河南某铅矿矿床水文地质条件分析及矿坑涌水量预测

赵铁峰，虞　洁

(河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南 郑州 450016)



河南某铅矿矿床水文地质条件分析及矿坑涌水量预测

赵铁峰，虞洁

(河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南 郑州 450016)

中营铅矿位于伊河河漫滩，为未采矿山，矿体赋存于长城系熊耳群鸡蛋坪组喷出岩中，矿床上覆厚大第四系强含水体，属大水矿山；矿区断裂构造发育，断裂带岩石破碎，且对矿体有穿插破坏作用，青磐岩化、碳酸盐化强烈，断裂带加强了第四系与矿床之间的水力联系，矿床水文地质条件复杂。结合矿区实际，提出伊河改道，露天开采，预测矿坑涌水量并提出矿山防治水建议。

大水矿山；水文地质条件；构造裂隙水；矿坑涌水量

栾川中营铅矿位于河南省栾川县潭头镇，矿体赋存于长城系熊耳群鸡蛋坪组喷出岩中，赋存标高-61～461 m。矿床上覆厚大第四系强含水体，属大水矿山，如何采取可行的采矿方法释放其巨大资源潜力迫在眉睫。本文系统地分析矿区地下含水系统，依据矿床水文地质条件预测了矿坑涌水量，提出了矿山防治水建议。

1　矿区水文地质条件

1.1矿区概况

矿区位于河南省西南部熊耳山东南麓伊河的河床、河漫滩和阶地上，区内地形较平缓。气候类型属暖温带大陆性季风型气候，多年平均降水量862.8 mm，最大年降水量1 386.6 mm，最小年降水量403.3 mm，日最大降水量185.0 mm，降水量年际、年内分布不均，降水量多集中在7-9月份；年蒸发量1 340.0～1 349.3 mm；矿区属黄河流域伊河水系，伊河从矿区南部穿过，伊河多年平均流量为21.9 m3/h，最大洪峰流量为4 200 m3/s(1975年8月8日)，最枯流量为0.9 m3/s。

矿床被第四系松散层覆盖，第四系以砂砾卵石、细砂为主。第四系下部为长城系熊耳群鸡蛋坪组安山岩、碎裂岩、青磐岩化安山岩，矿体赋存其中。矿区最低侵蚀基准面为435.00 m。矿区位于马超营大断裂带中部的次级断层上，断裂发育。断层对矿体有破坏作用，断层及断层影响带构造裂隙发育，透水性、富水性较好，为基岩裂隙水良好的赋存场所和运移通道。矿体赋存于安山岩、青磐岩化安山岩中，矿体成矿期热液蚀变-碳酸盐化蚀变作用强烈，形成0.5～3 cm的溶蚀裂隙或溶孔。安山岩底部由于花岗岩侵入，其接触带岩体较破碎，受断层影响，透水性中等，富水性中等，具有较高的承压水头。

1.2矿床水文地质特征

区内主要含水层有：第四系冲洪积孔隙潜水含水层、基岩风化裂隙含水层、基岩构造裂隙含水层、花岗岩顶部接触带裂隙含水层，详见图1。

第四系松散岩类孔隙潜水含水层(组)广泛分布于地表，厚度一般3.5～15.0 m，最深90.95 m(ZK0030伊河河床中部)，西厚东薄，其中粉质粘土厚约1.5～14 m，砂砾卵石厚约2～15 m。民井抽水量为8.203～10.428 L/S，单位涌水量1.516～4.309 L/Sm，渗透系数507.58～908.9 m/d，透水性、富水性极强，且于伊河水力联系密切。地下水位埋深一般0.20～7.4 m，地下水水位标高431.20～439.403 m。水质类型为SO4-Ca、SO4-CaMg型水，pH值6.6～6.8，矿化度0.45～1.20 g/L。

基岩风化裂隙含水层位于第四系底部，厚度稳定，连续性较好，风化深度一般32.6～64 m。该含水层透水性富水性空间分布不均一，具体表现为6-9线北部丘陵上受伊河影响小，强风化带呈碎屑状、土状，透水性弱，富水性弱；其它区域在伊河河漫滩下，无有效隔水层，受伊河影响大，单位涌水量0.586 L/S·m，渗透系数2.12 m/d(ZKSW1位于水塘边)，透水性较强，富水性中等。

图1　07纵剖面基岩水文地质剖面略图

基岩构造裂隙含水层主要赋存于断层及其影响带内，平面上分布于2-16线间，由于距马超营断裂带近，次级构造破碎带厚度从几米到几十米不等，单位涌水量0.0471～0.822 L/Sm，渗透系数0.22～0.38 m/d，该含水层透水性富水性空间分布极不均一，富水性弱-中等。

花岗岩顶部接触带裂隙含水层主要赋存于安山岩底部和花岗岩顶部接触带，由于花岗岩入侵形状不规则，呈现东深西浅，受断层影响大，断层影响带附近透水性富水性中等，其它区域透水性富水性弱。单位涌水量0.002～0.087 9 L/Sm，渗透系数0.14～0.48 m/d，水质类型为SO4-Na、HCO3SO4-Na型水，pH值6.6～6.8，矿化度0.549～1.346 g/L。

安山岩和花岗岩岩体完整，裂隙不发育，结构坚硬致密，透水性极弱，可视为相对隔水层。

上述各含水层之间存在一定的水力联系，组合成统一的地下含水系统。受断层影响，矿体及围岩部位形成一个深大的构造裂隙储水通道，矿山开采条件下该构造裂隙成为矿坑地下水运移和汇聚基岩裂水的通道。矿体上覆风化带分布面积大，连续性好，透水性较好，很大程度增强了第四系水与矿床之间的水力联系，风化带成为控制第四系水进入矿床的关键层位，且与伊河水力联系密切。

1.3地下水的赋存规律

天然条件下，第四系地下水补给来源为大气降雨，伊河渗漏补给以及侧向径流补给，总径流方向受伊河控制由西向东运动，主要排泄途径为地下水径流排泄和人工排泄。基岩地下水在接受东北部丘陵区地下水侧向补给后，自北向南径流。

矿山露天开采后，凹陷采场将成为主要排泄区。地下水动态特征为雨水型，流量和水位变化随季节改变而变化。

地下水的赋存状态严格地受地质构造和地貌的控制。基岩裂隙水的分布受所马超营断裂影响，在垂向上有随深度增加地下水赋存减少的趋势，而在纵向上由于节理、裂隙的密集度、贯通性等的差异而使地下水分布具有极不均一性，局部还会有突水。由于受相对隔水的花岗岩的影响，局部还形成承压水。由于其与地表水体水力联系密切，储水构造之间的连续性、贯通性较好其富水性和给水性较好。第四系冲洪积物分布面积广，厚度大，且有伊河通过，第四系孔隙潜水对采矿构成威胁。

2　矿坑涌水量预测

2.1水文地质概念模型

区内伊河从采场南部通过，伊河如不改道，则无法安全开采。经开采论证，将伊河在上游改道。

矿区地下含水系统形状似“蘑菇状”，第四系含水体似“蘑菇头”，为矿床主要充水水源，断层及其影响带似“蘑菇颈”，为矿床充水通道，基岩强风化带为阀门，控制着第四系进入矿床的关键层位。断层破碎带发育，开采条件下，构造裂隙含水带地下水头释放后，必将影响更大范围的基岩风化裂隙含水层地下水头释放，从而导致大面积第四系通过基岩强风化带垂向越流补给。因此，强风化带、断层破碎带、碳酸盐化发育带是影响矿床充水的关键因素。第四系含水层富水性极强，是天然巨大的“地下水库”，为定水头补给边界及一类边界。基岩风化带为无限补给边界。透水性极弱的安山岩和花岗岩，为隔水边界。

2.2降雨采场径流量计算

按有色矿山露天矿排水设计频率为1%、2%，5%、10%等标准，分别计算正常降雨及各频率的暴雨径流量。

2.2.1正常降雨径流量

Q正=F·H·a

(1)

式中：F为采场汇水面积，取露采矿场边界面积610 840 m2；H为日均降雨量，按2015年气象降雨记录，日降雨量超过10 mm以上的降雨为563.50 mm，占全年总降雨量的70%,故采用大于10 mm以上总降雨量与降雨天数之比求取H=0.022 5 m/d；a为地表径流系数，参考陆浑水库上游地表径流系数，a=0.321

则Q正=4 412 m3/d

2.2.2暴雨径流量

Q暴=F·A暴·a暴

(2)

式中：F为同上；a暴为暴雨时地表径流系数，取0.8； A暴为计算频率的雨量；

A暴=Hp·(1+φCv)

(3)

式中：Hp为历年日最大降水量平均值；按栾川气象站1998-2015年每年一日最大降水量算；φ为皮尔逊Ⅲ型曲线的离均系数，Cv变差系数取0.55；偏差系数Cs按Cv的3倍取值1.65，根据Cs查表求出不同频率的日最大降水量，并计算采坑涌水量，见表1。

表1　不同频率日最大降水量及采坑涌水量

由表1可知：10年～100年一次地表日暴雨径流量为5.55～9.25万 m3/d。根据矿山规模，服务年限，采掘下降速度，采剥方法，淹没对生产的影响等，本矿区采用1%的频率计算的日暴雨径流量超过2010年7月24日185 mm的最大暴雨量，可保证矿山的正常的采剥生产。

2.3露天采场地下涌水量计算

采场开采后，矿坑充水除降雨径流量外，采场周边地下径流的侧向补给及溪沟渗漏补给不可忽视。地下径流主要来自第四系松散层、风化带的裂隙潜水及基岩构造裂隙水。为计算方便，特给定如下条件。

(1) 伊河改道，采场四周设截(排)水工程，不考虑伊河及溪流沟内水。

(2)地下水属层流。侵蚀基准面以上采用自然排水，不予计算。

(3)凹陷开采按照设计采准有+416 m、+392 m、+368 m、+344 m、+320 m、+296 m、+272 m、+248 m、+224 m、+200 m10个疏干段进行计算。

①第四系孔隙潜水地下径流量的侧向补给量，按“大井法”完整井裘布依公式计算

(4)

式中：K为取2个抽水孔，2个抽水民井K的加权平均值K=531.1 m/d；S为设计降深值, m；H为含水层厚度, m；R0为引用影响半径，R0=R+r0，m；R为影响半径 ； r0：大井的引用半径(矿坑的等效半径)

(5)

F露采矿场汇水面积取610 840 m2；第四系孔隙潜水含水层平均厚度取H=9.201 m；潜水最大水位降深，S=9.201 m；大井的引用半径r0=441 m；影响半径R=643 m；引用影响半径R0=R+r0=1 084 m。

经计算，第四系孔隙潜水地下水径流量的渗漏补给量为15.75万 m3/d。

②基岩风化裂隙水和构造裂隙水地下径流量的侧向补给量，参照《水文地质手册》中坑道系统涌水“大井”计算法，地下水涌水量可选用无压供水边界地下水动力学承压转无压完整井进行计算，公式为

(6)

式中：Q4为地下涌水量，m3/d；K为含水层渗透系数，m/d；M为承压含水层平均厚度，m；H为承压含水层水头值，h0为动水位高度；R0为引用影响半径，m；r0为引用半径，m。

矿坑为不规则近圆形，大井引用半径为

(7)

式中：F为各采矿段的开采面积，m2；R为影响半径“大井”引用影响半径为

(8)

式中：S为水位降深，m

表2　地下涌水量计算参数表

通过矿坑涌水量预测，可取得如下几点认识：

(1)随着开采水平逐渐加深，矿坑涌水量逐渐减小，反应了矿坑涌水量主要来源是上覆第四系水的垂向越流。原因是第四系无隔水层，基岩浅部破碎程度大于深部，浅部接触第四系水垂向补给范围大，越往深部第四系越流补给量越小，因此，矿坑涌水量随开采深度的加大会变小。

(2)伊河的河流渗漏补给是第四系水的主要补给来源，切断伊河河水补给源对矿山开采至关重要。

表3　地下涌水量计算预测表

3　矿山防治水建议

本矿床属大气降水，特别是暴雨和地表水为主要充水水源，以裂隙充水为主的矿床。岩石的含水性与透水性较强，结合自然地理条件和开采水平，凹陷采场矿坑水的防治应采用综合治理的方法，即地表以疏导为主，拦截为辅，地下采用帷幕浆堵为主，对流入或渗入采场的水集中抽排。总之能在地表或浅部截流的水就不要让其流到深部去排，尽量减少深部基坑的排水量，以保证矿山正常生产，应采取：

(1)伊河改道，伊河河道应远离采场。设置地表水拦截工程，并增加疏排水渠、沟、河道的防渗处理，以解决侵蚀基准面以上地表(下)水的排泄。

(2)在采场南侧、北侧、西侧及东侧设置隔水帷幕，用浅孔灌浆作防渗帷幕墙，将伊河水的渗漏减少到最小限度。

(3)针对构造破碎带，采用钻孔减压、注浆，保证采场边坡的稳定性。

4　结语

本文在分析矿区概况、矿床水文地质特征、地下水的赋存规律的基础上，查明矿床的充水水源、充水条件和边界条件，通过水文地质模型概化，较准确地进行矿坑涌水量计算预测，认为暴雨和地表水是矿坑涌水量的主要来源。凹陷开采矿坑水的防治应以拦截第四系水和河水为主，采用综合治理的方法为宜。

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[3]刘大金，等.河北某铁矿矿床水文地质条件分析及矿坑涌水量预测[J].地下水.2014，03:164-166.

2016-02-01

赵铁峰(1977-)，男，河南洛阳人，高级工程师，主要从事水文地质工程地质环境地质施工和研究工作。

P641.4+1

B

1004-1184(2016)04-0015-03