云南石屏縣法烏銅多金屬礦區(qū)法烏鉛鋅礦涌水量預(yù)測

王泱泱,黃勝東,蔡家馭,王玉祥

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093;2.云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650093)

0 引言

云南省石屏縣法烏銅多金屬礦區(qū)位于石屏縣城北西 332°方向,平距約 36 km。礦區(qū)隸屬云南省石屏縣龍武鎮(zhèn)所轄。隨著礦區(qū)的不斷開采,對(duì)水文地質(zhì)問題的研究顯得越發(fā)重要[1],所以要關(guān)注并加以防范,才能預(yù)防礦坑涌水、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生。本文用解析法和比擬法預(yù)測了礦坑涌水量,并將這兩種方法做了對(duì)比分析,不僅為礦山的生產(chǎn)設(shè)計(jì)以及安全開采提供了指標(biāo),而且為地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的防治提供了依據(jù)[2-5]。一般而言,通過礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析,可以為后期礦山安全建設(shè)提供技術(shù)支撐,同時(shí)進(jìn)行礦坑用水量預(yù)測,對(duì)于礦產(chǎn)開采預(yù)防突水及供水水源選擇具有重要意義[6-9]。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

1.1 水文地質(zhì)單元

礦區(qū)所處水文地質(zhì)單元位于記母白河(岔河溪溝)右岸坡北東側(cè)山坡地帶,北東側(cè)以地表分水嶺為邊界,南西測至山體斜坡下部記母白河河谷為邊界,北西側(cè)大體以白糯溪溝右岸坡山體為邊界,區(qū)水文地質(zhì)單元面積為28.67 km2。

1.2 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

礦區(qū)地下水形成分布主要受區(qū)域性深大斷裂建水-石屏斷裂帶控制。根據(jù)地層巖性、巖溶與裂隙發(fā)育程度、地層富水性等,將法烏鉛鋅礦礦區(qū)地層劃分為3個(gè)含(隔)水層:

(1)礦區(qū)主要含水層有第四系沖洪積、殘坡積孔隙含水層(Qal+dl):主要分布在山間洼地、沖溝河床底部,由沖洪積、殘坡積物組成,滲透性較好,接受大氣降水補(bǔ)給。

(2)裂隙巖溶綜合含水層:主要為中元古界大龍口組(Pt2d)、黑山頭組(Pt2hs)、美黨組(Pt2m)、震旦統(tǒng)燈影組(Zbdn)、陡山沱組(Z2d)、澄江組(Z1c),主要為砂巖、粉砂巖及灰?guī)r、白云巖類,被第四系覆蓋,裸露區(qū)地表裂隙較發(fā)育,主要接受大氣降水補(bǔ)給,其次為相鄰含水層逕流補(bǔ)給,以泉的方式流出地表。該層與上覆第四系及下伏花崗巖構(gòu)造裂隙水均有密切水力聯(lián)系。

(3)花崗巖風(fēng)化裂隙含水層:由淺部風(fēng)化的峨山花崗巖體組成,巖石為黑云母二長花崗巖、黑云母花崗巖、二長花崗巖組成,厚度變化比較大,分布在整個(gè)礦區(qū),大部分山頭裸露地表,其余被第四系覆蓋,裸露區(qū)地表裂隙發(fā)育,主要是接受大氣降水補(bǔ)給,從裂隙中溢出地表,以泉水形式流出,泉流量在0.1～1.5 L/s。該層與上覆巖石及構(gòu)造裂隙水均有密切水力聯(lián)系。

1.3 地下水補(bǔ)給、逕流、排泄條件

礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源于大氣降水,其次為相鄰含水層補(bǔ)給。中元古界昆陽群的黑山頭、大龍口組灰?guī)r分布區(qū),基巖裸露,地表節(jié)理裂隙較發(fā)育,易接受大氣降水入滲補(bǔ)給,但其地形陡峻沖溝發(fā)育,有利于地下水排泄,加之泉水出露(尤其雨季)以及礦化度低,說明含水層較淺部位,地下水活動(dòng)交替強(qiáng)烈。由于巖層的含水性隨深度逐漸減弱,而礦區(qū)地形相對(duì)高差又較大,故泉水及大部分地下水直接排泄于山坡后流出礦區(qū)外,最終匯入紅河水系;其流量明顯受降水程度控制,雨季,尤其暴雨后,地下水流量大幅度增加,返之流量大幅減少。

礦區(qū)內(nèi)地下水為孔隙裂隙潛水,地下水流向基本受地貌形態(tài)控制,地下潛水面起伏大體與地形一致,但較地形起伏稍有緩和,潛水位高差變化總體較大,標(biāo)高1 626.80 m(礦區(qū)東山頂)～132 000 m(法烏溪溝),相差306.80 m,說明地下巖層的透水性較差。潛水位至山脊分水嶺為接受大氣降水的透水帶,潛水位以下,地下水經(jīng)上部透水帶接受補(bǔ)給。礦區(qū)內(nèi)補(bǔ)給區(qū)與徑流、排泄區(qū)基本一致。

1.4 礦坑充水因素

1.4.1 大氣降水

根據(jù)石屏縣氣象資料:礦區(qū)年均降雨量1 000 mm。日最大降雨量185 mm,每年6-9月為雨季,10月至次年5月上旬為旱季。歷年最大積雪深度為17 cm。

1.4.2 地表水

地下水為孔隙裂隙潛水,地下水流向基本受地貌形態(tài)控制,地下潛水面起伏大體與地形一致,但較地形起伏稍有緩和,潛水位高差變化總體較大,標(biāo)高1 626.80 m(礦區(qū)東山頂)～132 000 m(法烏溪溝),相差306.80 m。

2 礦坑涌水量預(yù)測

2.1 解析法

2.1.1 范圍及標(biāo)高

結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和資源量分布情況,以劃定的礦區(qū)勘探范圍邊界線為界,資源儲(chǔ)量估算面積0.45 km2即為預(yù)測礦井系統(tǒng)面積,主要礦體資源儲(chǔ)量估算以1 246 m為預(yù)測礦井最低排水標(biāo)高。見圖1。

1.侏羅系下統(tǒng)馮家河組:砂巖、粉砂巖;2.三疊系上統(tǒng)舍資組:砂巖夾粉砂巖、頁巖;3.震旦系上統(tǒng)燈影組:白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r;4.前震旦系大龍口組:灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾白云巖、板巖;5.震旦系上統(tǒng)陡山沱組:石英巖、白云巖;6.地質(zhì)界線;7.碎屑巖裂隙水-隔水或富水性極弱:枯季地下水徑流模數(shù)<0.1 L/s·km2,泉流量<0.1 L/s;8.碎屑巖裂隙水-富水性弱:地下徑流模數(shù)0.1～1 L/s·km2,泉流量0.1～0.5 L/s;9.純碳酸巖巖溶水-溶洞暗河中等發(fā)育,暗河(大泉)流量10～100 L/s,地下徑流模數(shù)3～5 L/s·km2;10.火成巖裂隙水-富水性中等,地下徑流模數(shù)0.5～2 L/s·km2,泉流量0.1～1 L/s;11.碎屑巖裂隙水-富水性強(qiáng):地下徑流模數(shù)>2 L/s·km2,泉流量>1 L/s;12.河流水系;13.礦坑涌水量估算面積范圍

2.1.2 邊界條件

石屏法烏銅多金屬礦區(qū)KT9號(hào)礦體分布于山體東側(cè),地下水均賦存于中元古界板巖、灰?guī)r分布區(qū),礦體圍巖(花崗巖)富水性弱,以巖石裂隙水充水為主。根據(jù)區(qū)內(nèi)巖石裂隙發(fā)育特征及坑道8個(gè)月的抽(排)水情況,本次對(duì)PD91(KT9)只估算標(biāo)高在1 246 m以上的礦坑涌水量。

2.1.3 參數(shù)取值及計(jì)算

參照法烏礦區(qū)勘探報(bào)告中的鉆孔壓水試驗(yàn)成果。鉆孔單位透水率(q)ZK9-2為0.91 Lu、ZK2-2為0.98 Lu,屬弱透水性。依據(jù)ZK2-2、ZK9-2兩個(gè)鉆孔壓水試驗(yàn)揭露的地層巖性及水文地質(zhì)特征,其水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算采用潛水完整井計(jì)算公式。

計(jì)算單位吸水量(ω),采用公式:

(1)

計(jì)算影響半徑及滲透系數(shù),采用公式:

(2)

式中:Q為流量(L/min),13.14 L/min;K為滲透系數(shù):m/d;r為鉆孔半徑:0.037 5 m;S為鉆孔靜止水位為16.00 m;H為含水層厚度268 m;L為試段長度:285 m;

運(yùn)用公式(1)和(2),計(jì)算結(jié)果為K=0.005 6 m/d,R=39.19 m。

2.1.4 涌水量估算

裘布依理論式計(jì)算法:

1)參數(shù)校驗(yàn)

PD91巷道1 460 m標(biāo)高范圍已有實(shí)測涌水量平均136 m3/d,對(duì)應(yīng)的水位降深54 m,巷道長度約243 m,結(jié)合這幾個(gè)實(shí)測參數(shù)對(duì)涌水量計(jì)算方法的主要參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。

根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境(HJ610-2011)》中給出的公式計(jì)算影響半徑:

(3)

式中:H為含水層厚度(m);W為降水補(bǔ)給強(qiáng)度(m/d);μ為重力給水度;K為滲透系數(shù)(m/d);

(4)

式中:Q為礦坑涌水量(m3/d);H為含水層厚度(m);h為坑道內(nèi)水柱高度(m);K為滲透系數(shù)(m/d);R為影響半徑(m);L為坑道長度(m)。

聯(lián)立公式(3)(4)得出綜合參數(shù)如下:

H為含水層厚度,54 m;W為降水補(bǔ)給強(qiáng)度,0.004 932 m/d;μ為重力給水度,0.008;K為滲透系數(shù)0.008 8 m/d;

2)預(yù)測影響半徑及涌水量計(jì)算

礦區(qū)開采礦體含水層厚度為1 514～1 246 m,水位降深(S)為268 m,含水層厚度(H)為268 m;S=H=268 m。其它參數(shù)使用校驗(yàn)后得出的參數(shù),代入公式(3)中計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果為R=302 m。

式中:H為含水層厚度,268 m;W為降水補(bǔ)給強(qiáng)度,m/d;μ為重力給水度;K為滲透系數(shù)0.008 8 m/d;

涌水量計(jì)算使用公式(4),上式中:Q為礦坑涌水量(m3/d);H為含水層厚度(m):268 m;h為坑道內(nèi)水柱高度(m):1 m;K為滲透系數(shù)(m/d):0.008 8 m/d;R為影響半徑(m):302 m;L為坑道長度(m):300 m。

其它參數(shù):坑道長度(L),按礦體中部向兩邊拓硐采礦取其礦體總長度作為坑道長度;坑道內(nèi)水柱高度h取1 m。

計(jì)算結(jié)果為Q=630 m3/d。

2.2 比擬法

鑒于礦區(qū)地形坡度較陡,大氣降水大部分呈地表徑流流出礦區(qū)外,少部分滲入地下以及含水層的巖石裂隙不甚發(fā)育等特點(diǎn),在涌水量預(yù)測中,采用PD91坑道8個(gè)月排水量的平均值代表礦區(qū)的實(shí)測涌水量。

礦坑涌水量預(yù)測采用以下簡化計(jì)算公式:

(5)

KT9礦體:式中:Q1為實(shí)測礦坑排水量(m3/d);用PD91坑道排水量最大值146 m3/d、平均值136 m3/d。F為預(yù)測坑道控制1 246 m標(biāo)高中段面積為267 500 m2;F1為已知坑道控制1 460 m標(biāo)高中段面積為140 500 m2;S為預(yù)測1 246 m標(biāo)高中段水位降深為268 m;S1為已知PD91坑道1 460 m標(biāo)高中段水位降深為54 m;

計(jì)算結(jié)果Q最大=619 m3/d、Q平均=576 m3/d。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

(1)礦區(qū)構(gòu)成第四系沖洪積、殘坡積孔隙含水層—裂隙巖溶綜合含水層—花崗巖風(fēng)化裂隙含水層的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

(2)采用裘布依理論式計(jì)算法預(yù)測礦坑涌水量為630 m3/d,與采用PD91坑道排水量資料比擬法計(jì)算的576 m3/d結(jié)果相對(duì)接近,說明邊界條件及參數(shù)取值較為合理,計(jì)算結(jié)果可信。

3.2 建議

未來礦坑充水主要礦層為中元古界昆陽群大龍口組板巖、灰?guī)r及花崗巖裂隙水的直接滲入補(bǔ)給。其它含水層離礦區(qū)較遠(yuǎn),對(duì)礦坑充水一般影響較小。侵蝕基準(zhǔn)面以下礦層的頂板、底板均為相對(duì)隔水層,充水量很小,一般只表現(xiàn)頂板淋水,若井巷地處坡腳且通過巖石裂隙發(fā)育地帶,頂板崩擴(kuò)展至地表附近時(shí)則可能產(chǎn)生礦坑涌水現(xiàn)象,并且地表水與地下水間接聯(lián)系較密切,地下水涌水量隨降水量變化而變化,在雨季,坑道涌水量會(huì)明顯增大。所以,在未來礦區(qū)建設(shè)生產(chǎn)中,要做好礦坑涌水量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測,對(duì)有積水的區(qū)域要做好排水工作。