湖南花垣縣大腦坡鉛鋅礦區(qū)水文地質(zhì)特征及礦坑涌水量預(yù)測(cè)研究

謝國(guó)軍

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局四0七隊(duì)，湖南 懷化 418000）

礦坑涌水量預(yù)測(cè)是礦產(chǎn)地質(zhì)勘查綜合研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是指定礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一[1，2]。礦床開(kāi)采過(guò)程中，地表水體與地下水通過(guò)各種途徑涌入礦坑，當(dāng)涌水量超過(guò)排水能力時(shí)，就可能出現(xiàn)突透水事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦坑涌水量是制定礦床疏排水方案并保證安全開(kāi)采的前提條件。

針對(duì)礦坑涌水量涌水量預(yù)測(cè)，主要有基于裘布依穩(wěn)定流理論的解析法[3]、數(shù)值法、水均衡法、Q-S曲線方程外推法[4]及水文地質(zhì)比擬法等，各種方法的研究極大提高了礦坑涌水量的預(yù)測(cè)水平和精度。本文深入研究了湖南花垣縣大腦坡鉛鋅礦的水文地質(zhì)條件，并對(duì)其水文地質(zhì)邊界進(jìn)行合理概化，采用解析法和比擬法對(duì)+360m水平礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)對(duì)比評(píng)價(jià)，探討了相應(yīng)的應(yīng)用條件，為其他礦區(qū)解決類似問(wèn)題提供參考。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 礦區(qū)概況[5]

礦區(qū)位于花垣縣龍?zhí)舵?zhèn)、團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)和道二鄉(xiāng)境內(nèi)，區(qū)內(nèi)年平均氣溫17.2℃，多年平均降雨量1395.4mm，其中4月～9月降雨量占全年降雨量的73%，月最大降水量367.3mm（2017年6月），月最小降水量5.1mm（2017年12月）。區(qū)域地表分水嶺位于礦區(qū)南部，走向北東，北部位花垣河水系，南部為兄弟河水系，礦區(qū)內(nèi)花垣河、兄弟河支流零星發(fā)育，流量一般小于0.2m3/s，旱季干涸。礦區(qū)地貌類型以巖溶侵蝕低山峰叢洼地和巖溶侵蝕丘陵洼地為主，地勢(shì)南西高、北東低，標(biāo)高360m～700m，礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面高程368.02m。

大腦坡礦區(qū)位于花垣鉛鋅礦田北東段，張家界－花垣斷裂帶南盤(pán)，礦區(qū)為一傾向南東的單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀一般傾向100°～130°，傾角6°～12°。礦區(qū)出露地層主要為寒武系和第四系殘坡積層。其中：中上統(tǒng)婁山關(guān)組、中統(tǒng)高臺(tái)組、下統(tǒng)清虛洞組上段上亞段及下亞段巖性主要為白云巖，巖溶發(fā)育程度弱～中等；清虛洞組下段第三四亞段為主要賦礦層位，巖性以純灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈；清虛洞組下段第一亞段、第二亞段巖性以泥質(zhì)灰?guī)r為主，巖溶不發(fā)育，構(gòu)成礦區(qū)隔水底板；第四系殘坡積層以粘性土為主，在巖溶洼地內(nèi)廣泛分布。

據(jù)勘探資料，礦區(qū)主要工業(yè)礦體有III、IX、X號(hào)礦體，礦體主要賦存于清虛洞組上段下亞段、清虛洞組下段第三、四亞段巖層內(nèi)，礦床儲(chǔ)量計(jì)算標(biāo)高為464.20m～91.40m，首采地段位于礦區(qū)北部，首采標(biāo)高為420m～360m，多處于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之上。

1.2 含水層及富水性

礦區(qū)地層主要為寒武系和第四系殘坡積粉質(zhì)黏土，依據(jù)含水介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征和水動(dòng)力條件進(jìn)行劃分，礦區(qū)地下水類型主要為松散堆積層孔隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水2大類。各種地下水的具有各自的特點(diǎn)和富水特性。

1.2.1 松散堆積層孔隙水

主要賦存于第四系殘坡積相（Qel-di）粉質(zhì)黏土內(nèi)，單一結(jié)構(gòu)，局部含5%～10%的角礫，稍濕～濕，可塑狀，厚度0m～25.28m，平均4.83m。礦區(qū)內(nèi)泉點(diǎn)出露少，流量0.01L/s～0.5L/s，地下水主要在地形低洼處匯集，富水性弱，對(duì)礦坑充水影響小。

1.2.2 碳酸鹽巖巖溶水

碳酸鹽巖巖溶水主要賦存于寒武系（∈）地層中。其中：

中上統(tǒng)婁山關(guān)組（∈2-3ls）、中統(tǒng)高臺(tái)組（∈2g）巖性以白云巖為主，婁山關(guān)組裂隙發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象以溶孔為主，溶洞不發(fā)育；高臺(tái)組鉆孔遇洞率0.58%，線巖溶率0.04%，泉點(diǎn)出露少，流量小于0.5L/s，富水性弱。

清虛洞組上段上亞段（∈1q2-2）和第下亞段（∈1q2-1）為白云巖向灰?guī)r過(guò)渡段，巖性為薄～厚層砂屑-泥晶白云巖，溶蝕現(xiàn)象以溶洞溶孔為主，鉆孔遇洞率分別為3.49%、7.56%，線巖溶率分別為0.66%、1.90%，泉流量0.04L/s～6.00L/s，富水性中等。

清虛洞組下段第三、四亞段（∈1q1-（3+4））巖性為質(zhì)純?cè)寤規(guī)r，鉆孔遇洞率為29.07%，線巖溶率分別為2.35%，泉流量0.80L/s～50.16L/s，富水性強(qiáng)。

清虛洞組下段第一亞段（∈1q1-1）、第二亞段（∈1q1-2）巖性以泥質(zhì)灰?guī)r為主，鉆探揭露巖溶不發(fā)育，為礦區(qū)隔水底板。

1.3 地下水補(bǔ)給、逕流、排泄條件

礦區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，大氣降水在第四系覆蓋區(qū)通過(guò)土層垂向滲透進(jìn)入含水層，在碳酸鹽巖裸露區(qū)和巖溶洼地內(nèi)巖溶漏斗發(fā)育區(qū)直接通過(guò)巖溶管道直接灌入含水層。松散堆積層孔隙水在區(qū)域分水嶺以北逕流向北，最終排泄至花垣河，風(fēng)水嶺以南地下水向南逕流，最終排泄至兄弟河。碳酸鹽巖巖溶水以巖溶管道無(wú)壓流為主，流向北西，多以暗河和巖溶泉的形式排泄于地表，礦區(qū)內(nèi)巖溶水的排泄區(qū)位于礦區(qū)北部永豐村～上阿碧～麻山灣一帶的暗河（AH01～AH04），最低高程368.02m。

1.4 礦坑充水條件

1.4.1 充水水源

（1）大氣降水

區(qū)內(nèi)潮濕多雨，雨量充沛，大氣降水是礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源，當(dāng)充水含水層接受大氣降水補(bǔ)給后，地下水通過(guò)巖溶發(fā)育帶、導(dǎo)水裂隙帶、采空陷落帶及突水帶直接或間接進(jìn)入礦坑對(duì)礦床充水，大氣降水成為礦坑充水的重要來(lái)源。

（2）地表水

礦區(qū)內(nèi)無(wú)大型地表水體，溪溝零星發(fā)育，流量小，且旱季斷流，首采區(qū)無(wú)地表水體，地表水礦坑充水的影響小。

（3）第四系松散巖類孔隙水

首采區(qū)第四系殘坡積相粉質(zhì)粘土覆蓋厚度小，滲透性性能差，富水性弱，孔隙水通過(guò)下滲進(jìn)入下伏碳酸鹽巖巖溶含水層，對(duì)礦坑充水的影響小。

（4）礦體圍巖巖溶水

礦體直接頂?shù)着c圍巖多為清虛洞組灰?guī)r巖溶含水層，分布面積廣。頂板裸露地段，接受大氣降水補(bǔ)給，隱伏于第四系松散堆積層之下，間接接受松散堆積層孔隙水下滲補(bǔ)給；含礦層底板巖層為清虛洞組下段第一亞段泥灰?guī)r，巖溶不發(fā)育，其下部為隔水性更好的碎屑巖，隔水性能好。勘探揭露，礦區(qū)碳酸鹽巖溶洞底板高程110.96 m～512.16m，溶洞底板總體向北東向傾斜。主要工業(yè)礦體（III、IX、X）頂板高程464.20m～92.36m，礦體底板高程462.00m～91.40m，礦體大多處于溶洞底板以下。未來(lái)礦山開(kāi)采地下水通過(guò)溶洞、溶蝕裂隙和構(gòu)造破碎帶形成的管道直接進(jìn)入。

1.4.2 充水途徑

區(qū)內(nèi)受斷裂構(gòu)造、地層巖性以及地形地貌等因素影響，形成一系列北東向、北西向由溶洞、溶蝕裂隙及地下暗河等巖溶介質(zhì)組成的巖溶水逕流通道，相互貫通后構(gòu)成大腦坡礦區(qū)充水通道。

（1）斷裂構(gòu)造帶通道

礦區(qū)斷裂構(gòu)造主要呈北東向和北西向展布。其中：北東向斷裂以壓性為主，其次級(jí)斷裂以張性為主；北向斷裂多為張性。據(jù)研究分析，暗河AH01形成于壓性斷裂F3及其次級(jí)張性斷裂與北西向張性斷裂F107密切相關(guān)，暗河AH02空間分布則受壓性斷裂F2和北西向張性斷裂F110控制。F107、F110及斷裂疊加作用區(qū)域溶洞、溶蝕裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，巖體破碎，地下水相對(duì)富集，形成了地下水集中逕流帶，礦床開(kāi)采條件下成為巖溶含水層向礦坑充水的天然通道。

（2）溶洞、溶蝕裂隙、地下暗河等巖溶通道

溶洞、溶蝕裂隙、地下暗河等巖溶介質(zhì)交織構(gòu)成的巖溶水逕流帶，也構(gòu)成礦區(qū)地下水富集、逕流和補(bǔ)給礦坑充水的主要通道。礦區(qū)巖溶發(fā)育為非均質(zhì)各向異性，表現(xiàn)為溶隙和巖溶管道含水介質(zhì)并存的特點(diǎn)。其中巖溶管道連通性好，導(dǎo)水性強(qiáng)，當(dāng)巖溶管道直接揭露礦床時(shí)，其不僅是導(dǎo)水廊道，還是儲(chǔ)水空間，對(duì)礦坑充水作用強(qiáng)，危害性大。

2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

通過(guò)上述水文地質(zhì)條件及礦坑充水條件的分析研究，本文采取解析法和比擬法預(yù)測(cè)III、IX、X號(hào)礦體+360m水平的礦坑平水期涌水量，根據(jù)暗河流量變幅預(yù)測(cè)豐水期礦坑用水流量。

2.1 解析法

2.1.1 正常涌水量

依據(jù)水文地質(zhì)勘探資料，礦區(qū)邊界可以概化為：礦區(qū)北西部清虛洞組下段第二亞段（∈1q1-2）泥質(zhì)灰?guī)r出露，具有隔水性，并且近似呈直線展布，處理為直線隔水邊界；東南部寒武系中上統(tǒng)、中統(tǒng)紀(jì)下統(tǒng)清虛洞組巖溶化灰?guī)r廣泛分布，且地下水流向北西，為地下水補(bǔ)給逕流區(qū)，處理為無(wú)限邊界，根據(jù)邊界條件映射得到礦區(qū)概化模型如圖1。

通過(guò)上述邊界條件概化及映射處理，本次針對(duì)III、IX、X號(hào)礦體+360m水平的礦坑涌水量預(yù)測(cè)按式（1）[6]進(jìn)行計(jì)算。

式中，為含水層滲透系數(shù)（m/d）；r0為礦坑內(nèi)邊界（m）；R為外補(bǔ)給邊界（m）；S為水位降低（m）；b為大井至隔水邊界的距離（m）；hR為外邊界水位，從下伏隔水層算起（m）；hr0為內(nèi)邊界水位，從下伏隔水層算起（m）。

圖1 礦區(qū)概化模型

表1 解析法+360m礦坑正常涌水量計(jì)算結(jié)果表

表2 比擬法+360m礦坑正常涌水量計(jì)算結(jié)果表

（1）滲透系數(shù)k：

利用水文孔SZK1～SZK5抽水試驗(yàn)獲得的各降深滲透系數(shù)，求取含水層平均滲透系數(shù)，計(jì)算整個(gè)含水層的加權(quán)平均滲透系數(shù)。

（2）礦坑內(nèi)邊界r0：360m以上礦體水平投影呈不規(guī)則多邊形，礦坑內(nèi)邊界按式（2）計(jì)算。

式中，P為多邊形周長(zhǎng)，（m）。

（3）外補(bǔ)給邊界R：按式（3）計(jì)算。

式中，R0為引用影響半徑（m），按式（4）計(jì)算。

式中，H為含水層厚度（m），取平均平水期靜止水位與隔水頂板平均高差；S為水位降低（m），取平水期平均靜止水位與開(kāi)采水平的高差。

根據(jù)上述公式求得+360m水平礦坑正常涌水量結(jié)果見(jiàn)表1。

2.1.2 最大涌水量

礦坑最大涌水量為豐水期礦坑涌水量，與大氣降水密切相關(guān)。礦區(qū)含水層厚度、水位降低及滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，本應(yīng)按豐水期礦區(qū)統(tǒng)測(cè)鉆孔地下水位和抽水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，鑒于礦區(qū)勘探收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有限，本文擬采用暗河流量長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，按式（5）推算礦坑最大涌水量。

式中，Qmax為礦坑最大涌水量（m3/d）；Q為礦坑正常涌水量（m3/d）；γ為暗河流量變幅系數(shù)，按式（6）計(jì)算。

暗河AH01豐水期（4月～9月）平均流量486.96m3/d，年平均流量399.51 m3/d，變幅系數(shù)1.22；暗河AH02豐水期（4月～9月）平均流量262.00m3/d，年平均流量240.98m3/d，變幅系數(shù)1.09。首采區(qū)暗河平均流量變幅系數(shù)1.16，推算+360m水平礦坑最大涌水量為13062.96 m3/d。

2.2 比擬法

水文地質(zhì)比擬法，是在整理已開(kāi)采礦山礦坑排水資料，推求礦山下一個(gè)開(kāi)采水平的礦坑涌水量；或以水文地質(zhì)條件類似已開(kāi)采礦山的礦坑涌水量為依據(jù)，預(yù)測(cè)礦坑涌水量。常用的比擬法有富水系數(shù)比擬法、單位涌水量比擬法。

相鄰李梅1采區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度與大腦坡礦區(qū)類似，以李梅1采區(qū)礦坑排水資料為依據(jù)，推算大腦坡礦區(qū)+360m水平正常礦坑涌水量，按式（7）[7]進(jìn)行計(jì)算。

式中，Q2、Q1分別為預(yù)測(cè)礦坑和已知礦坑的涌水量；F2、F1分別為預(yù)測(cè)礦坑和已知礦坑的開(kāi)采面積；S2、S1分別為預(yù)測(cè)礦坑和已知礦坑的疏干降深；m、n待定系數(shù)，根據(jù)李梅1采區(qū)礦坑排水資料，采用反演法計(jì)算。

根據(jù)李梅1采區(qū)礦坑排水資料進(jìn)行比擬，大腦坡+360m水平正常礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)首采區(qū)暗河平均流量，推算+360m水平礦坑最大涌水量為10142.30 m3/d。

2.3 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析評(píng)價(jià)

以上兩種方法礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。解析法涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果受水文地質(zhì)邊界概化模型及滲透系數(shù)取值影響大，大腦坡礦區(qū)含水巖組滲透性各向異性明顯，解析法計(jì)算礦坑涌水量偏差大。比擬法利用相鄰生產(chǎn)礦山排水資料，結(jié)合礦床的實(shí)際情況預(yù)測(cè)的礦坑涌水量，綜合了多種水文地質(zhì)因素，代表性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，因此采用比擬法預(yù)測(cè)結(jié)果。

計(jì)算方法 正常涌水量（m3/d)最大涌水量（m3/d) 預(yù)測(cè)成果評(píng)價(jià)解析法 11261．17 13062．96 解析法預(yù)測(cè)結(jié)果偏大，比擬法預(yù)測(cè)結(jié)果更切合實(shí)際，推薦比擬法預(yù)測(cè)結(jié)果供設(shè)計(jì)參考。比擬法 8743．37 10142．30

3 結(jié)論及建議

（1）根據(jù)勘探結(jié)果，礦區(qū)地下水類型主要為松散堆積層孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水兩大類。

（2）礦床主要通過(guò)斷裂構(gòu)造帶和巖溶管道直接充水。

（3）經(jīng)研究分析，推薦比擬法預(yù)測(cè)礦坑涌水量供設(shè)計(jì)使用。

（4）解析法預(yù)測(cè)礦坑涌水量受水文地質(zhì)邊界的概化模型及滲透系數(shù)取值影響大。

（5）比擬法預(yù)測(cè)礦坑涌水量操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但必須有可靠的類似已采礦山排水資料。