某露天礦采坑涌水與地表河流水力聯(lián)系分析

趙恰

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 福建 廈門市 361016)

礦山周邊存在河流、湖泊或水庫等地表水體，且地表水體與礦坑存在水力聯(lián)系時(shí)，往往導(dǎo)致礦坑涌水量大、礦山水文地質(zhì)條件復(fù)雜。同時(shí)地表水體受降雨影響明顯，雨季河流、水庫等地表水體水位劇漲，易引發(fā)礦坑水量大增，礦山淹井風(fēng)險(xiǎn)大。因此，針對(duì)周邊存在河流、湖泊或水庫等地表水體的礦山，研究地表水體與礦坑之間水力聯(lián)系是礦山水文地質(zhì)條件研究的主要工作。目前我國主要采用水位對(duì)比分析法、水化學(xué)分析法、大型抽放水試驗(yàn)法[1]、物探探查法[2]和地下水高精度示蹤試驗(yàn)法[3-6]等技術(shù)研究地表水體與礦坑之間的水力聯(lián)系。地下水高精度示蹤試驗(yàn)法利用示蹤劑濃度的連續(xù)變化特征可以較直接地判斷地表水體與礦坑之間的水力聯(lián)系情況，近年來應(yīng)用較廣，如楊柱等[7]采用地下水高精度示蹤試驗(yàn)法分析了汀江水與紫金山金銅礦深部開采之間的水力聯(lián)系；張浪等[8]采用地下水高精度示蹤試驗(yàn)法分析了地表水體與地下水系統(tǒng)之間的水力聯(lián)系情況；尹尚先等[9]采用地下水高精度示蹤試驗(yàn)法探查了礦井充水條件。本文通過水位對(duì)比分析法和地下水高精度示蹤試驗(yàn)法查明地表河流與露天采坑之間的水力聯(lián)系，為礦山防治水方案的制定提供依據(jù)。

1 礦山水文地質(zhì)條件

某礦床隸屬于向斜水文地質(zhì)單元，傾向向北的急傾斜（傾角56°）單斜巖層地段。地勢(shì)北高南低，東高西低，距離西側(cè)河流約1 km。礦床主要位于當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)侵蝕線以下，礦區(qū)范圍內(nèi)分布的地下水類型有第四系全新統(tǒng)沖洪積潛水含水層(Q4apl)、新近系上—中新統(tǒng)含水層（N1-2）、古近系漸—始新統(tǒng)含水層（E2-3）、古新統(tǒng)烏拉根組含水層（E1w1）和上白堊統(tǒng)依克孜蘇組相對(duì)隔水層（K2y），礦床屬于基巖裂隙含水層直接充水的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單-中等復(fù)雜礦床。各主要含水層和隔水層的空間分布特征如圖1、圖2所示，水文地質(zhì)特征分述如下。

圖1 礦區(qū)水文地質(zhì)平面

圖2 3線水文地質(zhì)剖面

1.1 含水層

（1）第四系全新統(tǒng)沖洪積潛水含水層(Q4apl)：分布于河谷，巖性由砂土、礫石、卵石和少量漂石組成。含水層厚4～12 m，地下水埋藏深度一般為0.7～1.3 m，滲透系數(shù) 1～10 m/d，涌水量大于 60 L/s。

（2）新近系上—中新統(tǒng)含水層組(N1-2)：巖性為礫巖夾砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖，含水層單位涌水量0.000492 L/(s·m)，滲透系數(shù) 0.000722 m/d。

（3）古近系漸—始新統(tǒng)裂隙含水層(E2-3)：巖性為灰—灰綠色、灰褐色含銅砂巖夾泥巖，巖芯較完整，局部破碎，滲透系數(shù)0.0045 m/d。

（4）古新統(tǒng)烏拉根含水層(E1w1)：巖性為砂巖、泥巖及砂巖夾泥巖組成，含水層涌水量為0.408～0.816 L/S，單位涌水量 0.000408 L/(s·m)，滲透系數(shù) 0.0121～0.000564 m/d。

1.2 相對(duì)隔水層

上白堊統(tǒng)依克孜蘇組相對(duì)隔水層(K2y)：礦區(qū)內(nèi)最古老的地層，分布于烏拉根向斜兩翼。自下而上分成兩層：第一層（K2y1），巖性為砂巖夾泥巖，厚364～396 m；第二層（K2y2），巖性為紫紅色—灰綠色泥巖，厚54.72 m。富水性弱，為相對(duì)隔水層。

1.3 地表河流

河流由北向南流經(jīng)礦區(qū)西部，為礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面。河流距離礦區(qū)露天開采邊界約1 km（見圖1）。河流在1～5月為枯水期，6～8月為豐水期，9～12月為平水期。2018—2019年河流動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料顯示，河流的流量為0.4～6.05 m3/s，水面寬度為4～14 m。

1.4 構(gòu)造破碎帶特征及影響

礦區(qū)南部分布有 F10、F11、F13和 F18四條斷裂（見圖1），其中主要斷裂構(gòu)造F10、F11和F18走向北東東—南西西，傾向北北西，傾角50°～70°，距離礦床較遠(yuǎn)，未對(duì)礦床開采造成影響。

1.5 水文地質(zhì)邊界條件

從圖1可以看出，向斜在平面上呈東端閉合，西部開放的寬緩褶皺，地層向西傾伏，南、北兩翼基本對(duì)稱分布，向斜核部為新近系更、上新統(tǒng)，兩翼最外圍分布著上白堊統(tǒng)依克孜蘇組(K2y)石英砂巖相對(duì)隔水層，使得烏拉根向斜在平面上呈現(xiàn)出東、北和南部三面隔水，西部補(bǔ)給的水文地質(zhì)特征。

2 河流與礦坑之間水力聯(lián)系分析

2.1 水位對(duì)比分析法

礦山在北部靠近地表河流的山坡上施工有地下水長(zhǎng)期水文觀測(cè)孔ZK79。2019年8月開始觀測(cè)ZK79孔地下水水位，除疫情期間中斷觀測(cè)外，基本按照每月2次的頻率觀測(cè)地下水位，測(cè)量成果見表1。

表1 ZK79孔地下水位測(cè)量成果統(tǒng)計(jì)

地表河流河床標(biāo)高2045 m，為礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面。礦山在ZK79孔下方河流處設(shè)立河水水深監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見圖1），采用斷面法在河流斷面上設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，按照每月1次的頻率測(cè)量河道水深，測(cè)量成果見表2。

表2 河道水深測(cè)量成果

由表1、表2可知，該區(qū)域的地下水位標(biāo)高為2172.19～2177.06 m，而同期的河水標(biāo)高為2045.1～2045.4 m，河水標(biāo)高遠(yuǎn)低于區(qū)域地下水位標(biāo)高，因此河水未補(bǔ)給基巖含水層。

2.2 地下水高精度示蹤試驗(yàn)法

2.2.1 試驗(yàn)原理及方案

地下水高精度示蹤試驗(yàn)原理是利用與地下水背景值差異較大、穩(wěn)定且無污染的可溶性鹽類離子作為示蹤劑，然后在地下水系統(tǒng)的源頭投放，使其隨地下水的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，在預(yù)期到達(dá)的地下水系統(tǒng)排泄端接受示蹤劑，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接受的示蹤劑濃度變化情況判斷水力聯(lián)系情況。

本次示蹤試驗(yàn)投樣點(diǎn)布設(shè)在礦區(qū)的西部進(jìn)水通道的高水位區(qū)（見圖1），分別為地表水源處（投樣點(diǎn)1）和ZK79孔（投樣點(diǎn)2），其中地表水源處地表水與河水聯(lián)系緊密，且流速較慢便于開展示蹤試驗(yàn)，因此選擇地表水源代表地表河流[10-12]。為了防止影響地下水水質(zhì)，本次試驗(yàn)選擇食鹽作為示蹤劑。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在露天采坑坑底2029 m水倉口，采用雷磁便攜式電導(dǎo)率儀DDB-303A監(jiān)測(cè)坑內(nèi)涌水的電導(dǎo)率，測(cè)量范圍2～104 μs/cm，誤差±1%。

在ZK79孔和地表水源處同時(shí)開展示蹤試驗(yàn)，其中ZK79孔一次性投放食鹽200 kg，地表水源處一次性投放食鹽300 kg。示蹤劑投放前3天開始在露天采坑坑底水倉口監(jiān)測(cè)點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)地下水背景值，監(jiān)測(cè)頻率為1 次/d。示蹤劑投放后即可開始在露天采坑坑底水倉口監(jiān)測(cè)坑內(nèi)涌水的電導(dǎo)率。監(jiān)測(cè)時(shí)，按照推測(cè)的地下水運(yùn)移時(shí)間加密監(jiān)測(cè)，同時(shí)為了防止錯(cuò)失關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)而發(fā)生誤判現(xiàn)象，隨時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)的坑內(nèi)涌水電導(dǎo)率變化情況調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率。地下水高精度示蹤試驗(yàn)共歷時(shí)30 d。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

地下水高精度示蹤試驗(yàn)結(jié)果分析和評(píng)判分為定性分析和定量分析兩部分，定性分析主要依據(jù)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)期內(nèi)是否接受到示蹤劑，若接受到示蹤劑則兩者存在水力聯(lián)系，否則不存在水力聯(lián)系。定量分析是利用地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量獲取的示蹤劑質(zhì)量濃度歷時(shí)曲線形式（單峰、雙峰等形式）分析投樣點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間含水層介質(zhì)的通道形式，同時(shí)還可以根據(jù)示蹤劑質(zhì)量濃度變化曲線獲得地下水的流速、彌散系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)[13-14]。露天采坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖3。

圖3 露天采坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水電導(dǎo)率曲線

從圖3可以看出，礦區(qū)地下水電導(dǎo)率的背景值為492～495 μs/cm。示蹤試驗(yàn)期間礦區(qū)露天采坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量的地下水電導(dǎo)率為487～498 μs/cm。示蹤試驗(yàn)期間地下水的電導(dǎo)率相比于試驗(yàn)開始前測(cè)量的地下水電導(dǎo)率背景值變化幅度小，可忽略不計(jì)，且示蹤試驗(yàn)期間測(cè)量的地下水電導(dǎo)率曲線僅為自然波動(dòng)，不具有明顯的規(guī)律特征，因此，ZK79處地下水和水源地處地表水與礦坑之間不存在水力聯(lián)系。

3 結(jié)論

（1）水位對(duì)比分析法和高精度示蹤試驗(yàn)相結(jié)合的手段能準(zhǔn)確地分析地表水與礦坑之間的水力聯(lián)系程度，相關(guān)礦山可以參考借鑒。

（2）地表河流附近區(qū)域地下水水位遠(yuǎn)高于地表河流水位，因此，地表河流未補(bǔ)給基巖含水層。

（3）高精度示蹤試驗(yàn)結(jié)果表明，地表河流與露天采坑之間不存在水力聯(lián)系，河水不是礦坑涌水的來源之一。