豫西雷門溝鉬礦水文地質條件分析及涌水量預測

施強 王春帥 畢炳坤王琦

（1.河南省地質礦產勘查開發(fā)局第一地質礦產調查院，河南 洛陽 471023；2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預測重點實驗室，河南 洛陽 471023）

0 引言

豫西熊耳山雷門溝鉬礦床位于東秦嶺鉬礦帶東段，東西長4.2 km、南北寬約2.4 km，地理坐標：東經(jīng)111°53′12″～111°55′26″、北緯34°11′42″～34°12′59″，是已探明的超大型斑巖型鉬礦，累計查明鉬礦石量84740 萬t，鉬金屬量677450 t，Mo 平均品位0.080%，主要有花崗斑巖型、片麻巖型、角礫巖型礦3 種類型。礦體賦存標高140～776 m，厚度10.00～602.24 m，總體走向300°，傾向南西，傾角5°～10°，礦床頂?shù)装鍑鷰r為花崗巖、片麻巖、爆破角礫巖，為水文地質條件簡單的裂隙充水礦床。雷門溝鉬礦自1980 年開始勘查，2005 年5 月開工建設，2006 年投產，日處理礦石3000 t、99 萬t/a，開采規(guī)模達到中型。

區(qū)內研究程度高、成果豐碩，如羅銘玖、李永峰、郭保健、陳小丹等專家學者多從成礦作用、成礦模式、找礦方向、礦床成因等地質角度對該礦床進行研究（羅銘玖等，1991，2000；李永峰等，2005，2006；郭保健等，2005；葛虎勝等，2008；白鳳軍和肖榮閣，2009；陳小丹等，2010，2011，2012；褚松濤和陳剛剛，2011），但對礦床開采技術條件方面的研究較少。本次通過地質調查工程、水文地質試驗等方法，從水文地質角度，對雷門溝鉬礦床水文地質條件進行研究，填補了該方面的空白，豐富了研究成果；采用比擬法預測了礦坑涌水量，為礦山安全和開采設計提供了科學依據(jù)，對該區(qū)域水文地質工作具有較大的參考價值。

1 區(qū)域水文地質概況

區(qū)域位于東秦嶺熊耳山東南麓，地形北西高南東低，南抵伊河，屬淺切割中低山區(qū)，海拔550～931 m，相對高差150～250 m，水系呈北北西—南南東向分布，屬黃河水系，伊河支流，溝谷呈“V”字型發(fā)育，主溝有高都川、德亭川、龍?zhí)稖系?，呈北?30°方向展布。

根據(jù)區(qū)域水文地質分區(qū)圖（圖1）：東部以伊河二級水文地質單元的上游高都川為排泄邊界，南部以陶村斷裂為隔水邊界，西部以花山、鷹咀山分水嶺為隔水邊界，北部以花山至露寶寨山脊分水嶺為隔水邊，形成相對封閉的獨立水文地質單元?？蓜澐譃椋阂梁雍庸人缮r類孔隙水區(qū)（Ⅰ）、中低山碎屑巖類裂隙水區(qū)（Ⅱ）、陶村斷裂北花崗巖類裂隙水區(qū)（Ⅲ-1）、片麻巖類裂隙水區(qū)（Ⅲ-2）、安山巖類裂隙水區(qū)（Ⅲ-3）等5 個水文地質區(qū)。雷門溝鉬礦位于Ⅲ-1、Ⅲ-2 之間的地下水補給區(qū)。

2 自然地理概況

地形北西高南東低，主要河谷為雷門溝、龍?zhí)稖?，海拔最?39.94 m、最低618.69 m，相對高差221.25 m，地形較陡，一般坡度25°～50°，局部60°以上，屬中低山侵蝕地貌。

區(qū)域屬半濕潤半干旱的大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，四季分明。據(jù)嵩縣氣象局資料，最高氣溫43.6℃，最低氣溫-19.1℃，平均氣溫13.7～14.1℃；最大降水量1185.6 mm，最小降水量489.6 mm，平均降水量723.1 mm，降水多集中于七、八、九3 個月，占全年降水量的50%～60%。年平均蒸發(fā)量1821.1 mm，多年平均蒸發(fā)量2012.44 mm。

礦區(qū)內有雷門溝和龍?zhí)稖铣式睎|向分布。雷門溝位于礦區(qū)西部，全長約6.0 km，礦區(qū)內出露長度0.9 km，匯水面積有限，一般季節(jié)流量僅有2～3 L/s，旱季0.1～0.2 L/s 或斷流。龍?zhí)稖衔挥诘V區(qū)北東，全長約3.0 km，礦區(qū)出露長度0.76 km，僅雨季有暫時性水流，水流匯集于下游龍?zhí)稖纤畮?。水質類型為HCO3·SO4-Ca 型。

3 礦區(qū)地質特征

3.1 地層

礦區(qū)內出露地層主要為新太古界太華巖群片麻巖，巖性為黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖和黑云角閃斜長片麻巖，片麻理產狀120°～135°∠25°～35°；次為混合巖化片麻巖、均質混合巖或條紋（條帶）狀混合巖，為夾于角閃斜長片麻巖與黑云斜長片麻巖層之間的層位巖石；第四系沖洪積砂礫石、粘質砂土零星出露，厚度9～14.3 m。

3.2 構造

斷裂比較發(fā)育，表現(xiàn)出多期次活動、力學性質具多次轉變的特點。按其形成先后有北西向、近東西向、北東向與北北東向4 組。其中北北東向、近東西向斷裂規(guī)模最大，活動期次也較多，是區(qū)內重要的控巖、控礦及賦礦的構造。

3.3 巖漿巖

主要為元古宙中基性輝長巖、輝綠巖脈和燕山晚期的中酸性—酸性巖脈、小巖株，其中細微粒斑狀花崗巖—角閃二長花崗斑巖小巖株為雷門溝鉬礦床的成礦母巖；在成礦巖體頂部、邊部和附近圍巖中爆破角礫巖發(fā)育（李永峰等，2006）。

4 礦區(qū)水文地質條件

4.1 礦區(qū)所處區(qū)域水文地質單元的位置

礦區(qū)位于陶村斷裂北、Ⅲ-2 水文地質分區(qū)的南部，鄰近陶村斷裂。

4.2 礦體與當?shù)刈畹颓治g基準面和地下水位的關系

（1）礦體與侵蝕基準面的關系：共圈定出鉬礦體8 個，其中Ⅱ、Ⅲ號為主礦體，礦區(qū)最低侵蝕基準面標高690.3 m。礦體大部分位于當?shù)厍治g基準面以下，附近無大的地表水體，礦床主要充水含水層和構造破碎帶富水性弱，地下水補給條件差（表1）。

表1 礦體與當?shù)刈畹颓治g基準面關系對比

（2）礦體與地下水位的關系：根據(jù)15 個鉆孔的穩(wěn)定觀測水位，地下水的基本特征是無統(tǒng)一的地下水平面，地下水位隨著地形高低變化而變化，具山高水高的特點。地下水與地表水互相溝通，以淺層風化裂隙或構造裂隙為渠道，互為補給關系，受地下水水力性質制約，地下水位的標高大部分大于礦體的標高（表2）。

表2 主礦體Ⅱ與地下水位關系對比

4.3 含水層、隔水層

（1）第四系松散巖類孔隙含水層：主要分布于礦區(qū)西雷門溝和北東龍?zhí)稖蟽蓚龋瑤r性為含砂粉土、砂礫石、碎石土，厚度10～20 m，水位埋深0.5～8.27 m，雨季松散土層中含孔隙潛水，旱季干枯基本無水。單位涌水量0.005 L/（s·m），降深4.36 m，滲透系數(shù)0.032 m/d，富水性弱，地下水類型為HCO3·SO4-Ca 型。

（2）太華群片麻巖、燕山期花崗巖淺層風化裂隙水：水位埋深為7.05～30.36 m，水位標高隨地形變化，不構成統(tǒng)一的地下水面，在地勢低洼處以片流形式流出，受季節(jié)變化明顯。單位涌水量q=0.053 L/（s·m），降深8.01 m，滲透系數(shù)0.043 m/d。地下水類型為HCO3·SO4-Ca·Mg 型。

（3）太華群片麻巖、燕山期花崗巖深層裂隙水：裂隙不發(fā)育，以閉合性為主，含水甚微。根據(jù)ZK903鉆孔在119.46～161.0 m 處（巖性片麻巖）注水試驗，滲透系數(shù)4.16×10-6cm/s。

（4）隔水層：礦層的頂、底板圍巖為斑狀花崗巖、花崗斑巖、角閃二長花崗斑巖、爆破角礫巖等巖漿巖及裂隙不發(fā)育的片麻巖，結構致密，滲透性弱，均可視為隔水巖組。

4.4 斷裂及其水文地質特征

含水巖層（帶）主要為北北東向、近東西向斷裂帶，由蝕變花崗巖、構造角礫巖、碎裂巖等組成，膠結疏松，具承壓性，以垂直補給為主，側向補給次之，靜貯量大，動貯量小，富水性不均一，總體富水性弱。含水層埋深一般在476～670 m 標高范圍（局部750 m）。靜水位標高644～692 m，局部717～746 m，水位高差最大102.52 m，無統(tǒng)一水面，含（透）水性差且極不均勻。鉆孔單位涌水量0.022～0.103 L/（s·m），最小0.0064 L/（s·m）（表3）。

表3 構造斷裂帶水文地質情況

4.5 地下水補給徑流與排泄

區(qū)內地下水補給、徑流和排泄條件受區(qū)域地質、地貌和人為等因素的控制（郝愛兵等，2008）。地下水主要接受大氣降水補給，大氣降水通過地表基巖風化帶滲入地下，經(jīng)松散孔隙或網(wǎng)狀裂隙作短途徑流后，匯于地勢低洼處，主要以片流的形式出露（局部以泉水形式排出地表），屬近源排泄，部分進入深部后多沿破碎帶呈帶狀運移；中深部地下水，地下水的直接補給來源主要為局部張扭性斷裂破碎帶的導水，一方面通過自然壓力向深部滲透，另一方面通過承壓向壓力低的地區(qū)滲透。礦山排水是礦區(qū)地下水的主要排泄方式。

4.6 礦床充水因素分析

本礦床的充水水源有大氣降水、地表水、地下水、采空區(qū)積水等，充水通道有斷裂、基巖裂隙以及封孔不良的鉆孔等。

（1）大氣降水：礦山開采方式為露天開采，大氣降水直接進入采場，為最主要的充水水源，在雨季應注意防范洪水；另一方面通過風化巖層滲透的方式進入下部巖層。

（2）地表水對礦床充水的影響：龍?zhí)稖虾屠组T溝均處于露天采坑的上游，皆流經(jīng)礦區(qū)，但匯水面積有限，一般季節(jié)流量2～3L/s，為礦床充水的次要因素，雨季地表水直接影響礦床開采。

（3）地下水對礦床充水的影響：地下水可分為淺層風化裂隙水、深層裂隙水和構造裂隙水3 種形式。地下水對礦床充水的影響主要體現(xiàn)在：①淺層地下水，主要賦存于花崗巖類或片麻巖類基巖裂隙水含水層中，其富水性弱，受季節(jié)變化影響，是礦床的次要充水因素之一，其充水通道為滲透和風化裂隙導水，根據(jù)“SHK2804 水文孔中降深8.01 m 的涌水量為36.37 m/d，單位涌水量0.053 L/（s·m）”的結論，認為淺層地下水對礦床充水的影響較?。虎跇嬙炝严端?，是礦床的另一個次要充水因素之一，該類地下水的富水性較弱，通過ZK801 鉆孔抽水，最大涌水量小于1.0 L/s，局部有富水性較強的地段；開采時應注意因水壓的急劇降低導致的涌水現(xiàn)象，但總體富水性弱，水量不大，初期可能涌水較多，后期隨著壓力的降低，涌水量很快減少，對礦床開采影響不大；③深層裂隙水，礦體巖性以花崗巖、片麻巖為主體，爆破角礫巖次之，巖層致密堅硬，愈往深處，裂隙愈不發(fā)育，其對礦床充水影響甚微。

（4）采空區(qū)積水對礦床充水的影響：通過露天采場調查，目前在618m 采礦平臺存在積水現(xiàn)象，為礦山開拓過程中，地下水涌入采場所致。通過訪問礦山管理人員，礦山開采至今，通過大功率水泵排水，采場分布范圍內沒有對礦床充水造成影響。

5 露天采坑排水量預測

（1）現(xiàn)狀條件下采坑排水量：本文收集了礦區(qū)2017—2018 年1 個水文年的采坑排水資料，日抽水時間5～8 h。經(jīng)統(tǒng)計，日排水量在326.13～483.55 m3之間，日平均排水量417.83 m3（表4）；雨季日最大排水量640 m3（2017 年9 月23 日）。

(3)制造工廠化。絕大部分材料由工廠加工而成，精細化程度高，材料的耐火性、抗凍融性、防潮隔聲等性能得到了有效保障。

表4 雷門溝鉬礦露天采坑排水量統(tǒng)計

為復核露天采坑日常排水量，在618 m 標高采礦平臺進行排水試驗。經(jīng)過527 分的排水，平均排水量70.46 m3/h（618.85m3/d 為約9 小時實測排水量，換算成232.07 m3/d 為24 h 排水量），降深1.72 m 時，可將采坑內積水疏干。與礦山日常一般抽水時間5～8 h 基本一致，不影響正常生產的時間基本相符。

（2）排水量預測計算：采坑充水來源主要來自大氣降水，次為淺表風化裂隙水和深部構造裂隙水。根據(jù)本次礦區(qū)水文地質工作程度，選擇水文地質比擬法（陳晶晶和童彥釗，2019，高鵬浩等，2019；許卓朋和李彥偉，2020）估算618～486 m 標高（露天采礦段）未來采坑最大排水量。

設計開采最終境界面積為388947 m2，根據(jù)采坑排水量觀測，618 m 標高露采段最大排水量640 m3/d（640 m3/d 為8 小時最大排水量，換算成213.33 m3/d 為24h 最大排水量），降深1.72 m；設計最終露采至486 m 標高段，按每剝離一個臺階12 m，水位降低值為14 m。采用的計算公式是：

式中：Q—設計采場最大排水量m3/d；

F—設計露天采場最終開采境界面積：388947 m2；

S—設計露天采場水位降深：每臺階14 m；

Q1—生產采場實測最大排水量：213.33 m3/d；

F1—目前露天采場實測面積：258479.23 m2；

S1—目前露天采場實測水位降深：1.72 m；

計算結果表明，未來礦坑最大排水量2613 m3/d。

（3）露天采坑排水量預測可靠性評價：露天采坑一個水文年最大排水量640m3/d，經(jīng)復核，采坑排水量最大為618.85 m3/d，兩者數(shù)據(jù)相近，客觀真實。目前露采標高（618 m）已達限采標高（700～300 m）的1/5，水文地質條件較充分暴露，礦床充水因素來自大氣降水、礦層頂板風化裂隙水及構造帶裂隙水，呈弱富水性。且采坑排水觀測時間滿足了一個水文年的要求，故選擇比擬法進行估算未來礦坑最大排水量較為可靠，所計算的排水量基本符合實際，礦坑的排水量預測結果可作為礦山開采設計的依據(jù)。

6 深部開采的防治水措施

（1）大氣降水和地表水是地面防水的主要對象，在采場周邊修筑排水溝，防止雨水和地表水通過風化巖層滲透的方式進入下部巖層，或者通過其它方式引走坡面流，使其不再被允許流入采場。

（2）在礦山開采過程中，加強開采技術條件研究，防止地表水與爆破裂隙、構造裂隙的聯(lián)通，從而導致礦坑突水事件的發(fā)生；設置蓄水池儲存地表水和采坑地下排水，防止采坑地下排水造成水資源浪費現(xiàn)象發(fā)生。

（3）從礦區(qū)十多年的露天開采實踐上看，采取“堵排結合，排水降壓，以排為主”的總體原則（南晉武，2019）、在開采過程中堅持“有疑必探”“先探后掘“的防治水思想行之有效，避免在掘進過程中，遇到局部有富水性較強的地段時可能出現(xiàn)的瞬間突水事件。

（4）建立地下水監(jiān)測系統(tǒng)，專人對礦區(qū)及周邊區(qū)域進行監(jiān)測和巡查，對礦坑排水量進行實時監(jiān)測，指導礦方防治水工作（閆朝波，2019；許卓朋和李彥偉，2020）。

7 結論

本次通過地質調查工程、水文地質試驗等一系列工作，查明了礦床水文地質條件。

（1）雷門溝鉬礦床處于水文地質單元之補給區(qū)，大氣降水是礦床的主要充水因素。

（2）主要鉬礦體大部分雖位于當?shù)厍治g基準面以下，但附近無大的地表水體經(jīng)過，不構成礦床充水的主要因素。

（3）露天采場主要充水地段為北北東向、近東西向斷裂帶，礦床淺層裂隙充水含水層和深部構造破碎帶總體富水性弱，為裂隙含水層充水為主的水文地質條件簡單礦床。

（4）根據(jù)采場排水試驗，采用水文地質比擬法預測未來礦坑最大排水量2613 m3/d，經(jīng)礦山近兩年的檢驗，結果較為可靠；深部開采防治水的總體原則為“堵排結合，排水降壓，以排為主”。