大型露天礦山的水文地質(zhì)特征及開采技術(shù)條件分析

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000）

酒泉位于甘肅省西北部，處于河西走廊西面的祁連山、阿爾泰山和馬鬃山間，東經(jīng)91°19′～100°21′，北緯38°08′～41°48′，自漢代開始就是連接中原、東北通往西域的重要交通樞紐，北面除少數(shù)和內(nèi)蒙接壤以外，絕大多數(shù)區(qū)域都和內(nèi)蒙的阿拉善盟相連，西面臨近新疆維吾爾自治區(qū)，南面靠近青海省海西、蒙古族自治州，而其東面緊鄰張掖，總面積達(dá)19.1萬平方公里，占整個(gè)甘肅省總面積的41.9%[1]。且區(qū)域內(nèi)礦床數(shù)目眾多，礦體規(guī)模大，露天礦內(nèi)礦品品位較高，是我國優(yōu)質(zhì)礦山資源。

1 大型露天礦山的水文地質(zhì)特征

1.1 地形地貌及地表水

甘肅酒泉境內(nèi)的大型露天礦區(qū)在地貌上屬于丘陵地區(qū)，地勢(shì)呈東南高，西北低。區(qū)域內(nèi)存在阿爾泰山、祁連山等。中生代、晚生代巖層構(gòu)成山脈脊柱，標(biāo)高普遍在180m～220m，最高為419.21m。西北部地勢(shì)平緩，以河流湖泊等低洼地為主，標(biāo)高在30m～80m之間，地表水有黃河等，黃河歷年最高水位為19.812m。大型露天礦山的東南和東北方向最低標(biāo)高分別是32.18m、27.91m，當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面最低標(biāo)高為27.1m。礦體大致沿南西一北東方向延展，處于侵蝕基準(zhǔn)面之上，地表植被發(fā)育較為稀少，巖體部分呈裸露狀態(tài)，地表徑流條件一般，區(qū)域內(nèi)存在的大小河流有十八個(gè)，面積一共為1018m2～45181m2平方米，水位標(biāo)高在32.8m～76m左右。區(qū)域內(nèi)礦山一共存在4處天然地下水下降泉，性質(zhì)上屬于碳酸鹽巖溶縫隙水，常年有流水經(jīng)過，一般狀況下其流量大致是0.176L/s～0.28L/s，隨著大氣降水的季節(jié)性變化發(fā)生漲落，北部和東北部為礦山水自然流出方向。

1.2 水文氣象

甘肅酒泉?dú)夂蝾愋蜕蠈儆诎肷衬珊敌詺夂颍旮珊瞪儆辏照諘r(shí)間長，蒸發(fā)旺盛，冬冷夏熱，全年多風(fēng)沙。冬季最低溫為-31.4℃，年均溫在7.1℃～7.7℃之間。全年風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，其次是東北風(fēng)。境內(nèi)最大風(fēng)速為25米/秒，平均風(fēng)速為2.9米/秒。年平均降雨量在79mm左右，最大降雨量在160mm，雨季在每年的6、7、8、9月份，年平均降雨時(shí)長為兩個(gè)多月[2]。每年水量平均蒸發(fā)量為2278.4mm。相對(duì)濕度上，每年最高為55%，年平均為45.2%。全年最大積雪深度是10mm左右。最冷時(shí)區(qū)域內(nèi)凍土深度為1.71m，冰凍期一般固定在每年的12月至次年3月。年均日照時(shí)長為3416.4小時(shí)，日照百分率70%，10月份高達(dá)80%。河水的徑流量由于季節(jié)的變化受其影響顯著，每年雨季河水的徑流量明顯增加，旱季徑流量大幅降低甚至嚴(yán)重者達(dá)到斷流的地步。區(qū)域內(nèi)地下水主要是靠大氣降水以及融化雪水的補(bǔ)給，因此甘肅酒泉內(nèi)的地下水明顯受其季節(jié)性影響，水量在枯水期和豐水期存在顯著差別，地下水位也隨其變化發(fā)生明顯變動(dòng)。

1.3 地下水

甘肅北部地區(qū)的地下水一直處在交替狀態(tài)，因而河水水質(zhì)在垂直差異上表現(xiàn)得并不是很明顯，因?yàn)楦拭C北部日照強(qiáng)烈，蒸發(fā)濃縮極其顯著[3]，在不透水層隔離的作用下，水體大致呈現(xiàn)上咸下淡，如圖1所示。

甘肅酒泉北部地區(qū)的河谷地下水化學(xué)類型主要是SO42-——Ca2+型，PH值在7.70～8.51之間，溶解性固體含量在1078mg/L～1565mg/L，總硬度在320.00mg/L～480.81mg/L，局部地區(qū)因?yàn)槭墉h(huán)境污染的影響，出現(xiàn)了個(gè)別離子含量猛增，可總體而言其區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)依然適合人畜飲用，滿足農(nóng)業(yè)灌溉要求。

礦區(qū)內(nèi)包括了三個(gè)含水層：第四系沖擊層含水層、風(fēng)化帶含水層、深部縫隙含水層。

第四系沖擊層含水層，具體分布在河流兩側(cè)，寬度大致在10m～120m左右，厚度不一，自河流下游至上游逐漸加厚，最厚可達(dá)120m，主要是泥沙卵石層，滲透系數(shù)一般在0.5cm/s～0.37cm/s。

風(fēng)化帶含水層，存在于蝕變千基巖、硅化絹云母巖以及花崗斑巖之中，是礦區(qū)內(nèi)分布最為廣泛的含水層。地下水主要存在于強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)，其地下水位的深度一般在50m左右，伴隨風(fēng)化帶的厚度而發(fā)生變化，其水位最深可達(dá)90.12m，最淺為3.15m，其變化規(guī)律為風(fēng)化層厚則地下水位深，反之則淺。另外地下水位的坡度比較陡峭，通常在25°～30°之間，坡度變化起伏和地形保持基本一致。該層滲透系數(shù)2.30×10-5～2.35×10-4cm/s，主要是由大氣降雨補(bǔ)給。

深部縫隙含水層，風(fēng)化帶以下的巖體是更為微弱的含水層。該層含水帶具體表現(xiàn)為脈絡(luò)狀分布的構(gòu)造縫隙承壓，滲透系數(shù)為1.64×10-7～6.91×10-6cm/s，從表現(xiàn)看屬于隔水層。

2 大型露天礦山的開采技術(shù)條件

2.1 礦山礦床所處位置工程地質(zhì)條件對(duì)勘查技術(shù)條件的影響分析

甘肅省酒泉市境內(nèi)的大型露天礦山基本上都屬于典型的鐵錳礦巖體，絕大多數(shù)礦山內(nèi)分布的是鐵錳礦巖體，所以在特征表現(xiàn)上在該區(qū)域的上方和周遭廣泛分布著粗質(zhì)巖，這在性質(zhì)上屬于質(zhì)地較為堅(jiān)固的巖體，其Ra值大于等于69MPa；除此之外，少數(shù)部分分布的礦體上方位置分布著凝固巖體以及粗質(zhì)砂石巖體，該巖體在性質(zhì)上屬于半硬度花崗巖體，其Ra值在28MPa～39MPa之間，該巖體在抗腐蝕性上表現(xiàn)的比較弱，但其巖體穩(wěn)定性偏高。大部分礦山的西側(cè)，其礦體上方普遍廣泛分布粗質(zhì)安巖，該巖體礦體堅(jiān)硬，其Ra值一般超過68MPa，同樣，其抗腐蝕性能也比較低，穩(wěn)定性偏高的特點(diǎn)；礦山下方巖體一般是粗質(zhì)花崗巖，該巖體巖石堅(jiān)硬，其Ra值大于等于61MPa，在巖體局域可以發(fā)現(xiàn)清晰地綠泥石。

2.2 地表水與地下水及各含水層之間的水力聯(lián)系

地表水與地下水及各含水層之間的水力聯(lián)系主要包括兩方面內(nèi)容。各含水層之間的水力聯(lián)系，主要表現(xiàn)在花崗巖上段和棲霞組、巖灰組之間容易發(fā)生水力聯(lián)系，可斑巖類巖體的含水層地下水的水力聯(lián)系比較微弱，嚴(yán)重時(shí)彼此之間的水力聯(lián)系甚至不復(fù)存在。地表水和地下水間的水力，區(qū)域內(nèi)鐵礦段的地表周圍存在部分河流，河流下部有隔水層，且地表大理巖體的巖溶性發(fā)育不完善，地下水和地表水之間存在微弱的水力聯(lián)系。

2.3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

礦區(qū)銅礦在水文地質(zhì)構(gòu)造上基本上其水文地質(zhì)特征類似，且根據(jù)區(qū)域內(nèi)存在大型露天礦山的多年實(shí)際排水資料，所以需要通過比擬法預(yù)測(cè)礦山的礦坑涌水量。比擬法計(jì)算公式如下所示：

式中，Q降代表直接降落在露天礦山上的降水量(m3/d)；F代表露天礦山的占地總面積(m2)；W則代表降水量，分別按照年平均W1，月最大量W2，日最大量W3進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算；t代表時(shí)間，分別根據(jù)365d（全年）、30d（全月）、1d（每天）單獨(dú)計(jì)算。關(guān)于大氣降水量，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料總結(jié)為：歷年平均降水量W1為658.5mm；歷年月最大降水量W2為225.1mm；歷年日最大降水量W3為78.5mm。開采面積：各個(gè)礦區(qū)按照露天礦山底部從圖紙上選取開采面積。每個(gè)礦山對(duì)礦區(qū)分別編號(hào)，計(jì)算面積與水量。

2.4 礦床充水因素分析

區(qū)域內(nèi)的地表巖體表面風(fēng)化程度比較大，裂隙發(fā)育較大，透水性較好，直接受到大氣降水的季節(jié)性補(bǔ)給，并順著裂隙向地下逐步滲透，這也是基體裂隙水、碳酸巖類裂隙溶水的主要補(bǔ)給來源。所以，覆蓋整個(gè)甘肅酒泉礦山境內(nèi)的基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水也是礦床補(bǔ)給水的主要原因。另一方面，礦山部分巖脈穿插和構(gòu)造破裂形成的充水帶，也是礦床補(bǔ)給水的主要原因。以后區(qū)域內(nèi)開采地表和地下采區(qū)時(shí)，地表和地下水極易匯聚，特別是在每年的雨季，露天礦山的采區(qū)更容易積水，這就在很大程度上增加了地下水的補(bǔ)給量，所以在開采時(shí)必須加以注意。

3 結(jié)語

對(duì)大型露天礦山的水文地質(zhì)特征及開采技術(shù)條件進(jìn)行分析，依托甘肅省酒泉市的水文地質(zhì)特征，根據(jù)當(dāng)?shù)氐V山開采要求，對(duì)其開采技術(shù)條件進(jìn)行分析。另外在礦山開采過程中產(chǎn)生的廢料，其堆放不單浪費(fèi)場(chǎng)地，更對(duì)環(huán)境造成污染，所以盡可能地綜合利用，變廢為寶，保護(hù)環(huán)境。希望本文對(duì)礦山開采條件的分析可以為以后大型露天礦山的成礦作用和開采提供一定意義的參考價(jià)值。