和 祥，楊蘇煥

(云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 云南昆明 650299)

北衙金礦位于云南大理白族自治州鶴慶縣境內(nèi)，礦床為與喜馬拉雅期富堿斑巖有關(guān)的斑巖—矽卡巖—熱液型金多金屬礦床。目前礦區(qū)圈定礦體491個(gè)，其中有規(guī)模的礦體12個(gè)，均為同體共生金鐵銅礦體。主礦體為KT52、KT4、KT54，次要礦體9個(gè)。主礦體KT52在空間上沿萬硐山富堿性斑巖體與北衙組碳酸鹽巖接觸帶分布，礦體嚴(yán)格受巖體接觸帶控制，長(zhǎng)1360m，寬一般600m～900m，礦體最高標(biāo)高1851m，見礦最低標(biāo)高1310m。礦體在空間上有分支特征，在中段平面上總體呈環(huán)狀或半環(huán)狀，分支沿走向、傾向延伸長(zhǎng)，礦體厚2m～60m，金品位3g/t。KT52探獲(122b+332+333)資源/儲(chǔ)量：金金屬量140噸，占礦區(qū)探獲資源量的73%；共生鐵礦石量2066萬噸，共生銅金屬量16萬噸。

目前首采區(qū)萬硐山礦段的開采方式為露天凹陷坑采，隨著開采深度及生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，礦床深部水文地質(zhì)條件較勘探前期發(fā)生了較大變化，礦坑涌水成為了最大的安全隱患。為確保礦山安全高效生產(chǎn)，根據(jù)礦區(qū)以往勘查取得的水文地質(zhì)資料，結(jié)合生產(chǎn)揭露的實(shí)際情況，采用多種方法預(yù)測(cè)礦坑涌水量，為深部礦坑防治水提供可靠依據(jù)。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

北衙金礦地處構(gòu)造—?jiǎng)兾g中山區(qū)喀斯特向斜盆地內(nèi)，屬區(qū)域水文地質(zhì)單元的徑流—排泄區(qū)。流經(jīng)礦區(qū)北東部的鍋廠河為區(qū)內(nèi)唯一常年流水地表水體，雨季實(shí)測(cè)流量6188L/s，旱季實(shí)測(cè)流量56.79L/s，是區(qū)內(nèi)大氣降水地表徑流、地下水匯集的場(chǎng)所和主要排泄通道。

中三疊統(tǒng)北衙組(T2b)碳酸鹽巖廣泛裸露并構(gòu)成盆地基底，下三疊統(tǒng)青天堡組(T1q)碎屑巖及峨眉山玄武巖(Pe)集中出露于盆地東部外圍，盆地中心地段第四系更新統(tǒng)含礫粘土巖(Q1s)、灰質(zhì)角礫巖(Qp)較厚大，全新統(tǒng)松散層(Q4)分布零星。主礦體賦存于北衙組(T2b)碳酸鹽巖與石英正長(zhǎng)斑巖接觸帶中，呈環(huán)繞巖體分布(圖1)。主要資源儲(chǔ)量位于北衙組巖溶水位以下，北衙組(T2b)碳酸鹽巖溶含水層構(gòu)成礦體圍巖和礦床主要直接充水含水層，富水性弱—中等，局部富水性強(qiáng)。2017年底萬硐山露采礦坑坑底標(biāo)高已達(dá)1602m，已采至北衙組(T2b)巖溶含水層水位以下，保有的資源儲(chǔ)量主要分布于礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面之下，地形有利于地表水、地下水匯集，礦坑水不能自流排放。確定礦床水文地質(zhì)條件屬以北衙組溶蝕裂隙巖溶水直接充水為主的中等偏復(fù)雜類型。

圖1 北衙礦區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

2.1 水文地質(zhì)概念模型

2.1.1 含水層結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力模式

礦區(qū)含水層巖性結(jié)構(gòu)為：白云質(zhì)灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖呈層狀產(chǎn)出，其構(gòu)造類型為平緩向斜，軸向南北，含水體補(bǔ)給面積廣，邊界清楚，由于地形坡度較陡，降水迅速形成地表徑流，沿溪溝、順山坡、深切溝谷匯入東山河和鍋廠河；另一部分通過落水洞、洼地、層面裂隙及第四系松散層與基巖接觸面，滲入地下，形成散狀或集中潛流，遇河谷下切、構(gòu)造破碎帶、隔水層阻擋而出露地表，形成侵蝕構(gòu)造泉。另外北衙組(T2b)上部巖層中的潛流，通過垂向于層面裂隙、垂直節(jié)理、構(gòu)造裂隙帶，補(bǔ)給下伏的含水層，甚至達(dá)更深的T2b下部含水層，并經(jīng)生產(chǎn)坑道揭露而流入礦坑。

上述水文地質(zhì)條件構(gòu)成了北衙礦區(qū)地下水水平和垂直分帶的水動(dòng)力模式(圖2)。

2.1.2 概念模型

(1)礦區(qū)屬深切割中山(絕對(duì)高度1000m～3500m，切割深度500m～1000m)上升地形，地形坡度大，有利于地表水自然排泄。

(2)礦區(qū)內(nèi)地表水體有鍋廠河、東山河，東山河從礦區(qū)內(nèi)流過，目前已對(duì)東山河進(jìn)行改道，并進(jìn)行了防滲處理；鍋廠河從礦區(qū)外圍東北角流過，河床底部巖性主要為火成巖和青天堡組(T1q)粉砂巖，在天然狀態(tài)下，鍋廠河與礦區(qū)地下水聯(lián)系微弱。

(3)北衙礦區(qū)為一獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，南至雞鳴寺-觀音箐一帶(F21)，北至鍋廠河支流大溝(F28)，西至馬鞍山斷裂以西一帶(F馬)，東至筆架山-桅桿坡地表分水嶺，邊界條件清楚。

(4)中三疊體北衙組(T2b)灰?guī)r溶蝕裂隙巖溶含水系統(tǒng)比較復(fù)雜，富水性和滲透性各向異性明顯，在巖體外接觸帶的含礦部位，富水性相對(duì)較弱；遠(yuǎn)離巖體后，富水性逐漸增強(qiáng)，形成以侵入巖體為中心，自巖體向外，徑向富水性呈弱-中等-強(qiáng)、極強(qiáng)序次排列，巖體及其近端環(huán)形含礦帶富水性弱-中等，遠(yuǎn)端富水性中等-強(qiáng)，局部極強(qiáng)。

(5)大氣降雨為礦區(qū)主要補(bǔ)給源，所形成的地表徑流和地下潛流匯集于鍋廠河、萬硐山露天采坑排泄。

(6)與礦床開采有直接關(guān)系的中三疊統(tǒng)北衙組(T2b)溶蝕裂隙巖溶水，是礦床地下開采直接充水因素，第四系更新統(tǒng)Qp灰質(zhì)角礫巖溶蝕裂隙水是礦床充水的間接因素。未來礦區(qū)暴雨對(duì)礦坑涌水量較大，但存在偶然性。

2.2 首采區(qū)開采方式

首采區(qū)萬硐山礦段礦體較集中，現(xiàn)階段采用凹陷露天坑同時(shí)開采不同類型的礦體，2017年10月坑底標(biāo)高已達(dá)1602m。根據(jù)礦山采礦設(shè)計(jì)，推薦設(shè)計(jì)露天開采最低標(biāo)高1429m，目前現(xiàn)有采礦權(quán)內(nèi)最低開采標(biāo)高為1540m。且在露天采場(chǎng)封閉圈1834 m臺(tái)階設(shè)置永久截水溝，防止山坡露天采場(chǎng)內(nèi)的大氣降水匯入凹陷露天采場(chǎng)內(nèi)增加排水費(fèi)用。凹陷露天涌水采用采場(chǎng)底部集中排水方式，在露天坑底部設(shè)置集水坑和潛水移動(dòng)泵站，隨著露天開采深度的下降，集水坑和移動(dòng)泵站隨之下降，將集水排出境界外。

2.3 礦床充水因素分析

2.3.1 充水水源

露天開采主要充水水源為：大氣降水、北衙組(T2b)巖溶含水層地下水，其次為更新統(tǒng)灰質(zhì)角礫巖(Qp)地下水。

2.3.2 充水通道

露天采場(chǎng)1834m截水溝內(nèi)側(cè)匯集的大氣降水地表徑流，直接進(jìn)入露天采場(chǎng)，是雨季露天采場(chǎng)礦坑涌水量的主要來源之一。1834m截水溝外側(cè)含水層接受的大氣降水入滲量，通過含水層間接滲入礦坑，為雨季地下水泄入礦坑涌水量的一部分。

采坑進(jìn)入北衙組巖溶含水層潛水位以下后，該含水層地下水沿露天采場(chǎng)邊幫、坑底以涌水、滲水的方式直接進(jìn)入礦坑，北衙組巖溶水是礦床主要直接充水因素。

礦體上覆Qp灰質(zhì)角礫巖溶蝕裂隙巖溶含水層構(gòu)成礦體間接頂板含水層，雖然大部分被前期露采疏干，但受統(tǒng)蛇山組(Q1s)相對(duì)隔水層托底，局部仍然存在上層滯水富水地段，受大氣降水補(bǔ)給和調(diào)節(jié)，在采場(chǎng)南幫泄入采坑，從2012年至今一直沿蛇山組(Q1s)含砂礫粘土巖接觸帶涌出，是露天采場(chǎng)礦坑涌水量相對(duì)獨(dú)立的構(gòu)成部分。

2.3.3 影響充水強(qiáng)度的因素

大氣降水充水強(qiáng)度的主要影響因素為露采礦坑匯水面積、大氣降水強(qiáng)度(降水量、連續(xù)降水歷時(shí)長(zhǎng)度)，每年雨季降水量較集中的7～9月形成的大氣降水涌水量較大；北衙組巖溶含水層充水強(qiáng)度的主要影響因素為開采面積、開采深度、含水層厚度和補(bǔ)給條件、含水介質(zhì)賦水空間發(fā)育程度、距離侵入巖體的遠(yuǎn)近等，其它條件相同時(shí)，開采侵入巖體遠(yuǎn)端礦體比開采侵入巖體近端礦體形成的涌水量大；灰質(zhì)角礫巖含水層充水強(qiáng)度的主要影響因素為含水層面積、大氣降水強(qiáng)度(降水量、連續(xù)降水歷時(shí)長(zhǎng)度)，隨著含水層逐漸被露天開采剝離，充水強(qiáng)度逐漸減弱直至消除，涌水量大小主要隨季節(jié)性周期變化，每年雨季中后期的7～11月涌水量增加較大。

2.4 首采區(qū)涌水量預(yù)測(cè)

2.4.1 涌水量計(jì)算原則

萬硐山礦段露天采場(chǎng)礦坑涌水量旱季由更新統(tǒng)灰質(zhì)角礫巖(Qp)含水層泄入水量和北衙組(T2b)巖溶含水層泄入水量?jī)刹糠謽?gòu)成；雨季由采坑匯集的大氣降水徑流水量、更新統(tǒng)灰質(zhì)角礫巖(Qp)含水層泄入水量和北衙組(T2b)巖溶含水層泄入水量三部分構(gòu)成。其中采坑匯集的大氣降水徑流水量和更新統(tǒng)灰質(zhì)角礫巖(Qp)含水層泄入水量相對(duì)固定的水量，只隨季節(jié)變化，不會(huì)隨礦床疏干降深變化。而北衙組(T2b)巖溶含水層泄入水量不僅隨季節(jié)變化，還隨礦床疏干降深變化。結(jié)合礦山生產(chǎn)建設(shè)，選擇對(duì)露天采場(chǎng)1540m、1429m兩個(gè)中段進(jìn)行涌水量估算。

2.4.2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)估算方法

2.4.2.1 大氣降水直接降落在首采礦坑中的涌水量

(1)計(jì)算公式及估算參數(shù)

計(jì)算公式：Q多年日平均=F·A多年日平均·ψ(1)

Q暴=F·A暴·ψ(2)

估算參數(shù)意義及取值：

Q多年平均為萬硐山露天采場(chǎng)多年日平均匯集的大氣降水量(m3/d)；

Q暴為萬硐山露天采場(chǎng)設(shè)計(jì)頻率暴雨日匯集的大氣降水量(m3/d)；

F為露天采場(chǎng)匯水面積，取設(shè)計(jì)的1834m標(biāo)高露天境界封閉圈面積，F(xiàn)1834=1491104.95 m2；

A多年日平均為多年雨季平均日降雨量，根據(jù)礦區(qū)旱、雨季分明，雨季降水量很集中的氣候特點(diǎn)，將日降水量≥5.0mm的降水視為有效降水，則雨季日平均有效降水量A雨季日平均=0.0180m；

A暴為設(shè)計(jì)頻率的日暴雨量，

ψ為地表徑流系數(shù)，開采境界內(nèi)主要由北衙組(T2b)碳酸鹽巖和石英正長(zhǎng)斑巖組成，裂隙發(fā)育，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和礦坑多年排水資料分析，正常降水時(shí)ψ取0.1，暴雨時(shí)ψ取0.2。

根據(jù)鶴慶縣城2000年～2016年連續(xù)17 年觀測(cè)的一日最大降水量，通過理論頻率的計(jì)算，求得各設(shè)計(jì)頻率的日最大降水量，計(jì)算結(jié)果見表1。

(2)估算結(jié)果

根據(jù)上述所確定的參數(shù)，最終求得的大氣降水直接降落在露采礦坑中的涌水量(表2)。

表2 大氣降水直接降落在露采礦坑中的涌水量計(jì)算結(jié)果表

2.4.2.2 灰質(zhì)角礫巖(Qp)巖溶含水層泄入礦坑的涌水量

現(xiàn)露天礦坑已揭穿Qp巖溶含水層，該含水層泄入露采礦坑的水量只隨季節(jié)變化，而不會(huì)隨采深而變化。根據(jù)2012～2016年排水資料統(tǒng)計(jì)，旱季平均涌水量504m3/d，雨季平均涌水量1251m3/d，最大涌水量2335m3/d。

2.4.2.3 北衙組(T2b)巖溶水礦坑涌水量

萬硐山礦段已勘查和開采多年，積累了較多的抽水試驗(yàn)資料和礦坑排水資料，并且礦區(qū)主要充水含水層分布面積廣，符合無限補(bǔ)給邊界條件，可以將采礦工程概化為一個(gè)大井，根據(jù)各中段水文地質(zhì)特征，1540m中段采用地下水動(dòng)力學(xué)“大井法非完整井”公式、1429m中段采用地下水動(dòng)力學(xué)“大井法完整井”公式分別計(jì)算礦坑涌水量；另外萬硐山礦段已經(jīng)露天開采多年，形成了較完善的采礦系統(tǒng)，未來露天采礦僅是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上開采面積的擴(kuò)大和深度的延伸，水文地質(zhì)條件基本相似，采用水文地質(zhì)“比擬法”預(yù)測(cè)估算1540m中段露采礦坑涌水量，并與“大井法”估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

(1)“大井法”

計(jì)算公式：

估算參數(shù)意義及取值：

Q為各中段北衙組巖溶水泄入露采礦坑的涌水量(m3/d)。

K為滲透系數(shù)(m/d)，采用萬硐山礦段北衙組9個(gè)鉆孔抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)加權(quán)平均值0.234m/d。

H為潛水含水層厚度(m)，采用萬硐山礦段北衙組巖溶含水層初始水位標(biāo)高1721.58m與北衙組底板平均標(biāo)高1428.04m之差，H=1721.58-1428.04=293.54m。根據(jù)統(tǒng)計(jì)萬硐山礦段226個(gè)鉆孔資料，北衙組底板平均標(biāo)高為1428.04m。

Sw為預(yù)測(cè)水位降深(m)，正常開采中，水位降至坑底，即Sw1540=1721.58-1540=181.58m；Sw1429=1721.58-1429=292.58m。

R為大井影響半徑，采用經(jīng)驗(yàn)公式R=計(jì)算，R1540=3009.81m；R1429=4849.71m。

R0為大井引用影響半徑，用R0=R+r0求得，R01540=3456.30m，R01429=5253.39m。

L為過濾器長(zhǎng)度，即井壁進(jìn)水段長(zhǎng)度(m)，取單個(gè)臺(tái)階高度15m。

根據(jù)上述所確定的參數(shù)，最終求得的涌水量結(jié)果(表3)。

表3 “大井法”北衙組礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果表

注：最大涌水量采用一般涌水量乘以季節(jié)變化系數(shù)，季節(jié)變化系數(shù)采用萬硐山露天坑底北衙組年排水量季節(jié)變化系數(shù)平均值2.33。

(2)水文地質(zhì)比擬法

估算參數(shù)意義和取值：

Q為預(yù)測(cè)1540m中段北衙組含水層泄入露采礦坑的涌水量(m3/d)；

Q0為現(xiàn)有露天礦坑北衙組含水層實(shí)際涌水量(m3/d)，采用坑底降至1602m標(biāo)高時(shí)持續(xù)排水資料統(tǒng)計(jì)，旱季平均涌水量2606m3/d，雨季平均涌水量4139m3/d，最大涌水量8799m3/d。

F0為現(xiàn)有露天礦坑坑口面積(m2)，采用2017年年底坑底標(biāo)高下降至1602m時(shí)對(duì)應(yīng)的坑口面積，F(xiàn)0=1381781m2。

F為預(yù)測(cè)1540m中段露采礦坑坑口面積(m2)，根據(jù)采礦設(shè)計(jì)，F(xiàn)=1854948m2。

S0為萬硐山露天采場(chǎng)現(xiàn)水位降深(m)，采用涌水量預(yù)測(cè)范圍內(nèi)初始水位標(biāo)高平均值1721.58m與現(xiàn)露采坑底1602m標(biāo)高之差，S0=1721.58-1602=119.58m。

S為預(yù)測(cè)萬硐山露天采場(chǎng)1540m中段水位降深(m)，采用涌水量預(yù)測(cè)范圍內(nèi)初始水位標(biāo)高平均值1721.58m與1540m中段標(biāo)高之差，即S=1721.58-1540=181.58m。

m、n為地下水流態(tài)系數(shù)，根據(jù)2012年7月至2017年10月北衙組礦坑排水量，采用圖解法求得m=0.36，n=1.34。

根據(jù)上述所確定的參數(shù)，最終求得的涌水量結(jié)果(表4)。

表4 “比擬法”北衙組礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果表

2.4.3 露采礦坑涌水量估算結(jié)果及評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果詳見表5。本文結(jié)合各開采中段的水文地質(zhì)特征，各中段選擇適用公式進(jìn)行估算，露天采場(chǎng)雨季大氣降水地表徑流水量采用大氣降水地表徑流系數(shù)法；Qp灰質(zhì)角礫巖含水層涌水量采用排水資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；北衙組巖溶含水層涌水量1540m中段采用“大井法潛水非完整井”和“水文地質(zhì)比擬法”公式計(jì)算，1429m中段采用“大井法潛水完整井”公式計(jì)算；其中計(jì)算參數(shù)均為礦區(qū)多年實(shí)測(cè)資料，計(jì)算公式、方法和參數(shù)選擇合理。

1540m中段北衙組巖溶含水層涌水量估算結(jié)果比擬法比大井法大50%～118%，鑒于“比擬法”估算參數(shù)有多年長(zhǎng)期觀測(cè)的實(shí)際排水資料支撐，故推薦 “比擬法”預(yù)測(cè)估算的涌水量作為1540m預(yù)測(cè)中段的設(shè)計(jì)依據(jù)。1429m中段北衙組巖溶含水層涌水量由于受“比擬法”計(jì)算公式最大外推深度的限制，本文僅采用“大井法完整井”公式估算涌水量，估算結(jié)果為露采終了末期的涌水量。

表5 首采區(qū)礦坑總涌水量計(jì)算成果表

3 結(jié)論與建議

通過建立水文地質(zhì)概念模型，重點(diǎn)分析了礦床充水因素，并選取相應(yīng)的公式預(yù)測(cè)估算了首采區(qū)露天采場(chǎng)1540m、1429m中段的礦坑涌水量，結(jié)合礦區(qū)多年開采揭露實(shí)際情況，推斷1540m中段旱季平均涌水量8569 m3/d，雨季平均涌水量16745 m3/d；1429m中段旱季平均涌水量25219m3/d，雨季平均涌水量28650m3/d作為露采礦坑排水設(shè)計(jì)依據(jù)。最大涌水量根據(jù)設(shè)計(jì)頻率暴雨計(jì)算，水量很大，但具有偶然性，可考慮暫時(shí)積水淹沒1-2個(gè)臺(tái)階儲(chǔ)存暫時(shí)性洪水，不作為排水設(shè)計(jì)依據(jù)。本次估算未考慮萬硐山東側(cè)鍋廠河對(duì)礦坑充水的影響，建議在以后工作中加強(qiáng)研究采坑與鍋廠河之間的水力聯(lián)系，提高涌水量估算精度。