豫西雷门沟钼矿水文地质条件分析及涌水量预测

施强 王春帅 毕炳坤王琦

（1.河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院，河南 洛阳 471023；2.河南省金银多金属成矿系列与深部预测重点实验室，河南 洛阳 471023）

0 引言

豫西熊耳山雷门沟钼矿床位于东秦岭钼矿带东段，东西长4.2 km、南北宽约2.4 km，地理坐标：东经111°53′12″～111°55′26″、北纬34°11′42″～34°12′59″，是已探明的超大型斑岩型钼矿，累计查明钼矿石量84740 万t，钼金属量677450 t，Mo 平均品位0.080%，主要有花岗斑岩型、片麻岩型、角砾岩型矿3 种类型。矿体赋存标高140～776 m，厚度10.00～602.24 m，总体走向300°，倾向南西，倾角5°～10°，矿床顶底板围岩为花岗岩、片麻岩、爆破角砾岩，为水文地质条件简单的裂隙充水矿床。雷门沟钼矿自1980 年开始勘查，2005 年5 月开工建设，2006 年投产，日处理矿石3000 t、99 万t/a，开采规模达到中型。

区内研究程度高、成果丰硕，如罗铭玖、李永峰、郭保健、陈小丹等专家学者多从成矿作用、成矿模式、找矿方向、矿床成因等地质角度对该矿床进行研究（罗铭玖等，1991，2000；李永峰等，2005，2006；郭保健等，2005；葛虎胜等，2008；白凤军和肖荣阁，2009；陈小丹等，2010，2011，2012；褚松涛和陈刚刚，2011），但对矿床开采技术条件方面的研究较少。本次通过地质调查工程、水文地质试验等方法，从水文地质角度，对雷门沟钼矿床水文地质条件进行研究，填补了该方面的空白，丰富了研究成果；采用比拟法预测了矿坑涌水量，为矿山安全和开采设计提供了科学依据，对该区域水文地质工作具有较大的参考价值。

1 区域水文地质概况

区域位于东秦岭熊耳山东南麓，地形北西高南东低，南抵伊河，属浅切割中低山区，海拔550～931 m，相对高差150～250 m，水系呈北北西—南南东向分布，属黄河水系，伊河支流，沟谷呈“V”字型发育，主沟有高都川、德亭川、龙潭沟等，呈北西330°方向展布。

根据区域水文地质分区图（图1）：东部以伊河二级水文地质单元的上游高都川为排泄边界，南部以陶村断裂为隔水边界，西部以花山、鹰咀山分水岭为隔水边界，北部以花山至露宝寨山脊分水岭为隔水边，形成相对封闭的独立水文地质单元。可划分为：伊河河谷松散岩类孔隙水区（Ⅰ）、中低山碎屑岩类裂隙水区（Ⅱ）、陶村断裂北花岗岩类裂隙水区（Ⅲ-1）、片麻岩类裂隙水区（Ⅲ-2）、安山岩类裂隙水区（Ⅲ-3）等5 个水文地质区。雷门沟钼矿位于Ⅲ-1、Ⅲ-2 之间的地下水补给区。

2 自然地理概况

地形北西高南东低，主要河谷为雷门沟、龙潭沟，海拔最高839.94 m、最低618.69 m，相对高差221.25 m，地形较陡，一般坡度25°～50°，局部60°以上，属中低山侵蚀地貌。

区域属半湿润半干旱的大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷，四季分明。据嵩县气象局资料，最高气温43.6℃，最低气温-19.1℃，平均气温13.7～14.1℃；最大降水量1185.6 mm，最小降水量489.6 mm，平均降水量723.1 mm，降水多集中于七、八、九3 个月，占全年降水量的50%～60%。年平均蒸发量1821.1 mm，多年平均蒸发量2012.44 mm。

矿区内有雷门沟和龙潭沟呈近北东向分布。雷门沟位于矿区西部，全长约6.0 km，矿区内出露长度0.9 km，汇水面积有限，一般季节流量仅有2～3 L/s，旱季0.1～0.2 L/s 或断流。龙潭沟位于矿区北东，全长约3.0 km，矿区出露长度0.76 km，仅雨季有暂时性水流，水流汇集于下游龙潭沟水库。水质类型为HCO3·SO4-Ca 型。

3 矿区地质特征

3.1 地层

矿区内出露地层主要为新太古界太华岩群片麻岩，岩性为黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩和黑云角闪斜长片麻岩，片麻理产状120°～135°∠25°～35°；次为混合岩化片麻岩、均质混合岩或条纹（条带）状混合岩，为夹于角闪斜长片麻岩与黑云斜长片麻岩层之间的层位岩石；第四系冲洪积砂砾石、粘质砂土零星出露，厚度9～14.3 m。

3.2 构造

断裂比较发育，表现出多期次活动、力学性质具多次转变的特点。按其形成先后有北西向、近东西向、北东向与北北东向4 组。其中北北东向、近东西向断裂规模最大，活动期次也较多，是区内重要的控岩、控矿及赋矿的构造。

3.3 岩浆岩

主要为元古宙中基性辉长岩、辉绿岩脉和燕山晚期的中酸性—酸性岩脉、小岩株，其中细微粒斑状花岗岩—角闪二长花岗斑岩小岩株为雷门沟钼矿床的成矿母岩；在成矿岩体顶部、边部和附近围岩中爆破角砾岩发育（李永峰等，2006）。

4 矿区水文地质条件

4.1 矿区所处区域水文地质单元的位置

矿区位于陶村断裂北、Ⅲ-2 水文地质分区的南部，邻近陶村断裂。

4.2 矿体与当地最低侵蚀基准面和地下水位的关系

（1）矿体与侵蚀基准面的关系：共圈定出钼矿体8 个，其中Ⅱ、Ⅲ号为主矿体，矿区最低侵蚀基准面标高690.3 m。矿体大部分位于当地侵蚀基准面以下，附近无大的地表水体，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（表1）。

表1 矿体与当地最低侵蚀基准面关系对比

（2）矿体与地下水位的关系：根据15 个钻孔的稳定观测水位，地下水的基本特征是无统一的地下水平面，地下水位随着地形高低变化而变化，具山高水高的特点。地下水与地表水互相沟通，以浅层风化裂隙或构造裂隙为渠道，互为补给关系，受地下水水力性质制约，地下水位的标高大部分大于矿体的标高（表2）。

表2 主矿体Ⅱ与地下水位关系对比

4.3 含水层、隔水层

（1）第四系松散岩类孔隙含水层：主要分布于矿区西雷门沟和北东龙潭沟两侧，岩性为含砂粉土、砂砾石、碎石土，厚度10～20 m，水位埋深0.5～8.27 m，雨季松散土层中含孔隙潜水，旱季干枯基本无水。单位涌水量0.005 L/（s·m），降深4.36 m，渗透系数0.032 m/d，富水性弱，地下水类型为HCO3·SO4-Ca 型。

（2）太华群片麻岩、燕山期花岗岩浅层风化裂隙水：水位埋深为7.05～30.36 m，水位标高随地形变化，不构成统一的地下水面，在地势低洼处以片流形式流出，受季节变化明显。单位涌水量q=0.053 L/（s·m），降深8.01 m，渗透系数0.043 m/d。地下水类型为HCO3·SO4-Ca·Mg 型。

（3）太华群片麻岩、燕山期花岗岩深层裂隙水：裂隙不发育，以闭合性为主，含水甚微。根据ZK903钻孔在119.46～161.0 m 处（岩性片麻岩）注水试验，渗透系数4.16×10-6cm/s。

（4）隔水层：矿层的顶、底板围岩为斑状花岗岩、花岗斑岩、角闪二长花岗斑岩、爆破角砾岩等岩浆岩及裂隙不发育的片麻岩，结构致密，渗透性弱，均可视为隔水岩组。

4.4 断裂及其水文地质特征

含水岩层（带）主要为北北东向、近东西向断裂带，由蚀变花岗岩、构造角砾岩、碎裂岩等组成，胶结疏松，具承压性，以垂直补给为主，侧向补给次之，静贮量大，动贮量小，富水性不均一，总体富水性弱。含水层埋深一般在476～670 m 标高范围（局部750 m）。静水位标高644～692 m，局部717～746 m，水位高差最大102.52 m，无统一水面，含（透）水性差且极不均匀。钻孔单位涌水量0.022～0.103 L/（s·m），最小0.0064 L/（s·m）（表3）。

表3 构造断裂带水文地质情况

4.5 地下水补给径流与排泄

区内地下水补给、径流和排泄条件受区域地质、地貌和人为等因素的控制（郝爱兵等，2008）。地下水主要接受大气降水补给，大气降水通过地表基岩风化带渗入地下，经松散孔隙或网状裂隙作短途径流后，汇于地势低洼处，主要以片流的形式出露（局部以泉水形式排出地表），属近源排泄，部分进入深部后多沿破碎带呈带状运移；中深部地下水，地下水的直接补给来源主要为局部张扭性断裂破碎带的导水，一方面通过自然压力向深部渗透，另一方面通过承压向压力低的地区渗透。矿山排水是矿区地下水的主要排泄方式。

4.6 矿床充水因素分析

本矿床的充水水源有大气降水、地表水、地下水、采空区积水等，充水通道有断裂、基岩裂隙以及封孔不良的钻孔等。

（1）大气降水：矿山开采方式为露天开采，大气降水直接进入采场，为最主要的充水水源，在雨季应注意防范洪水；另一方面通过风化岩层渗透的方式进入下部岩层。

（2）地表水对矿床充水的影响：龙潭沟和雷门沟均处于露天采坑的上游，皆流经矿区，但汇水面积有限，一般季节流量2～3L/s，为矿床充水的次要因素，雨季地表水直接影响矿床开采。

（3）地下水对矿床充水的影响：地下水可分为浅层风化裂隙水、深层裂隙水和构造裂隙水3 种形式。地下水对矿床充水的影响主要体现在：①浅层地下水，主要赋存于花岗岩类或片麻岩类基岩裂隙水含水层中，其富水性弱，受季节变化影响，是矿床的次要充水因素之一，其充水通道为渗透和风化裂隙导水，根据“SHK2804 水文孔中降深8.01 m 的涌水量为36.37 m/d，单位涌水量0.053 L/（s·m）”的结论，认为浅层地下水对矿床充水的影响较小；②构造裂隙水，是矿床的另一个次要充水因素之一，该类地下水的富水性较弱，通过ZK801 钻孔抽水，最大涌水量小于1.0 L/s，局部有富水性较强的地段；开采时应注意因水压的急剧降低导致的涌水现象，但总体富水性弱，水量不大，初期可能涌水较多，后期随着压力的降低，涌水量很快减少，对矿床开采影响不大；③深层裂隙水，矿体岩性以花岗岩、片麻岩为主体，爆破角砾岩次之，岩层致密坚硬，愈往深处，裂隙愈不发育，其对矿床充水影响甚微。

（4）采空区积水对矿床充水的影响：通过露天采场调查，目前在618m 采矿平台存在积水现象，为矿山开拓过程中，地下水涌入采场所致。通过访问矿山管理人员，矿山开采至今，通过大功率水泵排水，采场分布范围内没有对矿床充水造成影响。

5 露天采坑排水量预测

（1）现状条件下采坑排水量：本文收集了矿区2017—2018 年1 个水文年的采坑排水资料，日抽水时间5～8 h。经统计，日排水量在326.13～483.55 m3之间，日平均排水量417.83 m3（表4）；雨季日最大排水量640 m3（2017 年9 月23 日）。

(3)制造工厂化。绝大部分材料由工厂加工而成，精细化程度高，材料的耐火性、抗冻融性、防潮隔声等性能得到了有效保障。

表4 雷门沟钼矿露天采坑排水量统计

为复核露天采坑日常排水量，在618 m 标高采矿平台进行排水试验。经过527 分的排水，平均排水量70.46 m3/h（618.85m3/d 为约9 小时实测排水量，换算成232.07 m3/d 为24 h 排水量），降深1.72 m 时，可将采坑内积水疏干。与矿山日常一般抽水时间5～8 h 基本一致，不影响正常生产的时间基本相符。

（2）排水量预测计算：采坑充水来源主要来自大气降水，次为浅表风化裂隙水和深部构造裂隙水。根据本次矿区水文地质工作程度，选择水文地质比拟法（陈晶晶和童彦钊，2019，高鹏浩等，2019；许卓朋和李彦伟，2020）估算618～486 m 标高（露天采矿段）未来采坑最大排水量。

设计开采最终境界面积为388947 m2，根据采坑排水量观测，618 m 标高露采段最大排水量640 m3/d（640 m3/d 为8 小时最大排水量，换算成213.33 m3/d 为24h 最大排水量），降深1.72 m；设计最终露采至486 m 标高段，按每剥离一个台阶12 m，水位降低值为14 m。采用的计算公式是：

式中：Q—设计采场最大排水量m3/d；

F—设计露天采场最终开采境界面积：388947 m2；

S—设计露天采场水位降深：每台阶14 m；

Q1—生产采场实测最大排水量：213.33 m3/d；

F1—目前露天采场实测面积：258479.23 m2；

S1—目前露天采场实测水位降深：1.72 m；

计算结果表明，未来矿坑最大排水量2613 m3/d。

（3）露天采坑排水量预测可靠性评价：露天采坑一个水文年最大排水量640m3/d，经复核，采坑排水量最大为618.85 m3/d，两者数据相近，客观真实。目前露采标高（618 m）已达限采标高（700～300 m）的1/5，水文地质条件较充分暴露，矿床充水因素来自大气降水、矿层顶板风化裂隙水及构造带裂隙水，呈弱富水性。且采坑排水观测时间满足了一个水文年的要求，故选择比拟法进行估算未来矿坑最大排水量较为可靠，所计算的排水量基本符合实际，矿坑的排水量预测结果可作为矿山开采设计的依据。

6 深部开采的防治水措施

（1）大气降水和地表水是地面防水的主要对象，在采场周边修筑排水沟，防止雨水和地表水通过风化岩层渗透的方式进入下部岩层，或者通过其它方式引走坡面流，使其不再被允许流入采场。

（2）在矿山开采过程中，加强开采技术条件研究，防止地表水与爆破裂隙、构造裂隙的联通，从而导致矿坑突水事件的发生；设置蓄水池储存地表水和采坑地下排水，防止采坑地下排水造成水资源浪费现象发生。

（3）从矿区十多年的露天开采实践上看，采取“堵排结合，排水降压，以排为主”的总体原则（南晋武，2019）、在开采过程中坚持“有疑必探”“先探后掘“的防治水思想行之有效，避免在掘进过程中，遇到局部有富水性较强的地段时可能出现的瞬间突水事件。

（4）建立地下水监测系统，专人对矿区及周边区域进行监测和巡查，对矿坑排水量进行实时监测，指导矿方防治水工作（闫朝波，2019；许卓朋和李彦伟，2020）。

7 结论

本次通过地质调查工程、水文地质试验等一系列工作，查明了矿床水文地质条件。

（1）雷门沟钼矿床处于水文地质单元之补给区，大气降水是矿床的主要充水因素。

（2）主要钼矿体大部分虽位于当地侵蚀基准面以下，但附近无大的地表水体经过，不构成矿床充水的主要因素。

（3）露天采场主要充水地段为北北东向、近东西向断裂带，矿床浅层裂隙充水含水层和深部构造破碎带总体富水性弱，为裂隙含水层充水为主的水文地质条件简单矿床。

（4）根据采场排水试验，采用水文地质比拟法预测未来矿坑最大排水量2613 m3/d，经矿山近两年的检验，结果较为可靠；深部开采防治水的总体原则为“堵排结合，排水降压，以排为主”。