蔣向東

（貴州省有色和核工業(yè)地質(zhì)局二總隊，貴州 六盤水 553000）

1 前言

1.1 研究意義

貴州是全國鋁工業(yè)資源大省，全省現(xiàn)有鋁土礦資源儲量4億多噸，占全國總量的21%，主要分布于黔中——黔東南一帶。黔中長沖河鋁土礦床水文地質(zhì)條件及地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜，斷層破碎帶以及構(gòu)造復(fù)合部位巖溶發(fā)育，多富集巖溶地下水，極有可能成為鋁土礦開采的突水易發(fā)部位[1]。因此，查明該巖溶地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)條件及涌水量預(yù)測研究具有重大現(xiàn)實意義。

1.2 研究內(nèi)容與目標

1.2.1 研究內(nèi)容

充分收集氣象、水文、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、水資源開發(fā)利用、社會經(jīng)濟現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃等有關(guān)資料，對黔中地區(qū)長沖河鋁土礦山水文地質(zhì)條件進行深入研究，查明研究區(qū)地下水類型、賦存、埋藏、分布、形成條件、物理及化學(xué)性質(zhì)、運動規(guī)律，動態(tài)變化、補徑排條件，預(yù)測地下水動態(tài)變化，準確預(yù)測礦坑涌水量[2]。

1.2.2 研究目標

（1）通過室內(nèi)資料搜集、整理和野外調(diào)查，查明該礦區(qū)域水文地質(zhì)條件，包括含水層系統(tǒng)或蓄水構(gòu)造的空間結(jié)構(gòu)及邊界條件，地下水補徑排條件及其變化，地下水水位、水質(zhì)、水量等動態(tài)變化，完善研究區(qū)的水文地質(zhì)資料。

（2）運用兩種水文地質(zhì)模型預(yù)測礦坑涌水量，多種方法綜合對比分析，相互印證，得出更符合實際的涌水量預(yù)測值。

1.3 本次研究工作概況

本次工作經(jīng)過1年多的工作，經(jīng)過初期資料收集本熟悉調(diào)查區(qū)自然地理、地貌、地質(zhì)及水文地質(zhì)概況；分析調(diào)查區(qū)水文地質(zhì)條件、研究程度及存在的問題，經(jīng)過野外調(diào)查，對露頭進行觀察、訪問和研究，對水文地質(zhì)單元進行詳細調(diào)查。最后進行資料整理和論文的編制[3]。通過本次工作（見工作量統(tǒng)計表），詳細查明了研究區(qū)水文地質(zhì)特征，預(yù)測出礦坑涌水量，為礦山開采提供了更為詳細的成果資料。

表1 完成實物工作量統(tǒng)計表

2 區(qū)域水文地質(zhì)特征

2.1 水文水系

地表水屬長江流域烏江水系。在自然條件下，地表與地下分水嶺基本一致，以李家沖—中寨—茶園壩—趙家山構(gòu)成近東西向的分水嶺，地表及地下水南北分流，工作區(qū)位于分水嶺之南，靠近分水嶺。分水嶺以南的棲霞組及茅口組溶洞暗河含水層形成了破巖→長沖河、小寨溝→長沖河、中寨→下麥壩、李家沖→貴化四條強徑流帶。區(qū)內(nèi)主要地表徑流發(fā)源于小寨溝，向南流入長沖河后注入貓?zhí)?，水量隨季節(jié)變化，旱季有斷流現(xiàn)象，排泄基準面標高1200m[4]。分水嶺以北，地表水匯流于迎燕水庫后注入跳墩河，向北流入鴨池河，排泄基準面標高780m。

2.2 區(qū)域地層

區(qū)域主要出露地層有上板溪群清水江組、震旦系、寒武系、石炭系、二迭系、三迭系、上白堊統(tǒng)及第四系。缺失奧陶系、志留系、泥盆系、侏羅系、下白堊統(tǒng)和第三系。地層分布與區(qū)域主構(gòu)造線方向一致，多北北東或北東向呈帶狀分布。寒武系及前寒武系地層主要分布于鐵廠復(fù)式背斜的核部及兩翼，石炭系沿寒武系地層外緣作帶狀蛇曲分布[5]。二迭系地層在鐵廠復(fù)式背斜范圍內(nèi)，分布于次級向斜的核部；在鐵廠復(fù)式背斜范圍外，則呈小面積零星分布。三迭系廣泛分布于鐵廠復(fù)式背斜以外的廣大范圍，上白堊統(tǒng)僅見于圖區(qū)北東及南西兩隅；第四系零星廣布全區(qū)地表。

2.3 含（隔）水層特征

2.3.1 含水層特征

（1）松散巖孔隙含水層（Q）：含水層巖性為殘積土層，分布較廣，土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散。

（2）中二迭統(tǒng)茅口組(P2m)含水層：中厚層～厚層生物碎屑微晶石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，巖石巖溶節(jié)理裂隙發(fā)育，含有溶蝕裂隙水。

（3）中二迭統(tǒng)棲霞組(P2q)含水層：巖石節(jié)理裂隙及溶洞發(fā)育，含有溶蝕裂隙水。

（4）下石炭統(tǒng)擺佐組（C1b）含水層：以厚層白云質(zhì)灰?guī)r為主，局部為白云巖，含有溶蝕裂隙水。

（5）中寒武統(tǒng)高臺組（∈2g）含水層：巖性為微晶白云巖，為礦系底板，含水層巖性由白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r組成。

2.3.2 隔水層特征

（1）中二迭統(tǒng)梁山組（P2l）：巖性上部為石英砂巖，下部為炭質(zhì)頁巖夾少量石英砂巖、劣質(zhì)煤層。炭質(zhì)頁巖的隔水性能較好；砂巖巖性硬脆，節(jié)理發(fā)育，故隔水性較差。該層總體看屬于隔水層，但在斷層破碎帶、頁巖變薄或尖滅地段隔水性差。中二迭統(tǒng)棲霞組(P2q)底部為深灰～黑色含炭質(zhì)、鈣質(zhì)粘土巖，與該層有聯(lián)合隔水的作用。

（2）下石炭統(tǒng)九架爐組(C1j)，上部巖性為粘土巖、鋁土巖，中部為鋁土礦，下部為含鐵質(zhì)粘土巖夾赤鐵礦，為隔水層，但在礦床開采后，該層將失去隔水作用[6]。

3 長河沖鋁土礦區(qū)水文地質(zhì)條件

3.1 礦區(qū)所處區(qū)域巖溶地下水系統(tǒng)位置

礦區(qū)位于分水嶺南邊靠近分水嶺，區(qū)內(nèi)地勢北西高，南東低，加上區(qū)內(nèi)多巖溶地貌，地表巖溶漏斗、巖溶洼地、落水洞及地下暗河發(fā)育，因此區(qū)內(nèi)地表水容易排泄，即使大雨后也無積水現(xiàn)象，僅在礦區(qū)北東邊緣有積水凼，且旱季無水。

研究區(qū)靠近分水嶺，屬地下水的補給～徑流區(qū)。

3.2 含水層特征及富水性評價

（1）松散巖孔隙含水層（Q）：含水層巖性為殘積土層，分布較廣，土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散。由于補給、賦存性能差，透水性較好，含水性較弱，只含有少量孔隙水，直接受大氣降水控制，易于疏干，與下伏地層水力聯(lián)系密切，對礦床的直接充水影響不大。

（2）中二迭統(tǒng)茅口組(P2m)含水層：中厚層～厚層生物碎屑微晶石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖。巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育，含有溶蝕裂隙水。

（3）中二迭統(tǒng)棲霞組(P2q)含水層：以白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖為主，巖石節(jié)理裂隙及溶洞發(fā)育，含有溶蝕裂隙水。

（4）下石炭統(tǒng)擺佐組（C1b）含水層：以厚層白云質(zhì)灰?guī)r為主，含有溶蝕裂隙水，含巖溶水，富水性中等。

（5）中寒武統(tǒng)高臺組（∈2g）含水層：巖性為薄～中厚微晶白云巖，為礦系底板，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，含巖溶、裂隙水，富水性中等。進入該層終孔后，對全孔進行抽水試驗。

3.3 水文地質(zhì)單元劃分及其特征

礦區(qū)西起岸上斷層F8，東以大巖向斜軸部為界，北邊是分水嶺，南邊是長沖河。礦區(qū)由西向東依次出露寒武—石炭—二疊，因此形成一個近南北走向的單斜儲水構(gòu)造單元。

礦區(qū)靠近分水嶺，屬地下水的補給～徑流區(qū)。區(qū)內(nèi)地勢北西高，南東低，坡向與地層產(chǎn)狀一致，地下水往南東方向排泄。

在礦區(qū)內(nèi)將地層分為含水層和隔水層兩大層位，P2m、P2q、C1b、∈2g可視為無限含水層，P2l、C1j為隔水層。礦區(qū)的東、西、南、北部均為地下水的補給邊界。

4 長河沖礦區(qū)大巖礦段巖溶地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)條件

4.1 礦段水文地質(zhì)特征

大巖礦段在自然條件下，地表與地下分水嶺基本一致，以李家沖—中寨—茶園壩—趙家山構(gòu)成近東西向的分水嶺，地表及地下水南北分流，工作區(qū)位于分水嶺之南，靠近分水嶺。分水嶺以南的棲霞組及茅口組溶洞暗河含水層形成了破巖→長沖河、小寨溝→長沖河、中寨→下麥壩、李家沖→貴化四條強徑流帶。區(qū)內(nèi)主要地表徑流發(fā)源于小寨溝，向南流入長沖河后注入貓?zhí)?，水量隨季節(jié)變化，旱季有斷流現(xiàn)象，排泄基準面標高1200m。分水嶺以北，地表水匯流于迎燕水庫后注入跳墩河，向北流入鴨池河，排泄基準面標高780m。（詳見礦區(qū)水文地質(zhì)圖）。

圖1 中國鋁業(yè)貴州分公司第二鋁礦長沖河礦區(qū)大巖礦段水文地質(zhì)圖

大巖礦段位于破巖向斜的北西翼，地層總體傾向南東，屬單斜地層。地下水總體流向南東，由于區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，其中最大斷層F6斷層為隔水斷層，地下水遇斷層后沿斷層上下盤破碎帶向南西運動，部份排入小長沖河。區(qū)內(nèi)地下水主要由大氣降水補給。

4.2 斷裂帶水文地質(zhì)條件特征

走向北東的F6斷層貫穿整個礦段，對礦段內(nèi)地下水起主導(dǎo)作用，為查明其導(dǎo)水性及水量，在其上盤布置CSK2號、CSK4號及CSK6號三組抽水孔，在其下盤布置CSK3號、CSK5號二組抽水孔，每組抽水孔相應(yīng)的布置三個觀測孔。各孔位置詳見《礦區(qū)水文地質(zhì)圖》。

第一組水文孔：包括一個抽水孔（CSK2）、三個觀測孔（GCK3、GCK4、CCK5）。CSK2號抽水孔，終深度136.19m?？咨?6.10m時穿過第一個含水層棲霞組（P2q）地層，該層厚度53.60m，孔內(nèi)無水?？咨?19.40m時穿過第二個含水層擺佐組（C1b）地層，該層厚度52.80m，穩(wěn)定水位65.80m，作三個降深的抽水試驗，都出現(xiàn)掉泵現(xiàn)象，其涌水量為2.67L/s。GCK3、GCK5觀測孔在抽水過程中水位均無明顯變化，GCK4觀測孔水位變化明顯，水位由65.70m下降為69.60m，這說明CSK2與GCK4之間地下水是有一定聯(lián)通性。但抽水孔與別的觀測孔間地下水連通性較差。

F8斷層位于礦區(qū)西部邊緣，礦層之下部，對礦坑充水無影響，F(xiàn)6斷層位于礦區(qū)中部，把礦區(qū)分割成東西兩塊，斷層走向北東，傾向南東，傾角70°以上，斷層角礫成份與母巖一致，膠結(jié)物多為鈣質(zhì)、泥質(zhì)、鐵質(zhì)，導(dǎo)水性弱～中等，地下水遇斷層后沿斷層上、下盤破碎帶運動，從抽水實驗可知，斷層聯(lián)通性較差，因此對礦坑充水影響較小。

總之各斷層之間聯(lián)通性差，且斷層與常年水體之間無水力聯(lián)系；斷層是地下水的排水和疏干的通道，但對礦坑的充水影響較小。在礦井建設(shè)過程中有可能破壞了地下水的天然流場，使斷層產(chǎn)生一定的導(dǎo)水性，地表水就有可能沿斷裂帶進入礦井，進而與地下水發(fā)生水力聯(lián)系，使礦井坑涌水量增大，應(yīng)采取一定的預(yù)防措施。但區(qū)內(nèi)有的斷層破碎帶含水性和導(dǎo)水性不明，不排出除這些斷層破碎帶在礦井坑道的局部位置對礦井涌水量產(chǎn)生影響的可能。

4.3 巖溶地下水系統(tǒng)動態(tài)特征

礦區(qū)西起岸上斷層F8，東以大巖向斜軸部為界，北邊是分水嶺，南邊是長沖河。礦區(qū)由西向東依次出露寒武—石炭—二疊，因此形成一個向東南傾斜，進南北走向的巖溶水系統(tǒng)。

在水文地質(zhì)調(diào)查中，工作區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)泉點7個（位置見《礦區(qū)水文地質(zhì)圖》），標高在1422m～1456m之間，其中上升泉2個(SW1、SW3)，下降泉5個（SW2、SW4、SW5、SW6、SW7，其中SW5、SW6號泉在觀察期間無水流出）。SW1上升泉出露于高臺組地層中，SW3上升泉位于F6斷層附近（現(xiàn)以被二礦排土填埋），SW7下降泉出露于茅口組地層中（為裂隙泉）。據(jù)觀測，SW1號泉流量雨季最大為6.28升/秒，最小為0.43升/秒。四個下降泉位于第四系殘坡積層中，水量較小，隨季節(jié)性變化而變化，冬春兩季干涸，據(jù)觀測SW2，號泉流量雨季最大為2.47升/秒，枯水期斷流，只在井口處有積水。

礦區(qū)外圍有長沖河及破巖小河兩條河流：長沖河發(fā)源于小寨溝，向南流至狗鉆洞與下魚洞之間形成伏流，河口至河沿標高1200m～1460m，流量55升/秒～1500升/秒，最大水深3m，河水由地下水補給，旱季大部分干枯。破巖小河發(fā)源于沙壩溝，河床標高1410m～1450m，破巖以北全年大部分時間無水，以南常年有水，流量1.5升/秒～12.26升/秒，流至低處形成暗河伏流，經(jīng)3.6公里伏流后至上魚洞以泉水出露。

據(jù)一個水文年的觀測結(jié)果，區(qū)內(nèi)地下水及地表水動態(tài)變化隨季節(jié)變化而變化，豐水期流量增大，枯水期流量隨之變小。

4.4 巖溶地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式

圖2 礦區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)示意圖

4.4.1 地下水的補給

地下水補給來源主要為大氣降水，補給方式有二種：一是通過巖石的節(jié)理裂隙滲入補給，二是以集中形式通過漏斗、落水洞等灌入補給。

4.4.2 地下水的徑流

地下水的徑流特征主要受構(gòu)造及含水層巖性、巖層厚度的控制。工作區(qū)內(nèi)的中二迭統(tǒng)茅口組灰?guī)r及棲霞組灰?guī)r、下石炭統(tǒng)擺佐組白云質(zhì)灰?guī)r、中寒武統(tǒng)高臺組白云巖，均為區(qū)內(nèi)的含水層。其巖性質(zhì)堅性脆，分布廣，受沉積、構(gòu)造的影響，為溶蝕裂隙及溶洞的發(fā)育提供了條件。因此可認為本區(qū)各含水層深部地下水的運動受其上部各含水巖層地下水的控制。溶洞、裂隙、巖溶管道以及傾斜的巖層層面，是地下水徑流的良好通道，遇斷層后沿斷層運動。

工作區(qū)靠近分水嶺，屬地下水的補給～徑流區(qū)。經(jīng)調(diào)查，該區(qū)的地下水補給、徑流區(qū)基本一致。

4.4.3 地下水的排泄

區(qū)內(nèi)中二迭統(tǒng)茅口組灰?guī)r、棲霞組灰?guī)r地層多形成巖溶洼地，上伏地層為厚度不一的笫四系殘積層，表層溶隙發(fā)育但充填良好。該層巖性含水性差，因此地下水在沿該層運動過程中沒有以上升泉或下降泉的形式流出地表。深部的巖溶洞隙充填程度較差，地下水則以局部承壓的管道流形式作遠距離運動。地下水在地質(zhì)構(gòu)造、地貌、巖性有利于匯水的條件下，在排泄基準面附近以暗河或泉的形式排泄，其次為沿裂隙向深部循環(huán)補給各含水層及溶洞暗河。區(qū)內(nèi)地勢北西高，南東低，坡向與地層產(chǎn)狀一致，地下水往南東排泄。研究區(qū)既是地下水的補給區(qū)，又是地下水的徑流區(qū)。

5 礦段涌水量預(yù)測

5.1 礦床充水條件分析

礦床的充水因素包括充水水源、充水通道、充水方式等因素。

5.1.1 礦床充水水源

（1）礦床的直接充水水源。九架爐組（C1j）為本區(qū)的含礦地層，今后的采礦層，其頂板C1b及底板∈2g均為含水層，為未來礦坑的直接充水層位，礦井在施工過程中將破壞其上下地層巖石的完整性而產(chǎn)生裂隙，加上構(gòu)造成因形成的裂隙及巖溶裂隙管道等形成地下水活動的主要通道，以至地下水沿通道充進礦井。頂板C1b及底板∈2g含水層中的地下水將是礦井的直接充水水源。

（2）礦床間接充水水源。礦床的間接充水水源主要為地表水、地下水等。在礦系的上部，地表水首先滲入P2m、P2q地層，對其含水量進行補給。在接受補給后，其水量可通過導(dǎo)水裂隙及突水帶等算直接進入C1b層位，對該層進行水量補給，故P2m、P2q地層為礦井充水的間接水源。

5.1.2 充水通道

充水通道主要有：構(gòu)造、節(jié)理、裂隙、巖溶管道等。

勘探區(qū)斷層較多，受其影響，巖石節(jié)理裂隙、巖溶發(fā)育。且礦層頂板擺佐組巖石的巖溶裂隙及溶洞發(fā)育，在天然條件下，這些節(jié)理裂隙、溶蝕帶已成為礦坑內(nèi)地下水的集中徑流帶，并成為未來開采條件下，擺佐組含水層中地下水向礦坑充水的天然通道，形成礦坑冒頂帶及導(dǎo)水裂隙帶。礦坑底板高臺組巖層，其構(gòu)造裂隙發(fā)育，含有巖溶裂隙水，且含水量較大，將有可能成為開采礦坑的底板突水通道。

5.2 礦坑涌水量預(yù)測

據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》規(guī)定，并結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件，對礦區(qū)的礦坑涌水量進行預(yù)測，該礦床面積（1.98km2），用兩種方法預(yù)測涌水量。

5.2.1 水均衡法

根據(jù)礦區(qū)露采面積0.12784km2，其最大涌水量(Q)由下式計算：

式中：X—日最大降雨量（0.2122米/日）；b—降雨時流失量比例(0.7)；F—面積。

將以上參數(shù)代入計算公式，計算出礦區(qū)露采區(qū)最大涌水量：

（注：式中氣象要素數(shù)據(jù)來源于清鎮(zhèn)市氣象局）。

表2 近三年氣象記錄資料統(tǒng)計表

5.2.2 水文地質(zhì)比擬法

根據(jù)單位涌水量換算礦坑涌水量。

生產(chǎn)礦坑單位面積或單位體積上的單位涌水量：

式中q0—生產(chǎn)礦坑單位面積、單位降深的涌水量，m3/d；Q0—生產(chǎn)礦坑總涌水量，m3/d；F0—生產(chǎn)礦坑的開采面積，m2；S0—生產(chǎn)礦坑的水位降深值，m。

收集鄰近的林歹礦區(qū)魏家寨礦段2007～2008年礦坑涌水量資料年平均總涌水量3168m3/d，面積1.2Km2，降深30m。

得出單位面積降深q0=0.000088。

地質(zhì)、水文地質(zhì)條件相似的新設(shè)計的礦坑總涌水量為：

F設(shè)—新設(shè)計生產(chǎn)礦坑的開采面積，為0.5145Km2；

S設(shè)—新設(shè)計生產(chǎn)礦坑的平均水位降深值，為53.95m；

代入公式得到Q設(shè)=2438.53m3/d。

根據(jù)多年經(jīng)驗的取系數(shù)為3，得最大涌水量為：

5.3 涌水量預(yù)測結(jié)果分析

綜合比較水均衡法較好地反映了研究區(qū)水量的變化情況，計算結(jié)果具有一定的參考價值；水文地質(zhì)比擬法對水文降深、富水性等參數(shù)進行了修正，在一定程度上提高了計算精度，比擬的兩礦區(qū)在同一水文地質(zhì)單元，無論地質(zhì)還是水文地質(zhì)條件都非常相近，故結(jié)果最符合實際情況。

6 結(jié)論

本文主要對黔中地區(qū)鋁土礦巖溶地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件進行研究，取得以下結(jié)論：

（1）礦區(qū)內(nèi)分布的向斜、多個斷裂構(gòu)造控制著巖溶地下水總體徑流方向為北西——南東，且由東向西斷裂構(gòu)造越來越復(fù)雜，巖溶發(fā)育程度變強，含水等徑流增強、導(dǎo)水性和富水性變好，特別是斷層F6很有可能構(gòu)成礦井的導(dǎo)水通道，應(yīng)特別注意防水措施。

（2）通過對礦區(qū)地下水系統(tǒng)的補給、徑流、排泄特征作了分析研究，并對礦區(qū)內(nèi)的含水層、隔水層分布特征及產(chǎn)出狀態(tài)作了分析研究，采用抽水試驗方法，反映除了斷層對地下水的隔水和導(dǎo)水作用。

（3）運用二種方法，預(yù)測出礦坑涌水量，并做了對比分析，選出最合理的礦坑涌水量為7315.59m3/d。

（4）對礦床的充水水源、充水通道、充水方式等充水因素進行了研究，分析預(yù)測了礦體頂?shù)装迕啊⑼凰目赡苄?，就區(qū)內(nèi)有可能發(fā)生的災(zāi)害應(yīng)有防治措施。