辽宁省北票市台吉营子矿区金矿水文地质条件及矿坑涌水量预测

亓协全李 爽董 妍

1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东济南，250013

2.中化地质矿山总局化工地质调查总院，北京，100013

辽宁省北票市台吉营子矿区金矿水文地质条件及矿坑涌水量预测

亓协全1*李 爽2董 妍1

1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东济南，250013

2.中化地质矿山总局化工地质调查总院，北京，100013

提 要 通过对北票市台吉营子矿区含水层、断裂构造带特征及地下水补、径、排条件、水文地质参数及矿坑充水因素的分析，认为研究区水文地质条件为中等。确定了水文地质单元边界条件模型，采用水平集水建筑物涌水量计算公式、管井涌水量公式、比拟法计算公式和大井法计算公式等方法对斜井、竖井和深、浅开拓水平涌水量进行了预测，并根据矿山实际情况提出了矿坑防治水措施，为矿山的下一步建设和开采提供了技术资料。

水文地质条件 涌水量预测 金矿 台吉营子 北票市

辽宁省北票市台吉营子金矿位于凌源-北票成矿带的北东端，属构造蚀变岩型金矿床，矿床达到中型规模，这是近年来辽宁西部地区不多见的金矿找矿勘查成果【1】。矿区位于朝阳市北西80km处，行政区划隶属于辽宁省北票市台吉营子乡管辖。

1　区域水文地质

1.1地形地貌

区域位于努鲁尔虎山脉北端，属中等切割的低山丘陵区，沟谷发肓，总体地势西北高，东南低，海拔一般在300～400m左右，坡度一般在10～20°，局部坡度可达35°以上。

1.2气象、水文

该地区属中温带大陆性季风气候， 四季分明，光照充足，昼夜温差大，年平均气温8.7℃，最高气温39.6℃（2007-06-22），最低气温-21.6℃（2008-01-15），最大冻土深度一般在1.5m左右。雨季集中在6、7、8三个月，占全年降水量的70%，年降水量为298.50～582.70mm，多年平均降水量为474.7mm。

区域内较大的河流主要为牤牛河、黑城子河。牤牛河发源于内蒙古奈曼旗黄音他拉，流长为71km，流域面积1936.7km2，最大流量1690.9m3/s，年径流量16 413万m3。黑城子河发源于北塔子乡东方红至东胜一带，流长约30km，流域面积650 km2左右，该河在黑城子镇东代沟村汇入牤牛河。2013年9月9日对该河流测量，流量4.5 L/s。

1.3区域含（隔）水层划分及特征

区域含水层主要为第四系松散岩类孔隙含水层、碎屑岩类孔隙裂隙含水层和基岩裂隙含水层（见图1）。

（1）第四系松散岩类孔隙含水层：主要分布在河流阶地及河漫滩地带，富水性强，向两侧延伸富水性逐渐变弱，在山沟、季节性冲沟处则转变为透水而不含水层位。含水层岩性主要为中粗砂、卵砾石，厚度一般1～5m，局部5～10，水位埋深0.5～5m。单位涌水量一般1.61～4.89 L/s·m，局部最大可达9.93 L/s，强富水性，渗透系数62.48m/d。矿化度小于500mg/L。

（2）碎屑岩类孔隙裂隙含水层：含水岩性为白垩系九佛堂组砂岩、砂砾岩、胶结砾岩、砂质页岩等，泉流量小于1.0 L/s，富水性弱。

（3）基岩裂隙含水层：含水岩性为火成岩类及变质岩类，浅部风化裂隙发育，多被方解石脉（膜）、石英脉充填，富水性弱，泉流量一般小于1.0 L/s。矿化度小于500mg/L。

（4）泥页岩类隔水层：白垩纪九佛堂组中部的黑色纸片状页岩夹油页岩、泥岩和凝灰质页岩对含水层起到一定的阻水作用，为区域内的相对隔水层【2】。

图1　区域水文地质略图Fig.1 Regional hydrogeology scheme

1.4区域地下水补、径、排特征

大气降水为区域地下水主要补给来源；地下水径流方向明显，总体由北西向南东径流，局部受地形、岩性、构造影响径流方向有所改变；排泄方式主要为地下径流、下降泉、矿坑排水及民井抽水。

2　矿区水文地质

2.1矿区含水层及特征

根据地层岩性、地下水赋存、运移特征及埋藏条件，矿区含水层可划分为第四系松散岩类孔隙含水层和基岩裂隙含水层。

2.1.1第四系松散岩类孔隙含水层 区内第四系主要沿冲沟及山坡坡角分布，由于矿区所处位置相对较高，区内第四系松散岩类基本处于透水而不含水状态，属于透水而不含水层位。

2.1.2基岩裂隙含水层 基岩裂隙含水层又可分为火成岩类裂隙含水层和变质岩类裂隙含水层。

（1）火成岩类裂隙含水层：含水岩性为白垩系下统义县组凝灰岩、安山岩、火山角砾岩等，压性结构面发育，裂隙闭合，充水条件差，主要为风化裂隙潜水，含水层厚度受风化层深度控制，厚度一般小于40m，泉流量一般小于1.0 L/s，为弱富水含水层。水化学类型多为HCO3·SO2—Ca或HCO3·SO2—Ca·Mg型。

（2）变质岩类裂隙含水层：含水岩性主要为小塔子沟组片麻岩类，风化裂隙发育，民井水位埋深一般3.5～6.0m，钻孔及竖井水位埋深一般5～23m。浅部主要为风化裂隙潜水，深部主要为构造裂隙微承压水，浅部含水层厚度受风化层深度控制，厚度一般小于40m，泉流量一般小于1.0 L/s，通过两个孔的分层抽水试验，该含水层渗透系数均小于0.01m/d，单位涌水量均小于0.1 L/s·m，为弱富水含水层。水化学类型多为HCO3·SO2—Ca或HCO3·SO2—Ca·Mg型。

2.2基岩相对隔水层

区内岩石相对完整的片麻岩类，对含水层起到一定的阻水作用，为矿区内的相对隔水层。隔水层的分布主要受岩石的完整性、构造和裂隙充填情况控制，与含水层间没有明显的划定界线。

2.3矿区地下水的补、径、排特征

区内地下水的补给、径流和排泄，主要受到地层岩性、地形、构造及气象等因素的影响。

（1）第四系松散岩类孔隙水的补、径、排特征：矿区内第四系松散岩类属透水而不含水层位，该层接受大气降水后下渗间接补给基岩裂隙水，以蒸发和下渗补给基岩裂隙水为主要排泄方式。

（2）基岩裂隙水的补、径、排特征：该类裂隙水主要接受大气降水的补给，接受补给后，沿层面或裂隙向深部及下游径流，在沟谷或人工切坡地段以下降泉的形式排泄于地表，转化为地表水；地表水顺着沟谷由高处向低处径流，在径流过程中又会沿岩石裂隙或破碎带下渗补给地下水。地下水、地表水在整个径流过程中存在相互转化的关系。泉水、民井抽水和矿坑排水为其主要的排泄方式。

由图2基岩裂隙水动态变化曲线图可知，该类水动态变化受季节影响明显，雨季受降水补给水位上升，并略有滞后现象，最高水位一般出现在7～10月，雨季过后水位逐步回落，最低水位一般出现在2～6月，年变幅较小，一般介于1.0～2.0m之间。

图2　基岩裂隙水动态变化曲线图Fig.2 Dynamic diversification Graph of Bedrock fissured water

3　断裂构造带水文地质特征

区内断裂构造发育，主要发育有两组：北东向断裂和北西向断裂，为矿床主要的容矿构造。

3.1北东向断裂

为压扭性断裂，走向北东30～60º，倾向北西300～330º，倾角47～80º，断裂带一般宽0.3～1m，局部最宽达5m，走向延伸70～800m，具明显的挤压破碎片理化特征，挤压面呈舒缓波状。根据钻孔和巷道揭露，该组断裂富水性、导水性及透水性均较弱，对矿床充水影响较小。

3.2北西向断裂

为张扭性断裂，走向北西335º，倾向南西225º，倾角约60～65º，断裂带一般宽0.5～1m，局部最宽达3m，走向延伸30～280m。钻探施工揭穿F3、F4、F6、F7断裂均未见漏水（浆）现象。另外，根据对6号矿体PD1平硐水文地质编录资料，平硐内硐顶和硐壁局部见渗水或滴水现象，滴水频率平均8～10min一滴，硐内渗水量较小，该矿体的沿脉平硐也是仅局部见滴水现象，滴水量0.09L/s～0.135L/s，水量较小。以上资料说明该组断裂富水性、导水性及透水性均较弱，对矿床充水影响较小。

4　矿坑充水因素分析

对矿坑可能产生充水的水源主要为变质岩类裂隙水、断裂（蚀变）破碎带水及探矿巷道积水。以上因素对矿坑直接充水的通道主要为导水裂隙及采矿工程等。

（1）变质岩类裂隙水：该裂隙水含水层与矿体直接接触，是对矿体直接充水的含水层，矿体开采时会对矿坑直接产生充水。但是该含水层浅部岩石裂隙多被泥质充填，中深部岩石裂隙多被方解石脉、石英细脉或绿泥石充填，井、孔单位涌水量一般＜0.1 L/s·m，泉流量一般＜1 L/s，属弱富水含水层，对矿体开采影响较小。

（2）断裂（蚀变）破碎带水：区内断裂多为压扭性或张扭性断裂，根据钻孔揭露和平硐编录资料，断裂破碎带的富水性弱，对矿体开采影响较小。

（3）探矿巷道积水：由于区内矿体历史上存在探矿现象，遗留多个探矿竖井、斜井，尤其是Ⅰ号矿体存在5个中段的探矿巷道【3】，见表1，探矿巷道位于地下水位以下，2中段水状态。若采矿揭露到探矿巷道或采矿行为沟通探矿巷道时积水将会对矿坑瞬时充水，对采矿安全造成极大威胁。

表1　Ⅰ号矿体探矿巷道面积统计表Table 1 Acreage Statistics of Prospecting laneway of No.1 orebody

5　矿坑涌水量预测

5.1水文地质边界条件

由于Ⅰ号矿体、Ⅹ号矿体为该矿区规模较大的矿体，未来矿山采用坑道方式开采，对矿坑涌水的含水层为基岩裂隙含水层。因此，仅估算基岩裂隙含水层对Ⅰ号、Ⅹ号矿体斜井、竖井和开拓水平产生的涌水量。开拓水平的涌水量估算分别在矿体浅部和深部各选择一个开拓水平进行涌水量估算。

勘查控制的Ⅰ号矿体深部标高在-100m左右（埋深450m左右），因此Ⅰ号矿体开拓水平的涌水量预测选择在+200m水平和-100m水平进行。勘查控制的Ⅹ号矿体深部标高在+150m左右（埋深230m左右），因此Ⅹ号矿体开拓水平的涌水量预测选择在+300m水平和+150m水平进行。

矿井远离补给边界及隔水边界，可视为无限含水层，采用水平集水建筑物、管井、大井和比拟等方法进行矿坑涌水量估算【4～6】。比拟法采用与矿区地质条件一致、矿床类型一致，且距离矿区较近（矿区西侧3km）的陈家梁村西金矿排水资料，陈家靓村西金矿矿坑疏干面积约20 000m2。

5.2矿坑涌水量计算

（1）计算公式

式中：

Q：涌水量（m3/d）；

Q1：陈家梁村西金矿实际涌水量（m3/d）；

B：斜井水平投影长度（m）；

K：渗透系数（m/d）；

H：含水层厚度（m）；

S： 疏干降深（m）；

S1：陈家梁村西金矿疏干降深（m）；

R：影响半径（m）；

Rc：井远离地表水体与隔水边界的水流阻力值；

rw：竖井半径（m）；

r0：引用大井半径（m）；

F：开拓水平矿体水平投影面积（m2）；

（2）斜井涌水量估算 斜井涌水量估算，以Ⅰ号矿体原有的XJ4斜井为预测对象进行，斜井底标高+298m，斜井坡度为36°；Ⅹ号矿体斜井参照XJ4斜井进行预测，预测斜井标高+300m，坡度36°；由于坡度与铅垂线夹角大于45°斜井按水平集水建筑物涌水量计算公式①和比拟预测法计算公式②估算。 估算参数取值参数见表2。

表2　斜井涌水量估算参数取值一览表Table 2 Estimate parameter schedule of inclined shaft water yield

（3）竖井涌水量估算 Ⅰ号矿体竖井涌水量以矿区内保留完好的SJ8（深180m）为例进行估算，Ⅹ号矿体竖井涌水量以矿区内保留完好的SJ14（深67m）为例进行估算，采用管井涌水量公式③和比拟预测法公式②进行估算。估算参数取值见表3。

（4）开拓水平的涌水量估算 开拓水平涌水量预测，采用大井法⑤和比拟预测法②两种方法进行。估算参数取值见表4。

表3　竖井涌水量估算参数取值一览表Table 3 Estimate parameter schedule of shaft water yield

表4　开拓水平涌水量预测参数取值一览表Table 4 Prediction parameter schedule of level water yield

5.3参数选择

（1）渗透系数（K） 估算正常涌水量时，含水层渗透系数采用抽水试验平均值；估算最大涌水量时，含水层渗透系数采用抽水试验最大值。

（2）含水层厚度（H） 预测斜井涌水量时，Ⅰ号矿体采用XJ4斜井揭露的含水层厚度；Ⅹ号矿体按设计斜井深度（+300m）内揭露的含水层厚度；

预测竖井涌水量时，Ⅰ号矿体竖井含水层厚度采用SJ8竖井揭露的含水层厚度；Ⅹ号矿体竖井含水层厚度采用SJ14竖井揭露的含水层厚度；

Ⅰ号矿体+200m水平含水层厚度采用SK1孔+200m范围内揭露含水层的厚度；-100m水平含水层厚度采用SK1孔-100m范围内揭露含水层的厚度；

Ⅹ号矿体+300m水平含水层厚度采用SK2孔+300m范围内揭露含水层厚度；+150m水平含水层厚度采用SK2孔+150m范围内揭露含水层厚度。

（4）斜井水平投影长度（B） 根据斜井坡度、井底标高利用三角函数计算得出。

（5）竖井半径（rw） Ⅰ号矿体竖井半径引用SJ8竖井的半径；Ⅹ号矿体竖井半径引用SJ14竖井的半径。

（6）矿体水平投影面积（F） 在矿区水文地质图上圈出Ⅰ号矿体+200m、-100m和Ⅹ号矿体+300m、+150m水平矿体水平投影范围，用MAPGIS软件在图上直接量取面积。

（7）比拟法用的涌水量Q1采用矿区西侧3km陈家梁村西金矿实际涌水量资料，正常涌水量120 m3/d，最大涌水量200m3/d。

（8）比拟用的疏干降深S1采用陈家梁村西金矿疏干降深值42.45m。

5.4矿坑涌水量估算结果

矿坑涌水量估算是在对矿区水文地质条件认识的基础上，概化了水文地质模型与数学模型，计算参数依据实际资料而确定，并与水文地质条件进行最佳拟合。估算结果见表5。

表5　矿坑涌水量预测结果表Table 5 Water yield Prediction Table of pit mining water yield

5.5矿坑涌水量预测结果评述

根据早期勘查时排水资料可知【3】： XJ3斜井（井底标高+319m）排水量为10m3/d，XJ4斜井（井底标高+298m）排水量15m3/d；在矿区西南直距22km的迷力营子金矿与本区水文地质条件基本相似，其矿坑排水资料为：YDⅡ平巷总排水量9.13m3/d；XJ3斜井排水量为18.15 m3/d，丰水期最大排水量为53 m3/d。

估算结果（见表5）与已有排水资料及周边矿坑排水资料对比可知，在+150m～+200m标高利用大井法和比拟法估算的矿坑涌水量结果基本一致，估算结果比较可靠；+200m以上（斜井、竖井）用地下集水建筑物公式和管井涌水量公式估算的结果比较可靠，用比拟法估算的涌水量结果偏大，原因由降深小引起；+150m以下利用比拟法估算的结果比较可靠，利用大井法估算的涌水量结果偏大，原因是由计算利用的含水层厚度大引起的，随着深度的增加裂隙发育程度逐渐变弱，富水性也变弱，含水层厚度未变。因此利用大井法预测的矿坑涌水量结果偏大。

斜井、竖井和开拓水平的涌水量预测是在不沟通巷道积水的情况下预测的，矿山建设或开采沟通探矿巷道积水时，其矿坑涌水量将会急剧增大，对矿井形成极大威胁，应引起重视。

6　矿坑防治水措施

为了采矿安全，降低成本，对威胁采矿的各充水水源矿山一般采取疏排、控制或隔离等工程措施【6】。由于该探矿巷道处于积水状态，若采矿揭露到探矿巷道或采矿行为沟通探矿巷道时积水将会对矿坑瞬时充水，对采矿安全造成极大威胁，应提前做好巷道积水的抽、排水工作，并做到“早预测早预防，有疑必探、先探后掘”的防治水原则，防止发生矿井突水灾害【7】。

7　结论

该矿床是以裂隙含水层充水为主的矿床，矿坑充水水源主要为变质岩类裂隙水、断裂（蚀变）破碎带水及探矿巷道积水，矿床主要充水含水层和构造破碎带富水性弱，地下水补给条件差，第四系覆盖面积小，第四系松散岩类含水层富水性弱，水文地质边界简单，但矿山存在探矿巷道积水突水的不确定因素，应予以重视。

1 袁建国，辽宁省北票市台吉营子矿探获了一处中型金矿［N］中煤地质报. 2014，68（01）

2 GB12719-91.矿区水文地质工程地质勘探规范［S］1991.

3 任宝臣，赵国刚，别中甫，等. 辽宁省北票市赵户沟矿区1号脉金矿普查地质报告［R］， 三门峡市：中国人民武装警察部队黄金第六支队，1994

4 河北省地质局水文地质四大队. 水文地质手册［M］. 北京：地质出版社，1978，716～739

5 供水水文地质手册编写组.供水水文地质手册第二册水文地质计算［M］，北京：地质出版社，1985

6 曹建峰，张思，卢文玲，等. 专门水文地质手册［M］，北京：中国科学技术出版社，2007，（5），552～560.

7 朱昶，许锦亮，刘邦军，等. 山东省苍山县沟西-西官庄铁矿沟西矿区水文地质特征及涌水量预测［J］，山东国土资源，2014，30（2）：38～42

Some analysis on the features of water bearing stratum and faulted structure belt as well as the groundwater recharge， runoff and discharge conditons and hydrogeology parameter and pit filling factors shows that， the area has secondary hydrogeological condition. They predict the inclined shaft， shaft and deep， shallow level water yield with the method of level catchment building water yield formula， tube well yield formula， comparison formula and Diameter Well. Some prevention and cure measures were also been put forward for further construction and mining.

HYDROGEOLOGICAL CONDITION AND PIT WATER YIELD PREDICTION OF TAIJIYINGZI GOLD MINE， BEIPIAO CITY，LIAONING PROVINCE

Qi Xiequan Li Shuang Dong Yan
1.Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau ，Jinan， Shandong， 271000
2.General Institute of Chemical Geology Survey of China Chemical Geology and Mine Bureau，Beijing， 100013

hydrogeological condition；Pit Water Yield Prediction；Gold mine；Taijiyingzi；Beipiao city

P641

A

1006-5296（2016）01-0053-07

亓协全（1981～），男，研究方向：水工环地质勘查、评价，工程师

2015-10-15；改回日期：2015-11-18