河南莊金礦礦區(qū)水工環(huán)境地質(zhì)研究

湯宜洋，王林峰，彭智博

(1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001； 2. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450001)

河南莊金礦礦區(qū)水工環(huán)境地質(zhì)研究

湯宜洋1，王林峰1，彭智博2

(1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001； 2. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450001)

我國礦業(yè)一直是粗放式開采，日益嚴(yán)重的礦山地質(zhì)環(huán)境問題時刻威脅著人民生命及財產(chǎn)安全，現(xiàn)已成為社會生態(tài)環(huán)境中最為突出的問題之一?；诖?，以西峽縣河南莊金礦礦區(qū)為例，通過對該礦區(qū)的水工環(huán)境進行勘查實驗，并對礦區(qū)地質(zhì)、水文資料進行研究分析，為礦區(qū)的合理開采提供可靠的依據(jù)。

金礦；水工環(huán)境；地質(zhì)研究

1 水工環(huán)境地質(zhì)研究的實際意義

生態(tài)環(huán)境是人類生存與發(fā)展的必要條件，礦山地質(zhì)環(huán)境是生態(tài)環(huán)境中不可或缺的重要組成部分，礦產(chǎn)資源是人類生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)[1]。我國礦產(chǎn)資源豐富，尤其是金礦資源的開發(fā)歷史悠久[2]、規(guī)模大、強度高，礦產(chǎn)資源的開發(fā)推動了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的快速發(fā)展，但由于礦山開采規(guī)模的增大、開采強度的增高，采礦活動引發(fā)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題越來越多，地質(zhì)環(huán)境問題造成的危害也越為嚴(yán)重。西峽縣河南莊金礦位于河南省西峽縣雙龍鎮(zhèn)河南莊村唐溝口附近，礦藏面積達4.833 3 km2。礦區(qū)內(nèi)工業(yè)礦體共估算保有礦石量616 256 t，金屬量2 735.5 kg。

本次對河南莊礦區(qū)水工環(huán)境地質(zhì)勘查的主要目的及任務(wù)是查明礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件；分析礦床充水因素；預(yù)測礦坑涌水量；對礦床水資源綜合利用進行評價；指出供水方向。查明礦體及其頂?shù)装鍑鷰r巖體質(zhì)量和穩(wěn)固性；預(yù)測可能發(fā)生的主要工程地質(zhì)問題。評述礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量；預(yù)測礦床開發(fā)可能引起的主要環(huán)境地質(zhì)問題并提出防治建議。確定礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘探類型，為礦山開采設(shè)計提供開采技術(shù)依據(jù)。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

河南莊金礦區(qū)位于伏牛山南麓，地勢南高北低，屬低山區(qū)，地形較陡，切割強烈。區(qū)內(nèi)相對高差100～200 m，最高標(biāo)高為503 m,最低標(biāo)高為320 m，最大相對高差為183 m。區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，灌木叢生，基巖出露一般。該區(qū)屬長江水系漢江流域老灌河支流蛇尾河區(qū)，常年有流水，可滿足礦山使用。

該礦區(qū)前期在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的工作完成程度較低。通過本次勘探工作的完成，完善本區(qū)的水工環(huán)地質(zhì)資料，為后期礦山擴大開采規(guī)模，改進開采技術(shù)等設(shè)計工作提供完善、準(zhǔn)確的水工環(huán)地質(zhì)依據(jù)。

3 礦床充水因素分析

經(jīng)過對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的調(diào)查，結(jié)合收集以往資料分析，礦床充水水源主要有大氣降水、地表水、地下水等，現(xiàn)分述如下。

3.1 大氣降水

通過野外水文地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：從民井S006長觀點地下水水位標(biāo)高與大氣降水、地表水體的動態(tài)變化關(guān)系不大。因此，大氣降水對礦坑充水雖然局部有輕微影響，但總體影響并不大。

3.2 地下水

通過水文孔SHK01的頂板、礦層及底板的抽水試驗結(jié)果顯示，涌水量均較小，含水層富水性較弱，透水性較差。

3.3 采空區(qū)分布與裂隙水水量

由于本礦區(qū)部分已經(jīng)開采，共分6個中段，每個中段除了為開采需要建設(shè)的巷道外還有很多采空區(qū)，各中段采空區(qū)分布情況：320中段采空區(qū)面積392.691 m2，主要分布在Zk1502和Zk1601之間；290中段采空區(qū)面積197.368 m2，主要分布在Zk1502西南和Zk1302東部；260中段采空區(qū)面積89.906 m2，主要分布在Zk1302西部；230中段采空區(qū)面積3 136.472 m2，主要分布在Zk1402西部和Zk1307東部；200中段和170中段內(nèi)除了巷道、未見采空區(qū)。由于已經(jīng)停采很久了，很多中斷巷道關(guān)閉停止使用，所以具體各中段裂隙水水量無法測量，但礦坑每天向外排水量約100 m3左右。

4 礦坑涌水量估算及模型

4.1 涌水量估算

根據(jù)礦床地質(zhì)特征，未來礦山開采主要采用中深部平巷開拓。礦床主要充水因素為含礦層自身的構(gòu)造承壓水[3]，富水性弱，主要充水含水層由淺部到深部逐漸減弱，大氣降水是礦區(qū)地下水主要的補給來源。礦床含水層為承壓水狀態(tài)，經(jīng)過開拓后轉(zhuǎn)為無壓狀態(tài)，抽水試驗孔位于直線隔水邊界附近，未來開采以礦層底部為準(zhǔn)，其標(biāo)高為170.00 m，故其為承壓轉(zhuǎn)無壓完整井。

礦區(qū)內(nèi)以SHK01水文孔抽水試驗資料為重點分析。SHK01水文孔抽水試驗分3個階段進行，鉆探至礦層頂板后停鉆清孔并試抽，然后待水位穩(wěn)定后進行礦層頂板抽水試驗；試驗結(jié)束后繼續(xù)鉆至礦層底板，然后起鉆清孔，封閉礦層頂板，然后試抽，很快出現(xiàn)掉泵現(xiàn)象，且水位恢復(fù)緩慢，表明礦層基本不含水，然后采取注水試驗進一步驗證；上一階段試驗結(jié)束后繼續(xù)鉆至設(shè)計孔深，然后起鉆清孔，封閉頂板及礦層，然后試抽停泵，待水位穩(wěn)定后進行底板抽水試驗。SHK01水文孔礦層及頂、底板抽水試驗資料詳見表1。

表1 河南莊金礦區(qū)SHK01水文孔礦層及頂、底板抽水試驗成果

根據(jù)生產(chǎn)礦井不同深度可以計算其深度的涌水量，但生產(chǎn)井徑大，應(yīng)進行井徑換算，本區(qū)地下水為層流，公式為：

例如：生產(chǎn)礦井半徑設(shè)計3.0 m，輻射半徑300 m，代入S3資料計算如下：

舉例僅代表7.8 m降深的涌水量，生產(chǎn)中可根據(jù)需要進行設(shè)計代入公式即可計算出設(shè)計結(jié)果。

4.2 礦坑涌水量估算——“比擬法”模型

根據(jù)對本區(qū)金礦生產(chǎn)坑道收集觀測資料，用水文地質(zhì)比擬法進行計算。

生產(chǎn)坑道位于侵蝕基準(zhǔn)面以下，巖性為秦嶺巖群白云石大理巖，坑道近似垂直于巖層走向，坑道規(guī)格高2.0 m，寬2.0 m，長65.7 m，坑道內(nèi)實測流量34.56 m3/d，初見水位平均6.5 m，即降深6.5 m，坑道內(nèi)集坑排水。

式中：Q、F、S分別代表未來生產(chǎn)礦山生產(chǎn)設(shè)計坑道的涌水量、坑道面積、水位降深；Q1、F1、S1分別代表生產(chǎn)坑道實測的涌水量、坑道面積、水位降深。

例如：未來生產(chǎn)坑道設(shè)長250 m，寬2.2 m，將數(shù)據(jù)代入公式：

144.66 m3/d

因地下水受大氣降水補給，受季節(jié)、降雨量、枯、豐水期影響較大，在預(yù)測時應(yīng)靈活掌握。考慮到未來雨季地下水涌水量劇增，為安全起見以上各種預(yù)測方法可按兩倍以上增加計算，預(yù)報最大涌水量300 m3/d。

4.3 礦坑涌水量估算——“大井法”模型

根據(jù)礦床水文地質(zhì)條件、礦床所處位置及井巷系統(tǒng)開采方式，以170 m控制標(biāo)高以上范圍屬于礦權(quán)開采范圍。礦層水平投影面積為1.782 m×105 m，周長為1 978 m。可概化成一個長a為734.0 m，寬b為255 m的矩形，則其面積為1.872 m×105 m，礦區(qū)范圍內(nèi)多為白云石大理巖巖溶裂隙水弱含水巖層，東部出現(xiàn)小區(qū)域分水嶺，連續(xù)完整穩(wěn)定，可視為一側(cè)直線隔水邊界，抽水試驗孔位于直線隔水邊界附近。由于礦床地層傾角35(°)左右，使用“大井法”計算[4]。

礦層概化后的矩形整個坑道系統(tǒng)視為一個大的集水井，礦坑降深以首采段最低含水層底板為界，則最大降深疏干時取值170.84 m(承壓含水層均轉(zhuǎn)化為無壓水層，取含水層天然承壓水頭，同時也是首采段水平標(biāo)高170.00 m)，采用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井公式進行預(yù)測。

由于巖層在剖面上充水含水層的滲透性具有明顯的不均勻性，根據(jù)解析計算要求，滲透系數(shù)作均值概化，采用厚度加權(quán)平均值法：

其中K——相應(yīng)分段的滲透系數(shù)；

M——剖面上各含水層段的厚度，m。

承壓含水層厚度M采用擬定首采區(qū)所有鉆孔(8個)的平均值66.7 m。

礦坑最大降深疏干時，承壓含水層均轉(zhuǎn)化為無壓水層，取含水層天然承壓水頭，礦坑降深S0采用抽水試驗孔的承壓水頭值，S0=(H底SK01-H靜SK01)=170.84 m。

坑道系統(tǒng)至隔水邊界的距離a，采用抽水孔距隔水邊界：a=1 729.00 m

因為一側(cè)隔水邊界，是單面供水，單面隔水。因此涌水量計算結(jié)果應(yīng)除以2。礦坑承壓轉(zhuǎn)無壓公式為：

式中Q——預(yù)測“大井”法計算的巷道系統(tǒng)涌水量，m3/d；

M——承壓含水層厚度，采用擬定首采區(qū)所有鉆孔資料66.70 m；

Kcp——基巖裂隙水滲透系數(shù)，采用水文孔的平均值0.038 5 m/d；

S0——礦坑降深值，從含水層底算起，取含水層天然承壓水頭170.84 m；

r0——坑道設(shè)計引用半徑，取值284.34 m；

R0——坑道設(shè)計引用影響半徑，取值1 159.70 m；

a——坑道系統(tǒng)至隔水邊界的距離，采用抽水孔到隔水邊界的距離1 729.00 m。

將計算參數(shù)代入式中，其計算結(jié)果如下表2。

表2 礦坑涌水量結(jié)果

4.4 估算結(jié)果評述

礦區(qū)SHK01地質(zhì)孔抽水時間2015年9月中旬底至10月上旬，為當(dāng)?shù)禺?dāng)年的枯水期，所以對礦坑進行最大涌水量預(yù)測時采用當(dāng)?shù)刎S水期與枯水期的降雨量比值，由于沒有鄰近礦區(qū)豐水期與枯水期的資料，只能以礦區(qū)S010的常觀數(shù)據(jù)作為豐水期和枯水期的資料，因為該點為巖溶裂隙水。其最大流量為8.047 L/s，最小流量為4.883 L/s，豐水期與枯水期流量比值為1.65∶1。

因該礦坑最大涌水量在估算時沒有考慮到礦層的底板巖溶裂隙水補給、開采時所造成的裂隙導(dǎo)水補給及大氣降水入滲補給等因素，只是在礦區(qū)水文地質(zhì)條件未發(fā)生改變時進行的礦坑最大涌水量預(yù)測，故預(yù)測的結(jié)果值偏小。

本次礦坑涌水量的估算采用的是群孔抽水試驗的計算結(jié)果，其計算公式采用的是1979年版《水文地質(zhì)學(xué)》(二)第六章第一節(jié)中一側(cè)直線隔水邊界的承壓轉(zhuǎn)無壓計算公式[4]。兩種模型，兩種結(jié)果，前后相差較大，因為建模不同，為了確保安全生產(chǎn)，建議采用“大井模型”作為設(shè)計依據(jù)。

4.5 礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量評價

1) 地表水

本區(qū)主要地表水體為蛇尾河和山間溪流。主要用途為防洪、灌溉、養(yǎng)殖等。溪流受季節(jié)影響變化較大。對照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)所檢項目中，說明地表水水質(zhì)基本良好。

2) 地下水

根據(jù)礦區(qū)地下水水質(zhì)分析結(jié)果，對照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848-1993)及《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-1985)所檢項目中，指標(biāo)均符合要求。故本區(qū)地下水可滿足一般工業(yè)用水和生活用水要求。

5 結(jié) 語

綜上所述，可知水工環(huán)彼此之間相互聯(lián)系，連續(xù)的紐帶就是水土。水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查工作難度比較大，專業(yè)性比較強，因此對調(diào)查人員的業(yè)務(wù)能力要求非常高，而且由于水工環(huán)調(diào)查技術(shù)越來越先進，因此調(diào)查人員必須提高自身的能力，不斷學(xué)習(xí)，只有如此，水工環(huán)調(diào)查工作才會發(fā)展迅速。

[1] 張慧穎. 會澤鉛鋅礦區(qū)水文地質(zhì)條件及地下水環(huán)境質(zhì)量評價[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2002.

[2] 孔令山. 基于環(huán)境保護探析水工環(huán)地質(zhì)勘察工作策略[J]. 黑龍江科技信息, 2016(15): 111.

[3] 代尚京. 地下水環(huán)境影響評價中水文地質(zhì)勘察工作的內(nèi)容和方法[J]. 西部探礦工程, 2016(7): 155-156+159.

[4] 朱海寶. 水、工、環(huán)地質(zhì)調(diào)查與數(shù)字填圖[J]. 科技信息, 2011(14): 313.

A Study on Hydraulic Environmental Geology in Mining Area of Henan Gold Mine

TANG Yiyang1, WANG Linfeng1, PENG Zhibo2

(1.HenanBureauofGeologyandMineralResourcesExplorationandDevelopment,ThefirstGeologicalExplorationInstitute,Zhengzhou,Henan450001,China; 2.HenanBureauofGeologyandMineralResourcesExplorationandDevelopment,MappingGeographicInformationInstitute,Zhengzhou,Henan450001,China)

China’s mining industry is the extensive mining, and its geological environment in growing problems is threatening people’s lives and property. It has now become one of the most prominent problems in the social environment. Based on this, we take Zhuang gold deposit mine in Xixia county for example to have exploration and experiment of hydraulic environment of the mining area, by trying to get a geological, hydrological data analysis to provide a reliable basis for rational exploitation of the mining area.

Gold deposit; Hydraulic environment; Geology

2017-03-01

湯宜洋(1979-)，男，安徽合肥人，工程師，研究方向：水工環(huán)地質(zhì)，手機：13932271656，E-mail：19612311@qq.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.013