東昆侖柴達木盆地東南緣某錳礦水文地質(zhì)條件分析及涌水量預(yù)測

劉世響，高 俊，鄧國成，常志岐，祝金峰

(1. 河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2. 河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009)

0 前 言

突發(fā)涌水是礦山開采中重大安全隱患，涌水量是礦山開發(fā)利用及水害防治技術(shù)路線選擇的基礎(chǔ)資料[1]，涌水量預(yù)測[2-8]是礦山開采從設(shè)計之前到礦山閉坑全過程的基本水文地質(zhì)工作。正確預(yù)測涌水量才能做到安全又經(jīng)濟合理開發(fā)利用礦產(chǎn)資源。

在礦山開采設(shè)計之前的地質(zhì)勘探階段，開展水文地質(zhì)條件研究，可為后續(xù)礦山開采、水害防治工作提供科學依據(jù)與技術(shù)保障。以東昆侖柴達木盆地東南緣某錳礦為例，通過分析區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，預(yù)測礦井涌水量，豐富了該礦床在水文地質(zhì)方面相關(guān)的研究成果，為區(qū)域內(nèi)同類型的礦床開采提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

研究選取的錳礦于青海省境內(nèi)，地處柴達木盆地東南緣。區(qū)域上廣泛分布有古生界碎屑巖-碳酸鹽巖系，中基性火山巖大面積出露，局部有古元古代變質(zhì)巖系。第四系松散層多覆蓋于山間盆地上。礦區(qū)內(nèi)地層為奧陶-志留紀，主要巖性為硅質(zhì)板巖、斜長角閃片巖、變砂巖等，屬變質(zhì)碎屑巖復理巖含礦組合。其中，硅質(zhì)板巖為區(qū)內(nèi)賦礦巖層。礦區(qū)構(gòu)造簡單，地層總體走向北東—南西，傾向南東，為一單斜構(gòu)造[9-10]。

2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

礦區(qū)海拔在4 000～4 400 m，地形地貌條件為地下水補給排泄的主導制約因素。高山區(qū)為補給區(qū)，風化作用強烈，基巖多裸露，局部被第四系殘坡積層所覆蓋，巖石裂隙較發(fā)育。大氣降水及融雪(冰)水是地下水的補給來源，區(qū)域地下水呈現(xiàn)出季節(jié)性變化特征；山麓地段屬徑流區(qū)，高程在3 700～4 000 m之間。該地段多數(shù)基巖出露，部分被第四系所覆蓋，地下水來源主要是接受大氣降水及基巖山區(qū)側(cè)向補給，并向盆地低洼處運移；盆地河谷排泄區(qū)，分布地層主要為第四系的沖洪積物，結(jié)構(gòu)松散，透水性良好，地下水在地勢低洼處溢出，故屬地下水的排泄區(qū)。區(qū)域地下水類型按埋藏條件可分為如下2類。

1)基巖裂隙水：分布于山區(qū)，含水層巖性主要有奧陶-志留系沙柳河群下亞群片巖、片麻巖，沙柳河群上亞群中-中基性火山碎屑巖和千枚巖組成的綠色巖系，以及各種花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖等巖體。富水性較弱，單泉流量<1.0 L/s，礦化度<1.0 g/L，水化學類型為HCO3-Ca·Mg。

2)松散巖類孔隙水：分布在溝谷地帶及盆地內(nèi)，含水層巖性主要為沖洪積砂礫卵石層及砂土，富水性較好，單泉流量>1.0 L/s，水化學類型相對復雜。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)位于青海省海西蒙古族藏族自治州，氣候具有寒長暑短，四季不分明，屬大陸性半干旱高山草原氣候，其氣候要素隨地勢而變化。

礦區(qū)水系不發(fā)育，為柴達木內(nèi)陸水系，大氣降水及冰雪融化作為補給源，向南北兩側(cè)分別流入不同的內(nèi)陸盆地。礦區(qū)西南側(cè)有沙柳河三級支流，向南向西過野馬灘，流入沙柳河，直至素棱郭勒河-柴達木盆地。沙柳河流量一般1.472 m3/s，汛期最大流量56.734 m3/s。礦區(qū)南側(cè)為小西溝中上游的次級支流，北東側(cè)有幾處溪流，流入茶卡鹽湖。這些溪流只在降水季節(jié)(6～9月)有水流，且流程變化不定，不時潛入地下。

礦區(qū)位于山地，山系總體呈北西走向，山坡兩側(cè)地勢大體相當，坡度多為30°～38°，山頂多呈半圓丘狀-半棱角狀，屬于干旱至半干旱荒漠區(qū)。海拔4 100～4 400 m，比高200～330 m，最高4 400 m，屬中低切割高山區(qū)。除山脊部分巖石裸露外，其余多為風成黃土、風成砂覆蓋，且山間大灘、溝谷、山麓地帶沙生植物或高寒草原、高寒草甸植被覆蓋超過30%。由于礦區(qū)處于中高山區(qū)，地形切割一般，山體地勢較緩—較陡，地貌差異較大，根據(jù)構(gòu)造、地貌成因及相對高度將外圍和礦區(qū)地貌類型劃為：侵蝕構(gòu)造中高山、剝蝕堆積低中山、山間谷地及山前傾斜平原。

3.1 地下水類型及含水巖組

本區(qū)地層隸屬東昆侖地層分區(qū)柴達木北緣地層小區(qū)。地層主要有奧陶-志留紀灘間山群和第四系，地層出露簡單，根據(jù)含水介質(zhì)、地下水動力特征和空間關(guān)系，將礦區(qū)含水層劃分為基巖類型裂隙水、斷層脈狀水。

3.1.1 基巖類型裂隙水

1)層狀巖類裂隙水

廣泛分布于礦區(qū)，其巖性主要為硅質(zhì)板巖、錳礦化硅質(zhì)巖、斜長角閃片巖等，不但片理較發(fā)育，近地表15 m巖石裂隙也很發(fā)育，單泉流量<1.0 L/s，礦化度<1.0 g/L，地下水屬HCO3-Ca型水。

2)塊狀巖類裂隙水

礦區(qū)分布普遍，含水層主要巖性為斜長角閃片巖和硅質(zhì)板巖等，單泉流量<0.5 L/s，礦化度一般<0.5 g/L，靠近積雪位置則是<0.3 g/L的超淡水，地下水屬HCO3-Ca型水。

3.1.2 斷層脈狀水

區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造在北側(cè)斜貫展布，斷層性質(zhì)為壓扭性逆斷層，出露長度約700 m，寬2～5 m，傾向南東。通過鉆孔水文地質(zhì)編錄，在28.0～83.03 m揭露出斷裂一條，厚度55.03 m，產(chǎn)構(gòu)造角礫巖，巖芯極為破碎，多呈碎塊狀、扁柱狀，少量短柱狀，為斷層破碎帶之構(gòu)造角礫巖，未膠結(jié)而呈散體結(jié)構(gòu)，屬較強含水層。抽水試驗結(jié)果表明，該斷層破碎帶含基巖裂隙斷層脈狀水，靜止水位埋深33.85 m，靜止水位標高4 089.28 m；含水層厚度H=51.9 m，降深S=7.65 m，涌水量Q=0.278 L/s；滲透系數(shù)K=0.06 m/d，單位涌水量q=0.036 3 L/(s·m)；水溫2～3 ℃。q<0.1 L/(s·m)，富水性弱，水化學類型屬HCO3·Cl-Na·Ca型水。

3.2 地下水補給及徑流條件

研究區(qū)內(nèi)地下水接受大氣降水的補給，受地形及巖性影響，徑流條件較差，基巖裂隙含水層巖性主要為板巖、片巖，地下水露頭很少，區(qū)內(nèi)未見明顯之補給區(qū)及排泄區(qū)。綜合比較，山區(qū)是基巖裂隙水的補給區(qū)-徑流區(qū)，溝谷為排泄區(qū)。

3.3 礦床充水因素分析

3.3.1 大氣降水

依據(jù)該礦床所在地理位置氣象資料來看，年平均降水量160.9 mm，年最大降水量為234.8 mm，日最大降水量為17.5 mm，是未來雨季露天采坑直接充水水源。

3.3.2 地下水

地下水含水層節(jié)理裂隙不發(fā)育，富水性弱或極弱。但是，當?shù)V體附近存在導水構(gòu)造破碎帶之時，則會對日后的礦山生產(chǎn)具有一定的威脅，且災(zāi)害性涌水極易發(fā)生。

3.3.3 封閉不良鉆孔

在本次調(diào)查研究過程中，經(jīng)鉆孔揭露，發(fā)現(xiàn)多個含水層。如若鉆孔封孔質(zhì)量不滿足要求，不良鉆孔將成為溝通各含水層水力聯(lián)系的通道，對采礦場造成一定的威脅。

3.4 供水水源與水質(zhì)評價

3.4.1 供水水源

礦區(qū)供水水源缺乏，各沖溝絕大多數(shù)時間為干溝，僅在雨季才有水流，如礦區(qū)南側(cè)的南小河水流點流量Q=250 L/s，北側(cè)季節(jié)性溪流流量Q=2.156 L/s，均可作為供水的補充水源。但河水在10月下旬至翌年4月封凍斷流、冬季供水十分困難。

當?shù)V區(qū)涌水量大增時，可考慮距礦區(qū)西南18 km左右的沙柳河作為供水水源，沙柳河年平均流量3.66 L/s，最大流量8.513 L/s、最小流量1.216 L/s，水質(zhì)清涼，礦化度<0.275 g/L的低溫淡水，水化學類型為HCO3·SO4-Na·Ca型，各類指標符合飲用水水質(zhì)標準。

3.4.2 水質(zhì)評價

1)生活及飲用水水質(zhì)評價

根據(jù)錳礦區(qū)南小河水質(zhì)分析結(jié)果(見表1)，南小河水化學類型為Cl·SO4-Na·Ca 型水，礦化度0.645 g/L，總硬度(CaCO3) 288 mg/L ，庫爾洛夫式為

表1 錳礦區(qū)南小河水質(zhì)分析結(jié)果 mg/L

2)鍋爐用水水質(zhì)評價

利用水化學分析資料和水在鍋爐中是否發(fā)生各種不良化學反應(yīng)，采用成垢作用(鍋垢總量H0，硬垢系數(shù)Kn)，腐蝕作用(腐蝕系數(shù)Kk)和起泡作用(起泡系數(shù)F)對地表水進行鍋爐用水水質(zhì)評價(見表2)。

表2 沙柳河河水鍋爐用水水質(zhì)評價

由表2鍋爐用水水質(zhì)評價表看出，南小河河水是中等沉淀物的鍋垢多的水，半起泡具腐蝕性的水。

3)河水對混凝土的侵蝕性判定

4)地下水

相對而言，該礦區(qū)地下水資源顯得貧乏，且季節(jié)性強，水量多變，只能做為礦山生產(chǎn)過程中的季節(jié)性臨時補充水源，而主要水源還要靠礦區(qū)南側(cè)的地表水來解決。

3.5 水文地質(zhì)勘查類型

礦區(qū)的地下水含水層主要為硅質(zhì)板巖、含錳硅質(zhì)巖、片巖巖層，主要礦體位于當?shù)厍治g基準面(3 800 m)以上，分布在次級分水嶺地段，附近無地表水體，鉆孔單位涌水量q=0.036 L/(s·m)，小于0.1 L/(s·m)，主要充水含水層、斷層破碎帶的富水性弱，地下水補給條件差，區(qū)內(nèi)不存在明顯的補給、排泄區(qū)。本區(qū)水文地質(zhì)勘查屬二類一型，即水文地質(zhì)條件簡單礦床。

4 涌水量預(yù)測探討

4.1 礦坑充水方式

本次工作范圍內(nèi)錳礦體圍巖大多為硅質(zhì)板巖、錳礦化硅質(zhì)巖。圍巖中發(fā)育有風化裂隙，主要分布于地表附近，分布深度20～80 m；后者因構(gòu)造作用，Ⅳ、Ⅴ構(gòu)造面發(fā)育，分布較廣泛。礦體及圍巖中均有分布。

潛水面以下2種裂隙中均含有地下水，形成層狀巖類(板巖、片巖)裂隙水。由于巖層強分化帶深度只有80 m左右，大都位于潛水面(72.70 m)以上，其下為中、弱分化帶，裂隙不發(fā)育，分布也不均勻，地下水補給有限。因此，在礦體、硅質(zhì)板巖中雖都含水，但富水性均較弱，且差異性也較明顯。礦區(qū)內(nèi)未見地下水(泉)出露，證實了上述基本特征。

4.2 大井法

4.2.1 計算方法和原則

礦體適宜露天開采，礦坑涌水量計算方法用“大井”法用穩(wěn)定流理論[10-18]按完整井進行分析計算。

4.2.2 計算公式

采用裘布依公式(潛水)進行計算：

(1)

(2)

(3)

R0=R+r0

(4)

式(1)～(4)中Q為礦坑涌水量，m3/d；H為含水層厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；S為“大井”降深，m；R為“大井”影響半徑，m；R0為“大井”引用影響半徑，m；r0為“大井”引用半徑，m；F為采區(qū)面積，m2。

4.2.3 參數(shù)確定及計算結(jié)果

選用一水文地質(zhì)孔有關(guān)資料進行計算。該鉆孔水位標高為4 089.28 m，水位標高減隔水層標高(4 037.38 m)即為含水層厚度(Hcp)，Hcp=51.90 m；降深(S)與含水層厚度等值，S=51.90 m；滲透系數(shù)(Kcp)選用該水文地質(zhì)孔抽水試驗計算的滲透系數(shù)值，Kcp=0.06 m/d；“大井“影響半徑(R)由以上數(shù)據(jù)代入式(2)計算可得R=183.17 m；F由采坑底面積在1∶2 000地形圖設(shè)計、計算F=500×650=325 000 (m2)；“大井”引用半徑(r0)經(jīng)式(3)計算可得r0=332.1 m；“大井”引用影響半徑(R0)經(jīng)式(4)計算可得R0=515.27 m。

將以上參數(shù)代入式(1)，經(jīng)計算得涌水量Q=1 157.3 m3/d。

4.3 采礦場最大涌水量預(yù)測

采礦場充水來源有2個方面：①采礦場范圍內(nèi)直接由大氣降水補給量(Q1)；②礦區(qū)基巖裂隙水礦坑涌水量(Q2)。Q1依照下式計算：

Q1=F×X×α×100

(5)

式(5)中F為礦區(qū)面積，km2；X為日最大降水量，mm；α為暴雨地表徑流系數(shù)。

由于礦體分布區(qū)段，呈近長方形，長650 m，寬500 m，面積(F)為0.325 km2。根據(jù)礦區(qū)所在縣氣象資料來看，本區(qū)多年平均降水量為160.9 mm，年最大降雨量為234.8 mm，日最大降水量(X)為17.5 mm，參照《水文地質(zhì)手冊》，暴雨地表徑流系數(shù)α值選用0.5。將以上數(shù)據(jù)代入式(5)，經(jīng)計算可得Q1=284.4 m3/d。

本次采用上述鉆孔抽水資料預(yù)算的礦坑涌水量Q2=1 157.3 m3/d進行采礦場最大涌水量預(yù)測。則由Qmax=Q1+Q2計算可得Qmax=1 441.7 m3/d。

4.4 礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果評述

礦區(qū)的含水層為層狀類基巖裂隙潛水，含水層的分布、厚度及富水性受節(jié)理裂隙及斷裂構(gòu)造的控制，變化很大。在構(gòu)造和裂隙不發(fā)育地段，地層的富水性極差，在斷裂構(gòu)造和裂隙發(fā)育，特別是當斷層的規(guī)模較大，并能得到一定的補給時，可形成一定規(guī)模的集中涌水。

礦坑涌水量會隨著開采深度的增加和揭露含水層的增多而逐漸增大。當開采深度達到一定程度時，總體趨勢上礦坑涌水量會隨開采時間的增長而逐漸減小。

礦坑涌水量的估算應(yīng)用潛水公式“大氣降水滲入量”和“大井法”計算相互比較。2種計算方法均采用了勘查工作取得的實際資料和抽水試驗求取的水文地質(zhì)參數(shù)，計算依據(jù)較充分，計算結(jié)果可靠，礦坑最大涌水量為1 441.7 m3/d。

5 結(jié) 論

東昆侖柴達木盆地東南緣某錳礦區(qū)含水層主要為硅質(zhì)板巖、含錳硅質(zhì)巖、片巖巖層,巖性致密，含水性差，地下水主要類型為基巖裂隙水和斷層脈狀水，主要充水含水層、斷層破碎帶的富水性弱，鉆孔單位涌水量試驗小于0.1 L/(s·m)。主要礦體位于當?shù)厍治g基準面3 800 m以上，分布在次級分水嶺地段，附近無地表水體，地下水補給條件差，不存在明顯的補給、排泄區(qū)，屬于水文地質(zhì)條件簡單礦床。