黃石獅子立山礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析及涌水量預(yù)測

李蔚林，石長柏，王 磊，孫 達(dá)，劉 徽

(1.湖北省地質(zhì)局 第五地質(zhì)大隊(duì),湖北 黃石 435000； 2.湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊(duì),湖北 大冶 435100)

礦坑涌水量是礦山建設(shè)及生產(chǎn)過程中,單位時(shí)間內(nèi)流入各種巷道和開采系統(tǒng)的水量[1]。在礦山開采過程中,礦坑涌水量是困擾礦區(qū)安全生產(chǎn)的主要問題[2]。礦坑涌水量的影響因素主要有礦區(qū)所在地的水文地質(zhì)條件、降雨量、地質(zhì)構(gòu)造、礦體結(jié)構(gòu)等,同時(shí)還有礦井下人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響,這些因素錯(cuò)綜復(fù)雜,難以控制,因此礦坑涌水量預(yù)測是一項(xiàng)復(fù)雜的工作[3]。由于礦山涌水量關(guān)系到礦山的生產(chǎn)條件與成本,礦山設(shè)計(jì)部門主要依據(jù)涌水量來確定排水設(shè)備和制定防治水措施,因此,如何根據(jù)礦山所處不同地層、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件,正確預(yù)測礦坑涌水量顯得尤為重要[4]。目前預(yù)測計(jì)算礦坑涌水量的方法很多,如“大井法”、“水文地質(zhì)比擬法”、“水均衡法”、“數(shù)值法”等[5-6]。

獅子立山礦區(qū)位于黃石市團(tuán)城山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi),距黃石市火車站、長江航運(yùn)碼頭均約7 km。獅子立山礦區(qū)位于丘陵殘丘區(qū)和垅崗殘丘區(qū)的接觸部位,地勢中間高、南北兩側(cè)低,中部及東部低洼。按相對(duì)高差和形態(tài)可將礦區(qū)及其外圍劃分為丘陵殘丘區(qū)、低山區(qū)、垅崗殘丘區(qū)、湖盆區(qū)。礦區(qū)附近最大的地表水體為磁湖,其北部湖域位于礦區(qū)東部。獅子立山礦區(qū)累計(jì)查明4個(gè)工業(yè)礦體群,共計(jì)155個(gè)大小不等的鍶礦體和鉛鋅礦體。礦體分布于27～36勘探線間,長1 600 m、寬100～720 m范圍內(nèi),賦存標(biāo)高+71～-666 m,埋深19～738 m。礦體受獅子立山隱伏背斜控制,多分布于背斜兩翼,總體走向北東東—近東西,傾向?yàn)槟蠔|或北西,傾角10°～50°。

本文根據(jù)獅子立山礦區(qū)以往所做的普查、詳查、核查工作以及礦山疏排水資料的基礎(chǔ)上,從礦區(qū)含水層、地下水補(bǔ)徑排、巖溶發(fā)育特征、礦床充水因素分析等方面，來全面認(rèn)清礦區(qū)水文地質(zhì)條件,并合理概化出水文地質(zhì)模型,然后采用“大井法”和“水文地質(zhì)比擬法”來預(yù)測礦坑涌水量。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

獅子立山礦區(qū)位于鄂東南鐵、銅、鉛、鋅多金屬Ⅳ級(jí)成礦帶北部,黃石—廣濟(jì)鉛鋅礦帶的西端,下陸—姜橋斷裂帶的北段東側(cè),鐵山巖體東緣,花家湖向斜的南翼。礦區(qū)地表出露地層除廣布第四系殘坡積沖積粘土、砂礫石外,主要為三疊系中統(tǒng)蒲圻組砂頁巖,次為三疊系上統(tǒng)九里崗組粉砂巖、頁巖、粘土巖夾長石石英砂巖；上三疊—下侏羅統(tǒng)王龍灘組粉砂巖、長石石英砂巖等。礦區(qū)深部有三疊系下統(tǒng)大冶組,三疊系中下統(tǒng)嘉陵江組碳酸鹽巖。

根據(jù)地質(zhì)測量及鉆探揭露資料,通過對(duì)隱伏地層層序的建立,區(qū)內(nèi)可恢復(fù)一個(gè)隱伏背斜,即獅子立山隱伏背斜。其位于獅子立山—肖家鋪,背斜長1 800 m。背斜軸向在0線以西為225°左右,0線以東為北東65°。兩翼地層產(chǎn)狀較平緩,傾角為10°～20°,表現(xiàn)為一低緩寬闊的直立背斜。組成背斜的地層為下三疊統(tǒng)大冶組第三—第四巖性段及中下三疊統(tǒng)嘉陵江組第一巖性段。礦區(qū)內(nèi)破碎帶較發(fā)育,據(jù)其產(chǎn)出特征可分為層間破碎帶和侵入接觸破碎帶。層間破碎帶廣泛發(fā)育于區(qū)內(nèi)嘉陵江組碳酸鹽巖、蒲圻組碎屑巖及其平行不整合面間,其中以大冶組第四巖性段和嘉陵江組下段接觸面附近最為發(fā)育,其規(guī)模也較大,破碎帶走向長100～500 m,斜長10～550 m不等,厚度一般為10～50 m,最厚斷續(xù)可達(dá)200 m以上；侵入接觸破碎帶主要發(fā)育于燕山晚期侵入的石英閃長玢巖與嘉陵江組下段和蒲圻組下段接觸帶,其規(guī)模一般較小,長40～100 m,寬10～50 m,局部延伸可達(dá)200 m以上。

區(qū)內(nèi)巖漿巖為鐵山巖體以東部分,巖體侵入最新地層為上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)王龍灘組。巖石類型主要為石英閃長玢巖,是燕山期構(gòu)造巖漿旋回的產(chǎn)物。

2 水文地質(zhì)條件分析

2.1 含(隔)水層

獅子立山礦區(qū)分布有3種不同類型的含水層,即巖溶含水層、巖漿巖風(fēng)化裂隙含水層和其它含水巖層。

(1) 巖溶含水層。含水層由大冶組第四段及嘉陵江組第一段的白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云巖角礫巖和灰?guī)r組成。分布在礦區(qū)及周圍地段的地下深處,地表無出露,周邊與區(qū)域可溶巖相連。埋藏條件復(fù)雜,大致以獅子立山的北麓為界,南部可溶巖被巖漿所超覆,頂界起伏較大；北部按其地層順序傾伏于中三疊統(tǒng)蒲圻組之下。

礦區(qū)巖溶含水層的儲(chǔ)水構(gòu)造由溶洞、溶隙、溶蝕孔洞和裂隙組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。按巖溶作用強(qiáng)弱可將其劃分出2個(gè)含水段,即含水空間以溶洞為主,溶隙次之的強(qiáng)帶和溶隙、溶孔為主的弱帶。由于受侵入巖和巖溶發(fā)育不均的影響,強(qiáng)帶的頂?shù)捉缙鸱^大,因而厚度也各地不一,其中頂界由標(biāo)高+31.45～-160.33 m,底界和厚度大致以0勘探線為界,0勘探線以東強(qiáng)帶下限較深,厚度也大,各線下限均值變化在標(biāo)高為-200 m以下,線厚度均值由90.96～246.61 m,多數(shù)<190 m。0勘探線以西地段各線的下限平均標(biāo)高由-61.41～-157.33 m,有向西逐漸加深之勢,線平均厚度變化在40.58～97.78 m之間；弱帶的下限大部分靠近大冶組第四巖性段和嘉陵江組第一巖性段分界面附近,由于受強(qiáng)帶下限起伏變化較大的影響,厚度變化也較大,各線平均厚度由65.89～195.38 m。

據(jù)抽水試驗(yàn)資料表明,該層含水層水量在2 880～4 976 m3/d,滲透系數(shù)變化在5.275～7.454 m/d,其滲透性及富水性較強(qiáng)。水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型,礦化度276.45 mg/L。

(2) 風(fēng)化裂隙及裂隙含水層。礦區(qū)裂隙含水介質(zhì)以侵入巖為主,地表出露在獅子立山脊嶺線及兩側(cè)斜坡地段,巖性以石英閃長玢巖為主,包括其間的鐵帽和部分礦體。由于分布區(qū)地勢較高,淺部為透水不含水段。礦區(qū)風(fēng)化層下限起伏較大,含水部位厚度亦各地不一,下限標(biāo)高變化在+13.35～-146.23 m之間,但大部分地段下限標(biāo)高在-50 m以上。含水部位厚度各線均值由19.59～118.12 m,多數(shù)勘探線厚度平均值<80 m。

(3) 松散巖類孔隙含水層。該層含水層主要分布溝谷地段,為沖洪積含水層,位于礦區(qū)的低洼地帶。含水部位厚度為1.45～7 m,地下水位埋深0.75～1.08 m,鉆孔抽水涌水量一般<0.4 L/s。由于本層含水介質(zhì)粒度較細(xì),加上含泥量高,故富水性弱。

(4) 隔水層。礦區(qū)范圍內(nèi)主要隔水層為中上三疊統(tǒng)蒲圻組粘土質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)粘土巖及粉砂巖,大面積出露在礦區(qū)的北部,厚度在560 m以上。它的存在阻隔了東部磁湖地表水和礦區(qū)地下水產(chǎn)生密切水力聯(lián)系的可能。

2.2 地下水補(bǔ)徑排

2.2.1天然狀態(tài)下的地下水補(bǔ)徑排條件

(1) 地下水的補(bǔ)給。區(qū)域內(nèi)地下水主要接受大氣降水的垂向入滲補(bǔ)給,但因區(qū)內(nèi)各含水介質(zhì)的埋藏條件及上覆蓋層透水性能的不同,故接受降水補(bǔ)給條件也因地而異。就巖溶含水介質(zhì)而言,其最佳補(bǔ)給地是位于南端裸露山地,原因是該處降水入滲通道十分發(fā)育,表現(xiàn)為該地下水位年變幅達(dá)40 m以上,泉流量季節(jié)性變化系數(shù)介于100～474之間。而隱伏埋藏區(qū)動(dòng)態(tài)變化急劇程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裸露山區(qū)。如北部一帶鉆孔和泉水涌水量的變化系數(shù)分別只有2.17和7.21,地下水位年變幅不足1 m,南部山間洼地水位年變幅不足2 m, 表明有弱透水巖層覆蓋地段的巖溶水直接承受降水補(bǔ)給的量不大,以側(cè)向補(bǔ)給為主。

(2) 地下水的徑流與排泄。礦區(qū)各類型地下水徑流排泄條件亦不一致。其中第四系孔隙水在隨基巖地下水側(cè)向和垂向補(bǔ)給后,作順溝谷方向運(yùn)移,區(qū)內(nèi)這類含水層分布區(qū)泉水罕見,故以分散流溝底泄出或越流排泄為主。巖漿巖風(fēng)化裂隙水,在裸露山地常以溝谷和相鄰分水嶺組成獨(dú)立的小水文地質(zhì)單元,地下水向溝谷方向運(yùn)移,通過泉水泄出地表?？煞譃樽冑|(zhì)碎屑巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶地下水。根據(jù)詳查工作得知,在中部的風(fēng)烈山—刺山一帶存在地下水分水嶺,分水嶺以北這2類地下水向王家昌—巷子口4號(hào)泉群這一低洼地段匯集,大部分地下水通過4號(hào)泉群集中排泄地表,少部分向花家湖方向運(yùn)移。分水嶺以南的地下水則向老下陸—磁湖一帶的低洼地運(yùn)動(dòng),然后再由西向東運(yùn)移,以分散流方式排泄。南部裸露區(qū)巖溶水,則以地表分水嶺為界,分別向南向北運(yùn)動(dòng),通過山麓地帶泉水集中排泄。

2.2.2人類活動(dòng)下的地下水補(bǔ)徑排條件

由于礦區(qū)及外圍有多處地下采礦活動(dòng),大量地抽吸地下水和采礦系統(tǒng)改變了地下水的賦存空間及含水介質(zhì),這在一定程度上影響了地下水的補(bǔ)徑排條件,人類活動(dòng)加速了地下水的循環(huán)過程。

大氣降水入滲補(bǔ)給和區(qū)域性補(bǔ)給是礦區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源。大氣降水入滲補(bǔ)給量與降雨、巖性、地形地貌、植被等因素有關(guān),人類活動(dòng)改變了區(qū)域內(nèi)下墊面的性質(zhì),從而在一定程度上影響了大氣降水入滲補(bǔ)給量。地下采礦活動(dòng)過程中大量地抽吸地下水改變了地下水徑流路徑和排泄去向。地下水在徑流過程中遇到抽水井和巷道等地下水人工露頭處排泄出來,縮短了徑流路徑。在人工露頭處大量地抽排地下水,改變了原來的排泄去向,減少了排泄量,甚至掠奪了其它地區(qū)的補(bǔ)給量,局部地區(qū)形成了以抽水井為中心的地下水降落漏斗。

2.3 巖溶發(fā)育特征

根據(jù)鉆孔揭露資料,礦區(qū)共有44個(gè)鉆孔見可溶巖,其中遇溶洞鉆孔23個(gè),鉆孔溶洞遇見率為52.3%,全礦區(qū)揭露溶洞92個(gè),總高178.18 m,巖溶作用帶的平均線溶洞率為1.52%。單個(gè)溶洞高度一般0.3～3 m。最高是10.49 m(ZK801),單孔遇溶洞數(shù)最多11個(gè),溶洞高度53.01 m。除溶洞外,其它巖溶形態(tài)有溶隙,溶孔,蜂窩狀、海綿狀、針孔狀溶蝕等,其中溶孔孔徑一般<1 cm,多數(shù)介于0.2～0.5 cm之間。

據(jù)統(tǒng)計(jì),礦區(qū)所見92個(gè)溶洞絕大部分發(fā)育在嘉陵江組第一巖性段中,大冶組第四巖性段較罕見(受埋深效應(yīng)的影響)。45.6%溶洞沿白云巖角礫巖和構(gòu)造角礫巖發(fā)育。而且灰質(zhì)白云巖和層紋狀白云巖中溶洞較為罕見。

從礦區(qū)遇溶洞鉆孔分布情況來看,大都位于基線兩側(cè),且遇溶洞鉆孔基線南側(cè)多于北側(cè),這種情況恰與礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相吻合。因?yàn)榛€處在北東東向隱伏背斜軸部地帶,并在其南側(cè)分布有一系列鐵帽帶,推測為一條寬20 m以上的破碎帶。由于褶皺和破碎帶的影響,使巖石破碎、裂隙發(fā)育,利于地下水溶蝕作用的進(jìn)行和差異溶蝕的產(chǎn)生。另外礦區(qū)有18.6%的溶洞沿接觸帶附近發(fā)育,且高度>5 m的溶洞均見之于該部,說明接觸帶附近也是礦區(qū)溶洞發(fā)育的地段之一。由上可知,礦區(qū)溶洞發(fā)育和分布受構(gòu)造控制十分明顯。

2.4 礦坑充水因素分析

(1) 直接充水因素。Ⅰ號(hào)礦體群頂板圍巖以石英閃長玢巖為主,底板圍巖以粉砂質(zhì)粘土巖和白云巖為主,少數(shù)為石英閃長玢巖；Ⅱ號(hào)礦體群頂、底板以白云巖為主,局部為石英閃長玢巖、灰?guī)r和角礫巖；Ⅲ、Ⅳ號(hào)礦體群頂、底板圍巖為灰?guī)r。故巖漿巖風(fēng)化裂隙含水層及巖溶含水層二者均是礦坑的直接充水因素。

(2) 間接充水因素。覆蓋在風(fēng)化裂隙含水層之上的人工堆積、山間溝谷低凹處的沖洪積含水層直接接受大氣降水補(bǔ)給,在礦山礦坑疏排水時(shí)將以越流形式補(bǔ)給裂隙含水層,成為礦坑的間接充水因素。

另外金礦露采坑位于Ⅰ2號(hào)礦體之上,匯水面積約8.32萬m2。大氣降水匯于采坑內(nèi),將通過風(fēng)化裂隙含水層向礦坑滲流,因此金礦露采坑匯集水也是礦坑的間接充水因素。

3 涌水量預(yù)測

3.1 水文地質(zhì)模型概化

邊界條件。礦區(qū)北部主要分布三疊系中統(tǒng)蒲圻組粘土質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)粘土巖及粉砂巖,巖石滲透性能極差,厚度在560 m以上,為礦區(qū)的主要隔水層之一,可作為礦區(qū)北部的隔水邊界；礦區(qū)東部為巖漿巖,此處巖漿巖的富水性極弱,其鉆孔單位涌水量為0.003 6 L/s·m,可作為礦區(qū)東部的隔水邊界。礦區(qū)西部及南部主要分布大理巖裂隙巖溶含水巖組,即是礦坑地下水主要補(bǔ)給源。因此,為了方便計(jì)算,將礦區(qū)形態(tài)概化為北西、南東向的直角象限隔水邊界。

3.2 水涌水量估算原則及方法

(1) 本次計(jì)算的礦坑涌水量不包括地表水沿地面塌陷通道的灌入量及礦坑揭露寬大裂隙或溶洞發(fā)生突水的潰水量。

(2) 礦坑系統(tǒng)涌水量預(yù)測估算采用穩(wěn)定流地下水動(dòng)力學(xué)法中的“大井法”和“水文地質(zhì)比擬法”進(jìn)行計(jì)算。因水位降深不大,依降深值計(jì)算的有效影響帶距含水層底板還有一段距離,故井型定為潛水不完整井。

(3) 采用“大井法”潛水不完整井穩(wěn)定流公式和水文地質(zhì)比擬法對(duì)±0 m、-50 m兩個(gè)中段進(jìn)行涌水量估算。

3.3 涌水量計(jì)算

(1) 計(jì)算公式?！按缶ā睗撍煌暾€(wěn)定流計(jì)算公式：

(1)

(2)

“水文地質(zhì)比擬法”計(jì)算公式：

(3)

式中：Q1為±0 m中段礦坑涌水量(m3/d)；Q2為需要估算中段(±0 m、-50 m中段)礦坑涌水量(m3/d)；H為含水層厚度(m)；S1為±0 m中段水位降深(m)；S2為需要估算中段(±0 m、-50 m中段)水位降深(m)。

(2) 計(jì)算參數(shù)的確定。以礦井(排水中段為±12 m)和觀測孔聯(lián)合計(jì)算,按一個(gè)觀測孔的潛水不完整井涌水量計(jì)算參數(shù)。

(3) 計(jì)算結(jié)果。涌水量計(jì)算過程見表1、2,計(jì)算結(jié)果見表3。

表1 “大井法”計(jì)算涌水量過程表Table 1 Process table of “Big well method” calculation of water inflow

表2 水文地質(zhì)比擬法計(jì)算涌水量過程表Table 2 Process table of calculating water inflow by hydrogeological analogy method

表3 礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果表Table 3 Prediction results of mine water inflow

從礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果(表3)中可以看出,“水文地質(zhì)比擬法”計(jì)算的±0 m礦坑涌水量比實(shí)測值小,預(yù)測-50 m的礦坑涌水量偏大；“大井法”計(jì)算的±0 m和-50 m中段礦坑涌水量與實(shí)測值相近,且隨著揭露主要含層面積擴(kuò)大,其涌水量呈上升趨勢,這與礦山含水層分布情況相符。因此,將大井法計(jì)算的礦坑涌水量作為礦山開采規(guī)劃依據(jù)。

4 結(jié)論

本礦床主要充水圍巖為巖漿巖風(fēng)化裂隙含水層及巖溶含水層,礦區(qū)附近有大的地表水體分布,但與主要充水圍巖地下水間水力聯(lián)系不密切,礦體大部分賦存在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之下,礦床雖有較大的斷裂通過,但對(duì)溝通地表水進(jìn)入礦坑不起作用,只能成為區(qū)域大冶組碳酸鹽巖地下水徑流進(jìn)入礦區(qū)的通道。采用“大井法”和“水文地質(zhì)比擬法”分別預(yù)測±0 m、-50 m中段的涌水量,結(jié)果表明,采用“大井法”預(yù)測的礦坑涌水量結(jié)果更加接近實(shí)測值,可作為礦山開采規(guī)劃的依據(jù)。