廣東省德慶縣礦山工程中水文地質(zhì)條件研究

李軍瑞

（廣東省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì)，廣東 肇慶 526020）

提 要：礦區(qū)塊狀礦類裂隙水補(bǔ)給范圍條件較差，水文地質(zhì)邊界較簡(jiǎn)單，富水性弱，礦坑充水以大氣降水為主，預(yù)測(cè)礦坑涌水量，分析礦床水文地質(zhì)條件。

廣東德慶縣某礦區(qū)屬于礦產(chǎn)資源豐富區(qū)域，其主要位于北東緣粵西隆起區(qū)域，呈羅定斷裂變質(zhì)帶并與吳川—四會(huì)斷裂帶進(jìn)行分割，因此本文針對(duì)礦床充水的主要含水層進(jìn)行分析，確定礦床充水的主要含水層及其水文地質(zhì)參數(shù)，預(yù)測(cè)礦坑涌水量，對(duì)礦床水文地質(zhì)條件作出評(píng)價(jià)。

1 地形地貌及氣象

廣東省德慶縣礦床主要呈伏山地貌分布，山體高在+250m~450m之間，地勢(shì)呈北高南低分布，切割較劇烈，整體呈V型分布，處于一近南北走向的山嶺，地形上屬水文單元的補(bǔ)給區(qū)，礦區(qū)地形地勢(shì)具體為貫穿礦區(qū)中部的山脊高，往東部、南部和西部降低，山體標(biāo)高一般為120.0～396.0m。地形切割一般，以發(fā)育“V”型溝谷為主，礦區(qū)及周圍無(wú)較大的河流及水庫(kù)等地表水體分布，區(qū)內(nèi)的地表水體以溪溝為主，溪溝稍發(fā)育，呈樹枝狀分布，流向嚴(yán)格受地形地勢(shì)控制。

區(qū)內(nèi)地表水體以發(fā)育于礦區(qū)北西部、北東和南部的溪溝為主，其流向總體分為自北東往西南流與自西南往北東流，為區(qū)內(nèi)的大氣降水及地下水的排泄主要通道。實(shí)測(cè)流經(jīng)礦區(qū)溪溝的流量為0.018～4.126L/s，合計(jì)流量約為11.432L/s。區(qū)內(nèi)地表水季節(jié)性變化異常明顯，其流量和降雨密切相關(guān)。

礦區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖潮濕，雨量充沛。年平均氣溫22.1℃，雨季多在4～9月，洪水期5～9月，旱季10月～次年3月，多年平均降雨量1512.8mm，年最大降雨量2210.7mm，年最小降雨量1080.3mm，日最大降雨量171.5mm。

2 礦區(qū)地質(zhì)

2.1 地層

礦區(qū)出露第四系（Qedl）殘坡積層，遍布全礦區(qū)，巖性為礦區(qū)礦體碎屑砂質(zhì)粘土，礦物成分主要為粘土質(zhì)、石英、含少量礦體碎屑及植物根莖。一般山脊和山坡相對(duì)較厚，而谷地與山腳相對(duì)較薄。礦區(qū)內(nèi)部主要以元古界及下古生界為主，利用類復(fù)理石碎屑巖綜合堆砌而成，整個(gè)礦區(qū)內(nèi)遍布稀有金屬和稀土元素，礦區(qū)主要分布在震旦系變質(zhì)巖中。部分礦區(qū)內(nèi)部呈侵蝕丘陵?duì)畹孛玻罡呱襟w為200m最低為50m整個(gè)礦區(qū)呈中間高四周低的地形，最高海拔突破了202m，最低海拔約為-25m，地形切割形態(tài)與山坡的坡度相關(guān)，局部?jī)A角較高，約為30°，整個(gè)侵蝕體呈帶狀不規(guī)則分布，礦區(qū)內(nèi)部含有特色化地質(zhì)結(jié)構(gòu)地貌。

2.2 巖石

分布礦區(qū)全區(qū)，為中～晚二疊世二長(zhǎng)礦體，呈巖基面狀產(chǎn)出。礦性具體主要為中細(xì)粒黑云母，呈灰白色～淺肉紅色，中細(xì)粒礦體結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。微（未）風(fēng)化的礦體即構(gòu)成本礦區(qū)的建筑用礦體。礦區(qū)內(nèi)部廣泛受于龍降村—春水?dāng)嗔延绊?，結(jié)合加里東期礦體結(jié)構(gòu)發(fā)育與燕山礦體共同組成混合型地貌，受石澗、巖田的影響，礦區(qū)的礦體主要以混合礦體類結(jié)構(gòu)和條痕條帶狀混合巖結(jié)構(gòu)為主。

2.3 構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)未見斷裂構(gòu)造，礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為局部巖漿巖節(jié)理裂隙發(fā)育，主要節(jié)理裂隙有二組：①組走向北東，傾向北西300～320°，傾角55°，裂隙面較平直，延伸長(zhǎng)＞10m，寬0.50～5.0cm，1～2條/m，多見礦脈充填，為礦發(fā)育主裂隙；②組走向北西，傾向北東30～40°，傾角40～50°，3～5條/m，一般延伸較短，節(jié)理、裂隙緊閉，裂隙面平直。①組切割②組，斷距較小，約5～10cm。

2.4 氣象

礦區(qū)受到地形影響，主要呈燕熱帶季風(fēng)氣候，整個(gè)礦區(qū)處在北回歸線的南側(cè)，因此該礦區(qū)的冬天溫度較高，能達(dá)到零上28℃，夏季的溫度也在28℃至35℃之間變化，全年降雨較多，無(wú)霜期，該礦區(qū)的年平均氣溫約為26.5℃，礦區(qū)的降雨量較大，夏季的降雨量能達(dá)到2550mm，年平均降雨量約為1634.52mm，全年的最高氣溫為38.1℃，全年最低氣溫0℃，年平均光照時(shí)長(zhǎng)約為1763.5h，年均蒸發(fā)量也達(dá)到了1655.14mm，因此該礦區(qū)的綜合濕度較大，常年變動(dòng)在百分之六十至百分之九十之間，3~9月是該礦區(qū)的主要降雨季節(jié)，其中6~8月為汛期，降雨量相對(duì)較高，雨季的日降雨量約為10.5mm，最大日降雨量為244mm，廣東省德慶縣某建筑用礦體材料礦區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，風(fēng)速較穩(wěn)定，最大可達(dá)到4.5m/s，最小為1.32 m/s，年平均風(fēng)速約為2.63 m/s，礦區(qū)內(nèi)龍舟水、霜凍等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。

2.5 地表水

該礦區(qū)的地表水發(fā)育狀態(tài)較差，無(wú)較大的地表水體，全礦區(qū)進(jìn)含幾個(gè)小型河流，呈東西向排布，整體流經(jīng)分布形狀相似，均由中間向四周擴(kuò)散，最終匯入礦區(qū)外側(cè)江中。受礦區(qū)內(nèi)部山體的影響，來(lái)自大氣的降水經(jīng)常會(huì)影響地下水的正常排泄，因此在雨季時(shí)容易產(chǎn)生山洪災(zāi)害，在礦區(qū)外圍，受地表水體發(fā)育的影響，設(shè)置了基坑采水區(qū)，但外側(cè)的水體水量?jī)?chǔ)存也并不高，常規(guī)情況下在10000立方米內(nèi)，水庫(kù)儲(chǔ)水量受大氣影響可達(dá)到80000立方米。

2.5 地下水

廣東省德慶縣某礦區(qū)的地下水根據(jù)地層的實(shí)際狀態(tài)共包括兩種類型，及塊狀巖類孔隙水和松散巖類孔隙水。松散巖類孔隙水主要受粘土的影響分布在礦區(qū)的殘坡紀(jì)砂巖中，因此其含水量較低，且含水狀態(tài)不固定，在雨季可能會(huì)出現(xiàn)含水飽和現(xiàn)象，旱季可能出現(xiàn)枯竭現(xiàn)象，受地形的影響，低下補(bǔ)給區(qū)域的地形越高，含水量越低，對(duì)礦山的正常開采有一定的影響。

塊狀礦體結(jié)構(gòu)孔隙水主要儲(chǔ)存在三期礦體上部裂隙帶中，受周邊溪流的影響可能存在裂隙帶風(fēng)化問(wèn)題，整個(gè)礦體結(jié)構(gòu)發(fā)育中，可以用水文鉆孔礦心進(jìn)行觀測(cè)，整個(gè)裂隙面呈粉碎狀，且有水蝕痕跡，可以對(duì)ZK1、ZK2、ZK3、ZK0806、ZK0808等區(qū)域進(jìn)行觀察，計(jì)算此時(shí)的礦脈裂隙侵蝕RQD，礦區(qū)的綜合透水率在0.03m/s~9.35 m/s，屬于弱透水等級(jí)。

3 礦床水文地質(zhì)條件

3.1 含水層

根據(jù)礦區(qū)分布的巖石地層特征及地下水的賦存介質(zhì)，將礦區(qū)地下水可劃分為松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水二類。

（1）松散巖類孔隙水

賦存于坡殘積砂質(zhì)粘性土和全風(fēng)化礦體結(jié)構(gòu)孔隙中，由于地勢(shì)較高，多為上層滯水，沒(méi)有明顯含水層，雨季溝谷兩側(cè)低平處局部形成季節(jié)性含水層，枯季無(wú)水，多屬透水而不含水巖層，總體富水性弱。對(duì)礦床開采影響較小。

（2）塊狀巖類裂隙水

分布于全區(qū)，賦存于中～晚二疊世中細(xì)粒黑云母二長(zhǎng)礦體的中風(fēng)化層或構(gòu)造裂隙中，含水層主要為中風(fēng)化礦體風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育帶。據(jù)野外調(diào)查，泉水一般呈散流狀沿巖石風(fēng)化裂隙滲出，泉流量一般0.014～0.080L/s。淺部巖石風(fēng)化裂隙較發(fā)育，含裂隙水，含水層厚度受巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育程度和地形控制，含水層底界與中風(fēng)化礦體底界基本一致，以風(fēng)化裂隙水為主，局部受構(gòu)造影響，形成脈狀裂隙水。風(fēng)化裂隙水一般具無(wú)壓性質(zhì)，鉆孔單位涌水量為0.011～0.0276L/（s?m），滲透系數(shù)為0.0768～0.0945m/d（表1），平均0.0857m/d，富水性弱。

表1 滲透系數(shù)計(jì)算表

3.2 隔水層

分布于淺部的坡殘積土層、全～強(qiáng)風(fēng)化礦體，已呈土狀，透水性差，可視為相對(duì)隔水層；分布于微風(fēng)化礦帶之下的新鮮、完整礦體結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，而且多為充填閉合狀，同可視為相對(duì)隔水層。

2、SZK6-1第二次降程抽水，因其單位涌水量q=0.0007L/(s·m)，小于0.001L/(s·m)，該層可視為相對(duì)隔水層。

3、SZK3-2第一層采用潛水完整井單孔抽水試驗(yàn)計(jì)算公式：K=

4、SZK3-2第二層采用承壓水完整井單孔抽水試驗(yàn)計(jì)算公式：K=

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果可知，孔號(hào)為SZK6-1的含水層厚度在20.0m~106.27m之間，該孔號(hào)主要分布在溪流附近，局部物質(zhì)成分包含黏土、粉質(zhì)沙土等、能起到隔水層作用，此時(shí)的降深為18.10m為全部孔號(hào)中的最低數(shù)值，其綜合涌水量為17.28 m3/d,與其單位涌水量排名呈反向相關(guān)，SZK3-2的含水層厚度為106.27m，證明該孔號(hào)分布于整個(gè)礦區(qū)，埋藏較淺，除淺部風(fēng)化、半風(fēng)化層含有塊狀巖類裂隙水外，深部均形成隔水巖體。其降深數(shù)值為36.82m處于較高水平，因此其相對(duì)涌水量和單位涌水量也偏低，分別為2.333 m3/d、0.0007 L/(s?m)，研究SZK3-2的滲透系數(shù)表，其含水層的厚度較一致，均為45.00m，該孔號(hào)附近的巖石一般呈淺肉紅色，局部呈灰或淺灰色，礦物粒度較均勻，以中粒、斑狀花崗結(jié)構(gòu)為主，局部細(xì)粒結(jié)構(gòu)，致密塊狀。

3.3 地下水的補(bǔ)、逕、排條件

（1）礦床處于區(qū)域水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū)與徑流區(qū)，地下水主要接受大氣降水垂向直接補(bǔ)給。

（2）分布于區(qū)內(nèi)淺部的孔隙潛水主要接受大氣降水直接補(bǔ)給和溪溝水側(cè)向補(bǔ)給，該地下水與溪溝水的水力聯(lián)系較密切，既受溪溝水補(bǔ)給，同時(shí)也向溪溝水排泄。

（3）基巖裂隙潛水主要接受大氣降水的垂向補(bǔ)給，局部接受溪溝水的滲入補(bǔ)給，沿風(fēng)化裂隙下滲與運(yùn)移，形成地下徑流，流向與地形密切相關(guān)，總體與溪溝水流向基本一致，該類型的地下水具較明顯的徑流路途短的特點(diǎn)，往往在地形低洼處以散流或下降泉形式排泄。

（4）對(duì)該區(qū)域的地表水及地下水進(jìn)行觀測(cè)，它的平常流量在8.8~12.5m3/d，2019年8月8日，它的流量為10.92m3/d，當(dāng)天礦區(qū)及周邊下大雨，下雨之后第二天,測(cè)得其流量為10.86m3/d，8月9日流量為10.23m3/d，8月13日流量為10.86m3/d，8月14日流量變小為9.67m3/d，之后逐漸變小，到8月26日變?yōu)?.86m3/d，證明廣東省德慶縣某礦區(qū)的地下水受降雨的影響較大，隨著降雨量的增加，低下水流量會(huì)逐漸增加，反之，低下水流量會(huì)逐漸減小。地下水與地表水之間的水力聯(lián)系總的趨向是，雨季地表水補(bǔ)給地下水，旱季地下水以泉水形式補(bǔ)給地表水。

3.4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

（1）礦床水文地質(zhì)特征及礦坑充水因素

本礦床為建筑用礦體，呈塊狀大面積分布于全礦區(qū)，礦體被坡殘積層和全～微風(fēng)化巖覆蓋，控制礦體標(biāo)高在20m以上。礦體及其圍巖上部為基巖風(fēng)化裂隙潛水含水層，富水性弱，下部新鮮、完整的礦體結(jié)構(gòu)較為致密，富水性總體極微弱，可視為相對(duì)隔水層。根據(jù)礦區(qū)、礦體規(guī)模、埋藏條件及礦床水文地質(zhì)特征，未來(lái)礦山宜用露天開采。

由上可知，未來(lái)礦坑充水因素主要為大氣降水直接充水，次為基巖風(fēng)化裂隙潛水的側(cè)向充水。

（2）礦坑涌水量預(yù)測(cè)

礦床擬采用露天開采，本次預(yù)測(cè)礦坑涌水量范圍為全礦區(qū)范圍。

①邊界條件

礦床含水層為基巖風(fēng)化裂隙含水層，呈層狀分布，可視為無(wú)限補(bǔ)給邊界，開采時(shí)地下水從四周以平面流形式對(duì)礦坑充水。

②預(yù)測(cè)深度

根據(jù)礦體的控制深度及含水層特征，未來(lái)礦床擬設(shè)開采最低標(biāo)高為20m，因此本礦床預(yù)測(cè)水平為20m標(biāo)高。

③預(yù)測(cè)方法及計(jì)算公式的選擇

根據(jù)礦床開采方法和充水特征，大氣降水充水量采用面積法計(jì)算，地下涌水量采用地下水動(dòng)力學(xué)法（“大井法”）計(jì)算。計(jì)算公式為：

①礦坑大氣降水充水量

正常大氣降水充水量(Q1)采用公式（1）計(jì)算

最大大氣降水充水量(Q2)采用公式（2）計(jì)算

②地下水涌水量

裂隙潛水含水層采用公式（3）計(jì)算：

（3）參數(shù)的確定

①采礦場(chǎng)的面積（F）

以礦區(qū)邊界所框定的面積為未來(lái)露天采場(chǎng)的面積，采用地理信息系統(tǒng)從涌水量計(jì)算圖上量得結(jié)果為1998000m2。

②降雨量（A）

據(jù)德慶縣氣象局1995～2014年多年日平均降雨量（A1）為0.0041m，日最大降雨量（A2）為0.1715m。

③正常降雨時(shí)的地表徑流系數(shù)（φ）

根據(jù)礦床水文地質(zhì)特征，采用《水文地質(zhì)手冊(cè)》經(jīng)驗(yàn)值，φ為0.7。

④滲透系數(shù)（K）

裂隙含水層（K）采用SZK3-2和SZK6-1鉆孔抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)平均值作為計(jì)算值，結(jié)果為0.0857m/d（表1）。

⑤礦坑排水降深值（S）

采用礦區(qū)潛水位平均標(biāo)高（246.93m）降至含水層底界平均標(biāo)高（225.12m）之差值，結(jié)果為21.81m。

⑥影響半徑（R）

裂隙潛水含水層采用庫(kù)薩金經(jīng)驗(yàn)公式（4）計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果為58.89m；

⑦；礦坑引用半徑（r0）

根據(jù)采坑形態(tài)，采用不規(guī)則圓形公式（5）計(jì)算：

式中F為露天采場(chǎng)最大面積

礦坑引用半徑計(jì)算結(jié)果為797.50m。

⑧引用影響半徑（R0）

采用公式（6）計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果：裂隙潛水含水層引用影響半徑為856.39m。

（4）涌水量計(jì)算結(jié)果

①礦坑大氣降水充水量預(yù)測(cè)結(jié)果

礦坑大氣降水正常充水量Q1為5734m3/d，最大日充水量Q2為239860m3/d

礦區(qū)擬開采標(biāo)高396～20m礦體，礦山開采大部分地表降雨匯水可沿地表坡面自流排出礦區(qū)外，開采標(biāo)高120m以下礦體時(shí)，為凹陷開采，地表降雨匯水無(wú)法自然排出采場(chǎng)，需采用機(jī)械排水，經(jīng)估算，礦區(qū)范圍日正常礦坑涌水量7445m3/d，日最大降雨礦坑涌水量241571m3/d。開采過(guò)程中，應(yīng)在采場(chǎng)外圍根據(jù)實(shí)際地形設(shè)置截水溝攔截坡面水流，避免暴雨期間礦區(qū)外圍坡面流水涌入采場(chǎng)。

綜合礦區(qū)水文地質(zhì)特征，塊狀巖類裂隙水補(bǔ)給范圍條件較差，水文地質(zhì)邊界較簡(jiǎn)單，富水性弱，礦坑充水以大氣降水為主，開采標(biāo)高120m以上礦床時(shí)，礦坑水可自然排泄，但開采標(biāo)高120m以下礦床時(shí)，屬局部凹陷開采，礦坑水不能自然排泄，需采用抽水設(shè)備進(jìn)行排水。

綜上所述，礦區(qū)水文地質(zhì)勘探類型為第二類（裂隙充水礦床），礦床水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。