河南某鉛礦礦床水文地質(zhì)條件分析及礦坑涌水量預(yù)測

趙鐵峰，虞　潔

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

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河南某鉛礦礦床水文地質(zhì)條件分析及礦坑涌水量預(yù)測

趙鐵峰，虞潔

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

中營鉛礦位于伊河河漫灘，為未采礦山，礦體賦存于長城系熊耳群雞蛋坪組噴出巖中，礦床上覆厚大第四系強含水體，屬大水礦山；礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷裂帶巖石破碎，且對礦體有穿插破壞作用，青磐巖化、碳酸鹽化強烈，斷裂帶加強了第四系與礦床之間的水力聯(lián)系，礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜。結(jié)合礦區(qū)實際，提出伊河改道，露天開采，預(yù)測礦坑涌水量并提出礦山防治水建議。

大水礦山；水文地質(zhì)條件；構(gòu)造裂隙水；礦坑涌水量

欒川中營鉛礦位于河南省欒川縣潭頭鎮(zhèn)，礦體賦存于長城系熊耳群雞蛋坪組噴出巖中，賦存標(biāo)高-61～461 m。礦床上覆厚大第四系強含水體，屬大水礦山，如何采取可行的采礦方法釋放其巨大資源潛力迫在眉睫。本文系統(tǒng)地分析礦區(qū)地下含水系統(tǒng)，依據(jù)礦床水文地質(zhì)條件預(yù)測了礦坑涌水量，提出了礦山防治水建議。

1　礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1礦區(qū)概況

礦區(qū)位于河南省西南部熊耳山東南麓伊河的河床、河漫灘和階地上，區(qū)內(nèi)地形較平緩。氣候類型屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，多年平均降水量862.8 mm，最大年降水量1 386.6 mm，最小年降水量403.3 mm，日最大降水量185.0 mm，降水量年際、年內(nèi)分布不均，降水量多集中在7-9月份；年蒸發(fā)量1 340.0～1 349.3 mm；礦區(qū)屬黃河流域伊河水系，伊河從礦區(qū)南部穿過，伊河多年平均流量為21.9 m3/h，最大洪峰流量為4 200 m3/s(1975年8月8日)，最枯流量為0.9 m3/s。

礦床被第四系松散層覆蓋，第四系以砂礫卵石、細(xì)砂為主。第四系下部為長城系熊耳群雞蛋坪組安山巖、碎裂巖、青磐巖化安山巖，礦體賦存其中。礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面為435.00 m。礦區(qū)位于馬超營大斷裂帶中部的次級斷層上，斷裂發(fā)育。斷層對礦體有破壞作用，斷層及斷層影響帶構(gòu)造裂隙發(fā)育，透水性、富水性較好，為基巖裂隙水良好的賦存場所和運移通道。礦體賦存于安山巖、青磐巖化安山巖中，礦體成礦期熱液蝕變-碳酸鹽化蝕變作用強烈，形成0.5～3 cm的溶蝕裂隙或溶孔。安山巖底部由于花崗巖侵入，其接觸帶巖體較破碎，受斷層影響，透水性中等，富水性中等，具有較高的承壓水頭。

1.2礦床水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)主要含水層有：第四系沖洪積孔隙潛水含水層、基巖風(fēng)化裂隙含水層、基巖構(gòu)造裂隙含水層、花崗巖頂部接觸帶裂隙含水層，詳見圖1。

第四系松散巖類孔隙潛水含水層(組)廣泛分布于地表，厚度一般3.5～15.0 m，最深90.95 m(ZK0030伊河河床中部)，西厚東薄，其中粉質(zhì)粘土厚約1.5～14 m，砂礫卵石厚約2～15 m。民井抽水量為8.203～10.428 L/S，單位涌水量1.516～4.309 L/Sm，滲透系數(shù)507.58～908.9 m/d，透水性、富水性極強，且于伊河水力聯(lián)系密切。地下水位埋深一般0.20～7.4 m，地下水水位標(biāo)高431.20～439.403 m。水質(zhì)類型為SO4-Ca、SO4-CaMg型水，pH值6.6～6.8，礦化度0.45～1.20 g/L。

基巖風(fēng)化裂隙含水層位于第四系底部，厚度穩(wěn)定，連續(xù)性較好，風(fēng)化深度一般32.6～64 m。該含水層透水性富水性空間分布不均一，具體表現(xiàn)為6-9線北部丘陵上受伊河影響小，強風(fēng)化帶呈碎屑狀、土狀，透水性弱，富水性弱；其它區(qū)域在伊河河漫灘下，無有效隔水層，受伊河影響大，單位涌水量0.586 L/S·m，滲透系數(shù)2.12 m/d(ZKSW1位于水塘邊)，透水性較強，富水性中等。

圖1　07縱剖面基巖水文地質(zhì)剖面略圖

基巖構(gòu)造裂隙含水層主要賦存于斷層及其影響帶內(nèi)，平面上分布于2-16線間，由于距馬超營斷裂帶近，次級構(gòu)造破碎帶厚度從幾米到幾十米不等，單位涌水量0.0471～0.822 L/Sm，滲透系數(shù)0.22～0.38 m/d，該含水層透水性富水性空間分布極不均一，富水性弱-中等。

花崗巖頂部接觸帶裂隙含水層主要賦存于安山巖底部和花崗巖頂部接觸帶，由于花崗巖入侵形狀不規(guī)則，呈現(xiàn)東深西淺，受斷層影響大，斷層影響帶附近透水性富水性中等，其它區(qū)域透水性富水性弱。單位涌水量0.002～0.087 9 L/Sm，滲透系數(shù)0.14～0.48 m/d，水質(zhì)類型為SO4-Na、HCO3SO4-Na型水，pH值6.6～6.8，礦化度0.549～1.346 g/L。

安山巖和花崗巖巖體完整，裂隙不發(fā)育，結(jié)構(gòu)堅硬致密，透水性極弱，可視為相對隔水層。

上述各含水層之間存在一定的水力聯(lián)系，組合成統(tǒng)一的地下含水系統(tǒng)。受斷層影響，礦體及圍巖部位形成一個深大的構(gòu)造裂隙儲水通道，礦山開采條件下該構(gòu)造裂隙成為礦坑地下水運移和匯聚基巖裂水的通道。礦體上覆風(fēng)化帶分布面積大，連續(xù)性好，透水性較好，很大程度增強了第四系水與礦床之間的水力聯(lián)系，風(fēng)化帶成為控制第四系水進(jìn)入礦床的關(guān)鍵層位，且與伊河水力聯(lián)系密切。

1.3地下水的賦存規(guī)律

天然條件下，第四系地下水補給來源為大氣降雨，伊河滲漏補給以及側(cè)向徑流補給，總徑流方向受伊河控制由西向東運動，主要排泄途徑為地下水徑流排泄和人工排泄?；鶐r地下水在接受東北部丘陵區(qū)地下水側(cè)向補給后，自北向南徑流。

礦山露天開采后，凹陷采場將成為主要排泄區(qū)。地下水動態(tài)特征為雨水型，流量和水位變化隨季節(jié)改變而變化。

地下水的賦存狀態(tài)嚴(yán)格地受地質(zhì)構(gòu)造和地貌的控制。基巖裂隙水的分布受所馬超營斷裂影響，在垂向上有隨深度增加地下水賦存減少的趨勢，而在縱向上由于節(jié)理、裂隙的密集度、貫通性等的差異而使地下水分布具有極不均一性，局部還會有突水。由于受相對隔水的花崗巖的影響，局部還形成承壓水。由于其與地表水體水力聯(lián)系密切，儲水構(gòu)造之間的連續(xù)性、貫通性較好其富水性和給水性較好。第四系沖洪積物分布面積廣，厚度大，且有伊河通過，第四系孔隙潛水對采礦構(gòu)成威脅。

2　礦坑涌水量預(yù)測

2.1水文地質(zhì)概念模型

區(qū)內(nèi)伊河從采場南部通過，伊河如不改道，則無法安全開采。經(jīng)開采論證，將伊河在上游改道。

礦區(qū)地下含水系統(tǒng)形狀似“蘑菇狀”，第四系含水體似“蘑菇頭”，為礦床主要充水水源，斷層及其影響帶似“蘑菇頸”，為礦床充水通道，基巖強風(fēng)化帶為閥門，控制著第四系進(jìn)入礦床的關(guān)鍵層位。斷層破碎帶發(fā)育，開采條件下，構(gòu)造裂隙含水帶地下水頭釋放后，必將影響更大范圍的基巖風(fēng)化裂隙含水層地下水頭釋放，從而導(dǎo)致大面積第四系通過基巖強風(fēng)化帶垂向越流補給。因此，強風(fēng)化帶、斷層破碎帶、碳酸鹽化發(fā)育帶是影響礦床充水的關(guān)鍵因素。第四系含水層富水性極強，是天然巨大的“地下水庫”，為定水頭補給邊界及一類邊界。基巖風(fēng)化帶為無限補給邊界。透水性極弱的安山巖和花崗巖，為隔水邊界。

2.2降雨采場徑流量計算

按有色礦山露天礦排水設(shè)計頻率為1%、2%，5%、10%等標(biāo)準(zhǔn)，分別計算正常降雨及各頻率的暴雨徑流量。

2.2.1正常降雨徑流量

Q正=F·H·a

(1)

式中：F為采場匯水面積，取露采礦場邊界面積610 840 m2；H為日均降雨量，按2015年氣象降雨記錄，日降雨量超過10 mm以上的降雨為563.50 mm，占全年總降雨量的70%,故采用大于10 mm以上總降雨量與降雨天數(shù)之比求取H=0.022 5 m/d；a為地表徑流系數(shù)，參考陸渾水庫上游地表徑流系數(shù)，a=0.321

則Q正=4 412 m3/d

2.2.2暴雨徑流量

Q暴=F·A暴·a暴

(2)

式中：F為同上；a暴為暴雨時地表徑流系數(shù)，取0.8； A暴為計算頻率的雨量；

A暴=Hp·(1+φCv)

(3)

式中：Hp為歷年日最大降水量平均值；按欒川氣象站1998-2015年每年一日最大降水量算；φ為皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數(shù)，Cv變差系數(shù)取0.55；偏差系數(shù)Cs按Cv的3倍取值1.65，根據(jù)Cs查表求出不同頻率的日最大降水量，并計算采坑涌水量，見表1。

表1　不同頻率日最大降水量及采坑涌水量

由表1可知：10年～100年一次地表日暴雨徑流量為5.55～9.25萬 m3/d。根據(jù)礦山規(guī)模，服務(wù)年限，采掘下降速度，采剝方法，淹沒對生產(chǎn)的影響等，本礦區(qū)采用1%的頻率計算的日暴雨徑流量超過2010年7月24日185 mm的最大暴雨量，可保證礦山的正常的采剝生產(chǎn)。

2.3露天采場地下涌水量計算

采場開采后，礦坑充水除降雨徑流量外，采場周邊地下徑流的側(cè)向補給及溪溝滲漏補給不可忽視。地下徑流主要來自第四系松散層、風(fēng)化帶的裂隙潛水及基巖構(gòu)造裂隙水。為計算方便，特給定如下條件。

(1) 伊河改道，采場四周設(shè)截(排)水工程，不考慮伊河及溪流溝內(nèi)水。

(2)地下水屬層流。侵蝕基準(zhǔn)面以上采用自然排水，不予計算。

(3)凹陷開采按照設(shè)計采準(zhǔn)有+416 m、+392 m、+368 m、+344 m、+320 m、+296 m、+272 m、+248 m、+224 m、+200 m10個疏干段進(jìn)行計算。

①第四系孔隙潛水地下徑流量的側(cè)向補給量，按“大井法”完整井裘布依公式計算

(4)

式中：K為取2個抽水孔，2個抽水民井K的加權(quán)平均值K=531.1 m/d；S為設(shè)計降深值, m；H為含水層厚度, m；R0為引用影響半徑，R0=R+r0，m；R為影響半徑 ； r0：大井的引用半徑(礦坑的等效半徑)

(5)

F露采礦場匯水面積取610 840 m2；第四系孔隙潛水含水層平均厚度取H=9.201 m；潛水最大水位降深，S=9.201 m；大井的引用半徑r0=441 m；影響半徑R=643 m；引用影響半徑R0=R+r0=1 084 m。

經(jīng)計算，第四系孔隙潛水地下水徑流量的滲漏補給量為15.75萬 m3/d。

②基巖風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水地下徑流量的側(cè)向補給量，參照《水文地質(zhì)手冊》中坑道系統(tǒng)涌水“大井”計算法，地下水涌水量可選用無壓供水邊界地下水動力學(xué)承壓轉(zhuǎn)無壓完整井進(jìn)行計算，公式為

(6)

式中：Q4為地下涌水量，m3/d；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；M為承壓含水層平均厚度，m；H為承壓含水層水頭值，h0為動水位高度；R0為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m。

礦坑為不規(guī)則近圓形，大井引用半徑為

(7)

式中：F為各采礦段的開采面積，m2；R為影響半徑“大井”引用影響半徑為

(8)

式中：S為水位降深，m

表2　地下涌水量計算參數(shù)表

通過礦坑涌水量預(yù)測，可取得如下幾點認(rèn)識：

(1)隨著開采水平逐漸加深，礦坑涌水量逐漸減小，反應(yīng)了礦坑涌水量主要來源是上覆第四系水的垂向越流。原因是第四系無隔水層，基巖淺部破碎程度大于深部，淺部接觸第四系水垂向補給范圍大，越往深部第四系越流補給量越小，因此，礦坑涌水量隨開采深度的加大會變小。

(2)伊河的河流滲漏補給是第四系水的主要補給來源，切斷伊河河水補給源對礦山開采至關(guān)重要。

表3　地下涌水量計算預(yù)測表

3　礦山防治水建議

本礦床屬大氣降水，特別是暴雨和地表水為主要充水水源，以裂隙充水為主的礦床。巖石的含水性與透水性較強，結(jié)合自然地理條件和開采水平，凹陷采場礦坑水的防治應(yīng)采用綜合治理的方法，即地表以疏導(dǎo)為主，攔截為輔，地下采用帷幕漿堵為主，對流入或滲入采場的水集中抽排?？傊茉诘乇砘驕\部截流的水就不要讓其流到深部去排，盡量減少深部基坑的排水量，以保證礦山正常生產(chǎn)，應(yīng)采?。?/p>

(1)伊河改道，伊河河道應(yīng)遠(yuǎn)離采場。設(shè)置地表水?dāng)r截工程，并增加疏排水渠、溝、河道的防滲處理，以解決侵蝕基準(zhǔn)面以上地表(下)水的排泄。

(2)在采場南側(cè)、北側(cè)、西側(cè)及東側(cè)設(shè)置隔水帷幕，用淺孔灌漿作防滲帷幕墻，將伊河水的滲漏減少到最小限度。

(3)針對構(gòu)造破碎帶，采用鉆孔減壓、注漿，保證采場邊坡的穩(wěn)定性。

4　結(jié)語

本文在分析礦區(qū)概況、礦床水文地質(zhì)特征、地下水的賦存規(guī)律的基礎(chǔ)上，查明礦床的充水水源、充水條件和邊界條件，通過水文地質(zhì)模型概化，較準(zhǔn)確地進(jìn)行礦坑涌水量計算預(yù)測，認(rèn)為暴雨和地表水是礦坑涌水量的主要來源。凹陷開采礦坑水的防治應(yīng)以攔截第四系水和河水為主，采用綜合治理的方法為宜。

[1]李建領(lǐng)，等.河南省欒川縣-嵩縣金(鉛)礦勘探報告[R].河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊.2015:90-150.

[2]程玉才，等.某露天礦凹陷開采礦坑水計算與防治[J].水文地質(zhì)與工程地質(zhì).1994，06:18-21,39.

[3]劉大金，等.河北某鐵礦礦床水文地質(zhì)條件分析及礦坑涌水量預(yù)測[J].地下水.2014，03:164-166.

2016-02-01

趙鐵峰(1977-)，男，河南洛陽人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)施工和研究工作。

P641.4+1

B

1004-1184(2016)04-0015-03