某露天矿采坑涌水与地表河流水力联系分析

赵恰

(紫金矿业集团股份有限公司， 福建 厦门市 361016)

矿山周边存在河流、湖泊或水库等地表水体，且地表水体与矿坑存在水力联系时，往往导致矿坑涌水量大、矿山水文地质条件复杂。同时地表水体受降雨影响明显，雨季河流、水库等地表水体水位剧涨，易引发矿坑水量大增，矿山淹井风险大。因此，针对周边存在河流、湖泊或水库等地表水体的矿山，研究地表水体与矿坑之间水力联系是矿山水文地质条件研究的主要工作。目前我国主要采用水位对比分析法、水化学分析法、大型抽放水试验法[1]、物探探查法[2]和地下水高精度示踪试验法[3-6]等技术研究地表水体与矿坑之间的水力联系。地下水高精度示踪试验法利用示踪剂浓度的连续变化特征可以较直接地判断地表水体与矿坑之间的水力联系情况，近年来应用较广，如杨柱等[7]采用地下水高精度示踪试验法分析了汀江水与紫金山金铜矿深部开采之间的水力联系；张浪等[8]采用地下水高精度示踪试验法分析了地表水体与地下水系统之间的水力联系情况；尹尚先等[9]采用地下水高精度示踪试验法探查了矿井充水条件。本文通过水位对比分析法和地下水高精度示踪试验法查明地表河流与露天采坑之间的水力联系，为矿山防治水方案的制定提供依据。

1 矿山水文地质条件

某矿床隶属于向斜水文地质单元，倾向向北的急倾斜（倾角56°）单斜岩层地段。地势北高南低，东高西低，距离西侧河流约1 km。矿床主要位于当地基准侵蚀线以下，矿区范围内分布的地下水类型有第四系全新统冲洪积潜水含水层(Q4apl)、新近系上—中新统含水层（N1-2）、古近系渐—始新统含水层（E2-3）、古新统乌拉根组含水层（E1w1）和上白垩统依克孜苏组相对隔水层（K2y），矿床属于基岩裂隙含水层直接充水的水文地质条件简单-中等复杂矿床。各主要含水层和隔水层的空间分布特征如图1、图2所示，水文地质特征分述如下。

图1 矿区水文地质平面

图2 3线水文地质剖面

1.1 含水层

（1）第四系全新统冲洪积潜水含水层(Q4apl)：分布于河谷，岩性由砂土、砾石、卵石和少量漂石组成。含水层厚4～12 m，地下水埋藏深度一般为0.7～1.3 m，渗透系数 1～10 m/d，涌水量大于 60 L/s。

（2）新近系上—中新统含水层组(N1-2)：岩性为砾岩夹砂岩、钙质粉砂岩，含水层单位涌水量0.000492 L/(s·m)，渗透系数 0.000722 m/d。

（3）古近系渐—始新统裂隙含水层(E2-3)：岩性为灰—灰绿色、灰褐色含铜砂岩夹泥岩，岩芯较完整，局部破碎，渗透系数0.0045 m/d。

（4）古新统乌拉根含水层(E1w1)：岩性为砂岩、泥岩及砂岩夹泥岩组成，含水层涌水量为0.408～0.816 L/S，单位涌水量 0.000408 L/(s·m)，渗透系数 0.0121～0.000564 m/d。

1.2 相对隔水层

上白垩统依克孜苏组相对隔水层(K2y)：矿区内最古老的地层，分布于乌拉根向斜两翼。自下而上分成两层：第一层（K2y1），岩性为砂岩夹泥岩，厚364～396 m；第二层（K2y2），岩性为紫红色—灰绿色泥岩，厚54.72 m。富水性弱，为相对隔水层。

1.3 地表河流

河流由北向南流经矿区西部，为矿区最低侵蚀基准面。河流距离矿区露天开采边界约1 km（见图1）。河流在1～5月为枯水期，6～8月为丰水期，9～12月为平水期。2018—2019年河流动态观测资料显示，河流的流量为0.4～6.05 m³/s，水面宽度为4～14 m。

1.4 构造破碎带特征及影响

矿区南部分布有 F10、F11、F13和 F18四条断裂（见图1），其中主要断裂构造F10、F11和F18走向北东东—南西西，倾向北北西，倾角50°～70°，距离矿床较远，未对矿床开采造成影响。

1.5 水文地质边界条件

从图1可以看出，向斜在平面上呈东端闭合，西部开放的宽缓褶皱，地层向西倾伏，南、北两翼基本对称分布，向斜核部为新近系更、上新统，两翼最外围分布着上白垩统依克孜苏组(K2y)石英砂岩相对隔水层，使得乌拉根向斜在平面上呈现出东、北和南部三面隔水，西部补给的水文地质特征。

2 河流与矿坑之间水力联系分析

2.1 水位对比分析法

矿山在北部靠近地表河流的山坡上施工有地下水长期水文观测孔ZK79。2019年8月开始观测ZK79孔地下水水位，除疫情期间中断观测外，基本按照每月2次的频率观测地下水位，测量成果见表1。

表1 ZK79孔地下水位测量成果统计

地表河流河床标高2045 m，为矿区最低侵蚀基准面。矿山在ZK79孔下方河流处设立河水水深监测点（见图1），采用断面法在河流断面上设置3个测点，按照每月1次的频率测量河道水深，测量成果见表2。

表2 河道水深测量成果

由表1、表2可知，该区域的地下水位标高为2172.19～2177.06 m，而同期的河水标高为2045.1～2045.4 m，河水标高远低于区域地下水位标高，因此河水未补给基岩含水层。

2.2 地下水高精度示踪试验法

2.2.1 试验原理及方案

地下水高精度示踪试验原理是利用与地下水背景值差异较大、稳定且无污染的可溶性盐类离子作为示踪剂，然后在地下水系统的源头投放，使其随地下水的流动而运动，在预期到达的地下水系统排泄端接受示踪剂，根据监测系统接受的示踪剂浓度变化情况判断水力联系情况。

本次示踪试验投样点布设在矿区的西部进水通道的高水位区（见图1），分别为地表水源处（投样点1）和ZK79孔（投样点2），其中地表水源处地表水与河水联系紧密，且流速较慢便于开展示踪试验，因此选择地表水源代表地表河流[10-12]。为了防止影响地下水水质，本次试验选择食盐作为示踪剂。监测点设置在露天采坑坑底2029 m水仓口，采用雷磁便携式电导率仪DDB-303A监测坑内涌水的电导率，测量范围2～104 μs/cm，误差±1%。

在ZK79孔和地表水源处同时开展示踪试验，其中ZK79孔一次性投放食盐200 kg，地表水源处一次性投放食盐300 kg。示踪剂投放前3天开始在露天采坑坑底水仓口监测点在线监测地下水背景值，监测频率为1 次/d。示踪剂投放后即可开始在露天采坑坑底水仓口监测坑内涌水的电导率。监测时，按照推测的地下水运移时间加密监测，同时为了防止错失关键试验数据而发生误判现象，随时根据监测的坑内涌水电导率变化情况调整监测频率。地下水高精度示踪试验共历时30 d。

2.2.2 试验结果分析

地下水高精度示踪试验结果分析和评判分为定性分析和定量分析两部分，定性分析主要依据地下水监测点在试验期内是否接受到示踪剂，若接受到示踪剂则两者存在水力联系，否则不存在水力联系。定量分析是利用地下水监测点测量获取的示踪剂质量浓度历时曲线形式（单峰、双峰等形式）分析投样点和监测点之间含水层介质的通道形式，同时还可以根据示踪剂质量浓度变化曲线获得地下水的流速、弥散系数等水文地质参数[13-14]。露天采坑监测点地下水电导率监测结果见图3。

图3 露天采坑监测点地下水电导率曲线

从图3可以看出，矿区地下水电导率的背景值为492～495 μs/cm。示踪试验期间矿区露天采坑监测点测量的地下水电导率为487～498 μs/cm。示踪试验期间地下水的电导率相比于试验开始前测量的地下水电导率背景值变化幅度小，可忽略不计，且示踪试验期间测量的地下水电导率曲线仅为自然波动，不具有明显的规律特征，因此，ZK79处地下水和水源地处地表水与矿坑之间不存在水力联系。

3 结论

（1）水位对比分析法和高精度示踪试验相结合的手段能准确地分析地表水与矿坑之间的水力联系程度，相关矿山可以参考借鉴。

（2）地表河流附近区域地下水水位远高于地表河流水位，因此，地表河流未补给基岩含水层。

（3）高精度示踪试验结果表明，地表河流与露天采坑之间不存在水力联系，河水不是矿坑涌水的来源之一。