黑龍江省雞西市麻山區(qū)民主南山晶質(zhì)石墨礦水文地質(zhì)條件分析及涌水量預(yù)測

胡升奇，郭寶深，李曉龍，孫哲雨，張鐵成

(中化地質(zhì)礦山總局黑龍江地質(zhì)勘查院,黑龍江 哈爾濱 150060)

黑龍江省民主南山石墨礦，是近年來發(fā)現(xiàn)的大型石墨礦床[1]，礦區(qū)距最近的西麻山火車站里程約3.5 km，交通便利。

2018年在勘探施工期間，在礦區(qū)施工了SZK1002、SZK1202、SZK4403、SZK4404共計(jì)4個(gè)水文孔，其中SZK4403、SZK4404 2個(gè)水文孔位于首采區(qū)。通過收集以往區(qū)域、礦區(qū)水文地質(zhì)資料，結(jié)合本次水文地質(zhì)觀測、抽水試驗(yàn)、水質(zhì)分析等方面的工作，系統(tǒng)地研究了區(qū)域水文地質(zhì)條件、礦區(qū)水文地質(zhì)條件、首采區(qū)采場涌水量預(yù)測。

通過分析區(qū)域、礦區(qū)水文地質(zhì)條件，包括地下水類型，隔水層，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件，確定了礦區(qū)為水文地質(zhì)條件簡單的裂隙充水礦床。

在礦區(qū)涌水量估算中，Q-S曲線外推法[2-6]、大井法[7-10]是2種可靠的方法。根據(jù)首采區(qū)的2個(gè)水文孔及抽水試驗(yàn)，分別確定了基巖風(fēng)化裂隙潛水、基巖裂隙承壓水的水文地質(zhì)參數(shù)，分別采用Q-S曲線外推法、大井法估算了首采采場涌水量,為礦山開采設(shè)計(jì)提供水文地質(zhì)資料。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地下水類型

地下水的形成受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文和地形地貌等多種因素控制，根據(jù)地下水埋藏條件、水力特征可分為：第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水2類。其中基巖裂隙水又可分為：風(fēng)化裂隙潛水、基巖裂隙承壓水和構(gòu)造裂隙承壓水3類。第四系松散巖類孔隙潛水主要分布于為黃九旺溝、南溝等河谷區(qū)；風(fēng)化裂隙潛水、基巖裂隙承壓水，均在全區(qū)廣泛分布；構(gòu)造裂隙承壓水，呈條帶狀分布，地下水賦存于構(gòu)造裂隙中。

1.2 區(qū)域隔水層

受各種地質(zhì)作用的綜合影響，區(qū)內(nèi)沒有連續(xù)穩(wěn)定的區(qū)域隔水層，因而將基巖裂隙不發(fā)育、裂隙連通性差的層段及石墨礦體(透水性較弱)視為相對隔水層，其埋深在60 m左右，巖性主要為片麻巖、變粒巖、混合巖等。

1.3 區(qū)域地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件

區(qū)域內(nèi)地下水以大氣降水為主要補(bǔ)給來源。大氣降水沿著巖土體的孔隙、裂隙及構(gòu)造破碎帶等導(dǎo)水通道滲入補(bǔ)給地下水，在不同地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等自然條件的控制下，做垂直運(yùn)移和水平徑流。在條件適宜時(shí)，以泉的形式排泄于地表溝谷，或以水平徑流側(cè)向補(bǔ)給鄰區(qū)地下水、地表水。地下水總體流向與地形坡向基本保持一致，水力坡度小于地形坡度。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)處于低山丘陵區(qū)，山丘呈北東向展布，分水嶺呈環(huán)形分布在信恒石粉廠—民主南山—南溝東側(cè)。地形總的趨勢是南西高北東低，最高海拔位于西南側(cè)，標(biāo)高600 m，相對高差265 m。最低侵蝕基準(zhǔn)面位于礦區(qū)外北東(標(biāo)高+310 m)，各礦體賦存標(biāo)高+342.5～+431.99 m之間，露天開采最終底標(biāo)高為+310 m，位于最低侵蝕基準(zhǔn)面之上。黃九旺溝和南溝均為季節(jié)性河流，北東南西向呈樹枝狀發(fā)育，由南向北從礦區(qū)北部流出，礦區(qū)內(nèi)南溝河谷寬10～30 m，河床寬0.30～1.10 m,水深通常0.05～0.5 m，測點(diǎn)處標(biāo)高為349.5 m，河水冬季斷流，一般流量630.40 m3/d、最大流量8 183.81 m3/d。

2.1 礦區(qū)含水層及其富水性

2.1.1 第四系松散巖類孔隙潛水含水層

分布于黃九旺溝和南溝的河谷中，分布面積約0.75 km2。由第四系沖積、洪積物組成，主要巖性為黃—黃褐色粉質(zhì)黏土、砂、砂礫石。含水層以砂、砂礫石為主，分選、磨圓較差。含水層厚度一般3～5 m，水位埋深2～3 m，單井涌水量小于10 m3/h。水化學(xué)類型以重碳酸鈣型為主，礦化度為186 mg/L，pH 7.3。

2.1.2 基巖風(fēng)化裂隙潛水含水層

廣泛分布于低山丘陵區(qū)及河谷區(qū)的下部，地下水賦存于混合巖、黑云斜長變粒巖、石墨斜長變粒巖、石墨石英片巖、透輝橄欖大理巖等風(fēng)化裂隙中，地下水位埋深3.81～13.88 m，含水層厚37.42～44.89 m。據(jù)本次施工的SZK1202孔資料，地下水位埋深3.81 m(標(biāo)高為+378.681 m)，風(fēng)化帶底板埋深44.89 m，當(dāng)降深為2.51 m時(shí)，單井涌水量為10.19 m3/h，當(dāng)降深為7.43 m時(shí)，單井涌水量為17.46 m3/h。SZK4404孔地下水位埋深13.88 m(標(biāo)高為+372.168 m)，風(fēng)化帶底板埋深51.30 m,當(dāng)降深為4.25 m時(shí)，單井涌水量為5.47 m3/h，當(dāng)降深為11.87 m時(shí)，單井涌水量為8.64 m3/h，水化學(xué)類型為重碳酸鈣型，礦化度為196～213 mg/L，pH 7.40～7.76。風(fēng)化裂隙潛水抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 風(fēng)化裂隙潛水抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.1.3 基巖裂隙承壓水含水層

全區(qū)廣泛分布，隱伏于風(fēng)化裂隙帶之下，地下水賦存于混合巖、黑云斜長變粒巖、石墨斜長變粒巖、石墨石英片巖、透輝橄欖大理巖等基巖裂隙中，受裂隙發(fā)育程度、裂隙連通程度的影響，地下水具有承壓性，地下水位埋深12.54～16.30 m，本次揭露含水層厚25.10～25.60 m，據(jù)本次施工的SZK1002孔資料，地下水位埋深12.54 m(標(biāo)高為+381.974 m)，承壓水頭高度66.08 m，含水層頂板埋深78.60 m，底板埋深105.70 m，降深為14.68 m時(shí)，單井涌水量為6.40 m3/h，當(dāng)降深為32.93 m時(shí)，單井涌水量為10.37 m3/h；SZK4403孔地下水位埋深16.30 m(標(biāo)高為+370.026 m)，承壓水頭高度56.80 m，含水層頂板埋深73.10 m，底板埋深98.70 m，降深為6.85 m時(shí)，單井涌水量為7.88 m3/h，當(dāng)降深為17.36 m時(shí)，單井涌水量為12.03 m3/h，水化學(xué)類型為碳酸鈣型，礦化度為166～204 g/L，pH 7.2～8.06?；鶐r裂隙承壓水抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 基巖裂隙承壓水抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.1.4 構(gòu)造裂隙承壓水

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要有3條，呈條帶狀分布，近東西向斷裂有2條(F1、F2)，南北向斷裂構(gòu)造有1條(F3)。

F1：位于礦區(qū)西北部，西段近東西向展布，北傾，東段北東向展布，傾向北西，傾角60(°)～70(°)，呈壓扭性，礦區(qū)內(nèi)長約1 km。斷裂發(fā)育在西麻山組地層中。

F2：位于礦區(qū)西北部，近東西向展布，北傾，傾角±80(°)，呈壓扭性，礦區(qū)內(nèi)長約2 km。斷層為西麻山組與余慶組分界。

F3：位于礦區(qū)中部第16勘查線西側(cè)，南端為溝谷，北段被第四系覆蓋，近南北向分布，東傾，傾角±65(°)，呈張性。

F1、F2斷裂構(gòu)造雖然規(guī)模較大，但該組構(gòu)造與地表水、基巖裂隙水關(guān)系小，ZK3201、ZK3601孔分別見有斷層破碎帶，但構(gòu)造裂隙多被泥質(zhì)充填，節(jié)理裂隙被長英質(zhì)脈、方解石細(xì)脈充填。富水性、導(dǎo)水性較差，多為富水性較弱、導(dǎo)水性較差的破碎帶。

2.2 隔水層

礦區(qū)內(nèi)隔水層為基巖裂隙不發(fā)育、裂隙連通性差的層段，本次水文孔揭露的頂板埋深為48.70～51.30 m，底板埋深為73.10～78.60 m，另外石墨礦體裂隙發(fā)育較差，連通性、透水性均較差，為相對隔水層，受其影響礦區(qū)基巖風(fēng)化帶下部裂隙水普遍具有承壓性。

2.3 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

大氣降水是礦區(qū)地下水最主要的補(bǔ)給來源，也是礦床開采的主要充水水源，降水通過地表基巖風(fēng)化帶、基巖裂隙發(fā)育帶及地表水體(黃九旺溝和南溝河)滲入地下而補(bǔ)給地下水。天然狀態(tài)下地下水通過裂隙密集區(qū)徑流，由高地形區(qū)向低處運(yùn)移，在基巖區(qū)補(bǔ)給基巖風(fēng)化裂隙潛水或基巖裂隙承壓水(在基巖裂隙承壓水補(bǔ)給區(qū))，或補(bǔ)給第四系孔隙潛水(松散堆積物邊界區(qū))，或以泉的形式排泄于地表；松散堆積物覆蓋區(qū)，地表水(黃九旺溝和南溝河)與第四系松散巖類孔隙潛水水力聯(lián)系密切，豐水期地表水補(bǔ)給第四系潛水，枯水期第四系潛水補(bǔ)給地表水，地下水排泄以向下游徑流排泄為主，局部可能補(bǔ)給下伏基巖風(fēng)化裂隙潛水?；鶐r風(fēng)化裂隙潛水與基巖承壓水之間水力聯(lián)系不密切，僅在局部裂隙發(fā)育區(qū)或斷裂帶的聯(lián)系下產(chǎn)生水力聯(lián)系。地下水總體流向與地形坡向基本一致，水力坡度小于地形坡度，地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致。

3 采場涌水量預(yù)測

首采區(qū)礦坑充水水源有大氣降水和地下水兩種。在天然狀態(tài)下(未開采的情況下)或開采初期，大氣降水以地表徑流為主；開采中后期，大氣降水以地表徑流及直接降落到采坑中的降水為主。首采區(qū)地形呈南高北低之勢，地表分水嶺為民主南山山脊，東、西均為南溝河主溝及支溝相隔，采坑南邊界以南的地表匯水面積為900 000 m2。

在首采區(qū)開采的過程中，將逐漸揭露基巖風(fēng)化裂隙水含層和基巖承壓水含水層，礦坑直接充水含水層為：露基巖風(fēng)化裂隙水含層和基巖承壓水含水層，礦坑充水量則隨著采坑面積、深度的增加而增大。

首采區(qū)為36～54線之間的Ⅺ、Ⅺ-1號礦體，東西長約1 000 m，南北寬約180 m，最終邊坡角選用60(°)。露天開采，開采水平標(biāo)高為+310 m(礦區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為+310 m)。首采區(qū)地表平均標(biāo)高+390.01 m, 開采深度80.01 m。首采區(qū)平均地下水位埋深14.86 m(標(biāo)高+375.24 m)，預(yù)測涌水量標(biāo)高為+310 m，降深65.24 m。

首采區(qū)采坑涌水量的補(bǔ)給來源主要由大氣降水和地下水兩部分組成，其中大氣降水部分可分為：①直接降落在采坑中的降水量；②采坑外地表徑流匯入量兩部分。地下水部分可分為：①基巖風(fēng)化裂隙潛水；②基巖裂隙承壓水兩部分。

3.1 大氣降水部分

3.1.1 直接降落在采坑中的降水量

直接降落在采坑中的日最大降水量采用下式計(jì)算：

Q直降=F×h÷1 000

(1)

式(1)中：Q直降表示直接降落在采坑中的日最大降水量，m3/d；F表示采坑面積，m2；h表示日最大降水量，mm。

采坑面積(F)以開采區(qū)范圍，東西長約1 000 m，南北寬約180 m的地面范圍計(jì)算，F(xiàn)為180 000 m2；日最大降水量(h)根據(jù)雞西市氣象觀測資料，采用7月日平均降水量8.66 mm，日正常降水量按5～10月降水集中月份的日平均降水量6.12 mm分別計(jì)算。計(jì)算結(jié)果：直接降落在采坑中的日最大降水量為1 558.8 m3，5～10月降水集中月份的日正常降水量為1 101.6 m3。

3.1.2 采坑外地表徑流匯入量

采坑外地表徑流的日最大匯入量采用下式計(jì)算：

Q徑=F×α×h÷1 000

(2)

式(2)中：Q徑表示采坑外地表徑流的日最大匯入量，m3/d；F表示地表徑流面，m2；α表示地表徑流系數(shù)；h表示日最大降水量，mm。

地表徑面積(F)以開采區(qū)至民主南山地表分水嶺的徑流面積計(jì)算，東西長約1 000 m，南北平均寬約900 m，F(xiàn)為900 000 m2；地表徑流系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值0.8；日最大降水量(h)采用7月日平均降水量8.66 mm，日正常降水量按5～10月降水集中月份的日平均降水量6.12 mm分別計(jì)算。計(jì)算結(jié)果：采坑外地表徑流的日最大匯入量為6 235.2 m3，5～10月降水集中月份的日正常降水量為4 406.4 m3。

3.2 地下水部分

3.2.1 基巖風(fēng)化裂隙潛水

1)Q-S曲線外推法判斷Q-S曲線類型，采用下式計(jì)算曲度：

(3)

式(3)中：n表示曲度值；S1、S2表示第1、2次降深的水位值，m；Q1、Q2表示第1、2次降深的涌水量，m3/d。

當(dāng)n=1時(shí)，Q-S是直線關(guān)系；當(dāng)12時(shí)，Q-S是對數(shù)曲線。S1、S2、Q1、Q2取值于SZK4404孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果：n值均大于2，Q-S曲線為對數(shù)型。

對數(shù)型涌水量方程為：

lgQ=a+blogS

(4)

式(4)中：Q表示當(dāng)降深值為S時(shí)的涌水量，m3/d；S表示需預(yù)測的降深值，m；a、b表示方程的參數(shù)。

b={N(∑(QlogS))-∑Q(∑logS)}/

{N∑(logS)2-(∑logS)2}

(5)

a=(∑Q-(b∑logS))/N

(6)

式(5)～(6)中：N表示抽水試驗(yàn)的降深次數(shù)；Q、S表示抽水試驗(yàn)時(shí)同一降次相應(yīng)的涌水量與降深。

計(jì)算結(jié)果：a=0.874 49，b=1.357 389 8。

根據(jù)SZK4404孔資料，預(yù)測降深為27.42 m。

將所得系數(shù)代入對數(shù)型涌水量方程，進(jìn)行鉆孔涌水量預(yù)測，結(jié)果為：鉆孔涌水量預(yù)測為244.51 m3/d。

采用下式進(jìn)行井徑換算，預(yù)測采坑涌水量：

(7)

式(7)中：Q坑表示預(yù)測的采坑涌水量，m3/d；Q孔表示鉆孔涌水量，m3/d，取244.51；R表示影響半徑，m，根據(jù)SZK4404孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取117.25；r表示鉆孔半徑，m，取0.073；R0表示引用影響半徑，m；r0表示采坑(大井)的引用半徑，m。

R0=R+r0

(8)

(9)

式(9)中：η表示概化系數(shù)；a表示采坑長度，m,取1 000；b表示采坑寬，m，取180。

η的取值見表3，取1.1。

表3 概化系數(shù)η與b/a關(guān)系

計(jì)算結(jié)果：r0為324.5 m，R0為441.75 m，預(yù)測采坑內(nèi)基巖風(fēng)化裂隙潛水涌水量為5 851.28 m3/d。

2)大井法

采用潛水大井法公式進(jìn)行采坑涌水量預(yù)測：

(10)

式(10)中：Q表示大井涌水量，m3/d；K表示含水層滲透系數(shù)，m/d，根據(jù)SZK4404孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取0.75；H表示抽水前大井的水柱高度，m，根據(jù)SZK4404孔資料，取27.42；S0表示大井的降深，m，根據(jù)SZK4404孔資料，取27.42。

計(jì)算結(jié)果：預(yù)測采坑內(nèi)基巖風(fēng)化裂隙潛水涌水量為5 749.98 m3/d。

3.2.2 基巖裂隙承壓水涌水量

1)Q-S曲線外推法

判斷Q-S曲線類型，采用下式計(jì)算曲度n：

(11)

式(11)中：n表示曲度值；S1、S2表示第1、2次降深的水位值，m；Q1、Q2表示第1、2次降深的涌水量，m3/d。

當(dāng)n=1時(shí)，Q-S是直線關(guān)系；當(dāng)12時(shí)，Q-S是對數(shù)曲線。S1、S2、Q1、Q2取值于SZK4403孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果：n值均大于2，Q-S曲線為對數(shù)型。對數(shù)型涌水量方程為：

lgQ=a+blogS

(12)

式(12)中：Q表示當(dāng)降深值為S時(shí)的涌水量，m3/d；S表示需預(yù)測的降深值，m；a、b表示方程的參數(shù)。

b={N(∑(QlogS))-∑Q(∑logS)}/

{N∑(logS)2-(∑logS)2}

(13)

a=(∑Q-(b∑logS))/N

(14)

式(13)～(14)中：N表示抽水試驗(yàn)的降深次數(shù)；Q、S表示抽水試驗(yàn)時(shí)同一降次相應(yīng)的涌水量與降深。

計(jì)算結(jié)果：a=-0.189 69，b=2.846 609。

取開采區(qū)基巖裂隙承壓水預(yù)測降深為65.24 m。

將所得系數(shù)代入對數(shù)型涌水量方程，進(jìn)行鉆孔涌水量預(yù)測，結(jié)果為：鉆孔涌水量預(yù)測為430.27 m3/d。

采用下式進(jìn)行井徑換算，預(yù)測采坑涌水量：

(15)

式(15)中：Q坑表示預(yù)測的采坑涌水量，m3/d；Q孔表示鉆孔涌水量，m3/d，取430.27；R表示影響半徑，m，根據(jù)SZK4403孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取115.96；r表示鉆孔半徑，m，取0.073；R0表示引用影響半徑，m；r0表示采坑(大井)的引用半徑，m。

R0=R+r0

(16)

(17)

式(16)～(17)中：η表示概化系數(shù)，η的取值見表3(取1.1)。

計(jì)算結(jié)果：r0為324.5 m，R0為440.46 m，預(yù)測采坑內(nèi)基巖風(fēng)化裂隙潛水涌水量為10 379.60 m3/d。

2)大井法

采用承壓轉(zhuǎn)無壓公式進(jìn)行采坑涌水量預(yù)測：

(18)

式(18)中：M表示承壓含水層厚度，m,根據(jù)SZK4403孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取25.60；h0表示抽水穩(wěn)定后大井中的水柱高度，m,根據(jù)首采區(qū)現(xiàn)有資料，可視為承壓水含水層底板在很深處，取值為36；K根據(jù)SZK4403孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)取1.0；H取65.24 m；R0取440.46 m；r0取324.5 m。

計(jì)算結(jié)果：預(yù)測采坑內(nèi)基巖裂隙承壓水涌水量為12 774.78 m3/d。

匯總上述采坑涌水量預(yù)測結(jié)果，310 m標(biāo)高以上露天采坑總涌水量見表4～5。

表4 310 m標(biāo)高以上露天采坑日最大涌水量計(jì)算結(jié)果

表5 310 m標(biāo)高以上露天采坑日正常涌水量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

1)根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件、開采標(biāo)高、礦體充水因素等，依照《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 12719—91)，礦區(qū)水文地質(zhì)勘探類型為二類一型，即水文地質(zhì)條件簡單的裂隙充水礦床。

2)本礦床為露天開采礦床，露天最低開采標(biāo)高為最低侵蝕面310 m，310 m標(biāo)高以上露天開采日正常涌水量Q-S曲線外推法為21 738.88 m3/d，大井法為24 032.76 m3/d；日最大涌水量Q-S曲線外推法為24 024.88 m3/d，大井法為26 318.76 m3/d。

3)民主南山礦區(qū)距麻山區(qū)僅6 km，距麻山區(qū)石墨礦選場1.5 km，礦石可送至麻山區(qū)石墨礦選場加工處理，因此礦山正式投產(chǎn)后礦區(qū)生產(chǎn)無須供水水源，生活用水僅需少量供水即可滿足需求。隨著未來礦山開采過程中，礦區(qū)涌水量逐漸增加，可將采坑涌水輸送到西麻山區(qū)石墨礦選場作為生產(chǎn)用水，以小穆棱河水、溝谷區(qū)第四系潛水和礦區(qū)西側(cè)約1.5 km的劉老八溝，作為選礦生產(chǎn)用水的后備水源，做到礦區(qū)水資源綜合利用。礦區(qū)生活用水需水量較小，需要打井獲取區(qū)內(nèi)第四系孔隙潛水或基巖裂隙承壓水，水質(zhì)水量均可滿足用水需求。