即全部滲失。

(3)礦區(qū)巷道滲水為標(biāo)高3 575 m以上的碳酸鹽巖層局部含水層地下水(潛水)，其主要來(lái)源于北側(cè)溪溝水的入滲補(bǔ)給;巷道涌水來(lái)源于標(biāo)高3 575 m以下的碳酸鹽巖層區(qū)域含水層地下水(承壓水)，導(dǎo)水通道為構(gòu)造斷裂帶，區(qū)域含水層地下水既有來(lái)至礦區(qū)北側(cè)溪溝水的入滲補(bǔ)給，也有來(lái)至區(qū)域降水、表土層地下水、溝流水等的入滲補(bǔ)給。巷道掘進(jìn)到潛水含水層，則會(huì)出現(xiàn)滲水、滴水現(xiàn)象;巷道掘進(jìn)至溝通區(qū)域承壓含水層的斷裂帶，當(dāng)巷道高程低于承壓水頭時(shí)即會(huì)發(fā)生涌水。

［1］謝家發(fā)，胡寶臣.統(tǒng)計(jì)學(xué)原理［M］.鄭州大學(xué)出版社，2008.

［2］王玉民，焦立敏.利用水質(zhì)分析法判定礦井涌水水源［J］.煤礦安全，2001，10(10)23－25.

［3］楊建等.新安礦井突水水源的水化學(xué)特征分析［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2005，5(4):70－73.

［4］陳付申，齊玉峰，王關(guān)杰.銀家溝硫鐵礦礦床充水水源分析［J］.地下水，2008，11(6):114 －115.

GIS－based Method of Deyang City Planning Area Water Quality Management Model

CAO Zhen － zhen，KANG Wei－ dong，LI Gui－ juan，WANG Run － lan
(State Key Laboratory of Continental Dynamics，Geology system，Northwest University，Xi’an 710069，Shaanxi)

The article is based on comprehensive analysis of the hydrogeological characteristics，water seepage and the water gushing dynamic in Zhong Qu gold area. With correlation analysis of each group of chemical water samples，it determines the relationship among the gushing water seepage and atmospheric precipitation，snow，spring ，Gully water，Ga sea water，the water of the Yellow River water and other types of relationships，thereby distinguishing the roadway gushing water. The results show that the ultimate source of water for the mine north of Gully，regional precipitation，surface soil groundwater，ditch water，etc.，for the gold roadway Chung song provides the basis for governance.

Roadway gushing;water source analyzed;water source distinguished;groundwater dynamic characteristics;water chemical relative analysis

P641.4+1

A

1004－1184(2012)01－0017－03

2011－09－27

曹珍珍(1987－)，女，山東章丘人，在讀碩士研究生，主攻方向:水文地質(zhì)。