山东省平邑县贺山庄金矿床充水因素分析及涌水量预测

陆建同，甘新宇＊

（山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队），山东 济宁 272100）

矿区位于平邑县城东南25km处，行政区划隶属铜石镇。矿区北距兖石铁路及327国道5.4km，西北距平邑火车站30km、西北距日菏高速公路平邑东出口4km，交通方便。开采方式为地下开采，生产规模2.5万t/年，开采标高：+180m～-20m，另外保有资源储量金矿石量315348t，金金属量1369kg，平均品位4.34×10-6。因此依托贺山庄金矿补充勘探项目，研究该矿区水文地质条件、并进行矿床涌水量预测及充水因素分析，对金矿床的开采具有重要意义。

1 矿区水文地质条件

1.1 地形地貌

贺山庄金矿位于鲁中南山地丘陵区，构造剥蚀地形，属岩溶丘陵区。本区域最高点为南部吴王崮,标高+653.9m；北部和东部地形起伏较小，地面标高大多在+110.5～+150.0m，最高+235.0m，当地最低侵蚀基准面标高+109.0m。

1.2 气象水文

本区属暖温带大陆性季风气候，四季分明。多年平均气温13.5℃。年平均降水量742.6mm，降雨多集中于7-9月份，冬春两季干旱。平均结冰期150天，最大冻土深度39cm。区域上地表水体主要有浚河、蓝河、昌里水库等。

区域水文地质分区属鲁中南中低山丘陵碳酸盐岩类为主的水文地质区、曲阜—临沂单斜断陷水文地质亚区、平邑断块岩溶水系统。

1.3 含水层与相对隔水层特征

根据以往地质资料及本次施工成果，自上而下可分为第四系松散岩类孔隙含水层、碳酸盐岩岩溶裂隙含水层、碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层及基岩裂隙含水层。

（1）第四系孔隙含水层。第四系主要分布于沟谷两侧、地势平缓的低洼处，含水层主要有中粗砂及砾石组成，水位埋深2m～4m。民井单位涌水量0.103～0.771L/（s·m），矿化度0.64g/L。地下水水化学类型为HCO3—Ca、Mg型。

（2）碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。地表出露于矿区南部红旗新村北和贺山庄东南一带。根据以往资料及本次钻孔揭露，该含水岩组溶洞和溶蚀孔洞发育，岩溶率约3%～15%，溶蚀孔洞和微裂隙中充填方解石团块和细脉。据钻孔抽水试验结果，钻孔单位涌水量2.406L/（s·m），渗透系数8.685m/d,矿化度为0.563g/L，地下水水化学类型为HCO3-Ca、Mg。该含水层富水性强，位于矿床底板，与矿床直接接触，对矿床产生直接充水影响。

（3）碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。该含水岩组在矿区内呈零星点状分布，主要有馒头组石英砂岩、页岩、泥质灰岩及朱砂洞组上灰岩段灰岩组成，裂隙不发育，富水性弱。在矿区外围的西北出露较多。民井单位涌水量＜0.1L/（s·m）。

（4）基岩裂隙含水层。主要为裸露于地表的二长闪长玢岩风化层，透水性较弱，直接接受大气降水的补给，富水程度受季节影响变化较大，水位埋深10m左右，风化层厚15m～45m。该风化层富水性不均匀，局部富水性极弱。

（5）相对隔水层。矿床内隔水层主要为多层次侵入的中生代二长闪长玢岩岩床、太古代二长花岗岩岩床。依据岩石总体分布特征，将其大概分为两层。

第一层为二长闪长玢岩，据钻孔资料统计,隔水层厚度由北向南厚度逐渐变薄,厚11.35m～145.5m左右，赋存标高由北向南逐渐变浅，赋存标高+6.29～+188.44，岩体较完整，裂隙多为闭合状裂隙，总体透水性差，根据ZK1102抽水试验,渗透系数0.000037m/d，为相对隔水层。

第二层为太古代二长花岗岩，裂隙发育较差，层位稳定，裂隙多为闭合状裂隙，为良好的隔水层，该隔水其厚度大于108.75m，顶板赋存标高+28.03～+188.44。

1.4 断层构造特征

1.4.1 贺山庄断层

展布于矿区西南部，区内出露长度约1.5km。断裂总体走向310°，呈舒缓波状弯曲，倾向南西，倾角60°～72°，南西盘下降，北东盘抬升，垂直断距约150m，为张性断层。构造角砾岩带宽0.50m～6.00m，角砾岩微张性裂隙较发育。经野外地表调查，贺山庄矿床坑道排水时，贺山庄断层北侧水位下降明显，断层南侧地下水位无明显变化，初步分析该断层为相对阻水断层。

1.4.2 卓家庄断层

位于矿区北部，为卓家庄矿段控矿断层。区内出露长度约1.0km，总体走向310°，倾向南西，倾角60°～78°，为高角度正断层，断距不明显。被后期中生代二长斑岩脉充填，脉岩宽1.50m～8.60m。经野外地表调查及访问，贺山庄矿床坑道排水时，卓家庄断层两侧水位下降均很明显，水位一直影响到卓家庄断层东北部的西皋村，说明该断层为透水断层。

1.5 矿区内地下水补给、径流、排泄条件

（1）补给。大气降水的入渗补给是矿床内地下水的重要补给来源。部分基岩直接裸露于地表，可直接接受大气降水入渗补。矿床西部碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组通过裂隙、断层破碎带、岩脉与矿床地下水产生水力联系。对矿床地下水有一定补给作用。对矿区内地下水有地表径流补给作用的地表水体为西皋河与灌溉渠，西皋河、灌溉渠的水源主要来至昌里水库。当昌里水库向西皋河与灌溉渠道放水时或旱季时，西皋河与灌溉渠道水位上升，通过断层破碎带、裂隙等渗入补给矿区内地下水含水岩组。

（2）地下水的径流与排泄。矿区的碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组地下水径流方向由西南向东北方向径流。地下水与地表水有互补关系，雨季水位上升迅速，地表水沿岩溶裂隙渗漏补给地下水。旱季水位下降快，地下水沿岩溶裂隙排泄给地表水体，潜水径流方向与地表水流基本一致，由北西流向南东，沿西皋河排泄。矿区为补给径流区。

图1 地下水的补给、径流、排泄剖面示意图

2 矿床充水因素分析

2.1 大气降水对矿坑充水的影响

大气降水的入渗补给是区域上地下水的重要补给来源。降雨一般集中在每年的7-9月份，每次降雨延迟1月左右，影响时间较长，水位年变化幅度4m～10m左右。不会对矿床充水产生直接危害。

2.2 地表水与地下水对矿坑充水的影响

地表水中，主要有西皋河与灌溉渠，二者的主要补给水源为昌里水库。当向下游放水或大气降水时，西皋河与灌溉渠水位上升，由于西皋河与灌溉渠内有淤泥质、粘性土等起到一定的阻水作用，所以地表水延断层破碎带、溶蚀裂隙等途径补给缓慢。不会对矿床充水产生直接危害。

地下水中，碳酸盐岩岩溶裂隙含水层富水性强，透水性好，溶蚀裂隙发育，在红旗新村北与贺山庄东南一带出露地表，直接接受大气降水补给，补给来源充足，与矿体直接接触，对矿坑充水影响较大。是矿床充水的直接充水水源。对矿床充水产生直接危害。

3 坑道涌水量预测

3.1 边界条件的确定

本矿区矿坑涌水量预测分别选用：①对于赋存于碳酸盐岩岩溶裂隙含水层中的矿体选用有一隔水边界的“大井法”稳定流承压转无压公式；②原岩为隐爆角砾岩赋存于二长闪长玢岩的矿体，由于矿体底板隔水较好，采用潜水完整井公式预测；③“水文地质比拟法”进行矿坑涌水量预测。

3.2 坑道涌水量预测

本矿区共17个矿体，编号分别为①～⑰。其中，⑭与⑰（原卓家庄矿体）号矿体为隐爆角砾岩型；⑦、⑫为二长斑岩型；其余13个矿体为白云岩型；其中⑭号为主矿体，⑯号为新发现矿体。由于矿体较多，现选择具有代表性的矿体进行涌水量预测，分别为⑦、⑧、⑩、⑫、⑬、⑭、⑯、⑰8个矿体。

3.2.1 “大井法”矿坑涌水量预测

现对⑦、⑧、⑩、⑫、⑬、⑭、⑯和⑰（其中⑦、⑧、⑩、⑫、⑬号矿体相距较近，根据开采设计采用同一坑道系统进行开采，进行总涌水量预测）矿体进行涌水量预测，对于赋存于碳酸盐岩岩溶裂隙含水层中的矿体采用有一隔水边界的“大井法”稳定流承压转无压公式。

有一隔水边界的“大井法”稳定流承压转无压公式：

对于原岩为隐爆角砾岩赋存与二长闪长玢岩的矿体,由于矿体底板隔水较好,采用潜水完整井公式。

潜水完整井公式：

式中：Q：预测矿坑正常涌水量（m3/d）；Qmax：预测矿坑最大涌水量，根据矿坑开采时最大涌水量约为正常涌水量的1.5倍，Qmax取Q的1.5倍；d：矿坑距隔水边界的距离；K：渗透系数（m/d）；H：承压水头高度（m）；M：含水层厚度（m）；R0：引用影响半径（m），对于承压水；r0：引用半径（m）；S：预测水位降深（m）；h0：h0=H-S。

计算参数的确定:

K：渗透系数采用ZK1102钻孔抽水试验资料，K=8.685m/d；

H：承压水头高度根据各矿体预测标高与碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组稳定水位标高+142.87m计算；潜水水头高度根据预测标高与水位标高171.83m计算。

S：矿坑疏干排水时，S=H；

M：各矿体对应的碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组的厚度；

d：矿体距隔水边界的距离；

r0：根据各矿体特征来定，矿坑几何图形近似矩形，采用r0=η(a+b)/4公式计算；式中：a为矿坑长度，b矿坑平均宽度，η查表1；矿坑几何图形为多边形时，采用r0=P/2π，P为多边形的周长。

表1 η对应值表

h0：坑道疏干排水时h0为零。

通过“大井法”涌水量预测成果见表2。

表2 “大井法”坑道涌水量预测成果表

3.2.2 “水文地质比拟法”矿坑涌水量预测

本次核实期间，⑦、⑧、⑩、⑫、⑬号矿体+120m中段坑道已经形成(坑道长220m,宽2.5m),并对其进行坑道疏干涌水量观测,观测值为3257.01m3/d(2015年4月5日)和2746.89m3/d(2015年4月9日)。根据本次实际涌水量观测值采用稳定流承压水水文地质比拟法公式对⑦、⑧、⑩、⑫、⑬、⑭、⑯和⑰号矿体进行涌水量预测计算。稳定流承压水水文地质比拟法公式：

式中：Q：预测矿坑正常涌水量（m3/d）；Qmax：预测矿坑最大涌水量，根据矿坑开采时最大涌水量约为正常涌水量的1.5倍；r：预测矿坑的引用半径（m）；S：预测矿坑的水位降深（m）；r1：已知矿坑的引用半径（m）；Q1：已知矿坑的实际涌水量（m3/d）；S1：已知矿坑的水位降深（m）。

计算参数的确定：

r1：已知⑦、⑧、⑩、⑫、⑬号矿体+120m中段坑道的引用半径（m），用r=η(a+b)/4公式计算；式中：a为矿坑长度，b矿坑平均宽度，η查表3，计算得55.63m。

表3 水文地质比拟法矿坑涌水量预测成果表

Q1：⑦、⑧、⑩、⑫、⑬号矿体+120m中段坑道涌水量观测,取两次观测的平均值3051.96m3/d。

S1：碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组稳定水位标高+142.87m与+120m的差值,即22.87m；

S：根据各矿体预测标高与碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组稳定水位标高+142.87m计算；

r：根据各矿体特征来定,矿坑几何图形近似矩形，采用r=η(a+b)/4公式计算；式中：a为矿坑长度，b矿坑平均宽度，η查表3；矿坑几何图形为多边形时，采用r=P/2π,P为多边形的周长。

通过“水文地质比拟法”涌水量预测成果见表3。

3.3 矿坑涌水量预测成果对比分析

“大井法”与“文地质比拟法”矿坑涌水量预测对比。

由表4可以看出，“水文地质比拟法”比“大井法”计算结果要小；二者与实际涌水量相比，“水文地质比拟法”的计算结果更接近矿坑实际涌水量。

表4 矿坑正常涌水量预测成果对比表

4 结论

矿区内地形为较平坦的丘陵区，地形起伏变化不大，矿体埋深小于200m，矿床充水主要为地下碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。且矿床下部位于主要含水层内，含水层富水性强，补给条件好，与区域含水层水水力联系较密切，构造破碎带或岩溶发育，预测矿床开采时涌水量大。综上所述，该矿床水文地质条件总体属复杂型。