耒陽(yáng)市江頭礦井礦山水文地質(zhì)特征及礦坑涌水量預(yù)測(cè)研究

李常輝

（湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊(duì)，湘潭，411100）

1 引言

2019年4月，湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊(duì)組織技術(shù)人員對(duì)江頭某礦進(jìn)行野外調(diào)查、研究，編制了《湖南省天宏礦業(yè)股份有限公司江頭礦井礦山地質(zhì)環(huán)境綜合防治方案》，本文作者作為此項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，對(duì)江頭某礦礦山水文地質(zhì)特征進(jìn)行了深入研究，取得了一定成果，希望能對(duì)該礦的礦坑水防治工作有所幫助。

2 概況

2.1 礦山基本情況

江頭某礦位于白沙礦區(qū)江頭井田，北接磨田井田，南至橫沖井田，隸屬耒陽(yáng)市龍?zhí)伶?zhèn)。礦山1992年12月建成，1993年簡(jiǎn)易投產(chǎn)；設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15萬(wàn)t/a，目前技改期間實(shí)際生產(chǎn)能力約3萬(wàn)t/a；主采龍?zhí)督M上段（P2l2）6礦層及5礦層局部；水文地質(zhì)條件中等，正常礦坑涌水量65m3/h，最大107m3/h。

2.2 自然地理

2.2.1 地形地貌

礦區(qū)屬侵蝕剝蝕丘陵地貌，標(biāo)高一般在110-150m之間，最高高程+186.5m，地勢(shì)南東高、北西低。礦區(qū)沖溝呈樹(shù)枝狀展布，地形有利于地表水的徑流、排泄。

2.2.2 氣象

本區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明、雨量充沛。據(jù)耒陽(yáng)市氣象統(tǒng)計(jì)資料（1951年～2018年），氣象參數(shù)如下[1]：

年平均氣溫16.9℃～18.8℃；

年平均降水量1373.2mm；

日最大降水量327.2mm（1999年8月12日）；

年平均降雨日166天，3～6 月為雨季。

2.2.3 地層巖性

區(qū)域地層由新至老分別為：第四系（Q）、三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、二疊系上統(tǒng)大隆組（P2d）、龍?zhí)督M（P2l）及二疊系下統(tǒng)當(dāng)沖組（P1d）。

2.2.4 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造體系主要有南內(nèi)向構(gòu)造、新華夏系構(gòu)造，其次為東西向、華夏系及旋鈕構(gòu)造。礦井整體為單斜構(gòu)造，傾角35～80°，構(gòu)造復(fù)雜。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

3.1 地表水體

大氣降水一部分沿地表向西南流失，一部分滲入地下，地表水徑流條件好。殘坡積層厚0～7.92m，基巖表層裂隙較發(fā)育，大氣降水易沿山坡流出礦井范圍，通過(guò)殘坡積層孔隙及基巖裂隙滲入礦坑的水量較少。

礦井內(nèi)有兩條季節(jié)性排水溪流，一是江頭溪，由南往北流經(jīng)礦山，在北西角流出礦山范圍；二是烏沖溪，位于礦山北部，由東往西流經(jīng)礦山。上述兩溪流，在礦井外蓮花洞合流為一，至九良洲附近與潯江河匯合流入耒河。

礦井外東西兩側(cè)有較大的水庫(kù)，分別為龍下沖水庫(kù)、觀沖水庫(kù)，庫(kù)水來(lái)源為上游侵蝕切割溝谷及其兩側(cè)大氣降水的匯集。此外，零星分布數(shù)口小山塘。

3.2 含、隔水層特征

3.2.1 含水層特征

（1）第四系殘坡積土孔隙水含水層（Ⅰ）

主要分布于溝谷中，厚0-7.92 m，一般5m，以殘、坡積碎屑物為主，即砂質(zhì)粘土、粘土，夾基巖碎塊（見(jiàn)圖1）。溝谷中部，常見(jiàn)沖積層砂礫石層，厚一般1-2m，含孔隙水，受大氣降雨補(bǔ)給，為良好的透水層，其下部粘土層常起到隔水作用。該含水層雨季水量大，水位較高、常以下降泉的形式向沖溝排泄，泉水單位涌水量0.03～0.08l/s·m，旱季無(wú)水或很小。

圖1 江頭某礦水文地質(zhì)剖面示意圖

（2）大隆組硅質(zhì)巖風(fēng)化裂隙水含水層（Ⅱ）

位于大隆組中部，巖性為硅質(zhì)巖，間夾硅質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，淺部含風(fēng)化裂隙水，局部地段含弱承壓水。水量受大氣降水補(bǔ)給，以下降泉的形式排泄于沖溝中，泉水流量隨季節(jié)變化，最大達(dá)0.1 L/s，最小0.03 L/s，含水層厚度10-15m。

（3）龍?zhí)督M砂巖弱裂隙孔隙水含水層（Ⅲ）

龍?zhí)督M為賦礦地層，分上下兩段，由砂巖、粉砂巖、泥巖及礦層組成。其中砂巖中含微弱裂隙、孔隙水，具承壓性。上段中有兩組較穩(wěn)定的砂巖層：一組在1～2礦層間，為灰色薄層狀細(xì)砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，總厚32.30m；另一組在5-6礦層間，即灰白色薄至中厚層狀中粒砂巖，俗稱疏松砂巖，一般厚32m。據(jù)鄰區(qū)磨田井田鉆孔抽水試驗(yàn)，疏松砂巖層單位涌水量為0.0001～0.0015 l/s·m，滲透系數(shù)0.0008～0.0012m/d，屬弱孔隙裂隙含水層。其中1～2礦層間砂巖含水層為Ⅲ1含水層；5～6礦層之間砂巖含水層為Ⅲ2含水層。

3.2.2 隔水層特征

除上述含水層外，區(qū)內(nèi)出露的下第三系大冶組、二疊系下統(tǒng)大隆組、龍?zhí)督M地層中其余各地層均屬隔水層或相對(duì)隔水層。

大冶組泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r因巖石中泥質(zhì)含量高，巖溶不發(fā)育，巖石致密，基本不透水，屬相對(duì)隔水層（其地表淺部雖遭風(fēng)化，但裂隙閉合，均被泥質(zhì)充填，故所含風(fēng)化裂隙水極弱，以相對(duì)隔水層對(duì)待）。

大隆組除中部硅質(zhì)泥巖含風(fēng)化裂隙水外，其余上下部之硅質(zhì)巖均不含水，屬隔水層。

龍?zhí)督M上段除1～2礦層和5～6礦層之間的兩層穩(wěn)定的砂巖含極弱的裂隙、孔隙水外，其余各層巖石泥質(zhì)含量高，屬隔水層。

大隆組下段以泥巖為主，為隔水層。

3.2.3 礦山開(kāi)采對(duì)含水層、隔水層的影響

（1）礦層頂板垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算

根據(jù)“開(kāi)發(fā)利用方案”[2]，未來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)采標(biāo)高5礦層為10～-400m，6礦層為-146～-500m。根據(jù)礦層賦存標(biāo)高，5礦層距地面最小垂高為108m，礦層厚0.6～2.38m，平均厚1.0m，礦層傾角平均為47°；6礦層層距地面最小垂高為254m，礦層厚0.6～10.23m，平均1.5m，礦層傾角平均為57°；5、6礦層賦存于軟硬相間巖層中，屬傾斜～急傾斜薄及中厚礦層。5礦層與6礦層相距38m。根據(jù)規(guī)范：屬傾斜礦層，選用全部陷落法管理頂板時(shí)，垮落帶高度按下式計(jì)算[3]：

式中：Hk—最大跨落高度m；

∑M—礦層厚度（m）；

導(dǎo)水裂隙帶（包括垮落帶）高度按下列兩公式計(jì)算，取較大值：

式中：∑M—礦層厚度（m）；

采用導(dǎo)水裂隙帶最大高度：

Hli=40.85m＞73.97-38=35.97m

導(dǎo)水裂隙帶高度取40.85m。

保護(hù)層厚度公式：

式中：n—分層層數(shù)

∑M—礦層累計(jì)開(kāi)采厚度（m），取5、6礦層最大厚度，∑M＝2.38+10.23＝12.61m；

將參數(shù)代入公式（4），得保護(hù)層厚度為31.53m。

通過(guò)計(jì)算可知，礦層開(kāi)采后，將引起的最大冒落高度為5礦層以上10.08m，導(dǎo)水裂隙帶高度最大40.85m。因此，本礦采礦導(dǎo)水裂縫帶最大高度為5礦層頂部往上40.85m，主要發(fā)育于龍?zhí)督M上段，不會(huì)進(jìn)入大隆組。

（2）龍?zhí)督M上段不含礦段含水層

5-6礦層間灰白色薄至中厚層狀中粒砂巖（Ⅲ2含水層），直接位于6礦層冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)，而1-2礦層間的灰色薄層狀細(xì)砂巖（Ⅲ1含水層）距5礦層78.8m，遠(yuǎn)大于導(dǎo)水裂隙帶的最大高度（40.85m）。因此，未來(lái)礦山開(kāi)采將影響Ⅲ2含水層向礦坑充水，同時(shí)，位于Ⅲ1、Ⅲ2含水層之間的隔水層厚度在80.8m左右，導(dǎo)水裂隙帶破壞該隔水層的厚度在40.85m左右，尚有40m左右隔水層保持完整并對(duì)Ⅲ1含水層起保護(hù)作用，因而不會(huì)影響Ⅲ1含水層向礦坑充水。區(qū)內(nèi)Ⅲ2含水層單位涌水量為0.0001～0.0015 l/s·m，滲透系數(shù)0.0008～0.0012m/d，屬弱孔隙裂隙含水層。根據(jù)以下公式估算礦山開(kāi)采對(duì)含水層的影響范圍：

表1 計(jì)算結(jié)果

式中：F—為礦井預(yù)測(cè)最終采空區(qū)水平投影面積873323㎡；

S—為-500m水平地下水位降深（m），龍?zhí)督M上段砂巖裂隙含水層

平均水位為-340m，取值為160m；

K—為區(qū)域砂巖滲透系數(shù)（0.0012m/d）。

r0—為礦井最終采空區(qū)范圍引用半徑（m），經(jīng)計(jì)算為528m；

綜上，未來(lái)礦山開(kāi)采將影響Ⅲ2含水層向礦坑充水，影響半徑R在583m以內(nèi)，并影響Ⅲ1、Ⅲ2含水層之間的隔水層的中下部，對(duì)該隔水層的中上部及區(qū)內(nèi)其他隔水層沒(méi)有影響，也不會(huì)影響Ⅱ、Ⅲ1含水層向礦坑充水。

3.3 斷層帶含、導(dǎo)水性特征

礦井內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，但以壓性或壓扭性斷裂為主，據(jù)以往資料，僅1個(gè)孔施工時(shí)有微量涌水現(xiàn)象，其余揭穿斷層各鉆孔均未見(jiàn)涌、漏水現(xiàn)象。礦山巷道通過(guò)斷層，未發(fā)生突水現(xiàn)象，說(shuō)明井田內(nèi)各斷層富水性弱、導(dǎo)水性差。

3.4 老窯水特征

據(jù)“詳查報(bào)告”資料，井田內(nèi)老窯較多，多數(shù)開(kāi)采深度在當(dāng)?shù)厍治g溝谷以上，即地下水位之上。據(jù)井田勘查時(shí)資料，對(duì)1/3的老窯點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，雨季時(shí)以泉水形式出露地表，旱季絕大部分?jǐn)嗔?，?shí)測(cè)流量0.006～3.40L/s。說(shuō)明老窯水的大小與降水關(guān)系密切，降雨量越大，流量也越大，反之則小。

本次野外調(diào)查，老窯口大部分填實(shí)，地表很難見(jiàn)到，雖見(jiàn)有兩處老窯，未見(jiàn)老窯充水。礦山目前開(kāi)采北部已經(jīng)達(dá)到-200m以下，南部最深已至-350m，遇老窯的機(jī)會(huì)較少。

3.5 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

所有地下水均直接間接受大氣降雨補(bǔ)給，由于礦區(qū)Ⅰ、Ⅱ含水層位于地表淺部，其受大氣降水補(bǔ)給更明顯，Ⅰ、Ⅱ含水層即松散物孔隙水與基巖風(fēng)化裂隙水二者之間有一定的水力聯(lián)系，一般第Ⅰ含水層補(bǔ)給Ⅱ含水層，Ⅰ、Ⅱ含水層大部分排泄于江頭溪、烏沖溪；部分沿裂隙滲入老窯或淺部井巷，Ⅲ1、Ⅲ2含水層因距地表較遠(yuǎn)，接受大氣降水的補(bǔ)給少，大部分由大氣降水沿裂隙滲透補(bǔ)給，故Ⅲ1、Ⅲ2含水層水量小（補(bǔ)給量?。搅髀严?、孔隙有限、連通性差），排泄條件差。所有地下水均沿?cái)嗔?、裂隙、孔隙徑流，由高?shì)能向低勢(shì)能運(yùn)移，近地表地下水排泄于江頭溪、烏沖溪等溪溝，深部地下水排泄于采空區(qū)，地下水的運(yùn)動(dòng)方向總體上為由南東向北西。

3.6 生產(chǎn)礦坑水文地質(zhì)情況

據(jù)本次調(diào)查，上部巷道局部可見(jiàn)冒水、淋水現(xiàn)象，但總的情況，巷道較干燥；±0m標(biāo)高以下，巷道干燥，頂板及兩壁很少見(jiàn)淋水、冒水現(xiàn)象，偶見(jiàn)濕潤(rùn)現(xiàn)象；-250m水平巷道干燥無(wú)積水；-350m采場(chǎng)礦塵飛揚(yáng)，巷道干燥，未見(jiàn)滴水、淋水。礦井一般涌水量為65m3/h，最大為107m3/h。

3.7 礦坑充水因素及涌水量預(yù)測(cè)

3.7.1 礦坑充水因素

區(qū)內(nèi)與礦山開(kāi)采關(guān)系密切的主要為Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層，主要分布于地表淺部巖石風(fēng)化裂隙及1-2礦層間、5-6礦層間之細(xì)砂巖、粉砂巖巖層中，未來(lái)礦山開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶可能會(huì)波及Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層，導(dǎo)致Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層地下水進(jìn)入地下坑道。因此，未來(lái)礦坑充水主要來(lái)源為Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層地下水，局部Ⅰ含水層之水及大氣降水進(jìn)入老窯后沿近地表裂隙滲于淺部巷道再流入礦坑，也成為采坑涌水來(lái)源。

3.7.2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

礦山現(xiàn)開(kāi)采至-350m標(biāo)高，礦坑涌水量正常65m3/h，最大107m3/h。未來(lái)礦井開(kāi)采至-500m標(biāo)高，礦井的水文地質(zhì)條件與現(xiàn)狀近似，充水來(lái)源相似。因此，利用其實(shí)際排水資料，采用水文地質(zhì)比擬法計(jì)算未來(lái)涌水量，如下：

參數(shù)取值：

Q1—-350m水平礦井涌水量（m3/h），涌水量正常65m3/h，最大107m3/h；

Q2—-500m水平礦井預(yù)測(cè)涌水量（m3/h）；

F1—已采空區(qū)水平投影總面積（㎡），約789185㎡；

F2—未來(lái)采空區(qū)水平投影總面積（㎡），約873323㎡；

S1—礦井-350m水平水位降深（m），取值10m；

S2—礦井可采礦層最低賦存水平-500m水位降深（m），取值為160m。

經(jīng)計(jì)算，預(yù)測(cè)礦井開(kāi)采至-500m標(biāo)高時(shí)，礦坑涌水量正常273m3/h，最大449m3/h（計(jì)算結(jié)果不包括礦井突水、透水等瞬時(shí)潰入量，且相鄰礦山生產(chǎn)、排水條件相似，以下同；供礦山生產(chǎn)建設(shè)時(shí)參考）。

4 結(jié)語(yǔ)

江頭某礦當(dāng)前最低開(kāi)采水平為-350m，礦坑涌水量正常65m3/h，最大107m3/h，未來(lái)礦井開(kāi)采至-500m標(biāo)高時(shí)預(yù)測(cè)礦坑涌水量正常273m3/h，最大449m3/h。區(qū)內(nèi)地表水體發(fā)育中等，除小山塘各地均有見(jiàn)及外，并有沖溝溪水，與第Ⅰ、Ⅱ含水層有一定的水力聯(lián)系。本區(qū)降雨量較大，降雨強(qiáng)度亦大，但區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，利于地表水排泄。各地層中無(wú)強(qiáng)富水層，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水層水量不大，其中Ⅰ、Ⅱ含水層受大氣降水補(bǔ)給，含水層厚度小，徑流條件好，易于排泄；Ⅲ1、Ⅲ2含水層不僅水量小，而且徑流慢、補(bǔ)給、排泄條件均差。區(qū)內(nèi)雖老窯多，但積水不大，僅對(duì)淺部開(kāi)采有一定影響，未來(lái)巷道接近老窯警戒線時(shí)，應(yīng)采取探水前進(jìn)的安全措施，摸清水性做好防水工程，防治突水。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造雖發(fā)育，但以壓性壓扭性斷裂為主，加之所切割地層均屬弱含水層，故富水、導(dǎo)水性弱。礦坑充水來(lái)源主要為Ⅲ2含水層，其次為大氣降水和Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ1含水層、老窯水沿裂隙滲入礦坑。根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)估技術(shù)要求，礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬中等類型。