貴州老貓石鉛鋅礦礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析

趙鐵峰，陳懷玉，王道山，閆東飛

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，河南鄭州450016)

1 礦區(qū)自然概況及其水文地質(zhì)特征

1.1 礦區(qū)自然概況

1.1.1 地形、地貌

老貓石礦區(qū)位于黔中高原向廣西盆地傾斜的斜坡地帶，苗嶺山脈南側(cè)，為中低山峰叢山地地貌，地勢總體西高東低;地形切割強(qiáng)烈，地形坡度一般為20°～35°，最高海拔1 645 m(位于礦區(qū)南部九神坡)，最低海拔650 m(位于礦區(qū)東北部陽和鄉(xiāng)小河溝處)。礦區(qū)內(nèi)一般高程為+800～+1 566 m，相對高差200～700 m。區(qū)域所在局部水文地質(zhì)單元最低侵蝕基準(zhǔn)面位于礦區(qū)東北部兩河交匯處，高程650 m。礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面位于礦區(qū)北部翁凱村中寨河，高程788 m。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，地形有利于自然排水。

1.1.2 氣象、水文

礦區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤高原性氣候，冬天嚴(yán)寒，夏天酷暑。年平均氣溫 16.4℃，極值氣溫分別為 36.9℃ 和－6.9℃，年均降水量1 433 mm，雨季(6～10月)降水量占全年84.8%以上，主要災(zāi)害氣候有冰雹和洪水。

區(qū)內(nèi)地表水體發(fā)育，礦區(qū)屬珠江流域都柳江水系。區(qū)內(nèi)有常流水小河，中寨河和楊梅樹河，發(fā)源于礦區(qū)南部分水嶺地段，最終經(jīng)三都縣匯入都柳江。區(qū)內(nèi)地表徑流補(bǔ)給來源以大氣降水補(bǔ)給為主，次為地下水補(bǔ)給，河流動(dòng)態(tài)變化明顯受降水影響，因雨而漲，流量變化幅度大，中寨河河水流量0.569～31.967 m3/s，楊梅樹河河水流量 0.072 ～6.894 m3/s。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)特征

1.2.1 礦區(qū)所在水文地質(zhì)單元邊界范圍

水文地質(zhì)單元由地下分水嶺和地表河流圈定，北部邊界以南嶺一級地下分水嶺為界，西部邊界以紅水河與都柳江二級地下分水嶺為界，南部邊界以礦區(qū)南側(cè)山脈分水嶺為界，東部邊界以老虎寨小河為界，水文地質(zhì)單元總面積約49.94 km2。區(qū)內(nèi)地下水由西南向東北方向徑流，礦區(qū)位于區(qū)域地下水的徑流區(qū)、排泄區(qū)。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，地形有利于自然排水。

1.2.2 含水層及地下水類型

根據(jù)地形、地貌，巖石孔隙溶隙特征及地下水賦存條件，將本區(qū)含水巖組劃分為碳酸鹽巖類巖溶水、碎屑巖類基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。

1)松散巖類孔隙水。分布于溝谷內(nèi)，由砂礫石組成，巖石顆料大小相差懸殊，磨圓度差，具山區(qū)河流沉積特征。寬度10～80 m，含水層厚約 1.5～12.6 m，地下水最大埋深1.95 m，孔隙水流向受地勢控制，與河水流向基本一致?？紫稘撍邮艽髿饨邓疂B入補(bǔ)給、山區(qū)基巖裂隙水和巖溶水補(bǔ)給，潛水與河水關(guān)系密切，由河流排泄。地下水化學(xué)類型為HCO3—Ca·Mg型水，礦化度 99.29 ～130.05 mg/L。

2)碎屑巖類基巖裂隙水。分布于礦區(qū)東部、南部和西部的泥盆系下統(tǒng)舒家坪組、丹林組及志留系翁項(xiàng)組地層中，巖性主要為石英砂巖、粉砂巖。地下水主要賦存于風(fēng)化帶和基巖裂隙中，富水性弱。含水極不均一，泉流量0.018～0.869 L/s，平均流量 0.343 L/s，水質(zhì)類型為 HCO3－ Ca·Mg型和HCO3－Ca·K·Na型，為富水性弱的含水巖組。

3)碳酸鹽巖類巖溶水。分布于礦區(qū)中北部的奧陶系下統(tǒng)紅花園組地層中，巖性主要為白云巖、白云質(zhì)大理巖。地下水主要賦存于巖溶裂隙和溶洞中，據(jù)ZK2302孔抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.018～0.029 L/s·m。據(jù)鉆孔放水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.09～0.69 L/s·m。巖溶裂隙較發(fā)育 －發(fā)育，富水性中等。水質(zhì)類型為HCO3－Ca·Mg型，為富水性中等的含水巖組。本區(qū)鉛鋅礦床主要賦存于奧陶系下統(tǒng)紅花園組中，巖溶水是未來礦坑的直接充水水源。

1.2.3 區(qū)域斷裂構(gòu)造帶對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的影響

礦區(qū)大地構(gòu)造處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺黔南臺陷貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)東部，區(qū)域王司背斜南緣。王司背斜呈南北向展布，長70 km，寬26 km，核部除因斷層破壞出露震旦系外，主要為寒武系碎屑巖和白云巖，巖層傾角平緩，一般為10°～25°;翼部地層為奧陶系—二疊系灰?guī)r、白云巖和砂巖。對礦床水文地質(zhì)條件有一定的影響。

1.2.4 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄

該區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水。區(qū)內(nèi)巖溶較發(fā)育，大氣降水通過地表巖溶裂隙、巖溶漏斗等途徑直接補(bǔ)給地下水。地下水通過泉、補(bǔ)給地表河水。

區(qū)內(nèi)地下水徑流通道主要為溶洞、巖石溶隙。白云巖中的地下水通常以溶隙、溶洞為徑流通道，多為分散流。在不純碳酸鹽巖及碎屑巖中，地下水多以巖石層間裂隙、溶隙等為徑流通道，以網(wǎng)狀徑流為主。

區(qū)域內(nèi)地下水主要以泉為排泄形式，排入地表河內(nèi)。區(qū)內(nèi)地下水多沿層面裂隙、構(gòu)造裂隙、溶隙之中分散徑流于低洼處，出露形成下降泉，泉水流量隨季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化大，有少數(shù)為季節(jié)性泉，豐水期出露，枯水期消失。局部地形低洼處地下水也以季節(jié)性溪流的形式出露地表，逐級匯流后流入地表河水排泄區(qū)。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 地下水類型及其賦存特征

礦區(qū)出露地層有第四系、志留系中統(tǒng)翁項(xiàng)組、奧陶系下統(tǒng)大灣組和紅花園組。礦區(qū)地下水類型主要有碳酸鹽巖類巖溶水、碎屑巖類基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。

2.1.1 碳酸鹽巖類巖溶水

奧陶系下統(tǒng)紅花園組巖溶水(O1h):分為一、二段，一段為淺灰色、灰色中厚層狀白云巖，底部常有紋層狀白云巖產(chǎn)出，該處巖溶裂隙、溶孔較發(fā)育。二段為淺灰色至灰白色中厚層狀細(xì)晶白云巖夾白云石大理巖，該段巖溶局部溶蝕、溶孔發(fā)育。大面積地表出露，該層未揭穿，最大揭露厚度290 m。含純碳酸鹽巖類巖溶水，地下水主要賦存于溶蝕孔洞、溶洞中，由于溶洞埋深不同，含水極不均一。ZK2204鉆孔，鉆進(jìn)至199.63 m 遇溶洞涌水，涌水量 15 L/s，286.43 m 終孔時(shí)，涌水量增至25 L/s，成自流孔。ZK2006鉆孔，在105～114.93 m遇溶洞涌水，涌水量4.459 L/s，該孔因孔內(nèi)塌陷、鉆孔報(bào)廢，至2013年4月，流量減小為0.955 L/s。ZK2004鉆孔，孔深38.57 m涌水，涌水量0.584 L/s。ZK2102鉆孔，孔深47.80 m涌水，涌水量0.378 L/s。ZK2402鉆孔，孔深143.80 m涌水，涌水量0.346 L/s。調(diào)查泉點(diǎn)3個(gè)，流量為0.577 ～0.755 L/s，平均流量 0.683 L/s。溶洞 1 個(gè)，枯水期流量48.4 L/s，水質(zhì)類型為 HCO3－Ca·Mg型，為富水性中等的含水巖組。

2.1.2 碎屑巖類基巖裂隙水

1)奧陶系下統(tǒng)大灣組基巖裂隙水(O1d):分為一、二段，一段為灰綠及深灰色薄層至中厚層鈣質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)砂巖，夾灰綠色砂質(zhì)頁巖及粘土頁巖。二段為紫紅色中厚層及薄層含泥質(zhì)或粉砂質(zhì)瘤狀灰?guī)r為主，夾灰綠色、紫紅色砂質(zhì)頁巖及粘土頁巖，底部常有淺灰色富含黃鐵礦的灰?guī)r一層。大面積地表出露，與下伏紅花園組呈整合接觸，厚54～206 m。含碎屑巖類基巖裂隙水，地下水主要賦存于風(fēng)化帶和基巖裂隙中，富水性弱。含水極不均一，調(diào)查泉點(diǎn)6個(gè)，流量0.018 ～0.869 L/s，平均流量0.343 L/s，水質(zhì)類型為 HCO3－Ca·Mg型和 HCO3－Ca·K·Na型，為富水性弱的含水巖組。粘土頁巖可視為相對隔水層。

2)志留系翁項(xiàng)組基巖裂隙水(S2w):灰綠色頁巖夾灰?guī)r及砂巖、石英砂巖、粉砂質(zhì)灰?guī)r，厚0～400 m。在工作區(qū)南東部大面積地表出露，與大灣組呈斷層接觸。含碎屑巖類基巖裂隙水，地下水賦存于巖層節(jié)理裂隙中，調(diào)查泉點(diǎn)2個(gè)，流量0.24 L/s，水質(zhì)類型為HCO3－Ca，為富水性弱的含水巖組。

2.1.3 松散巖類孔隙水

第四系松散巖類孔隙水(Q):覆蓋于河床兩岸及溝谷低洼處，巖性主要為腐植土，黃色粘土、粉質(zhì)粘土，含礫砂土和坡殘積碎石土，透水而不含水。河床內(nèi)巖性為砂礫石、砂礫，透水性好。

2.2 地下水補(bǔ)、逕、排條件

區(qū)內(nèi)地形山高坡陡，溝谷發(fā)育。礦區(qū)的自然條件有利于地表水的排泄，不利于地下水的匯集，大氣降水絕大部分以地表徑流為主，沿山坡匯入溝谷，由河流排泄，只有少部分滲入地下補(bǔ)給地下水。第四系孔隙潛水含水層是礦區(qū)內(nèi)透水性最強(qiáng)的巖層，降水滲入是孔隙潛水的主要補(bǔ)給來源?；鶐r裂隙水沿山坡傾斜方向補(bǔ)給孔隙潛水含水層。近河床段的孔隙潛水汛期還接受河水的補(bǔ)給。

基巖裂隙水主要受降水滲入的補(bǔ)給，裂隙潛水流向主要受地勢所控制，順坡從分水嶺流向河谷，在適宜地形條件下，呈侵蝕下降泉排泄，或補(bǔ)給河谷區(qū)孔隙潛水含水層。

礦區(qū)地下水，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，大氣降水通過地表裂隙、巖溶漏斗等途徑補(bǔ)給地下水，地下水在裂隙、溶隙、溶洞等通道中徑流，在低洼處以泉、季節(jié)性溪流出露等形式排泄入地表河水中。

2.3 斷裂構(gòu)造裂隙特征及其透水性

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，F(xiàn)12含礦斷裂帶寬5～26 m，主要由斷層角礫巖或白云巖透鏡體、碎裂白云巖及白云石大理巖、斷層泥組成，破碎帶中常見白云石化、方解石化、弱硅化、弱重晶石化，斷層接觸帶糜棱化嚴(yán)重，斷層傾向152°～185°，傾角73°～85°，為正沖壓扭性斷層。斷裂帶本身不具透水性，在這些斷裂構(gòu)造之間和旁側(cè)有擠壓破碎帶及派生微細(xì)裂隙，在淺部具極弱透水性，深部漸趨閉合尖滅，無透水跡象，為阻水?dāng)鄬印?/p>

2.4 礦床充水因素分析

2.4.1 充水水源分析

礦區(qū)內(nèi)，含礦巖系為奧陶系下統(tǒng)紅花園組白云巖，為富水性中等的含水巖組，其地下水沿溶蝕裂隙直接進(jìn)入礦坑。紅花園組含水層中地下水是礦床主要充水因素，主要充水水源為紅花園組含水層中地下水，次為大氣降水和中寨河地表河水。

1)地下水。紅花園組含水層，在開采過程中其地下水將直接進(jìn)入礦坑，為礦坑涌水補(bǔ)給主要來源。礦區(qū)內(nèi)紅花園組含水層具有承壓性，在開采過程中如遇到大的儲水裂隙帶如溶洞時(shí)，可能發(fā)生突水現(xiàn)象。

2)大氣降水。大氣降水為礦床充水的間接因素，對礦床充水影響較大。礦山開采后，地表可能形成地面塌陷、伴生裂縫等，成為大氣降水進(jìn)入礦坑的途徑。

3)地表水。礦區(qū)內(nèi)地表河流發(fā)育，中寨河在調(diào)查期間流量0.569～31.967 m3/s，侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高 788 m。礦區(qū)內(nèi)擬采332資源量最低標(biāo)高705 m，低于侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高，當(dāng)在侵蝕基準(zhǔn)面以下開采時(shí)，由于采空塌陷和地表變形，地表水進(jìn)入礦坑的可能性較大，對礦床充水有直接影響，可能發(fā)生突水現(xiàn)象。

2.4.2 充水途徑分析

1)構(gòu)造破碎帶。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層形態(tài)特征多樣，充填物的成分、膠結(jié)程度、溶蝕和風(fēng)化特征均有不同差異，斷層為壓扭性斷層，斷層不透水。斷層阻水，阻斷各含水層巖層間水力聯(lián)系，對礦床充水影響較小。

2)巖石裂隙。由于受褶皺及斷層的作用，區(qū)內(nèi)巖層連續(xù)性差，較破碎，次生節(jié)理裂隙相當(dāng)發(fā)育，為地下水進(jìn)入礦坑提供了通道。

3)巖溶通道。區(qū)內(nèi)巖溶通道主要分布于紅花園地層中，地表僅見少量小型溶蝕裂隙分布，在雨季會(huì)成為地表水進(jìn)入補(bǔ)給地下水的通道，地下有較大的溶洞，對礦床充水影響大。

2.4.3 充水方式

礦區(qū)內(nèi)礦體賦存于奧陶系下統(tǒng)紅花園組地層中，其地下水以頂板直接進(jìn)水的方式進(jìn)入礦井。

2.5 地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律

礦區(qū)內(nèi)對2個(gè)泉點(diǎn)和1個(gè)長流水鉆孔的涌水量進(jìn)行了長期觀測，對觀測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:S01泉，樣本個(gè)數(shù)83個(gè)，流量最大值0.61 L/s，最小值0.046 L/s，平均值0.28 L/s，變異系數(shù)0.618;S03泉，樣本個(gè)數(shù)83個(gè)，流量最大值0.955/s，最小值 0.325 L/s，平均值 0.604 L/s，變異系數(shù)0.276;ZK2006 鉆孔，樣本個(gè)數(shù)36個(gè)，流量最大值 4.459 L/s，最小值 0.61 L/s，平均值2.786 L/s，變異系數(shù)0.348。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，泉點(diǎn)流量變化與降水量的變化密切相關(guān)。

根據(jù)ZK2004孔水位動(dòng)態(tài)長期觀測資料，在觀測期間水位年變化幅度最大值3.45 m。預(yù)測豐水年最大水位變化幅度為5 m。

2.6 地表水動(dòng)態(tài)規(guī)律

礦區(qū)內(nèi)對兩條河流的流量進(jìn)行了長期觀測，對觀測結(jié)果進(jìn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:H01(中寨河老鴨寨)，樣本個(gè)數(shù)117個(gè)，流量最大值 23.251 m3/s，最小值 0.351 m3/s，平均值 2.315 3 m3/s，變異系數(shù)1.698 4;H02(楊梅樹河大坪)，樣本個(gè)數(shù)117個(gè)，流量最大值 6.894 m3/s，最小值 0.072 m3/s，平均值0.907 7 m3/s，變異系數(shù) 1.509 7;H03(中寨河翁凱)，樣本個(gè)數(shù) 117 個(gè)，流量最大值 31.967 m3/s，最小值 0.569 m3/s，平均值3.444 9 m3/s，變異系數(shù)1.625 7。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，河水流量變化與降水量的變化極為密切，降雨后5～24 h間內(nèi)對河水影響極大，48 h后逐漸衰減。

3 礦區(qū)首采區(qū)礦坑涌水量預(yù)測

3.1 礦坑涌水量分析

由于礦體埋藏較深，預(yù)測采用地下開采方式，以礦區(qū)(332)類資源儲量估算區(qū)塊(24勘探線—19勘探線之間)為首采區(qū)段，面積為F=0.052 km2。首采地段礦體平面形態(tài)為不規(guī)則多邊型，長約520 m，寬約50 m。適宜用“大井法”預(yù)測礦坑涌水量，通過分析疏干流場的水力特征，確定計(jì)算公式，通過邊界類型及計(jì)算用參數(shù)的確定，對礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)地質(zhì)詳查資料，分別預(yù)測730 m和700 m兩個(gè)中段的正常涌水量，按豐水年最大水位標(biāo)高預(yù)測730 m和700 m兩個(gè)中段的最大涌水量。

1)疏干流場的水力特征。礦區(qū)礦體絕大部分為隱伏礦體，賦存于奧陶系紅花園組白云巖中，白云巖含基巖溶(裂)隙承壓水，為礦床主要充水巖層。礦山開拓初期，礦坑涌水量以消耗地下水靜儲量為主，為非穩(wěn)定流，地下水從頂及兩壁向坑道涌入，隨著地下水的排水，由承壓轉(zhuǎn)無壓;

2)邊界類型。邊界進(jìn)水類型可概化為大井位于無限進(jìn)水邊界中。

3.2 預(yù)測方法

3.2.1 計(jì)算公式

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件及抽水、放水試驗(yàn)所取得參數(shù)，采用“大井法”的承壓轉(zhuǎn)無壓完整井裘布依公式計(jì)算礦坑涌水量，進(jìn)行比較分析后確定預(yù)算值。

式中:Q為礦坑涌水量(m3/d);k為滲透系數(shù) (m/d);M為含水層厚度(m);H為水頭高度 (m);R0為引用影響半徑(m);r0為引用半徑(m)

3.2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

1)滲透系數(shù)k。根據(jù)首采區(qū)段抽水試驗(yàn)和放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用加權(quán)平均法計(jì)算滲透系數(shù)，k取0.276 m/d。

2)含水層厚度M。根據(jù)首采區(qū)段鉆孔確定各孔的含水層厚度，采用算術(shù)平均法計(jì)算含水層平均厚度。計(jì)算得M取62.5 m。

3)水頭高度H。水頭高度取鉆孔靜止水位標(biāo)高平均值減去開采中段標(biāo)高。穩(wěn)定水位標(biāo)高取787.62 m。730 m中段水頭高度57.62 m，700 m中段水頭高度87.62 m。

4)影響半徑。首采區(qū)坑道影響半徑按不規(guī)則多邊形計(jì)算如下公式

式中P為坑道系數(shù)周長或首采區(qū)周長，取1 220 m。

5)預(yù)算結(jié)果

表1 大井法計(jì)算礦坑正常涌水量成果表

表2 大井法計(jì)算礦坑最大涌水量成果表

綜上所述，730 m標(biāo)高時(shí)，坑道正常涌水量3 046 m3/d，最大涌水量3 437 m3/d。700 m標(biāo)高時(shí)，坑道正常涌水量5 031 m3/d，最大涌水量 5 306 m3/d。

3.3 礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果評述

礦坑涌水量計(jì)算采用大井法，其結(jié)果略偏大。

3.3.1 含水層厚度偏大

在計(jì)算過程中，將白云巖按含水層處理，風(fēng)化帶以下白云巖及礦體不全是含水巖層，部分可以劃歸到隔水層中，含水層厚度計(jì)算偏大，無形中人為增大了礦坑涌水量的計(jì)算結(jié)果;

3.3.2 滲透系數(shù)選擇有偏差

根據(jù)鉆孔抽水和涌水資料，厚層狀白云巖的含水性在垂直方向上的變化大，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，各高程涌水段滲透系數(shù)變化范圍大，采用加權(quán)平均法計(jì)算滲透系數(shù)，可消減偏差影響，計(jì)算得涌水量結(jié)果偏安全。

4 存在問題

(1)大井法作為地下水動(dòng)力學(xué)方法，為理想化的模型，計(jì)算公式適宜于均質(zhì)的含水層，而本區(qū)為非均質(zhì)的溶(裂)隙含水巖層，而視為均質(zhì)層計(jì)算求得滲透系數(shù)影響了預(yù)算的精度;

(2)由于礦區(qū)存在溶洞，水文地質(zhì)鉆探工作量有限，對白云巖的含水性在垂直方向上的變化規(guī)律研究程度不高。

［1］夏磊.貴州省都勻市奉合老貓石鉛鋅礦詳查報(bào)告［R］.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì).2013.

［2］中國地質(zhì)調(diào)查局.水文地質(zhì)手冊［M］.北京:地質(zhì)出版社.2012.