湖南花垣县大脑坡铅锌矿区水文地质特征及矿坑涌水量预测研究

谢国军

（湖南省地质矿产勘查开发局四0七队，湖南 怀化 418000）

矿坑涌水量预测是矿产地质勘查综合研究的一项重要内容，也是指定矿山开采设计的主要依据之一[1，2]。矿床开采过程中，地表水体与地下水通过各种途径涌入矿坑，当涌水量超过排水能力时，就可能出现突透水事故，造成人员伤亡和财产损失。因此，准确预测矿坑涌水量是制定矿床疏排水方案并保证安全开采的前提条件。

针对矿坑涌水量涌水量预测，主要有基于裘布依稳定流理论的解析法[3]、数值法、水均衡法、Q-S曲线方程外推法[4]及水文地质比拟法等，各种方法的研究极大提高了矿坑涌水量的预测水平和精度。本文深入研究了湖南花垣县大脑坡铅锌矿的水文地质条件，并对其水文地质边界进行合理概化，采用解析法和比拟法对+360m水平矿坑涌水量进行预测对比评价，探讨了相应的应用条件，为其他矿区解决类似问题提供参考。

1 矿区水文地质条件

1.1 矿区概况[5]

矿区位于花垣县龙潭镇、团结镇和道二乡境内，区内年平均气温17.2℃，多年平均降雨量1395.4mm，其中4月～9月降雨量占全年降雨量的73%，月最大降水量367.3mm（2017年6月），月最小降水量5.1mm（2017年12月）。区域地表分水岭位于矿区南部，走向北东，北部位花垣河水系，南部为兄弟河水系，矿区内花垣河、兄弟河支流零星发育，流量一般小于0.2m³/s，旱季干涸。矿区地貌类型以岩溶侵蚀低山峰丛洼地和岩溶侵蚀丘陵洼地为主，地势南西高、北东低，标高360m～700m，矿区最低侵蚀基准面高程368.02m。

大脑坡矿区位于花垣铅锌矿田北东段，张家界－花垣断裂带南盘，矿区为一倾向南东的单斜构造，岩层产状一般倾向100°～130°，倾角6°～12°。矿区出露地层主要为寒武系和第四系残坡积层。其中：中上统娄山关组、中统高台组、下统清虚洞组上段上亚段及下亚段岩性主要为白云岩，岩溶发育程度弱～中等；清虚洞组下段第三四亚段为主要赋矿层位，岩性以纯灰岩为主，岩溶发育强烈；清虚洞组下段第一亚段、第二亚段岩性以泥质灰岩为主，岩溶不发育，构成矿区隔水底板；第四系残坡积层以粘性土为主，在岩溶洼地内广泛分布。

据勘探资料，矿区主要工业矿体有III、IX、X号矿体，矿体主要赋存于清虚洞组上段下亚段、清虚洞组下段第三、四亚段岩层内，矿床储量计算标高为464.20m～91.40m，首采地段位于矿区北部，首采标高为420m～360m，多处于当地侵蚀基准面之上。

1.2 含水层及富水性

矿区地层主要为寒武系和第四系残坡积粉质黏土，依据含水介质的结构特征和水动力条件进行划分，矿区地下水类型主要为松散堆积层孔隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水2大类。各种地下水的具有各自的特点和富水特性。

1.2.1 松散堆积层孔隙水

主要赋存于第四系残坡积相（Qel-di）粉质黏土内，单一结构，局部含5%～10%的角砾，稍湿～湿，可塑状，厚度0m～25.28m，平均4.83m。矿区内泉点出露少，流量0.01L/s～0.5L/s，地下水主要在地形低洼处汇集，富水性弱，对矿坑充水影响小。

1.2.2 碳酸盐岩岩溶水

碳酸盐岩岩溶水主要赋存于寒武系（∈）地层中。其中：

中上统娄山关组（∈2-3ls）、中统高台组（∈2g）岩性以白云岩为主，娄山关组裂隙发育，溶蚀现象以溶孔为主，溶洞不发育；高台组钻孔遇洞率0.58%，线岩溶率0.04%，泉点出露少，流量小于0.5L/s，富水性弱。

清虚洞组上段上亚段（∈1q2-2）和第下亚段（∈1q2-1）为白云岩向灰岩过渡段，岩性为薄～厚层砂屑-泥晶白云岩，溶蚀现象以溶洞溶孔为主，钻孔遇洞率分别为3.49%、7.56%，线岩溶率分别为0.66%、1.90%，泉流量0.04L/s～6.00L/s，富水性中等。

清虚洞组下段第三、四亚段（∈1q1-（3+4））岩性为质纯藻灰岩，钻孔遇洞率为29.07%，线岩溶率分别为2.35%，泉流量0.80L/s～50.16L/s，富水性强。

清虚洞组下段第一亚段（∈1q1-1）、第二亚段（∈1q1-2）岩性以泥质灰岩为主，钻探揭露岩溶不发育，为矿区隔水底板。

1.3 地下水补给、迳流、排泄条件

矿区内地下水主要接受大气降水补给，大气降水在第四系覆盖区通过土层垂向渗透进入含水层，在碳酸盐岩裸露区和岩溶洼地内岩溶漏斗发育区直接通过岩溶管道直接灌入含水层。松散堆积层孔隙水在区域分水岭以北迳流向北，最终排泄至花垣河，风水岭以南地下水向南迳流，最终排泄至兄弟河。碳酸盐岩岩溶水以岩溶管道无压流为主，流向北西，多以暗河和岩溶泉的形式排泄于地表，矿区内岩溶水的排泄区位于矿区北部永丰村～上阿碧～麻山湾一带的暗河（AH01～AH04），最低高程368.02m。

1.4 矿坑充水条件

1.4.1 充水水源

（1）大气降水

区内潮湿多雨，雨量充沛，大气降水是矿区地下水主要补给来源，当充水含水层接受大气降水补给后，地下水通过岩溶发育带、导水裂隙带、采空陷落带及突水带直接或间接进入矿坑对矿床充水，大气降水成为矿坑充水的重要来源。

（2）地表水

矿区内无大型地表水体，溪沟零星发育，流量小，且旱季断流，首采区无地表水体，地表水矿坑充水的影响小。

（3）第四系松散岩类孔隙水

首采区第四系残坡积相粉质粘土覆盖厚度小，渗透性性能差，富水性弱，孔隙水通过下渗进入下伏碳酸盐岩岩溶含水层，对矿坑充水的影响小。

（4）矿体围岩岩溶水

矿体直接顶底与围岩多为清虚洞组灰岩岩溶含水层，分布面积广。顶板裸露地段，接受大气降水补给，隐伏于第四系松散堆积层之下，间接接受松散堆积层孔隙水下渗补给；含矿层底板岩层为清虚洞组下段第一亚段泥灰岩，岩溶不发育，其下部为隔水性更好的碎屑岩，隔水性能好。勘探揭露，矿区碳酸盐岩溶洞底板高程110.96 m～512.16m，溶洞底板总体向北东向倾斜。主要工业矿体（III、IX、X）顶板高程464.20m～92.36m，矿体底板高程462.00m～91.40m，矿体大多处于溶洞底板以下。未来矿山开采地下水通过溶洞、溶蚀裂隙和构造破碎带形成的管道直接进入。

1.4.2 充水途径

区内受断裂构造、地层岩性以及地形地貌等因素影响，形成一系列北东向、北西向由溶洞、溶蚀裂隙及地下暗河等岩溶介质组成的岩溶水迳流通道，相互贯通后构成大脑坡矿区充水通道。

（1）断裂构造带通道

矿区断裂构造主要呈北东向和北西向展布。其中：北东向断裂以压性为主，其次级断裂以张性为主；北向断裂多为张性。据研究分析，暗河AH01形成于压性断裂F3及其次级张性断裂与北西向张性断裂F107密切相关，暗河AH02空间分布则受压性断裂F2和北西向张性断裂F110控制。F107、F110及断裂叠加作用区域溶洞、溶蚀裂隙强烈发育，岩体破碎，地下水相对富集，形成了地下水集中迳流带，矿床开采条件下成为岩溶含水层向矿坑充水的天然通道。

（2）溶洞、溶蚀裂隙、地下暗河等岩溶通道

溶洞、溶蚀裂隙、地下暗河等岩溶介质交织构成的岩溶水迳流带，也构成矿区地下水富集、迳流和补给矿坑充水的主要通道。矿区岩溶发育为非均质各向异性，表现为溶隙和岩溶管道含水介质并存的特点。其中岩溶管道连通性好，导水性强，当岩溶管道直接揭露矿床时，其不仅是导水廊道，还是储水空间，对矿坑充水作用强，危害性大。

2 矿坑涌水量预测

通过上述水文地质条件及矿坑充水条件的分析研究，本文采取解析法和比拟法预测III、IX、X号矿体+360m水平的矿坑平水期涌水量，根据暗河流量变幅预测丰水期矿坑用水流量。

2.1 解析法

2.1.1 正常涌水量

依据水文地质勘探资料，矿区边界可以概化为：矿区北西部清虚洞组下段第二亚段（∈1q1-2）泥质灰岩出露，具有隔水性，并且近似呈直线展布，处理为直线隔水边界；东南部寒武系中上统、中统纪下统清虚洞组岩溶化灰岩广泛分布，且地下水流向北西，为地下水补给迳流区，处理为无限边界，根据边界条件映射得到矿区概化模型如图1。

通过上述边界条件概化及映射处理，本次针对III、IX、X号矿体+360m水平的矿坑涌水量预测按式（1）[6]进行计算。

式中，为含水层渗透系数（m/d）；r0为矿坑内边界（m）；R为外补给边界（m）；S为水位降低（m）；b为大井至隔水边界的距离（m）；hR为外边界水位，从下伏隔水层算起（m）；hr0为内边界水位，从下伏隔水层算起（m）。

图1 矿区概化模型

表1 解析法+360m矿坑正常涌水量计算结果表

表2 比拟法+360m矿坑正常涌水量计算结果表

（1）渗透系数k：

利用水文孔SZK1～SZK5抽水试验获得的各降深渗透系数，求取含水层平均渗透系数，计算整个含水层的加权平均渗透系数。

（2）矿坑内边界r0：360m以上矿体水平投影呈不规则多边形，矿坑内边界按式（2）计算。

式中，P为多边形周长，（m）。

（3）外补给边界R：按式（3）计算。

式中，R0为引用影响半径（m），按式（4）计算。

式中，H为含水层厚度（m），取平均平水期静止水位与隔水顶板平均高差；S为水位降低（m），取平水期平均静止水位与开采水平的高差。

根据上述公式求得+360m水平矿坑正常涌水量结果见表1。

2.1.2 最大涌水量

矿坑最大涌水量为丰水期矿坑涌水量，与大气降水密切相关。矿区含水层厚度、水位降低及渗透系数等水文地质参数，本应按丰水期矿区统测钻孔地下水位和抽水试验结果进行计算，鉴于矿区勘探收集基础数据有限，本文拟采用暗河流量长期观测数据，按式（5）推算矿坑最大涌水量。

式中，Qmax为矿坑最大涌水量（m³/d）；Q为矿坑正常涌水量（m³/d）；γ为暗河流量变幅系数，按式（6）计算。

暗河AH01丰水期（4月～9月）平均流量486.96m³/d，年平均流量399.51 m³/d，变幅系数1.22；暗河AH02丰水期（4月～9月）平均流量262.00m³/d，年平均流量240.98m³/d，变幅系数1.09。首采区暗河平均流量变幅系数1.16，推算+360m水平矿坑最大涌水量为13062.96 m³/d。

2.2 比拟法

水文地质比拟法，是在整理已开采矿山矿坑排水资料，推求矿山下一个开采水平的矿坑涌水量；或以水文地质条件类似已开采矿山的矿坑涌水量为依据，预测矿坑涌水量。常用的比拟法有富水系数比拟法、单位涌水量比拟法。

相邻李梅1采区水文地质条件复杂程度与大脑坡矿区类似，以李梅1采区矿坑排水资料为依据，推算大脑坡矿区+360m水平正常矿坑涌水量，按式（7）[7]进行计算。

式中，Q2、Q1分别为预测矿坑和已知矿坑的涌水量；F2、F1分别为预测矿坑和已知矿坑的开采面积；S2、S1分别为预测矿坑和已知矿坑的疏干降深；m、n待定系数，根据李梅1采区矿坑排水资料，采用反演法计算。

根据李梅1采区矿坑排水资料进行比拟，大脑坡+360m水平正常矿坑涌水量计算结果见表2。

根据首采区暗河平均流量，推算+360m水平矿坑最大涌水量为10142.30 m³/d。

2.3 涌水量预测结果分析评价

以上两种方法矿坑涌水量预测结果见表3。解析法涌水量预测结果受水文地质边界概化模型及渗透系数取值影响大，大脑坡矿区含水岩组渗透性各向异性明显，解析法计算矿坑涌水量偏差大。比拟法利用相邻生产矿山排水资料，结合矿床的实际情况预测的矿坑涌水量，综合了多种水文地质因素，代表性强，准确度高，因此采用比拟法预测结果。

计算方法 正常涌水量（m³/d)最大涌水量（m³/d) 预测成果评价解析法 11261．17 13062．96 解析法预测结果偏大，比拟法预测结果更切合实际，推荐比拟法预测结果供设计参考。比拟法 8743．37 10142．30

3 结论及建议

（1）根据勘探结果，矿区地下水类型主要为松散堆积层孔隙水、碳酸盐岩岩溶水两大类。

（2）矿床主要通过断裂构造带和岩溶管道直接充水。

（3）经研究分析，推荐比拟法预测矿坑涌水量供设计使用。

（4）解析法预测矿坑涌水量受水文地质边界的概化模型及渗透系数取值影响大。

（5）比拟法预测矿坑涌水量操作相对简单，但必须有可靠的类似已采矿山排水资料。