曹興旺，王 恒，楊明明

(桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004)

廣西某鉛鋅礦水文地質(zhì)條件分析與涌水量預(yù)測

曹興旺，王 恒，楊明明

(桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004)

盤龍鉛鋅礦位于廣西壯族自治區(qū)武宣縣城以南桐嶺鎮(zhèn)的盤龍村～灣龍村一帶。礦體賦存于下泥盆系上倫組白云巖中，頂?shù)装鍑鷰r均為白云巖，礦體延伸展布受白云巖及層間擠壓破碎帶的控制，礦床水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜。通過資料收集與水文地質(zhì)調(diào)查，綜合分析盤龍鉛鋅礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。采用幾種不同的方法對本礦的涌水量進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果得出:大嶺礦段礦坑總涌水量枯水期為950 t/h、豐水期為1 200 t/h。

礦床開采;礦井涌水量;水文地質(zhì)條件;涌水量預(yù)測

礦井涌、突水是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)問題，這使得礦井涌水量的預(yù)測值與實(shí)際值往往存在較大的偏差，礦井涌水量的預(yù)測往往難以獲得令人滿意的結(jié)果，這也導(dǎo)致礦井涌、突水的生產(chǎn)事件給國家的財(cái)產(chǎn)和礦工的生命安全造成了巨大的威脅。

礦井涌水量是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一，關(guān)系到礦山的生產(chǎn)條件與成本，對礦床的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價(jià)有的影響很大，并且是確定開采方案、排水設(shè)備和制定防治水措施的重要依據(jù)［1］。

預(yù)測礦井涌水量方法可分為兩類:一類是集中參數(shù)法，另一類是分布參數(shù)法(見圖1)。

圖1 礦井涌水量預(yù)測方法分類圖

礦井涌水量預(yù)測的發(fā)展的歷史幾十年來，各種數(shù)學(xué)模型在當(dāng)時(shí)開采規(guī)模和勘探條件下，所預(yù)測的礦井涌水量對某些礦山開采起到了一定的積極指導(dǎo)作用，隨著礦山開采深度的加大和水文地質(zhì)勘探所提供的不同性質(zhì)的信息資料，一些涌水量預(yù)測的數(shù)學(xué)模型被后繼發(fā)展的新的數(shù)學(xué)模型所代替。如此反復(fù)，使得礦井涌水量預(yù)測的數(shù)學(xué)模型不斷發(fā)展［2］，精度也不斷提高。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)

1.1 含(隔)水巖組及地下水類型

根據(jù)地層巖性、巖層組合及地下水賦存條件，區(qū)內(nèi)共劃分三種地下水類型，即松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水和碳

酸巖鹽巖溶水，在碳酸巖鹽巖溶水中又分碳酸巖鹽巖裂隙溶

洞水和碳酸巖鹽巖溶洞裂隙水兩個(gè)亞類。

1.1.1 松散堆積層孔隙水

礦區(qū)內(nèi)第四系松散堆積層廣泛分布于洼地、谷地和平原地帶，巖性為含鐵錳結(jié)核粘土、含碎石粉質(zhì)粘土，透水性弱或相對隔水。因河流切割較深、下伏巖溶發(fā)育，枯季地下水位一般都在基巖面以下，因此，一般屬弱透水非含水層。僅在低洼地帶弱含水。

1.1.2 基巖裂隙水

分布于礦區(qū)的南部、東南部丘陵地區(qū)，巖層包括:泥盆系下統(tǒng)郁江組(D1y)、那高嶺組(D1n)、蓮花山組(D1l)紫紅色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥頁巖等。巖層中構(gòu)造裂隙、層間裂隙、風(fēng)化裂隙較發(fā)育，密集細(xì)小，透水性較差，地下水賦存和運(yùn)移在裂隙中。在有利地形條件下，形成小泉水，泉水流量一般為0.08～0.82 L/s，屬弱富水性，深部富水性更差，極弱富水性，屬隔水層。

1.1.3 碳酸巖鹽巖溶水

1)碳酸巖鹽巖裂隙溶洞水

分布于礦區(qū)的北部、中西部和礦區(qū)外6～10 km的西部和西北部，巖層包括:石炭系上統(tǒng)、中統(tǒng)、下統(tǒng)和泥盆系上統(tǒng)、中統(tǒng)的灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，局部夾泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖等。碳酸巖鹽厚度大，質(zhì)純，地下巖溶較發(fā)育，絕大部分地下水賦存運(yùn)移于地下巖溶管道或裂隙狀溶洞中，由于地下巖溶管道、裂隙狀溶洞規(guī)模較大，透水性極強(qiáng)，但均勻性較差。在有利的地形、構(gòu)造和巖性組合因素的影響、控制下，可形成大泉及地下河，成為富水帶，總體屬于強(qiáng)富水性含水巖組。其中:

石炭系上統(tǒng)(C1)分布區(qū)龍從灌區(qū)三級站附近的222號泉群流量25.75 L/s，泉群口標(biāo)高87 m，表明該帶地下水位低于87 m標(biāo)高，在泉群西北部調(diào)查的20多個(gè)溶洞和落水洞標(biāo)高均在87 m以上，不見水，又無泉水，是必然的。泉群的北東面220號溶洞見水，標(biāo)高74 m，推測暗河地下水流向，認(rèn)為地下水由南西向北東逕流，排泄于黔江。

石炭系中統(tǒng)(C2)分布區(qū)調(diào)查泉水14個(gè)，流量一般為3～5 L/s，最大流量75 L/s，中等流量為30 L/s，地下水由南西向北東逕流，排泄于黔江。

石炭系下統(tǒng)(C3)分布區(qū)西南部出露三個(gè)泉水，流量分別為 13.33 L/s、23.57 L/s、2.8 L/s，地下水總體由南西向北東逕流，排泄于黔江。

泥盆系上統(tǒng)融縣組(D3r)分布區(qū)僅見一個(gè)大的泉水，位于北面排泄區(qū)，出露于落水洞底部，估計(jì)流量50 L/s。197號落水洞水流方向40°，即地下水逕流方向，排泄于黔江。

泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組(D2d)、巴漆組(D2b)分布區(qū)的泉水流量在5～10 L/s之間，根據(jù)泉水出露標(biāo)高分析，地下水沿北東方向逕流，排泄于黔江。

2)碳酸巖鹽巖溶洞裂隙水

分布于礦區(qū)的中部、中西部。巖層包括:泥盆系下統(tǒng)大樂組(D1d1)、官橋組(D1g)、二塘組(D1e)和上倫組(D1s1)地層，以薄—中層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，層間夾鈣質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖等。不純碳酸鹽巖厚度較大，質(zhì)不純，并夾有非可溶巖，地下巖溶不太發(fā)育，以溶蝕裂隙為主，地下水賦存運(yùn)移于地下構(gòu)造裂隙、層間裂隙和溶蝕裂隙及小的溶洞中，由于地下溶蝕裂隙規(guī)模較小，透水性中等，部分呈弱透水性(如大樂組)，均勻性較差。在有利地形、構(gòu)造和巖性等因素的影響、控制下，以中小流量的泉出露，泉水流量一般在1～2.53 L/s之間，一般屬中等富水性含水巖組，部分成為相對隔水巖組。

1.2 巖溶發(fā)育特征

1.2.1 地表巖溶發(fā)育特征

礦區(qū)內(nèi)地表巖溶有溶洞、落水洞、溶蝕裂隙等，多發(fā)育于巖層層面與構(gòu)造裂隙交叉部位，沿層面和裂隙面繼續(xù)向深部延伸發(fā)育，巖溶發(fā)育受巖層層面及構(gòu)造裂隙控制，大多數(shù)溶洞不見水，說明地下水位埋深大。

溶洞:因多期次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)地殼升降和溶蝕作用影響，致使區(qū)內(nèi)地形相對高差拉大，60～65 m標(biāo)高以上的溶洞懸掛于峭壁之中，成為無水溶洞，規(guī)模3～5 m，高出當(dāng)?shù)鼗治g準(zhǔn)面10～50 m不等。

落水洞:多分布于谷地、平原、洼地邊緣地帶，規(guī)模大小不一，最小直徑不到1 m，一般5 m左右，最大的134號落水洞直徑14.5 m，深6 m，197號落水洞規(guī)模30×20 m，深2～4 m。許多落水洞是當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水的補(bǔ)給、排泄通道。

1.2.2 地下巖溶發(fā)育特征

據(jù)1:20萬來賓幅區(qū)域水文地質(zhì)普查資料，潯江流域桐嶺一帶地下巖溶具有如下特征:

(1)巖溶發(fā)育呈成層性:大致可以分為兩層，即標(biāo)高40～60 m、5～30 m。

(2)巖溶發(fā)育數(shù)量隨著深度增加而減少:標(biāo)高5米以上為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育帶，標(biāo)高5米以下為巖溶弱發(fā)育帶。

(3)巖溶發(fā)育規(guī)模隨著深度增加而減小。

(4)溶洞充填物隨著深度增加而減少:標(biāo)高40～60 m的溶洞多被充填;標(biāo)高5～30 m的溶洞多為半充填;標(biāo)高5 m以下的溶洞多為空洞。

2 礦坑涌水量預(yù)測

2.1 解析法計(jì)算結(jié)果

解析法是預(yù)測礦井涌水量的常用方法之一，具有適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)［3］，它是運(yùn)用地下水動(dòng)力學(xué)原理，以數(shù)學(xué)分析的方法，對一定邊界條件和初始條件下的地下水流動(dòng)問題理想化模式的定解公式，然后，應(yīng)用這些公式預(yù)測礦井涌水量［4］。

現(xiàn)分別利用穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流解析法進(jìn)行礦坑涌水量:

2.1.1 穩(wěn)定流

首先，選擇計(jì)算公式。將礦坑視為一個(gè)大井，使用大井法計(jì)算，公式為:

式中:K為滲透系數(shù)(m/d);H為潛水含水層水頭(m);h為水頭值(m);Q為流量(t/d);r為鉆孔距大井中心的距離(m);C為常數(shù)1。

其次，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。以24線為界分成兩部分，根據(jù)鉆探揭露的主要巖溶段深度和現(xiàn)狀礦坑地下水位，取平均標(biāo)高－50 m為含水層底板，坑道放水試驗(yàn) S1、S2期間，即2010年5月25日至7月5日的平均流量為20 331.24 t/d。取其中具有代表性鉆孔對應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)(h由S1、S2觀測資料可知)，并代入(1)式計(jì)算得 r、h值，見表1。

表1 穩(wěn)定流計(jì)算的含水層滲透系數(shù)結(jié)果表

24線以東地帶，以水22至水161鉆孔計(jì)算的平均值:K1=3.690 m/d代表東亞區(qū)含水層的滲透系數(shù);24線以西地帶，以ZK2405至 ZK5001鉆孔計(jì)算的平均值:K2=8.494 m/d代表西亞區(qū)含水層的滲透系數(shù)。按面積比，取K2權(quán)重為2、K1權(quán)重為1，進(jìn)行加權(quán)平均得:水均衡區(qū)含水層的滲透系數(shù)為 K=5.291 m/d。

最后，進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測。利用上述計(jì)算參數(shù)，并取水頭值為標(biāo)高－70 m，代入(1)式計(jì)算，得:礦坑地下水水位降深至－70 m水平時(shí)的礦坑涌水量為:

Q=21 582.646 t/d，即 899.277 t/h。

2.1.2 非穩(wěn)定流

首先，選擇計(jì)算公式。

式中:r為鉆孔到井中心的距離(m);S為降深(m);Q為涌水量(t/d);T為含水層導(dǎo)水系數(shù)(m2/d);s為儲(chǔ)水系數(shù);a為傳導(dǎo)系數(shù)(m3/d)。

其次，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。由于放水試驗(yàn)時(shí)間較長，可采用Jacob直線圖解法在半對數(shù)坐標(biāo)紙上放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線s－t的直線段求參。

計(jì)算的參數(shù)如表2。取代表性鉆孔統(tǒng)計(jì)平均值得:含水層的導(dǎo)水系數(shù) T=228.386m2/d，影響半徑r=528.786m。

表2 非穩(wěn)定流計(jì)算的含水層水文地質(zhì)參數(shù)結(jié)果表

最后，進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測。利用上述計(jì)算參數(shù)，并取水頭值為標(biāo)高－70 m，代入式(3)式計(jì)算，得:地下水水位降深至－70m水平時(shí)的礦坑涌水量為:

Q=26 750.68t/d，即 =1 114.612 t/h。

2.2 相關(guān)分析法計(jì)算結(jié)果

相關(guān)分析法是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，利用抽(放)水試驗(yàn)結(jié)果，建立起降深與涌水量相關(guān)公式，進(jìn)行外推計(jì)算涌水量或降深的一種常用地下水資源評價(jià)方法，因此，相關(guān)分析法要求試驗(yàn)條件盡量的接近未來開采條件［5］。

現(xiàn)利用該進(jìn)行礦坑涌水量計(jì)算，計(jì)算方法與步驟如下:

首先，選擇計(jì)算公式。降深與涌水量相關(guān)關(guān)系常見有直線型、對數(shù)型和指數(shù)性等，可利用(4)式的計(jì)算結(jié)果鑒別曲線類型、選擇計(jì)算公式［6］。

式中:S1、S2為水位降深(m);Q1、Q2為涌水量(m3/d)。

表3 降深與涌水量關(guān)系表

其次，確定待定參數(shù)。作出Q－lgS曲線，計(jì)算確定參數(shù)得，地下水水位降深至－70米水平時(shí)的礦坑涌水量為:

Q=23 762.664 t/d，即 990.111 t/h。

2.3 水文地質(zhì)比擬法計(jì)算結(jié)果

水文地質(zhì)比擬法是根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件相似性，利用已知區(qū)段、開采水平的礦坑涌水量、降深和巷道長度、面積等資料，建立起比擬公式，進(jìn)行未知區(qū)域水量計(jì)算的一種常用地下水資源評價(jià)方法，即利用已知礦井涌水量預(yù)測新建礦井涌水量［7］。

首先，選擇計(jì)算公式。根據(jù)水文地質(zhì)條件分析，選擇－70 m中段實(shí)際觀測資料做為已知數(shù)值，進(jìn)行比擬計(jì)算。可利用(5)式做為比擬法計(jì)算公式。

式中:n為常數(shù)取0.6;Q為預(yù)測涌水量(t/d);Q0為實(shí)測涌水量(t/d);L0為實(shí)際巷道長度(m);L為設(shè)計(jì)巷道長度(m)。

已知數(shù)據(jù)表4:

表4 －70 m中段已知涌水量表 t/d

根據(jù)礦山開采方案，－70 m中段開采將向東、西兩端擴(kuò)展，巷道將不斷增長，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)總長度時(shí)為2 030 m，將其代入(5)式計(jì)算，得:礦坑涌水量見表5。

表5 －70 m中段水文地質(zhì)比擬法計(jì)算礦坑涌水量結(jié)果表

2.4 礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果綜合評述

根據(jù)上述計(jì)算3種方法的計(jì)算結(jié)果，匯總得礦坑預(yù)測涌水量如表6。

從表中可以看出，上述幾種方法計(jì)算預(yù)測的礦坑涌水量都比較相近，年平均涌水量在700～1 100 t/h之間。水文地質(zhì)比擬法計(jì)算的是－70 m中段達(dá)到設(shè)計(jì)最終開采邊界的礦坑涌水量，根據(jù)鉆探反映的地下巖溶發(fā)育和礦坑實(shí)際涌水量情況，－120 m中段涌水量可能偏大，主要是把該段含水層水文地質(zhì)參數(shù)視為與淺部一致所引起。當(dāng)前，礦山開采是－70 m、－120 m、－170 m幾個(gè)中段同時(shí)進(jìn)行的，礦坑地下水降落漏斗中心水位最低標(biāo)高多保持在－60 m左右，為此，礦山建設(shè)設(shè)計(jì)總涌水量應(yīng)當(dāng)使用水文地質(zhì)比擬法－70 m中段的計(jì)算值，即枯水期為950 t/h、豐水期為1 200 t/h、暴雨時(shí)為1 700 t/h。當(dāng)然，礦坑排水泵量設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)該考慮當(dāng)出現(xiàn)大面積地面塌陷、大的巖溶管道與黔江溝通和特大突水、水泵維修的情況。

表6 礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果匯總表 t/h

各預(yù)測方法預(yù)測結(jié)果對比如圖1?？芍?，非穩(wěn)定流解析法預(yù)測的礦井涌水量最大，穩(wěn)定流解析法最小。由于礦山巷道開拓時(shí)而進(jìn)行，時(shí)而停止，而其會(huì)對礦井涌水量產(chǎn)生影響。礦區(qū)的地下水流即非穩(wěn)定流，也不是完全的非穩(wěn)定流。而相關(guān)分析法是由統(tǒng)計(jì)規(guī)律得來，此方法未考慮水文地質(zhì)參數(shù)的作用。故認(rèn)為水文地質(zhì)比擬法預(yù)測結(jié)果較為合理。

圖1 各預(yù)測方法預(yù)測結(jié)果對比圖

圖2 水文地質(zhì)比擬法不同水文季預(yù)測結(jié)果對比圖

水文地質(zhì)比擬法不同季節(jié)預(yù)測結(jié)果對比如圖2所示。由圖上可以看出，枯水期和豐水期預(yù)測涌水量相差不大，這和本區(qū)的氣候和地下水補(bǔ)給來源有關(guān)，枯水期和豐水期降雨量相差很大，但是降雨入滲補(bǔ)給所占的比例較小。隨著礦井排水，地下水位下降，黔江補(bǔ)給地下水所占比例較大，因此枯水期和豐水期涌水量差別不大。

3 結(jié)語

通過收集分析前人的資料成果，及進(jìn)行礦山水文地質(zhì)調(diào)查，對廣西武宣縣盤龍鉛鋅礦區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，最終對本礦區(qū)的水文地質(zhì)條件評價(jià)結(jié)論如下:

1)盤龍鉛鋅礦區(qū)－150 m標(biāo)高以上地帶，主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面——黔江河床以下;主要充水含水層包括巖溶較發(fā)育富水性中等(局部強(qiáng))的礦體及其頂、底板;地下水有來自西側(cè)的降雨補(bǔ)給，也有黔江河水的倒灌補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較好，與地表水的水力聯(lián)系較密切;正常條件下礦坑涌水量500～900 t/h，特大暴雨過后或發(fā)生大的突水時(shí)，礦坑總涌水量會(huì)出現(xiàn)大于1 000 t/h的現(xiàn)象，屬于大水礦山;礦床開采時(shí)需要采取強(qiáng)排水、防水措施。

2)礦區(qū)內(nèi)，地下水可劃分為松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水和碳酸巖鹽巖溶水三種類型，在碳酸巖鹽巖溶水中又分碳酸巖鹽巖裂隙溶洞水和碳酸巖鹽巖溶洞裂隙水兩個(gè)亞類。其中下泥盆統(tǒng)上倫組上段(D1s12)白云巖為含礦層和主要含水層位，富水性中等，為礦坑最主要的充水含水層。按照含水層類型劃分，該區(qū)屬于以溶蝕裂隙巖溶含水層充水為主的礦床。

3)礦區(qū)屬于一個(gè)較完整的水文地質(zhì)單元，平面圖上呈“∠”字形展布。其中:南部為淺變質(zhì)砂巖、泥頁巖組成的隔水邊界;西北部沿社頭－橋鄉(xiāng)一帶由下泥盆統(tǒng)大樂組泥灰?guī)r構(gòu)成相對隔水邊界;北部和東部為黔江補(bǔ)給邊界。

4)礦坑充水的主要來源為降雨入滲、灌入和黔江河水的反補(bǔ)給;充水的主要形式有裂隙涌水和溶洞、溶蝕裂隙或破碎帶突水。

5)根據(jù)多種方法計(jì)算并比較可得，大嶺礦段礦坑總涌水量枯水期為950 t/h、豐水期為1 200 t/h、暴雨季節(jié)為1 700 t/h。

6)礦坑地下水涌水量較大，枯水期也在600 t/h以上，隨著生產(chǎn)巷道的延伸(深)，還會(huì)超過1 000 t/h，從水量上可以滿足礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水的需求。但是，水質(zhì)分析結(jié)果表明，地下水用于工業(yè)、農(nóng)田灌溉是適宜的，地下水中As已經(jīng)超標(biāo)污染，不能直接作為生活用水，要采取適當(dāng)措施進(jìn)行處理，達(dá)到生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，礦坑地下水也可以作為礦山供水水源地。

［1］采礦手冊 vo16［M］.冶金工業(yè)出版社.1991.

［2］祝曉彬.地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2003(5).

［3］張本臣，劉喜信，孫傳斌.礦坑涌水量預(yù)測的影響因素分析［J］.吉林地質(zhì).2006，25(1):58 －61.

［4］王曉明，代革聯(lián)，巨天乙，唐亦川，可視化的地下水?dāng)?shù)值模擬［J］.西安科技學(xué)院學(xué)報(bào).2004(2).

［5］徐高強(qiáng).山西省煤獷區(qū)礦井水涌水量預(yù)測模型研究.太原理工大學(xué)學(xué)位論文.太原:太原理工大學(xué)市政工程.2008.

［6］藍(lán)俊康，郭純青等.水文地質(zhì)勘察［M］.北京:中國水利水電出版社.2008.

［7］王大純，張人權(quán)，史毅虹.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)［M］.地質(zhì)出版社.1995.

P641.4+63

B

1004－1184(2012)04－0187－04

2012－03－07

曹興旺(1985－)，男，河南周口人，在讀碩士研究生，主攻方向:水文地質(zhì)、工程地質(zhì)。