尖山磷矿水文地质条件及地下水矿坑涌水量预测

刘应辉

中化地质矿山总局云南地质勘查院，云南 昆明 650200

1 研究区概况

1.1 研究区位置

尖山磷矿位于昆明市南西210°方向直距约35km 处，行政区划隶属昆明市西山区海口镇[1]。矿区东起滇池边，西至白塔山，南至尖山、汤家大山，北止海口火车站一线，东西长约6km，南北宽约1～2km，面积6.16km2。依自然条件及以往多年开采情况，自西向东划分成4 个矿段（山）。其中，东部的马房矿段全部、鞍山矿段3 勘探线以东因涉及滇池流域保护区已停采，目前矿区保留有松山矿段全部、汤家山矿段全部及鞍山矿段3 勘探线以西采矿权（图1）。

图1 区域水系及研究区位置图Fig 1 Map of regional water system and location in the study area

1.2 研究区开采水文地质现状

松山矿段：现形成三个积水坑，自北西向东编为积水坑1、积水坑2 和3 积水坑（图2）。2018年2 月对3 个积水坑外排流量实测：积水坑1，揭露上、下矿层及顶板，坑底标高无资料可查。积水坑水面线标高1907.82m，面积26958.46m2，有自流外排沟渠，浮标法实测外排流量约0.64×104m3。积水坑2，揭露上矿层含水层及顶板，坑底最低标高不明，积水坑水面线标高1907.15m，面积35362.49m2。有自流外排沟渠，实测外排流量0.53×104m3。积水坑3，揭露上、下矿层含水层及顶板，坑底最低标高1903.56m，水面线标高1908m，积水坑面积8450m2，未形成自然外排。

汤家山矿段：目前矿体分布标高 2052～1840m，矿段东端与鞍山矿段连接处开采标高降至1910m 标高以下，见积水现象，水面标高1908.71m。本矿段相对鞍山及松山矿段开采标高较高，基本还处于1910m 标高以上，矿坑充水主要为大气降水，采坑可自然排泄，矿坑水主要向相邻的鞍山及松山矿段低洼地段排泄，排水标高均为1908m（图2）。

鞍山矿段：已采剥至最低标高1899.77m，采坑形成向北倾斜的平面上呈近长方形的坑底，最低自然排泄基准面标高1950m，位于矿段北箐沟。据专项水文地质勘查报告，积水面线标高1908.71m，积水面积约78500m2，无自然外排条件（图2）。2017 年4 月24 日～6 月30 日矿山排水数据计算出采坑实际排水量为2.3×104m3/d。2017 年11 月1 日～13 日矿山排水数据计算出采坑实际排水量为2.7×104m3/d。

图2 采坑水文地质现状图[2]Fig 2 Current status map of hydrogeology in the mine pits

2 地形地貌及气象

2.1 地形地貌

尖山磷矿区位于杉松园项-老高山-金铜盆山围成的地表分水岭以北，形成的汇水范围约20km2。地形为走向近东西、坡向向北的单面山。最高标高为南部尖山2226.2m，最低位为西北部石窝铺附近的冲沟底，标高1903m（即矿区最低侵蚀基准面），相对高差323.2m，为构造剥蚀侵蚀低中山地形[3]，冲沟发育，利于自然排水。

2.2 气象

据昆明市西山区气象局1995 年1 月～2015年12 月共21 年观测资料统计，区域内多年平均气温16.1℃，最热月平均气温20℃，极端最高气温32.8℃；最冷月平均气温10.4℃，极端最低气温-3.6℃。多年平均降雨量983.0mm，历年最大降雨量1449.9mm（1999年），最小降雨量565.8mm（2008 年），一日最大降雨量121.0mm，最大累计降雨量321.1mm（连续18 天降雨量累计）。每年5～10 月为雨季，约占全年降雨量的87.7%。多年平均蒸发量 1195.7mm，最大蒸发量1151.1mm；最小蒸发量938.7mm。多年平均风速2.1m/s，最多风向西南西、南西风，占多年风向的18%；最大风速15m/s，最大风速风向为南南西风。多年平均相对湿度68.3%，最大相对湿度72%，最小相对湿度62%。多年平均气压810.4 mb，最大气压811.3 mb，最小气压809.2 mb。按云南省气候类型分区，本区属北亚热带高原季风气候。

2.3 地表水

区内最大的地表水体为海口河、滇池及鸣矣河，其中海口河及滇池距矿区较近（图1）。

滇池位于研究区东部，距矿区鞍山矿段最近，相距3km，正常高水位1887.5m，最低工作水位1885.5m。

海口河位于研究区北部，由东向北流，距松山矿段最近1.5km。流量受海口中滩街闸门控制，最大83.30m3/s，最小为0 m3/s，常流量5.00～10.00m3/s；最高水位标高 1886.85m，最低1883.15m。

鸣矣河位于研究区西部，距矿区约10km，其河床标高1885m，流量0.77～56.56m3/s，距矿区甚远，对矿床充水无影响。

鸣矣河、海口河由南而北汇合继续向北流入金沙江，属长江水系。

3 矿床水文地质条件

3.1 含隔水层特征

研究区出露含隔水层有第四系、下泥盆统海口组、下寒武统筇竹寺组和梅树村组、震旦系灯影组[4]。其水文地质特征如下表（表1）。

表1 地层水文地质特征表Table 1 Hydrogeological characteristics table of strata

寒武系梅树村组第三段一层-震旦系灯影组，岩性相近，溶蚀裂隙较发育，其中无较稳定的隔水层，互有水力联系，三个含水层（组）实为同一含水组，是矿床主要充水含水层。

3.2 断裂构造水文地质特征

区内断裂构造较简单，有F1、F2两组断裂（图3），分述如下：

Fl逆断层组：包括F1-l及F1-2两条断层，长小于1500m，走向基本上与地层平行，主要倾向北，沿倾向延深70～500m，倾角30º～60º，断距小于30m，破碎带宽度0.13～2.86m，主要切割梅树村组地层。钻孔多在2000m 标高以上的矿层中遇断层，不少在风化带中，由于矿层本身-般岩心破碎，裂隙与溶蚀均较发育，钻进中常漏水，故钻孔揭露断层时，其他特征不明显，仅少数钻孔见破碎带有0.1～4cm 砾径的角砾岩，成分以磷块岩及泥质白云岩为主，局部被泥质、钙质及白云质胶结或呈半胶结。

F2正断层组：包括F2-l及F2-4两条断层，长度及延深均较小，断距8～17m，破碎带宽0.81～4.20m，倾向南西，倾角50º～85º，延深80～190m，切割梅树村组及灯影组地层，钻孔揭露断层带的水文地质情况基本同F1。破碎带由0.5～1.5cm 粒径的棱角-次棱角状角砾组成，成分多为磷块岩、土状泥质白云岩及燧石，多被泥质胶结，部分被白云质半胶结。

以上断层所处位置较高，与地表水无水力联系，富水性基本上与其上、下盘地层富水性基本一致。

图3 研究区构造简图Fig 3 Tectonic simplified diagram in the study area

3.3 地下水补给、径流、排泄条件

香条村背斜展布基本与地表分水岭一致，由东部金铜盆山至西部杉松圆顶略偏北。核部陡山沱组裂隙含水层富水性弱，展布标高高于地下水位，地表分水岭基本可代表地下水分水岭，矿区水文地质单元为单斜构造形成的单斜含水层组成。主要充水含水层（Є1m2+3-1、Є1m1、Zbdn）在矿区南、西部(背斜核部以北)接受大气降水补给，为地下水的主要补给区，往北东为梅树村组三段与筇竹寺组相对隔水层组，所形成溶蚀裂隙岩溶含水层地下水的承压性。

从含水层展布与富水性结合地形地貌看，地下水总体上自南西、南向北东流，矿区总体上位于地下水的径流区，靠近排泄区。地下水除接受大气降水的补给外，还接受数量可观的地表径流的补给。大气降水除蒸发作用，形成地表径流汇入螳螂川与滇池外，多沿含水层露头区下渗形成地下径流，沿裂隙（含部分溶蚀裂隙）运移，最终以泉的形式集中于矿区西部的白塔村一带排泄，或少部分越流补给相邻含水层。

4 矿坑充水条件分析

4.1 充水水源

目前开采标高程大部分已降至1910m 以下，采坑出现涌水，并在底部积水，积水水面线高程基本一致。露天采坑的涌水量由两部分构成，一部分是雨季大气降水形成的地表径流汇集量，另一部分是矿（体）层及其顶底板赋存地下水的涌出量。

4.2 充水通道

采坑降至地下水位以后，地下水沿露天采坑边帮、坑底通过裂隙、溶蚀裂隙以涌水、渗水的方式直接进入矿坑，矿层及其顶底板构成统一直接充水含水层。

4.3 水文地质边界

尖山磷矿所处的水文地质单元南至老高山-金铜盆山一带，基本与地表分水岭一致，距研究区较远，可视为无限补给边界；西至桃树阱一带，也可视为无限补给边界；北侧矿层顶板筇竹寺组隔水层，为隔水边界；南侧矿层含水层沿走向延伸至滇池，之间无隔水断层，未来疏干排水条件下也可视为无限补给边界。

从现阶段露天采场揭露含水层与矿层顶板相对隔水层间关系看，除南侧与矿层底板接触（交界）处潜水面未达顶板相对隔水层底界外，潜水面已高过顶板相对隔水层底界，即含水层间赋存的地下水具承压性。含水层厚度比较一致，变化不大。底板顶界面较平展，倾斜角变化较大；南侧底板顶界具隔水作用，相当于不透水体边界；矿层与直接顶板组成的含水层形成向北倾斜的波状扭曲板状含水体，地下水的补给径流方向总的来说自西南向北东。

5 地下水矿坑涌水量预测

本次利用矿坑抽排水资料，采用比拟法[5-6]类比计算矿坑地下水涌水量，同时利用钻孔抽水实验数据，采用大井法[5]估算进行比较。水文地质比拟法的应用前提是新建矿井与老矿井的条件基本相似，老矿井要有长期的水量观测资料；适用于条件比较简单，充水岩层的透水性比较均一的孔隙或裂隙充水矿床，特别是已有多年生产历史的矿井。

5.1 “比拟法”估算

岩（矿）层走向近东西，向北东缓倾斜，倾角10°～20°，总体呈单斜形态。松山矿段2012年揭露地下水位后自2013 年陆续有有抽排水记录，鞍山矿段2015 年揭露地下水位后自2017 年陆续有抽排水记录，汤家山矿段刚开始揭露到地下水位；今后，随着开采深加大，采坑面积随之扩大，水位降深亦加大，但充水含水层变化不大。因此，可以采用水文地质比拟法公式估算不同降深工况下的地下水涌水量。计算公式为：

式中：

Q：不同采深段估算涌水量，m3/d

Q0：确定水位降深下的涌水量，m3/d

S：不同采深段的水位降深，m

S0：确定的水位降深，m

F：不同采深段的估算面积，m2

F0：矿坑抽排水涌水面积，m2

松山矿段有旱季抽排水实测数据（2018 年2月），枯水期水位标高1907.66m，坑底标高1903.56m，采用该矿段采坑已有抽排水参数进行类比估算1900～1860m 标高枯水期涌水量；鞍山矿段有旱季（2017 年4 月24 日～6 月30 日）和雨季（2017 年11 月1 日～13 日）抽排水实测数据，枯水期水位标高1908.71m，丰水期水位标高1908.32m，平水期水位标高1908.18m，坑底标高1900m，采用该矿段采坑已有抽排水参数进行类比估算1890～1840m 标高枯水期、平水期和丰水期涌水量；汤家山矿段与鞍山矿段相连，采用鞍山矿段采坑抽排水参数进行类比估算1900m 标高枯水期、平水期和丰水期涌水量。矿坑涌水量估算简图[7-9]见图4，各矿段矿坑涌水量估算参数及估算结果见表2。

图4 矿坑涌水量估算简图Fig 4 Water inflow estimated diagram in the mine pits

表2 各采深段比拟法涌水量估算结果表Table 2 Estimated water inflow table by Analogy method at different elevations in different ore blocks

5.2 “大井法”估算

研究区为单斜构造，地下水在研究区以北（即1910m 水平与含水组上层面交点以北）具承压性。依前述的水文地质边界条件，假设梅树村组一段顶部隔水岩层已由于底板含水层（梅树村组一段）地下水顶托压力过大而破坏，下抽水含水层已与上抽水含水层发生完全程度上的水力联系。采矿终了时，露天采矿坑近似为一个承压—潜水非完整井的长条形“大井”，概化模型图见图5。

图5 露天采坑概化水文地质模型示意图Fig 5 Sketcth section of generalized hydrogeological model for the opening mine pit

大井法涌水量计算公式：

式中：

Q：地下水渗流总量，即地下水涌向露天采坑的水量，m3；

K：含水层渗透系数，取钻孔CH101、CH202的平均值2.43m/d；

M：承压含水层厚度；由于岩层倾斜，不易计算，简化为岩层水平，取采坑充水直接相关的含水层（Є1m3-1、Є1m2、Є1m1、Zbdn）各自平均厚度之和，分别为3.19m、21.65m、46.75m 和200m，求和为271.59m，取270m；

H：承压水头高度，由于枯、丰、平地下水头很接近，统一取1908m，至灯影组底板为313m。

h：采坑底部（疏干水位）至隔水底板的距离，相当于Є1m1与Zbdn的地层厚度之和，取245m。

r0：大井引用半径，采坑近似为矩形，r0=η*(a+b)/4。η为与矿坑a、b 相关的系数，见表3；

R：大井的影响半径，

R0：大井引用半径，R0=R+r0

各矿段大井法相关参数和涌水量估算结果见表4。比拟法和大井法涌水量估算结果表对比见表5。

表3 与矿坑a、b 相关的系数η 对照表Table 3 Comparison table of coefficient related to the mine pits of a and b

表4 大井法涌水量估算结果表Table 4 Estimated result table of water inflow by Big well method

表5 比拟法和大井法涌水量估算结果表对比表Table 5 Comparison table of estimated results by Analogy method and Big Well method

5.3 “比拟法”和“大井法”涌水量估算误差评述

比拟法和大井法计算的地下水涌水量结果相差甚大，主要因为：一是地下水动力学法（大井法）参数R0由经验公式计算得出，导致计算的涌水量结果出现偏差；二是松山、鞍山矿段深部裂隙发育减弱，富水性变弱；三是汤家山矿段仅开采至1900m 标高，而引用的含水层厚度较大。

因三个矿段相连，并且松山矿段和鞍山矿段1903.56m 和1900m 标高涌水量均为实际测量数据，实测涌水量分别为：

Q枯0=2.14×104m3

Q0平=2.50×104m3

Q0枯=2.30×104m3

Q0丰=2.70×104m3

比拟法估算结果与上述实测结果相对接近，故本次地下水涌水量推荐采用比拟法估算值。松山矿段和汤家山矿段比拟至1900m 标高、鞍山矿段比拟至1890m 标高时计算精度相对较高，为C级[10]，误差[11]40%～60%，成果相对可靠，再往下精度逐次降低。

6 结论

尖山磷矿主要处于地下水的补给及径流区，水文地质条件分为两部分，1910m 标高以上矿体位于潜水位以上，不受地下水影响，地表水充水影响较小，矿床充水方式主要为大气降水，矿坑水可形成自然排泄，水文地质条件简单；1910m标高以下，矿体赋存于潜水水位以下，矿体受顶、底板及来自矿层裂隙-岩溶裂隙含水层充水影响，矿床充水条件为顶底板岩溶裂隙直接充水的复杂类型。

本次矿坑地下水涌水量采用比拟法类比计算，并采用大井法进行比较，比拟法估算结果更接近实测数据，涌水量推荐采用比拟法估算值。松山矿段和汤家山矿段比拟至1900m 标高、鞍山矿段比拟至1890m 标高时计算精度相对较高，往下精度逐次降低，在将来的生产过程中，应根据实际涌水量情况，使用时需适时修正。