楊　瀟, 馬春燕

(湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽　441002)

0　引言

礦井涌水量預測是礦床水文地質勘查的主要成果之一。準確預測礦坑涌水量是一項重要而復雜的工作[1]，是開采設計部門制定疏干措施、確定排水設備及確保礦山安全生產的主要依據。

把復雜的坑道系統(tǒng)換成一個假想的、與坑道系統(tǒng)面積相等的一個“大井”[2],在礦坑疏干過程中,當礦坑的涌水量,包括其周圍的水位降低呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的狀態(tài)時,即可認為以礦坑為中心形成的地下水輻射流場基本滿足穩(wěn)定井流的條件。雖然礦坑的形狀極不規(guī)則,但在理論上可將形狀復雜的坑道系統(tǒng)看成是一個大井在工作,不規(guī)則坑道系統(tǒng)的圈定面積相當于大井的面積,整個坑道系統(tǒng)的涌水量,就相當于大井的涌水量,從而可以近似應用裘布依的穩(wěn)定流基本方程計算礦坑涌水量[3]。

神農架大白蓮礦區(qū)磷礦石以巖溶裂隙含水充水為主的礦床,主要含水層為震旦系上統(tǒng)陡山沱組白云巖,勘查過程中進行了單孔抽水試驗,并用大井法預測+868 m標高礦坑涌水量。

1　礦區(qū)自然地理概況

礦區(qū)位于湖北省神農架林區(qū)松柏鎮(zhèn)正北方向5 km處,隸屬林區(qū)陽日鎮(zhèn)和松柏鎮(zhèn)管轄[4]。礦區(qū)所在地屬亞熱帶大陸性氣候,氣候潮濕,雨量充沛。根據神農架氣象局收集近11年降水資料,多年平均降水量957.7 mm,7—8月降水量最多,占全年降水量37%,其次為5、6、9月。最大年降水量2003年1 155.2 mm,最小年降水量為2006年為694.6 mm。

礦區(qū)整體為一傾向北北西的單斜構造,總體地勢西高東低,最高點牛角尖海拔1 729 m,最低侵蝕基準面標高為647 m。

區(qū)內沖溝、水系較發(fā)育,常年流水的主要為古水河及其支流(礦區(qū)范圍外)康家峪溝、孫家溝、南崖溝。古水河位于工作區(qū)北部邊緣,匯水面積約20 km2,流量一般0.407 m3/s,洪水期流量約2.3 m3/s,自西向東再向南東方向至陽日鎮(zhèn)注入南河。

2　礦區(qū)水文地質條件

礦區(qū)位于古水河南岸的侵蝕構造高中山區(qū),基本形成一個獨立的水文地質單元,天然狀態(tài)下,補給區(qū)、徑流區(qū)與排泄區(qū)基本一致。含水層主要呈東西向、北部展布,南部和西南部被震旦系上統(tǒng)陡山陀組、下統(tǒng)南沱組隔水層包圍。礦體賦存于陡山沱組第四段(Z2d4)白云巖中,出露長度2 700 m,呈似層狀產出,走向近東西向,傾向340°～0°,傾角24°～30°,向北緩傾斜的單斜層礦體(圖1)。最大出露標高1 655 m,最低控制標高868 m。

2.1　含水層

(1) 第四系(Q4)砂礫石孔隙含水層。該含水層為第四系沖洪積、坡積砂礫石層,厚2～5 m,主要接受大氣降水補給,以滲流形式排泄于王家大溝及康家峪溝、孫家溝、南崖溝。

(2) 弱裂隙含水層。主要為礦層上部震旦系上統(tǒng)燈影組(Z2∈1d)厚層白云巖、下部晚元古界馬槽園群火燒尖組第一段(Pt3h1)粉砂質炭質頁巖、第二段(Pt3h2)泥質條紋白云巖—粉砂質頁巖。該含水帶分布于基巖上,由大氣降水補給,以泉及地下逕流形式排泄,據泉和其它出水點的揭露,涌水量為0.071～0.102 L/s。

(3)巖溶裂隙含水層。主要為礦層底部的震旦系上統(tǒng)陡山沱組(Z2d3-Z2d1)白云巖,富水性中等,為礦區(qū)內主要含水體,也是礦床開采主要充水來源。在鉆孔水文地質觀測中,遇此層時有少量鉆孔發(fā)生輕微漏水,坑道揭露此層時出現(xiàn)噴水、流水、滲水、滴水現(xiàn)象,流量分別為3.59～36 L/s。泉水流量0.05～0.3 L/s。經ZK013號鉆孔抽水試驗,涌水量為1.8 L/s,單位涌水量0.487 39～0.822 81 L/s·m,滲透系數為0.083 66～0.102 21 m/d。該層接受大氣降水和上覆風化裂隙水補給。

2.2　隔水層

主要為礦體所在的陡山沱組第四段(Z2d4) 炭質頁巖、含粉砂質頁巖、白云巖含炭塊狀磷塊巖混合體,以及其下部的震旦系下統(tǒng)南沱組(Z1n)冰磧砂礫巖。鉆孔及坑道所見巖石完整,裂隙不發(fā)育,厚度穩(wěn)定(圖2),未見漏水涌水現(xiàn)象,為較好的隔水巖體。

2.3　斷裂構造的含水性

區(qū)內除規(guī)模較大的麻灣斷裂(F1)和彩旗溝斷裂(F2)斷裂外,其它斷裂規(guī)模較小,一般不含或極微弱含水,可視為隔水體。

F1斷層為一東西走向逆斷層,產狀350°～10°∠78°～82°,垂直斷距420 m,破碎帶寬20～50 m,破碎帶以壓碎巖、糜棱巖為主,并發(fā)育一組平行該斷層的破劈理。沿斷層可能形成部分構造脈狀水,貫通斷層兩盤的含水層,對礦體的開采產生一定的影響。該斷層與F2斷層交匯帶位于礦體的北東部邊緣,在采礦時保持一定距離就不會造成大的影響。

F2斷層為一近南北向正斷層,產狀0°～10°∠75°,垂直斷距>200 m,破碎帶寬10 m,以角礫巖為主,區(qū)內長約2.4 km。斷層將陡山陀組巖層與火燒尖組巖層接觸,在地貌上呈現(xiàn)出陡峻的懸崖和深溝,對礦床充水影響不大。

2.4　地下水補、徑、排特征

2.4.1補給條件

礦區(qū)所在地屬亞熱帶大陸性氣候,雨量充沛,多年平均降水量957.7 mm,為礦坑地下水補給提供了充足的水源。本區(qū)地形切割強烈、溝谷發(fā)育,地表巖溶、裂隙發(fā)育,地形地貌有利于地下水的補給。

2.4.2徑流、排泄條件

礦區(qū)內基本形成一個獨立的水文地質單元,天然狀態(tài)下,補給區(qū)、徑流區(qū)與排泄區(qū)基本一致。周邊地形坡度較陡,大氣降雨部分沿地表向中部徑流匯集;部分沿巖溶、裂隙自西南向北東方向流動,向低處運移補給地下水,一部分形成燈影組潛水,在沖溝等地勢較低洼的地帶排泄出地表,最終匯入古水河;而另一部分陡山沱組的潛水則在向低處運移過程中逐漸變?yōu)槌袎核?并最終在古水河沿岸等處以泉的形式排泄地表,補給古水河。

圖1　大白蓮礦區(qū)地質簡圖Fig.1　Geological sketch of Dabailian mine area1.震旦系燈影組;2.震旦系陡山沱組第四段;3.震旦系陡山沱組第三段;4.震旦系陡山沱組第二段;5.震旦系陡山沱組第一段;6.震旦系南沱組;7.馬槽園群火燒尖組第二段;8.馬槽園群火燒尖組第一段;9.神農架群亂石溝組;10.斷層及編號;11.角度不整合界線;12.礦體及編號;13.鉆孔及編號;14.勘查線及編號;15.泉及編號;16.地層產狀。

圖2　陡山沱組第四段炭質頁巖等厚線圖Fig.2　Isopach map of Carbonaceous shale of Doushantuo1.鉆孔及編號;2.陡山沱組第四段炭質頁巖等厚線。

2.5　地表水對礦坑充水的影響

經地表水文地質調查和施工鉆孔,與古水河相交的近南北向斷裂在區(qū)內不發(fā)育,鉆孔孔口標高都高于相近古水河河床標高,終孔穩(wěn)定水位都高于古水河,且控制礦體最低標高(868 m)高于當地最低侵蝕基準面(647 m)。故地表水對礦坑充水無影響。

綜上所述,礦區(qū)地下水主要來源于大氣降水,補給條件較好,礦體圍巖富水性中等,且厚度較大,但礦區(qū)的主要礦體均位于當地侵蝕基準面以上,山高坡陡,有利于礦山排水,斷層、古水河對礦坑充水影響很小。因此,水文地質條件為中等類型。

3　礦坑涌水量預測

3.1　礦床充水因素分析

3.1.1大氣降水

區(qū)內多年平均降雨量957.7 mm,收集的近11年最大降雨量為1 155.2 mm(2003年),最小年降雨量為694.6 mm(2006年)。降雨多集中在5—9月,約占全年降水量的70.8%。地表巖性多為白云巖,巖溶、裂隙發(fā)育,巖石較破碎,滲透系數為0.083 66～0.102 21 m/d,有利于降水的入滲、收儲和運移。

3.1.2地下水

直接充水含水層。陡山沱組(Z2d3-Z2d1)白云巖巖溶裂隙含水層是礦坑充水的直接因素,富水性中等。受地形和炭質頁巖隔水層影響,陡山沱組潛水在由南部向北部運移過程中逐漸變?yōu)槌袎核?季節(jié)變幅不大。ZK013、ZK1604作為長期觀測孔,測得水位標高為1 017.31～1 018.58 m,1 424.65～1 425.36 m,變化幅度0.71～1.27 m。增加平硐PD980為臨時流量長期觀測點,測得流量為34～42 L/s,變化幅度8 L/s。該部分承壓水在對礦坑充水影響較大。

間接充水含水層。主要為震旦系上統(tǒng)燈影組(Z2∈1d)厚層白云巖巖溶裂隙含水層。由于有礦層直接頂板陡山沱組第四(巖性)段(Z2d4)炭質頁巖的存在,其與直接含水層無直接水力聯(lián)系。但據鉆孔統(tǒng)計資料,8-11勘探線部分地段炭質頁巖的RQD為18.97%～54.23%,巖心完整性差,厚度小,隔水效果不佳,這種情況下,它們將會溝通燈影組、陡山沱組與礦層的水力聯(lián)系,構成礦床充水因素。

3.2　涌水量預測

本區(qū)為地下開采,根據地質勘查資料,向下預算868 m中段的涌水量。計算公式采用承壓轉無壓完整井裘布依公式。

3.2.1涌水量預測的邊界條件

礦區(qū)內含水層主要呈東西向、北部展布,南部和西南部被震旦系上統(tǒng)陡山陀組、下統(tǒng)南沱組隔水層。在假定礦坑所在含水層為均質無限分布,圓形補給的前提下,結合計算所得的引用影響半徑及礦體資源儲量估算水平投影圖可知,雖然礦區(qū)的西南部為隔水層包圍,但大井的影響范圍距遠小于礦體至隔水邊界的距離,故西南邊幫仍可視為無限來水邊界。而南部由于大井的影響范圍大于礦體到南沱組隔水邊界的距離,表明該隔水層的存在對礦坑充水產生影響。

3.2.2滲透系數

計算得:K=0.0841 m/d

3.2.3礦坑涌水量估算

4　結論和存在問題

(1) 礦區(qū)礦體圍巖富水性中等,且厚度較大,地下水主要來源于大氣降水,主要礦體均位于當地侵蝕基準面以上,地形山高坡陡,有利于礦山排水,水文地質條件中等。

(2) 礦坑地下水涌水量的大小由礦區(qū)水文地質條件所決定,影響因素主要有含水層的結構及富水性,基巖裂隙發(fā)育程度,含水層的補給、徑流條件及礦區(qū)地形對地表水、地下水的匯集條件等。

(3) 本文計算中參數主要根據礦區(qū)專門水文地質試驗成果資料,在充分考慮礦區(qū)水文地質特征的前提下,利用“大井法”進行計算,預測礦山開采時的礦坑涌水量。大井法作為地下水動力學方法,為理想化的模型,適用于均質、各向同性的含水層,而本區(qū)地層受巖溶裂隙發(fā)育程度影響,不可能完全均質、各向同性,計算時只能視為均質層計算滲透系數,影響了預算的精度,但可以作為將來礦山排水工程方案設計與施工的參考依據。

參考文獻：

[1]華解明.礦井涌水量計算的非穩(wěn)定流解析法[J].中國煤炭地質,2010,22(10):38-40.

[2]地質礦產部水文地質工程地質技術方法研究隊.水文地質手冊[M].北京：地質出版社,1978.

[3]馬洪超,林立新.采礦技術[J].采礦技術,2009,9(2):53-54.

[4]吳高山,李飛,楊瀟,等.湖北省神農架林區(qū)大白蓮礦區(qū)磷礦詳查報告[R].襄陽:湖北省第八地質大隊,2010.