杨　潇, 马春燕

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳　441002)

0　引言

矿井涌水量预测是矿床水文地质勘查的主要成果之一。准确预测矿坑涌水量是一项重要而复杂的工作[1]，是开采设计部门制定疏干措施、确定排水设备及确保矿山安全生产的主要依据。

把复杂的坑道系统换成一个假想的、与坑道系统面积相等的一个“大井”[2],在矿坑疏干过程中,当矿坑的涌水量,包括其周围的水位降低呈现相对稳定的状态时,即可认为以矿坑为中心形成的地下水辐射流场基本满足稳定井流的条件。虽然矿坑的形状极不规则,但在理论上可将形状复杂的坑道系统看成是一个大井在工作,不规则坑道系统的圈定面积相当于大井的面积,整个坑道系统的涌水量,就相当于大井的涌水量,从而可以近似应用裘布依的稳定流基本方程计算矿坑涌水量[3]。

神农架大白莲矿区磷矿石以岩溶裂隙含水充水为主的矿床,主要含水层为震旦系上统陡山沱组白云岩,勘查过程中进行了单孔抽水试验,并用大井法预测+868 m标高矿坑涌水量。

1　矿区自然地理概况

矿区位于湖北省神农架林区松柏镇正北方向5 km处,隶属林区阳日镇和松柏镇管辖[4]。矿区所在地属亚热带大陆性气候,气候潮湿,雨量充沛。根据神农架气象局收集近11年降水资料,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%,其次为5、6、9月。最大年降水量2003年1 155.2 mm,最小年降水量为2006年为694.6 mm。

矿区整体为一倾向北北西的单斜构造,总体地势西高东低,最高点牛角尖海拔1 729 m,最低侵蚀基准面标高为647 m。

区内冲沟、水系较发育,常年流水的主要为古水河及其支流(矿区范围外)康家峪沟、孙家沟、南崖沟。古水河位于工作区北部边缘,汇水面积约20 km2,流量一般0.407 m3/s,洪水期流量约2.3 m3/s,自西向东再向南东方向至阳日镇注入南河。

2　矿区水文地质条件

矿区位于古水河南岸的侵蚀构造高中山区,基本形成一个独立的水文地质单元,天然状态下,补给区、径流区与排泄区基本一致。含水层主要呈东西向、北部展布,南部和西南部被震旦系上统陡山陀组、下统南沱组隔水层包围。矿体赋存于陡山沱组第四段(Z2d4)白云岩中,出露长度2 700 m,呈似层状产出,走向近东西向,倾向340°～0°,倾角24°～30°,向北缓倾斜的单斜层矿体(图1)。最大出露标高1 655 m,最低控制标高868 m。

2.1　含水层

(1) 第四系(Q4)砂砾石孔隙含水层。该含水层为第四系冲洪积、坡积砂砾石层,厚2～5 m,主要接受大气降水补给,以渗流形式排泄于王家大沟及康家峪沟、孙家沟、南崖沟。

(2) 弱裂隙含水层。主要为矿层上部震旦系上统灯影组(Z2∈1d)厚层白云岩、下部晚元古界马槽园群火烧尖组第一段(Pt3h1)粉砂质炭质页岩、第二段(Pt3h2)泥质条纹白云岩—粉砂质页岩。该含水带分布于基岩上,由大气降水补给,以泉及地下迳流形式排泄,据泉和其它出水点的揭露,涌水量为0.071～0.102 L/s。

(3)岩溶裂隙含水层。主要为矿层底部的震旦系上统陡山沱组(Z2d3-Z2d1)白云岩,富水性中等,为矿区内主要含水体,也是矿床开采主要充水来源。在钻孔水文地质观测中,遇此层时有少量钻孔发生轻微漏水,坑道揭露此层时出现喷水、流水、渗水、滴水现象,流量分别为3.59～36 L/s。泉水流量0.05～0.3 L/s。经ZK013号钻孔抽水试验,涌水量为1.8 L/s,单位涌水量0.487 39～0.822 81 L/s·m,渗透系数为0.083 66～0.102 21 m/d。该层接受大气降水和上覆风化裂隙水补给。

2.2　隔水层

主要为矿体所在的陡山沱组第四段(Z2d4) 炭质页岩、含粉砂质页岩、白云岩含炭块状磷块岩混合体,以及其下部的震旦系下统南沱组(Z1n)冰碛砂砾岩。钻孔及坑道所见岩石完整,裂隙不发育,厚度稳定(图2),未见漏水涌水现象,为较好的隔水岩体。

2.3　断裂构造的含水性

区内除规模较大的麻湾断裂(F1)和彩旗沟断裂(F2)断裂外,其它断裂规模较小,一般不含或极微弱含水,可视为隔水体。

F1断层为一东西走向逆断层,产状350°～10°∠78°～82°,垂直断距420 m,破碎带宽20～50 m,破碎带以压碎岩、糜棱岩为主,并发育一组平行该断层的破劈理。沿断层可能形成部分构造脉状水,贯通断层两盘的含水层,对矿体的开采产生一定的影响。该断层与F2断层交汇带位于矿体的北东部边缘,在采矿时保持一定距离就不会造成大的影响。

F2断层为一近南北向正断层,产状0°～10°∠75°,垂直断距>200 m,破碎带宽10 m,以角砾岩为主,区内长约2.4 km。断层将陡山陀组岩层与火烧尖组岩层接触,在地貌上呈现出陡峻的悬崖和深沟,对矿床充水影响不大。

2.4　地下水补、径、排特征

2.4.1补给条件

矿区所在地属亚热带大陆性气候,雨量充沛,多年平均降水量957.7 mm,为矿坑地下水补给提供了充足的水源。本区地形切割强烈、沟谷发育,地表岩溶、裂隙发育,地形地貌有利于地下水的补给。

2.4.2径流、排泄条件

矿区内基本形成一个独立的水文地质单元,天然状态下,补给区、径流区与排泄区基本一致。周边地形坡度较陡,大气降雨部分沿地表向中部径流汇集;部分沿岩溶、裂隙自西南向北东方向流动,向低处运移补给地下水,一部分形成灯影组潜水,在冲沟等地势较低洼的地带排泄出地表,最终汇入古水河;而另一部分陡山沱组的潜水则在向低处运移过程中逐渐变为承压水,并最终在古水河沿岸等处以泉的形式排泄地表,补给古水河。

图1　大白莲矿区地质简图Fig.1　Geological sketch of Dabailian mine area1.震旦系灯影组;2.震旦系陡山沱组第四段;3.震旦系陡山沱组第三段;4.震旦系陡山沱组第二段;5.震旦系陡山沱组第一段;6.震旦系南沱组;7.马槽园群火烧尖组第二段;8.马槽园群火烧尖组第一段;9.神农架群乱石沟组;10.断层及编号;11.角度不整合界线;12.矿体及编号;13.钻孔及编号;14.勘查线及编号;15.泉及编号;16.地层产状。

图2　陡山沱组第四段炭质页岩等厚线图Fig.2　Isopach map of Carbonaceous shale of Doushantuo1.钻孔及编号;2.陡山沱组第四段炭质页岩等厚线。

2.5　地表水对矿坑充水的影响

经地表水文地质调查和施工钻孔,与古水河相交的近南北向断裂在区内不发育,钻孔孔口标高都高于相近古水河河床标高,终孔稳定水位都高于古水河,且控制矿体最低标高(868 m)高于当地最低侵蚀基准面(647 m)。故地表水对矿坑充水无影响。

综上所述,矿区地下水主要来源于大气降水,补给条件较好,矿体围岩富水性中等,且厚度较大,但矿区的主要矿体均位于当地侵蚀基准面以上,山高坡陡,有利于矿山排水,断层、古水河对矿坑充水影响很小。因此,水文地质条件为中等类型。

3　矿坑涌水量预测

3.1　矿床充水因素分析

3.1.1大气降水

区内多年平均降雨量957.7 mm,收集的近11年最大降雨量为1 155.2 mm(2003年),最小年降雨量为694.6 mm(2006年)。降雨多集中在5—9月,约占全年降水量的70.8%。地表岩性多为白云岩,岩溶、裂隙发育,岩石较破碎,渗透系数为0.083 66～0.102 21 m/d,有利于降水的入渗、收储和运移。

3.1.2地下水

直接充水含水层。陡山沱组(Z2d3-Z2d1)白云岩岩溶裂隙含水层是矿坑充水的直接因素,富水性中等。受地形和炭质页岩隔水层影响,陡山沱组潜水在由南部向北部运移过程中逐渐变为承压水,季节变幅不大。ZK013、ZK1604作为长期观测孔,测得水位标高为1 017.31～1 018.58 m,1 424.65～1 425.36 m,变化幅度0.71～1.27 m。增加平硐PD980为临时流量长期观测点,测得流量为34～42 L/s,变化幅度8 L/s。该部分承压水在对矿坑充水影响较大。

间接充水含水层。主要为震旦系上统灯影组(Z2∈1d)厚层白云岩岩溶裂隙含水层。由于有矿层直接顶板陡山沱组第四(岩性)段(Z2d4)炭质页岩的存在,其与直接含水层无直接水力联系。但据钻孔统计资料,8-11勘探线部分地段炭质页岩的RQD为18.97%～54.23%,岩心完整性差,厚度小,隔水效果不佳,这种情况下,它们将会沟通灯影组、陡山沱组与矿层的水力联系,构成矿床充水因素。

3.2　涌水量预测

本区为地下开采,根据地质勘查资料,向下预算868 m中段的涌水量。计算公式采用承压转无压完整井裘布依公式。

3.2.1涌水量预测的边界条件

矿区内含水层主要呈东西向、北部展布,南部和西南部被震旦系上统陡山陀组、下统南沱组隔水层。在假定矿坑所在含水层为均质无限分布,圆形补给的前提下,结合计算所得的引用影响半径及矿体资源储量估算水平投影图可知,虽然矿区的西南部为隔水层包围,但大井的影响范围距远小于矿体至隔水边界的距离,故西南边帮仍可视为无限来水边界。而南部由于大井的影响范围大于矿体到南沱组隔水边界的距离,表明该隔水层的存在对矿坑充水产生影响。

3.2.2渗透系数

计算得:K=0.0841 m/d

3.2.3矿坑涌水量估算

4　结论和存在问题

(1) 矿区矿体围岩富水性中等,且厚度较大,地下水主要来源于大气降水,主要矿体均位于当地侵蚀基准面以上,地形山高坡陡,有利于矿山排水,水文地质条件中等。

(2) 矿坑地下水涌水量的大小由矿区水文地质条件所决定,影响因素主要有含水层的结构及富水性,基岩裂隙发育程度,含水层的补给、径流条件及矿区地形对地表水、地下水的汇集条件等。

(3) 本文计算中参数主要根据矿区专门水文地质试验成果资料,在充分考虑矿区水文地质特征的前提下,利用“大井法”进行计算,预测矿山开采时的矿坑涌水量。大井法作为地下水动力学方法,为理想化的模型,适用于均质、各向同性的含水层,而本区地层受岩溶裂隙发育程度影响,不可能完全均质、各向同性,计算时只能视为均质层计算渗透系数,影响了预算的精度,但可以作为将来矿山排水工程方案设计与施工的参考依据。

参考文献：

[1]华解明.矿井涌水量计算的非稳定流解析法[J].中国煤炭地质,2010,22(10):38-40.

[2]地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队.水文地质手册[M].北京：地质出版社,1978.

[3]马洪超,林立新.采矿技术[J].采矿技术,2009,9(2):53-54.

[4]吴高山,李飞,杨潇,等.湖北省神农架林区大白莲矿区磷矿详查报告[R].襄阳:湖北省第八地质大队,2010.