礦山水文地質(zhì)特征及涌水量預(yù)測
——以甘肅尚家溝金礦為例

張 暉

（甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730030）

對于礦山區(qū)域來說，為確保開采的質(zhì)量和安全，工作人員需要在作業(yè)開始前，掌握區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)特征，分析和計(jì)算地下水分布及可能出現(xiàn)的涌水量，準(zhǔn)確了解區(qū)域特征，合理地規(guī)劃開采的方案，以保障礦區(qū)內(nèi)部作業(yè)的安全性，降低危險(xiǎn)系數(shù)[1]。本文就對礦山水文地質(zhì)特征與涌水量預(yù)測進(jìn)行了詳細(xì)的分析和說明。

1 礦山水文地質(zhì)特征

尚家溝金礦礦區(qū)所在位置周邊河流分布較多，如燕子河、李家溝等，是典型的半濕潤向濕潤亞熱帶過渡區(qū)，氣候溫暖且多雨。

1.1 水文特征及最低侵蝕基準(zhǔn)面

從現(xiàn)場勘查了解到，目前開采礦床的分布高度均在礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面以上，因此，該區(qū)域的地形、地貌有利于開采中地下水的有效排泄。

1.2 地下水類型、埋藏位置及分布特征

一是溝谷松散巖類孔隙水。該礦區(qū)內(nèi)地下水多是以條狀分布在河溝的砂礫石層內(nèi)，水層厚度在1.5m以內(nèi)，地下埋深較淺，但水位埋深的變化相對較大，部分地區(qū)埋深可達(dá)1m～3m左右，整體分布呈現(xiàn)從溝腦到溝口由淺到深的特點(diǎn)。

二是基巖裂隙水。礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)因?yàn)榻?jīng)過多次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，存在較多層間裂隙、褶皺及小型斷裂帶。而其中較大裂隙在發(fā)展中逐漸形成一個(gè)較為完整的水文地質(zhì)單元，區(qū)域間的水力聯(lián)系相對緊密。裂隙內(nèi)部的水分流動(dòng)多是由基巖裸露區(qū)域降水實(shí)現(xiàn)供給，汛期內(nèi)水流量相對較大。另外，該區(qū)域內(nèi)存在的層間裂隙、褶皺及小型斷裂帶為地下水匯聚的重要場所，但含水量不多，分布較為分散。

三是碳酸鹽類裂隙溶隙水。該類型地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地下水多數(shù)集中在礦區(qū)北部區(qū)域內(nèi)，以薄層狀灰?guī)r含水巖組、薄層狀灰?guī)r含水巖組形態(tài)為主，巖層的表面存在的裂隙、溶隙較多，是地下水存儲(chǔ)的重點(diǎn)區(qū)域。不過該區(qū)域受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征的影響，深部裂隙數(shù)量較多，富水性較差。

1.3 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄

區(qū)域內(nèi)的孔隙潛水是由地表水、基巖裂隙水、大氣降水共同補(bǔ)給形成，其穩(wěn)定性較強(qiáng)，徑流條件較好。礦區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給則是以大氣降水為主，雨水通過透水巖層和裂隙滲透到地下，通過內(nèi)部的裂隙來維持水源的正常流動(dòng)，流至低洼地區(qū)，自動(dòng)匯聚，或沿著徑流方向排放到相應(yīng)位置。而在礦區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生的基巖裂隙水和碳酸鹽類裂隙溶隙水，因其具有移動(dòng)性，因此，很難控制水位，即使在相對平穩(wěn)的區(qū)域內(nèi)，水位仍然無法固定。

1.4 含水層的富水與隔水性

1.4.1 透水不含水層

含水層中巖組構(gòu)成多是以第四系松散巖類為主，其中包括山體表面坡體上殘留的堆積物及采礦過程中形成的廢棄石渣。以石英片巖、千枚巖、風(fēng)化碎屑物為主，厚度在0.5m到3m左右。另外，在該區(qū)域內(nèi)裂隙發(fā)育較好，孔隙較多，使得區(qū)域的儲(chǔ)水能力較差，地表水、地下水一般在進(jìn)入該區(qū)域后沿著徑流方向排出，體現(xiàn)透水不含水的特征。

1.4.2 含水層特征

一是河谷沖洪積含水組。該巖組主要分布在河溝河谷區(qū)范圍內(nèi)，涉及區(qū)域較廣，且因?yàn)楹庸葍?nèi)的地質(zhì)、地貌發(fā)育不健全，呈現(xiàn)狹窄的特點(diǎn)。根據(jù)勘察結(jié)果，河谷寬度在10cm～20cm之間，形狀以條帶狀為主，局部存在斷裂現(xiàn)象。巖層的結(jié)構(gòu)以漂石和砂礫卵石為主，孔隙率高，透水性較強(qiáng)。地下水埋深的深度在0m～3m之間，含水層的厚度較薄，并且對涌水量展開測量，發(fā)現(xiàn)單井涌水量每天在100立方米左右，屬于弱富水區(qū)。

二是泥盆系屯寨組含水巖組。該區(qū)域主要是由石英千枚巖和片巖組成的區(qū)域，內(nèi)部裂隙較多，多以風(fēng)化和構(gòu)造裂隙為主，厚度在30m～50m左右，富水性相對較弱。觀測發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域以滴水區(qū)居多，溢水量每秒在0.01～0.75升左右，整體富水性較為薄弱。

三是泥盆系橋頭組和屯寨組含水巖組。該區(qū)域以薄層狀灰?guī)r裂隙溶隙水巖組為主，富水性是以刺激斷裂構(gòu)造破碎帶為主，連通性佳，是地下水活動(dòng)的主要場所。

1.4.3 隔水層特征

隔水層分布在裂隙較為發(fā)育地區(qū)的下部位置，以微、未風(fēng)化層為主，無賦水空間，具有較好的隔水效果。該區(qū)域受礦區(qū)南北部主導(dǎo)斷裂的影響，部分地段的斷層、構(gòu)造破碎帶雖然較為發(fā)育，但由于主導(dǎo)斷裂受力為壓扭應(yīng)力，產(chǎn)生的次級斷層延伸長度短，影響寬度小，向深部延伸的距離小。條狀帶斷層碎帶的下部無賦水空間，連通性不佳，導(dǎo)水性能較弱，是天然的隔水地帶。

2 礦坑涌水量預(yù)測

2.1 充水原因

尚家溝金礦礦區(qū)以大梁分水嶺為界，南部礦體一直延伸到尚家溝和付家溝流域，整體性強(qiáng)，區(qū)域內(nèi)的地下水直接匯聚到李家溝內(nèi)，構(gòu)建了一個(gè)較為完整的水文地質(zhì)單元。北部作為運(yùn)輸巷道，一直延伸至干溝附近，其是一條獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。礦區(qū)南部有地下水排泄影響帶，北部為地表分水嶺，西部和東部區(qū)域除靠近溝渠部分為地下水排泄帶外，其余部分均作為隔水結(jié)構(gòu)。分水嶺北部運(yùn)輸巷道北段延伸段地下水排泄影響帶，其南部的地下水邊界為地表分水嶺，東、西兩側(cè)為干溝右岸有影響的支溝分水嶺，北部干溝主溝谷為排泄區(qū)的邊界。根據(jù)該區(qū)域的情況，探究分水嶺南側(cè)礦區(qū)，分別計(jì)算區(qū)域內(nèi)地下水侵蝕基準(zhǔn)面上下兩部分的涌水情況，北部則是預(yù)測分析巷道內(nèi)涌水量。

2.2 涌水量評價(jià)

按照礦區(qū)各段的地質(zhì)水文特征給出針對性方式開展南北兩個(gè)區(qū)域礦坑內(nèi)涌水量的預(yù)測工作。根據(jù)尚家溝礦體的賦存及采礦、運(yùn)輸巷道的分布情況，對分水嶺南礦床區(qū)段以區(qū)內(nèi)地下水侵蝕基準(zhǔn)面為準(zhǔn)分上、下兩個(gè)部分分別進(jìn)行涌水量的預(yù)測。在分水嶺北部僅預(yù)測運(yùn)輸巷道的涌水量。擬采用降水入滲系數(shù)法、結(jié)合調(diào)查實(shí)測平巷地下水的滲溢量對礦區(qū)段地下水水位面以上的礦體進(jìn)行礦坑涌水量的預(yù)測。采用水平坑道涌水量預(yù)測法對礦區(qū)段地下水侵蝕基準(zhǔn)面以下的礦區(qū)進(jìn)行涌水量計(jì)算，分析預(yù)測該區(qū)段礦坑的涌水量。

2.3 礦坑涌水量預(yù)測

2.3.1 地下水水位面以上的礦體礦坑涌水量的預(yù)測

（1）降水入滲系數(shù)法：該方法使用的公式為：Q總=Q有效×F×α。公式中，Q總代表降水入滲總系數(shù)值，Q有效則為有效的降水量，F(xiàn)為入滲面積，α為降水入滲系數(shù)。該區(qū)域內(nèi)的平均降水量在616mm左右，降水入滲系數(shù)可取值0.135，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)地下水入滲補(bǔ)給的面積分別為0.43和0.27平方千米。結(jié)合這組數(shù)據(jù)利用上述公式計(jì)算得出南部降水入滲量為35758.8m3/a，得到礦坑涌水量為97.96m3/d；北部降水入滲量為22453.2m3/a，計(jì)算得到運(yùn)輸巷道涌水量為61.51m3/d。

（2）開采和運(yùn)輸巷道內(nèi)的實(shí)測涌水量：一是開采區(qū)的實(shí)測涌水量。在礦區(qū)內(nèi)設(shè)置5個(gè)開采平硐，監(jiān)控整個(gè)礦區(qū)。區(qū)域內(nèi)的滲溢流量在每秒0.38～0.89升之間，對比標(biāo)準(zhǔn)的要求，滲溢流量較小，涌水量每天在32.83m3～76.89m3之間，平均涌水量為54.86m3/d。

二是運(yùn)輸巷道實(shí)測用水量。運(yùn)輸巷道子橫穿大梁分水嶺，地下水滲溢量每秒達(dá)到14.85～19.2升。運(yùn)輸巷道呈現(xiàn)北南向延伸特點(diǎn)，延伸長度在1496m，巷道內(nèi)地下水主要由幾處小斷層破碎帶滲溢的地下水匯集而成。其涌水量每天在129.60～216.00立方米之間，平均涌水量為172.80m3/d。

2.3.2 地下水水位面以下的礦體礦坑涌水量的預(yù)測

根據(jù)礦體所在區(qū)域的水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化[2]，采用潛水非完整式水平坑道涌水量預(yù)測計(jì)算（狹長水平坑道）公式進(jìn)行水平坑道涌水量的預(yù)測。

根據(jù)下表內(nèi)容，開始涌水量的預(yù)測。

由表1可知，該區(qū)域降水的深度在150米左右，坑道長度為100米，計(jì)算得出坑道內(nèi)涌水量每天在95.39立方米。當(dāng)坑道長度在200米和400米時(shí)，涌水量預(yù)測數(shù)值分別為每天119.89立方米和168.89立方米。

表1 潛水非完整式水平坑道涌水量計(jì)算預(yù)測用參數(shù)表

2.3.3 總涌水量的預(yù)測

利用降水入滲法進(jìn)行預(yù)測計(jì)算可得[3]，南部區(qū)域地下水位面以下區(qū)域的涌水量在97.96立方米。運(yùn)輸巷道涌水量在61.51立方米。因降水入滲法計(jì)算時(shí)的涌水量為礦體賦存區(qū)及采礦巷道工程分布區(qū)有影響范圍內(nèi)，年降水平均入滲轉(zhuǎn)化為地下水的量，但該地下水只有部分通過區(qū)內(nèi)的裂隙、斷層破碎帶滲溢到巷道區(qū)，從排水系統(tǒng)排泄出礦區(qū)，然而，部分則以地下徑流的形式排出礦區(qū)，因此，最終確定南北兩個(gè)區(qū)域涌水量分別為97.96立方米和61.51立方米。

根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況及收集到的資料數(shù)據(jù)，展開預(yù)測計(jì)算，得出設(shè)置的5個(gè)開采層中，總的涌水量每天在32.83～76.89立方米之間，平均涌水量每天可達(dá)54.86立方米。而北部運(yùn)輸巷道內(nèi)的總涌水量在129.6～216立方米，平均數(shù)值為172.8立方米。在各層位巷道中，滲溢的地下水會(huì)通過排水系統(tǒng)排出礦區(qū)，因此，該區(qū)域內(nèi)的涌水量與排水總量之間存在對等關(guān)系。

在地下水位面以下的礦區(qū)開采前，對狹長水平坑道降排水加以了解，深度在150m，坑道長度100～400米不等，利用相關(guān)公式可計(jì)算出涌水量在95.39～168.89立方米之間。不過涌水量是變動(dòng)的，其會(huì)隨著巷道高度、寬度、延伸長度的變化而存在不穩(wěn)定特征。

綜合上述數(shù)據(jù)，按照最大化原則，以150%考慮涌水量，將該地區(qū)南部礦體結(jié)構(gòu)地下水位面下的涌水量設(shè)定在每天146.94立方米；運(yùn)輸巷道總涌水量為每天324立方米；南部采礦區(qū)段地下水水位面以下礦坑降深150m，水平坑道長100m～400m時(shí)，涌水量為每天143.09～253.33立方米?？晒┑V山建設(shè)、開采設(shè)計(jì)時(shí)利用。

2.4 涌水量防治

該礦區(qū)內(nèi)的斷層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)具有導(dǎo)水功能，為保證區(qū)域的穩(wěn)定性，需要對斷層區(qū)域?qū)嵭蟹浪е蜃{加固。在處理該區(qū)域涌水量時(shí)，堅(jiān)持以預(yù)防為主、先探后掘、先治后采的原則。此外，在對礦區(qū)地下區(qū)域展開探查時(shí)，可采取物探、鉆探、化探的方式了解富水性特征，隔水層所在區(qū)域空間，掌握地質(zhì)、地貌及地下水變化，做到科學(xué)分析和預(yù)測，展開事前預(yù)防和控制，保障礦區(qū)作業(yè)的安全性。

3 結(jié)語

希望上文論述可以提高專業(yè)人員對礦區(qū)水文地質(zhì)特征及涌水量的掌握和了解的程度，并在實(shí)際作業(yè)中結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)資料，做到科學(xué)規(guī)劃和處理，掌握用水量防治措施，以此促進(jìn)礦區(qū)開采的順利作業(yè)，提高礦區(qū)的安全等級。