尖山磷礦水文地質(zhì)條件及地下水礦坑涌水量預(yù)測

劉應(yīng)輝

中化地質(zhì)礦山總局云南地質(zhì)勘查院，云南 昆明 650200

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)位置

尖山磷礦位于昆明市南西210°方向直距約35km 處，行政區(qū)劃隸屬昆明市西山區(qū)海口鎮(zhèn)[1]。礦區(qū)東起滇池邊，西至白塔山，南至尖山、湯家大山，北止?？诨疖囌疽痪€，東西長約6km，南北寬約1～2km，面積6.16km2。依自然條件及以往多年開采情況，自西向東劃分成4 個礦段（山）。其中，東部的馬房礦段全部、鞍山礦段3 勘探線以東因涉及滇池流域保護區(qū)已停采，目前礦區(qū)保留有松山礦段全部、湯家山礦段全部及鞍山礦段3 勘探線以西采礦權(quán)（圖1）。

圖1 區(qū)域水系及研究區(qū)位置圖Fig 1 Map of regional water system and location in the study area

1.2 研究區(qū)開采水文地質(zhì)現(xiàn)狀

松山礦段：現(xiàn)形成三個積水坑，自北西向東編為積水坑1、積水坑2 和3 積水坑（圖2）。2018年2 月對3 個積水坑外排流量實測：積水坑1，揭露上、下礦層及頂板，坑底標(biāo)高無資料可查。積水坑水面線標(biāo)高1907.82m，面積26958.46m2，有自流外排溝渠，浮標(biāo)法實測外排流量約0.64×104m3。積水坑2，揭露上礦層含水層及頂板，坑底最低標(biāo)高不明，積水坑水面線標(biāo)高1907.15m，面積35362.49m2。有自流外排溝渠，實測外排流量0.53×104m3。積水坑3，揭露上、下礦層含水層及頂板，坑底最低標(biāo)高1903.56m，水面線標(biāo)高1908m，積水坑面積8450m2，未形成自然外排。

湯家山礦段：目前礦體分布標(biāo)高 2052～1840m，礦段東端與鞍山礦段連接處開采標(biāo)高降至1910m 標(biāo)高以下，見積水現(xiàn)象，水面標(biāo)高1908.71m。本礦段相對鞍山及松山礦段開采標(biāo)高較高，基本還處于1910m 標(biāo)高以上，礦坑充水主要為大氣降水，采坑可自然排泄，礦坑水主要向相鄰的鞍山及松山礦段低洼地段排泄，排水標(biāo)高均為1908m（圖2）。

鞍山礦段：已采剝至最低標(biāo)高1899.77m，采坑形成向北傾斜的平面上呈近長方形的坑底，最低自然排泄基準(zhǔn)面標(biāo)高1950m，位于礦段北箐溝。據(jù)專項水文地質(zhì)勘查報告，積水面線標(biāo)高1908.71m，積水面積約78500m2，無自然外排條件（圖2）。2017 年4 月24 日～6 月30 日礦山排水?dāng)?shù)據(jù)計算出采坑實際排水量為2.3×104m3/d。2017 年11 月1 日～13 日礦山排水?dāng)?shù)據(jù)計算出采坑實際排水量為2.7×104m3/d。

圖2 采坑水文地質(zhì)現(xiàn)狀圖[2]Fig 2 Current status map of hydrogeology in the mine pits

2 地形地貌及氣象

2.1 地形地貌

尖山磷礦區(qū)位于杉松園項-老高山-金銅盆山圍成的地表分水嶺以北，形成的匯水范圍約20km2。地形為走向近東西、坡向向北的單面山。最高標(biāo)高為南部尖山2226.2m，最低位為西北部石窩鋪附近的沖溝底，標(biāo)高1903m（即礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面），相對高差323.2m，為構(gòu)造剝蝕侵蝕低中山地形[3]，沖溝發(fā)育，利于自然排水。

2.2 氣象

據(jù)昆明市西山區(qū)氣象局1995 年1 月～2015年12 月共21 年觀測資料統(tǒng)計，區(qū)域內(nèi)多年平均氣溫16.1℃，最熱月平均氣溫20℃，極端最高氣溫32.8℃；最冷月平均氣溫10.4℃，極端最低氣溫-3.6℃。多年平均降雨量983.0mm，歷年最大降雨量1449.9mm（1999年），最小降雨量565.8mm（2008 年），一日最大降雨量121.0mm，最大累計降雨量321.1mm（連續(xù)18 天降雨量累計）。每年5～10 月為雨季，約占全年降雨量的87.7%。多年平均蒸發(fā)量 1195.7mm，最大蒸發(fā)量1151.1mm；最小蒸發(fā)量938.7mm。多年平均風(fēng)速2.1m/s，最多風(fēng)向西南西、南西風(fēng)，占多年風(fēng)向的18%；最大風(fēng)速15m/s，最大風(fēng)速風(fēng)向為南南西風(fēng)。多年平均相對濕度68.3%，最大相對濕度72%，最小相對濕度62%。多年平均氣壓810.4 mb，最大氣壓811.3 mb，最小氣壓809.2 mb。按云南省氣候類型分區(qū)，本區(qū)屬北亞熱帶高原季風(fēng)氣候。

2.3 地表水

區(qū)內(nèi)最大的地表水體為?？诤?、滇池及鳴矣河，其中海口河及滇池距礦區(qū)較近（圖1）。

滇池位于研究區(qū)東部，距礦區(qū)鞍山礦段最近，相距3km，正常高水位1887.5m，最低工作水位1885.5m。

海口河位于研究區(qū)北部，由東向北流，距松山礦段最近1.5km。流量受海口中灘街閘門控制，最大83.30m3/s，最小為0 m3/s，常流量5.00～10.00m3/s；最高水位標(biāo)高 1886.85m，最低1883.15m。

鳴矣河位于研究區(qū)西部，距礦區(qū)約10km，其河床標(biāo)高1885m，流量0.77～56.56m3/s，距礦區(qū)甚遠(yuǎn)，對礦床充水無影響。

鳴矣河、?？诤佑赡隙眳R合繼續(xù)向北流入金沙江，屬長江水系。

3 礦床水文地質(zhì)條件

3.1 含隔水層特征

研究區(qū)出露含隔水層有第四系、下泥盆統(tǒng)海口組、下寒武統(tǒng)筇竹寺組和梅樹村組、震旦系燈影組[4]。其水文地質(zhì)特征如下表（表1）。

表1 地層水文地質(zhì)特征表Table 1 Hydrogeological characteristics table of strata

寒武系梅樹村組第三段一層-震旦系燈影組，巖性相近，溶蝕裂隙較發(fā)育，其中無較穩(wěn)定的隔水層，互有水力聯(lián)系，三個含水層（組）實為同一含水組，是礦床主要充水含水層。

3.2 斷裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較簡單，有F1、F2兩組斷裂（圖3），分述如下：

Fl逆斷層組：包括F1-l及F1-2兩條斷層，長小于1500m，走向基本上與地層平行，主要傾向北，沿傾向延深70～500m，傾角30o～60o，斷距小于30m，破碎帶寬度0.13～2.86m，主要切割梅樹村組地層。鉆孔多在2000m 標(biāo)高以上的礦層中遇斷層，不少在風(fēng)化帶中，由于礦層本身-般巖心破碎，裂隙與溶蝕均較發(fā)育，鉆進(jìn)中常漏水，故鉆孔揭露斷層時，其他特征不明顯，僅少數(shù)鉆孔見破碎帶有0.1～4cm 礫徑的角礫巖，成分以磷塊巖及泥質(zhì)白云巖為主，局部被泥質(zhì)、鈣質(zhì)及白云質(zhì)膠結(jié)或呈半膠結(jié)。

F2正斷層組：包括F2-l及F2-4兩條斷層，長度及延深均較小，斷距8～17m，破碎帶寬0.81～4.20m，傾向南西，傾角50o～85o，延深80～190m，切割梅樹村組及燈影組地層，鉆孔揭露斷層帶的水文地質(zhì)情況基本同F(xiàn)1。破碎帶由0.5～1.5cm 粒徑的棱角-次棱角狀角礫組成，成分多為磷塊巖、土狀泥質(zhì)白云巖及燧石，多被泥質(zhì)膠結(jié)，部分被白云質(zhì)半膠結(jié)。

以上斷層所處位置較高，與地表水無水力聯(lián)系，富水性基本上與其上、下盤地層富水性基本一致。

圖3 研究區(qū)構(gòu)造簡圖Fig 3 Tectonic simplified diagram in the study area

3.3 地下水補給、徑流、排泄條件

香條村背斜展布基本與地表分水嶺一致，由東部金銅盆山至西部杉松圓頂略偏北。核部陡山沱組裂隙含水層富水性弱，展布標(biāo)高高于地下水位，地表分水嶺基本可代表地下水分水嶺，礦區(qū)水文地質(zhì)單元為單斜構(gòu)造形成的單斜含水層組成。主要充水含水層（?1m2+3-1、?1m1、Zbdn）在礦區(qū)南、西部(背斜核部以北)接受大氣降水補給，為地下水的主要補給區(qū)，往北東為梅樹村組三段與筇竹寺組相對隔水層組，所形成溶蝕裂隙巖溶含水層地下水的承壓性。

從含水層展布與富水性結(jié)合地形地貌看，地下水總體上自南西、南向北東流，礦區(qū)總體上位于地下水的徑流區(qū)，靠近排泄區(qū)。地下水除接受大氣降水的補給外，還接受數(shù)量可觀的地表徑流的補給。大氣降水除蒸發(fā)作用，形成地表徑流匯入螳螂川與滇池外，多沿含水層露頭區(qū)下滲形成地下徑流，沿裂隙（含部分溶蝕裂隙）運移，最終以泉的形式集中于礦區(qū)西部的白塔村一帶排泄，或少部分越流補給相鄰含水層。

4 礦坑充水條件分析

4.1 充水水源

目前開采標(biāo)高程大部分已降至1910m 以下，采坑出現(xiàn)涌水，并在底部積水，積水水面線高程基本一致。露天采坑的涌水量由兩部分構(gòu)成，一部分是雨季大氣降水形成的地表徑流匯集量，另一部分是礦（體）層及其頂?shù)装遒x存地下水的涌出量。

4.2 充水通道

采坑降至地下水位以后，地下水沿露天采坑邊幫、坑底通過裂隙、溶蝕裂隙以涌水、滲水的方式直接進(jìn)入礦坑，礦層及其頂?shù)装鍢?gòu)成統(tǒng)一直接充水含水層。

4.3 水文地質(zhì)邊界

尖山磷礦所處的水文地質(zhì)單元南至老高山-金銅盆山一帶，基本與地表分水嶺一致，距研究區(qū)較遠(yuǎn)，可視為無限補給邊界；西至桃樹阱一帶，也可視為無限補給邊界；北側(cè)礦層頂板筇竹寺組隔水層，為隔水邊界；南側(cè)礦層含水層沿走向延伸至滇池，之間無隔水?dāng)鄬樱磥硎韪膳潘畻l件下也可視為無限補給邊界。

從現(xiàn)階段露天采場揭露含水層與礦層頂板相對隔水層間關(guān)系看，除南側(cè)與礦層底板接觸（交界）處潛水面未達(dá)頂板相對隔水層底界外，潛水面已高過頂板相對隔水層底界，即含水層間賦存的地下水具承壓性。含水層厚度比較一致，變化不大。底板頂界面較平展，傾斜角變化較大；南側(cè)底板頂界具隔水作用，相當(dāng)于不透水體邊界；礦層與直接頂板組成的含水層形成向北傾斜的波狀扭曲板狀含水體，地下水的補給徑流方向總的來說自西南向北東。

5 地下水礦坑涌水量預(yù)測

本次利用礦坑抽排水資料，采用比擬法[5-6]類比計算礦坑地下水涌水量，同時利用鉆孔抽水實驗數(shù)據(jù)，采用大井法[5]估算進(jìn)行比較。水文地質(zhì)比擬法的應(yīng)用前提是新建礦井與老礦井的條件基本相似，老礦井要有長期的水量觀測資料；適用于條件比較簡單，充水巖層的透水性比較均一的孔隙或裂隙充水礦床，特別是已有多年生產(chǎn)歷史的礦井。

5.1 “比擬法”估算

巖（礦）層走向近東西，向北東緩傾斜，傾角10°～20°，總體呈單斜形態(tài)。松山礦段2012年揭露地下水位后自2013 年陸續(xù)有有抽排水記錄，鞍山礦段2015 年揭露地下水位后自2017 年陸續(xù)有抽排水記錄，湯家山礦段剛開始揭露到地下水位；今后，隨著開采深加大，采坑面積隨之?dāng)U大，水位降深亦加大，但充水含水層變化不大。因此，可以采用水文地質(zhì)比擬法公式估算不同降深工況下的地下水涌水量。計算公式為：

式中：

Q：不同采深段估算涌水量，m3/d

Q0：確定水位降深下的涌水量，m3/d

S：不同采深段的水位降深，m

S0：確定的水位降深，m

F：不同采深段的估算面積，m2

F0：礦坑抽排水涌水面積，m2

松山礦段有旱季抽排水實測數(shù)據(jù)（2018 年2月），枯水期水位標(biāo)高1907.66m，坑底標(biāo)高1903.56m，采用該礦段采坑已有抽排水參數(shù)進(jìn)行類比估算1900～1860m 標(biāo)高枯水期涌水量；鞍山礦段有旱季（2017 年4 月24 日～6 月30 日）和雨季（2017 年11 月1 日～13 日）抽排水實測數(shù)據(jù)，枯水期水位標(biāo)高1908.71m，豐水期水位標(biāo)高1908.32m，平水期水位標(biāo)高1908.18m，坑底標(biāo)高1900m，采用該礦段采坑已有抽排水參數(shù)進(jìn)行類比估算1890～1840m 標(biāo)高枯水期、平水期和豐水期涌水量；湯家山礦段與鞍山礦段相連，采用鞍山礦段采坑抽排水參數(shù)進(jìn)行類比估算1900m 標(biāo)高枯水期、平水期和豐水期涌水量。礦坑涌水量估算簡圖[7-9]見圖4，各礦段礦坑涌水量估算參數(shù)及估算結(jié)果見表2。

圖4 礦坑涌水量估算簡圖Fig 4 Water inflow estimated diagram in the mine pits

表2 各采深段比擬法涌水量估算結(jié)果表Table 2 Estimated water inflow table by Analogy method at different elevations in different ore blocks

5.2 “大井法”估算

研究區(qū)為單斜構(gòu)造，地下水在研究區(qū)以北（即1910m 水平與含水組上層面交點以北）具承壓性。依前述的水文地質(zhì)邊界條件，假設(shè)梅樹村組一段頂部隔水巖層已由于底板含水層（梅樹村組一段）地下水頂托壓力過大而破壞，下抽水含水層已與上抽水含水層發(fā)生完全程度上的水力聯(lián)系。采礦終了時，露天采礦坑近似為一個承壓—潛水非完整井的長條形“大井”，概化模型圖見圖5。

圖5 露天采坑概化水文地質(zhì)模型示意圖Fig 5 Sketcth section of generalized hydrogeological model for the opening mine pit

大井法涌水量計算公式：

式中：

Q：地下水滲流總量，即地下水涌向露天采坑的水量，m3；

K：含水層滲透系數(shù)，取鉆孔CH101、CH202的平均值2.43m/d；

M：承壓含水層厚度；由于巖層傾斜，不易計算，簡化為巖層水平，取采坑充水直接相關(guān)的含水層（?1m3-1、?1m2、?1m1、Zbdn）各自平均厚度之和，分別為3.19m、21.65m、46.75m 和200m，求和為271.59m，取270m；

H：承壓水頭高度，由于枯、豐、平地下水頭很接近，統(tǒng)一取1908m，至燈影組底板為313m。

h：采坑底部（疏干水位）至隔水底板的距離，相當(dāng)于?1m1與Zbdn的地層厚度之和，取245m。

r0：大井引用半徑，采坑近似為矩形，r0=η*(a+b)/4。η為與礦坑a、b 相關(guān)的系數(shù)，見表3；

R：大井的影響半徑，

R0：大井引用半徑，R0=R+r0

各礦段大井法相關(guān)參數(shù)和涌水量估算結(jié)果見表4。比擬法和大井法涌水量估算結(jié)果表對比見表5。

表3 與礦坑a、b 相關(guān)的系數(shù)η 對照表Table 3 Comparison table of coefficient related to the mine pits of a and b

表4 大井法涌水量估算結(jié)果表Table 4 Estimated result table of water inflow by Big well method

表5 比擬法和大井法涌水量估算結(jié)果表對比表Table 5 Comparison table of estimated results by Analogy method and Big Well method

5.3 “比擬法”和“大井法”涌水量估算誤差評述

比擬法和大井法計算的地下水涌水量結(jié)果相差甚大，主要因為：一是地下水動力學(xué)法（大井法）參數(shù)R0由經(jīng)驗公式計算得出，導(dǎo)致計算的涌水量結(jié)果出現(xiàn)偏差；二是松山、鞍山礦段深部裂隙發(fā)育減弱，富水性變?nèi)?；三是湯家山礦段僅開采至1900m 標(biāo)高，而引用的含水層厚度較大。

因三個礦段相連，并且松山礦段和鞍山礦段1903.56m 和1900m 標(biāo)高涌水量均為實際測量數(shù)據(jù)，實測涌水量分別為：

Q枯0=2.14×104m3

Q0平=2.50×104m3

Q0枯=2.30×104m3

Q0豐=2.70×104m3

比擬法估算結(jié)果與上述實測結(jié)果相對接近，故本次地下水涌水量推薦采用比擬法估算值。松山礦段和湯家山礦段比擬至1900m 標(biāo)高、鞍山礦段比擬至1890m 標(biāo)高時計算精度相對較高，為C級[10]，誤差[11]40%～60%，成果相對可靠，再往下精度逐次降低。

6 結(jié)論

尖山磷礦主要處于地下水的補給及徑流區(qū)，水文地質(zhì)條件分為兩部分，1910m 標(biāo)高以上礦體位于潛水位以上，不受地下水影響，地表水充水影響較小，礦床充水方式主要為大氣降水，礦坑水可形成自然排泄，水文地質(zhì)條件簡單；1910m標(biāo)高以下，礦體賦存于潛水水位以下，礦體受頂、底板及來自礦層裂隙-巖溶裂隙含水層充水影響，礦床充水條件為頂?shù)装鍘r溶裂隙直接充水的復(fù)雜類型。

本次礦坑地下水涌水量采用比擬法類比計算，并采用大井法進(jìn)行比較，比擬法估算結(jié)果更接近實測數(shù)據(jù)，涌水量推薦采用比擬法估算值。松山礦段和湯家山礦段比擬至1900m 標(biāo)高、鞍山礦段比擬至1890m 標(biāo)高時計算精度相對較高，往下精度逐次降低，在將來的生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)實際涌水量情況，使用時需適時修正。