蔡家馭，陳愛(ài)兵，王玉祥，李 育，董雪健

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

白牛廠銀多金屬礦區(qū)產(chǎn)銀歷史悠久，是我國(guó)超大型銀多金屬礦床之一[1]，礦區(qū)位于云南省蒙自市區(qū)南偏東75°，直距40 km處，其中對(duì)門(mén)山礦段位于礦區(qū)中部，東西寬1.80 km，南北長(zhǎng)2.90 km，面積5.22 km2[2]。隨著礦區(qū)的不斷開(kāi)采，對(duì)水文地質(zhì)問(wèn)題的研究顯得越發(fā)重要[3]，如不關(guān)注并嚴(yán)加防范，很可能會(huì)導(dǎo)致如礦坑涌水、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生。前人通過(guò)對(duì)白牛廠礦區(qū)水文地質(zhì)條件的調(diào)查和分析，總結(jié)得出了礦床的充水因素[4]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，用解析法和比擬法預(yù)測(cè)了對(duì)門(mén)山礦段旱季和雨季的礦坑涌水量，并將這兩種方法做了對(duì)比分析，不僅為礦山的生產(chǎn)設(shè)計(jì)以及安全開(kāi)采提供了指標(biāo)，而且為地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的防治提供了依據(jù)[5-8]。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

白牛廠銀多金屬礦區(qū)位于紅河與南盤(pán)江兩大水系分水嶺東側(cè)的德厚河水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū)，屬紅河流域。地勢(shì)南西高，北東低，最高點(diǎn)為白牛廠后山，海拔2 276.5 m，最低處為牛作底河流出礦界處，標(biāo)高1 690.00 m，亦為礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面位置，屬構(gòu)造侵蝕溶蝕低中山、高原侵蝕河谷地貌類型，溝谷發(fā)育，并呈樹(shù)枝狀。

礦區(qū)主要出露中、下寒武統(tǒng)及下泥盆統(tǒng)碳酸鹽巖地層。褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育。地表以巖溶峰叢-漏斗、落水洞，峰叢-洼地、溶洞組合型地貌為主。礦體賦存于中寒武統(tǒng)碳酸鹽巖裂隙、巖溶含水層中。礦區(qū)處于區(qū)域水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū)，區(qū)內(nèi)地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，區(qū)域多年年平均降水量1 229.70 mm。

2 礦段水文地質(zhì)特征

2.1 水文地質(zhì)單元

礦段總體地勢(shì)南東高、北西低，最高點(diǎn)大尖坡西側(cè)海拔2 276.5 m，最低點(diǎn)為礦界拐點(diǎn)5核桃沖溝床處，標(biāo)高1 750 m，亦為礦段最低侵蝕基準(zhǔn)面，屬低中山高原侵蝕地貌。礦段位于紅河與南盤(pán)江兩大水系分水嶺東側(cè)，屬紅河水系。礦段內(nèi)及周邊附近主要河流、溝溪有有北部的響水溝河、核桃沖溝和南東部的新廠沖溝、老廠大箐溝、羊街子河。響水溝河由南向北貫穿白羊礦段，上游支流延入礦段內(nèi)，核桃沖溝發(fā)育于礦段北東部，均匯入礦段北部外圍的牛作底河。新廠沖溝、老廠大箐溝、羊街子河均發(fā)源于礦段南部大尖坡附近，向東、南流出礦段。

2.2 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

2.3 地下水補(bǔ)給、逕流、排泄條件

礦段處于區(qū)域水文地質(zhì)單元的上游補(bǔ)給區(qū)，礦區(qū)內(nèi)河流主要有北部的牛作底河及次一級(jí)響水溝、白羊溝、核桃沖溝分水嶺及斜坡地帶的阿尾、對(duì)門(mén)山、穿心洞等礦段是接受大氣降水的補(bǔ)給區(qū)，巖溶洼地、漏斗、落水洞是接受或轉(zhuǎn)化大氣降水的場(chǎng)所。地下水總體流向?yàn)槟衔飨虮睎|逕流，近河谷地段則向河谷逕流排泄。地下水主要以泉的形式排泄，平均排泄量為29.72 L/s，最枯季排泄量為15.78 L/s。

2.4 礦坑充水因素

2.4.1 大氣降水

礦區(qū)處于區(qū)域水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū)，區(qū)內(nèi)地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，多年年平均降水量1 229.70 mm。降水通過(guò)滲透和巖溶裂隙通道補(bǔ)給地下水[9]，降雨時(shí)具有突增性，地下水流量變化系數(shù)4～414倍，水位變幅1.31～26.14 m。

2.4.2 地表水

礦段內(nèi)對(duì)礦床開(kāi)采有較大影響的河流主要是響水溝河，是以地下水排泄的巖溶大泉為源頭，地下水由高向低流動(dòng)逐步匯聚途經(jīng)的泉水和降水等地表逕流而形成。河床標(biāo)高1 860～1 880 m，河道深1～3 m，寬1.5～4.0 m?？菁舅?.2～0.5 m，洪峰時(shí)達(dá)3 m以上。河水多年平均流量423.32 L/s，最大洪峰流量可達(dá)24 495.3 L/s，最小僅24.46 L/s。

2.4.3 頂板冒落導(dǎo)水

由于礦區(qū)的主要礦體為I1和I3礦體，I1厚度0.34～22.96 m，平均3.27 m；I3厚度0.47～24.10 m，平均5.48 m。故計(jì)算這兩個(gè)礦體的導(dǎo)水裂隙帶和冒帶高度以加強(qiáng)分析[10]。

導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算公式：

(1)

冒帶最大高度計(jì)算公式：

(2)

式中：∑M為開(kāi)采礦體厚度(m)。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 蒙自白牛廠銀多金屬礦區(qū)對(duì)門(mén)山礦段I1、 I3礦體冒落帶厚度，導(dǎo)水裂隙帶厚度計(jì)算表

由表1可知，I1的導(dǎo)水裂隙帶厚度為64.25 m，小于其距地表水的最小距離，所以與地表水聯(lián)通充水的可能性不大。I3礦體開(kāi)采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度為80.23 m，而I3與I1間距為20～73 m。平均間距為46.5 m，小于I3礦體的導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度，故I3礦體導(dǎo)水裂隙帶在部分地區(qū)可能導(dǎo)通I1礦體采空區(qū)積水。

3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

3.1 解析法

3.1.1 范圍及標(biāo)高

以本次生探資源儲(chǔ)量估算范圍為礦井涌水量的預(yù)測(cè)范圍，資源儲(chǔ)量估算面積0.65 km2即為預(yù)測(cè)礦井系統(tǒng)面積，主要礦體資源儲(chǔ)量估算最低標(biāo)高1 595.15 m的整數(shù)1 595 m為預(yù)測(cè)礦井最低排水標(biāo)高。見(jiàn)圖1。

3.1.2 邊界條件

1.實(shí)測(cè)不整合地質(zhì)界線 2.實(shí)測(cè)地質(zhì)界線 3.水系及流向 4.向斜軸 5.實(shí)測(cè)正斷層及編號(hào) 6.斷層及編號(hào) 7.推測(cè)性質(zhì)不明斷層 8.涌水量預(yù)測(cè)范圍 9.地下分水嶺 10.地層代號(hào)

3.1.3 參數(shù)取值及計(jì)算

將礦井系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)圓形的大井，由已知礦井系統(tǒng)面積F0和預(yù)測(cè)礦井系統(tǒng)面積F可推影響半徑R0和R。再由抽水試驗(yàn)的最大降升S1和抽水井半徑r結(jié)合R0可算出旱季和雨季的滲透系數(shù)和。再根據(jù)滲透系數(shù)就可以求出預(yù)測(cè)涌水量[11]。

(3)

(4)

預(yù)測(cè)區(qū)充水含水層為潛水，故選用潛水井的Dupuit公式

(5)

(6)

式中：Q旱、Q雨為預(yù)測(cè)礦井旱、雨季涌水量(m3/d)；Q0旱、Q0雨為已知礦井及采空區(qū)涌水量(m3/d)；S為預(yù)測(cè)礦井系統(tǒng)水位降深(m)；S0為已知礦井疏干排水水位降深(m)；S1為抽水試驗(yàn)最大降升(m)；K旱、K雨為旱季和雨季滲透系數(shù)(m3/d)；r為抽水井半徑(m)；R0(已知礦井系統(tǒng)影響半徑)：由圓的面積公式可算得為92.73 m；R(預(yù)測(cè)礦井系統(tǒng)影響半徑)：由圓的面積公式可算得為143.87 m。

參數(shù)確定：F(預(yù)測(cè)礦井系統(tǒng)面積):為本次資源儲(chǔ)量估算面積0.65 km2；F0(已知礦井及采空區(qū)控制面積)：為礦山采空區(qū)控制面積0.27 km2；S(預(yù)測(cè)礦井系統(tǒng)水位降深)：對(duì)門(mén)山礦段地下水位平均標(biāo)高1 965.37 m，預(yù)測(cè)礦井排水最低標(biāo)高1 595 m，預(yù)測(cè)礦井系統(tǒng)水位降深370.37 m；S0(已知礦井疏干排水水位降深)：對(duì)門(mén)山礦段地下水位平均標(biāo)高1 965.37 m，已知礦井疏干排水平均標(biāo)高1 761.97 m，水位降深203.40 m；S1(抽水試驗(yàn)最大降升)：53.90 m；r(抽水井半徑)：0.2 m。

由上述參數(shù)并結(jié)合公式(3)、(4)、(5)、(6)可得：預(yù)測(cè)礦井最低排水標(biāo)高1 595 m旱季涌水量4 354.41 m3/d，雨季涌水量8 584.91 m3/d。

3.2 比擬法

預(yù)測(cè)區(qū)充水含水層為潛水，故選用涌水量與開(kāi)拓面積成正比、與水位降深曲線關(guān)系公式：

(7)

(8)

式中：Q旱、Q雨分別為預(yù)測(cè)礦井旱、雨季涌水量(m3/d)；Q0旱、Q0雨分別為已知礦井及采空區(qū)涌水量(m3/d)；F為預(yù)測(cè)礦井系統(tǒng)面積(km2)；F0為已知礦井及采空區(qū)控制面積(km2)；S為預(yù)測(cè)礦井系統(tǒng)水位降深(m)；S0為已知礦井疏干排水水位降深(m)。

由3.1.3中的相應(yīng)參數(shù)并結(jié)合公式(7)、(8)可得：預(yù)測(cè)礦井最低排水標(biāo)高1 595 m旱季涌水量7 798.74 m3/d，雨季涌水量15 352.99 m3/d。

預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 蒙自白牛廠銀多金屬礦區(qū)對(duì)門(mén)山礦段礦坑涌水量預(yù)測(cè)估算結(jié)表

3.3 誤差分析與對(duì)比

解析法誤差分析：由于使用解析法時(shí)將整個(gè)礦井系統(tǒng)的面積簡(jiǎn)化為一個(gè)大圓的面積，影響半徑會(huì)有誤差；由于抽水試驗(yàn)只有一組數(shù)據(jù)，且未在旱季和雨季分別做抽水試驗(yàn)，所以算出的滲透系數(shù)會(huì)有誤差。

相較于解析法，采用水文地質(zhì)比擬法可根據(jù)已有坑道及采空區(qū)控制面積、流量觀測(cè)成果和水位降深為依據(jù)進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。并且類比礦坑和采空區(qū)控制系統(tǒng)與預(yù)測(cè)礦坑系統(tǒng)同屬一個(gè)水文地質(zhì)單元，水文地質(zhì)條件相同，預(yù)測(cè)方法合理，參數(shù)選取正確，結(jié)果可靠，切合實(shí)際。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) I1的導(dǎo)水裂隙帶厚度小于其距地表水的最小距離，所以與地表水聯(lián)通充水的可能性不大。I3礦體開(kāi)采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度大于與I1間距，故I3礦體導(dǎo)水裂隙帶在部分地區(qū)可以導(dǎo)通I1礦體采空區(qū)積水。

(2)使用解析法估算礦坑涌水量時(shí)由于受水文地質(zhì)邊界的概化模型影響較大，所以滲透系數(shù)計(jì)算誤差會(huì)較大。故在對(duì)門(mén)山礦段內(nèi)，使用比擬法估算涌水量較為合理。

(3)嚴(yán)格按照《礦山安全規(guī)程》執(zhí)行，堅(jiān)持“有疑必探，先探后采”的原則，做好井下防治水、排水探放水等工作，防止井下涌水及突水災(zāi)害，對(duì)采空區(qū)積水要給予特別關(guān)注。

(4)為保證礦山安全生產(chǎn)，減輕礦坑排水壓力，建議礦山在開(kāi)拓專門(mén)的排水巷道，將對(duì)門(mén)山礦段采空區(qū)的積水排出礦區(qū)以外。