劉世響，高 俊，鄧國(guó)成，常志岐，祝金峰

(1. 河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2. 河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009)

0 前 言

突發(fā)涌水是礦山開(kāi)采中重大安全隱患，涌水量是礦山開(kāi)發(fā)利用及水害防治技術(shù)路線選擇的基礎(chǔ)資料[1]，涌水量預(yù)測(cè)[2-8]是礦山開(kāi)采從設(shè)計(jì)之前到礦山閉坑全過(guò)程的基本水文地質(zhì)工作。正確預(yù)測(cè)涌水量才能做到安全又經(jīng)濟(jì)合理開(kāi)發(fā)利用礦產(chǎn)資源。

在礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)之前的地質(zhì)勘探階段，開(kāi)展水文地質(zhì)條件研究，可為后續(xù)礦山開(kāi)采、水害防治工作提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)保障。以東昆侖柴達(dá)木盆地東南緣某錳礦為例，通過(guò)分析區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)礦井涌水量，豐富了該礦床在水文地質(zhì)方面相關(guān)的研究成果，為區(qū)域內(nèi)同類型的礦床開(kāi)采提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

研究選取的錳礦于青海省境內(nèi)，地處柴達(dá)木盆地東南緣。區(qū)域上廣泛分布有古生界碎屑巖-碳酸鹽巖系，中基性火山巖大面積出露，局部有古元古代變質(zhì)巖系。第四系松散層多覆蓋于山間盆地上。礦區(qū)內(nèi)地層為奧陶-志留紀(jì)，主要巖性為硅質(zhì)板巖、斜長(zhǎng)角閃片巖、變砂巖等，屬變質(zhì)碎屑巖復(fù)理巖含礦組合。其中，硅質(zhì)板巖為區(qū)內(nèi)賦礦巖層。礦區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層總體走向北東—南西，傾向南東，為一單斜構(gòu)造[9-10]。

2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

礦區(qū)海拔在4 000～4 400 m，地形地貌條件為地下水補(bǔ)給排泄的主導(dǎo)制約因素。高山區(qū)為補(bǔ)給區(qū)，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，基巖多裸露，局部被第四系殘坡積層所覆蓋，巖石裂隙較發(fā)育。大氣降水及融雪(冰)水是地下水的補(bǔ)給來(lái)源，區(qū)域地下水呈現(xiàn)出季節(jié)性變化特征；山麓地段屬?gòu)搅鲄^(qū)，高程在3 700～4 000 m之間。該地段多數(shù)基巖出露，部分被第四系所覆蓋，地下水來(lái)源主要是接受大氣降水及基巖山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給，并向盆地低洼處運(yùn)移；盆地河谷排泄區(qū)，分布地層主要為第四系的沖洪積物，結(jié)構(gòu)松散，透水性良好，地下水在地勢(shì)低洼處溢出，故屬地下水的排泄區(qū)。區(qū)域地下水類型按埋藏條件可分為如下2類。

1)基巖裂隙水：分布于山區(qū)，含水層巖性主要有奧陶-志留系沙柳河群下亞群片巖、片麻巖，沙柳河群上亞群中-中基性火山碎屑巖和千枚巖組成的綠色巖系，以及各種花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖等巖體。富水性較弱，單泉流量<1.0 L/s，礦化度<1.0 g/L，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg。

2)松散巖類孔隙水：分布在溝谷地帶及盆地內(nèi)，含水層巖性主要為沖洪積砂礫卵石層及砂土，富水性較好，單泉流量>1.0 L/s，水化學(xué)類型相對(duì)復(fù)雜。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)位于青海省海西蒙古族藏族自治州，氣候具有寒長(zhǎng)暑短，四季不分明，屬大陸性半干旱高山草原氣候，其氣候要素隨地勢(shì)而變化。

礦區(qū)水系不發(fā)育，為柴達(dá)木內(nèi)陸水系，大氣降水及冰雪融化作為補(bǔ)給源，向南北兩側(cè)分別流入不同的內(nèi)陸盆地。礦區(qū)西南側(cè)有沙柳河三級(jí)支流，向南向西過(guò)野馬灘，流入沙柳河，直至素棱郭勒河-柴達(dá)木盆地。沙柳河流量一般1.472 m3/s，汛期最大流量56.734 m3/s。礦區(qū)南側(cè)為小西溝中上游的次級(jí)支流，北東側(cè)有幾處溪流，流入茶卡鹽湖。這些溪流只在降水季節(jié)(6～9月)有水流，且流程變化不定，不時(shí)潛入地下。

礦區(qū)位于山地，山系總體呈北西走向，山坡兩側(cè)地勢(shì)大體相當(dāng)，坡度多為30°～38°，山頂多呈半圓丘狀-半棱角狀，屬于干旱至半干旱荒漠區(qū)。海拔4 100～4 400 m，比高200～330 m，最高4 400 m，屬中低切割高山區(qū)。除山脊部分巖石裸露外，其余多為風(fēng)成黃土、風(fēng)成砂覆蓋，且山間大灘、溝谷、山麓地帶沙生植物或高寒草原、高寒草甸植被覆蓋超過(guò)30%。由于礦區(qū)處于中高山區(qū)，地形切割一般，山體地勢(shì)較緩—較陡，地貌差異較大，根據(jù)構(gòu)造、地貌成因及相對(duì)高度將外圍和礦區(qū)地貌類型劃為：侵蝕構(gòu)造中高山、剝蝕堆積低中山、山間谷地及山前傾斜平原。

3.1 地下水類型及含水巖組

本區(qū)地層隸屬東昆侖地層分區(qū)柴達(dá)木北緣地層小區(qū)。地層主要有奧陶-志留紀(jì)灘間山群和第四系，地層出露簡(jiǎn)單，根據(jù)含水介質(zhì)、地下水動(dòng)力特征和空間關(guān)系，將礦區(qū)含水層劃分為基巖類型裂隙水、斷層脈狀水。

3.1.1 基巖類型裂隙水

1)層狀巖類裂隙水

廣泛分布于礦區(qū)，其巖性主要為硅質(zhì)板巖、錳礦化硅質(zhì)巖、斜長(zhǎng)角閃片巖等，不但片理較發(fā)育，近地表15 m巖石裂隙也很發(fā)育，單泉流量<1.0 L/s，礦化度<1.0 g/L，地下水屬HCO3-Ca型水。

2)塊狀巖類裂隙水

礦區(qū)分布普遍，含水層主要巖性為斜長(zhǎng)角閃片巖和硅質(zhì)板巖等，單泉流量<0.5 L/s，礦化度一般<0.5 g/L，靠近積雪位置則是<0.3 g/L的超淡水，地下水屬HCO3-Ca型水。

3.1.2 斷層脈狀水

區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造在北側(cè)斜貫展布，斷層性質(zhì)為壓扭性逆斷層，出露長(zhǎng)度約700 m，寬2～5 m，傾向南東。通過(guò)鉆孔水文地質(zhì)編錄，在28.0～83.03 m揭露出斷裂一條，厚度55.03 m，產(chǎn)構(gòu)造角礫巖，巖芯極為破碎，多呈碎塊狀、扁柱狀，少量短柱狀，為斷層破碎帶之構(gòu)造角礫巖，未膠結(jié)而呈散體結(jié)構(gòu)，屬較強(qiáng)含水層。抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，該斷層破碎帶含基巖裂隙斷層脈狀水，靜止水位埋深33.85 m，靜止水位標(biāo)高4 089.28 m；含水層厚度H=51.9 m，降深S=7.65 m，涌水量Q=0.278 L/s；滲透系數(shù)K=0.06 m/d，單位涌水量q=0.036 3 L/(s·m)；水溫2～3 ℃。q<0.1 L/(s·m)，富水性弱，水化學(xué)類型屬HCO3·Cl-Na·Ca型水。

3.2 地下水補(bǔ)給及徑流條件

研究區(qū)內(nèi)地下水接受大氣降水的補(bǔ)給，受地形及巖性影響，徑流條件較差，基巖裂隙含水層巖性主要為板巖、片巖，地下水露頭很少，區(qū)內(nèi)未見(jiàn)明顯之補(bǔ)給區(qū)及排泄區(qū)。綜合比較，山區(qū)是基巖裂隙水的補(bǔ)給區(qū)-徑流區(qū)，溝谷為排泄區(qū)。

3.3 礦床充水因素分析

3.3.1 大氣降水

依據(jù)該礦床所在地理位置氣象資料來(lái)看，年平均降水量160.9 mm，年最大降水量為234.8 mm，日最大降水量為17.5 mm，是未來(lái)雨季露天采坑直接充水水源。

3.3.2 地下水

地下水含水層節(jié)理裂隙不發(fā)育，富水性弱或極弱。但是，當(dāng)?shù)V體附近存在導(dǎo)水構(gòu)造破碎帶之時(shí)，則會(huì)對(duì)日后的礦山生產(chǎn)具有一定的威脅，且災(zāi)害性涌水極易發(fā)生。

3.3.3 封閉不良鉆孔

在本次調(diào)查研究過(guò)程中，經(jīng)鉆孔揭露，發(fā)現(xiàn)多個(gè)含水層。如若鉆孔封孔質(zhì)量不滿足要求，不良鉆孔將成為溝通各含水層水力聯(lián)系的通道，對(duì)采礦場(chǎng)造成一定的威脅。

3.4 供水水源與水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.4.1 供水水源

礦區(qū)供水水源缺乏，各沖溝絕大多數(shù)時(shí)間為干溝，僅在雨季才有水流，如礦區(qū)南側(cè)的南小河水流點(diǎn)流量Q=250 L/s，北側(cè)季節(jié)性溪流流量Q=2.156 L/s，均可作為供水的補(bǔ)充水源。但河水在10月下旬至翌年4月封凍斷流、冬季供水十分困難。

當(dāng)?shù)V區(qū)涌水量大增時(shí)，可考慮距礦區(qū)西南18 km左右的沙柳河作為供水水源，沙柳河年平均流量3.66 L/s，最大流量8.513 L/s、最小流量1.216 L/s，水質(zhì)清涼，礦化度<0.275 g/L的低溫淡水，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Na·Ca型，各類指標(biāo)符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)

1)生活及飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)錳礦區(qū)南小河水質(zhì)分析結(jié)果(見(jiàn)表1)，南小河水化學(xué)類型為Cl·SO4-Na·Ca 型水，礦化度0.645 g/L，總硬度(CaCO3) 288 mg/L ，庫(kù)爾洛夫式為

表1 錳礦區(qū)南小河水質(zhì)分析結(jié)果 mg/L

2)鍋爐用水水質(zhì)評(píng)價(jià)

利用水化學(xué)分析資料和水在鍋爐中是否發(fā)生各種不良化學(xué)反應(yīng)，采用成垢作用(鍋垢總量H0，硬垢系數(shù)Kn)，腐蝕作用(腐蝕系數(shù)Kk)和起泡作用(起泡系數(shù)F)對(duì)地表水進(jìn)行鍋爐用水水質(zhì)評(píng)價(jià)(見(jiàn)表2)。

表2 沙柳河河水鍋爐用水水質(zhì)評(píng)價(jià)

由表2鍋爐用水水質(zhì)評(píng)價(jià)表看出，南小河河水是中等沉淀物的鍋垢多的水，半起泡具腐蝕性的水。

3)河水對(duì)混凝土的侵蝕性判定

4)地下水

相對(duì)而言，該礦區(qū)地下水資源顯得貧乏，且季節(jié)性強(qiáng)，水量多變，只能做為礦山生產(chǎn)過(guò)程中的季節(jié)性臨時(shí)補(bǔ)充水源，而主要水源還要靠礦區(qū)南側(cè)的地表水來(lái)解決。

3.5 水文地質(zhì)勘查類型

礦區(qū)的地下水含水層主要為硅質(zhì)板巖、含錳硅質(zhì)巖、片巖巖層，主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面(3 800 m)以上，分布在次級(jí)分水嶺地段，附近無(wú)地表水體，鉆孔單位涌水量q=0.036 L/(s·m)，小于0.1 L/(s·m)，主要充水含水層、斷層破碎帶的富水性弱，地下水補(bǔ)給條件差，區(qū)內(nèi)不存在明顯的補(bǔ)給、排泄區(qū)。本區(qū)水文地質(zhì)勘查屬二類一型，即水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單礦床。

4 涌水量預(yù)測(cè)探討

4.1 礦坑充水方式

本次工作范圍內(nèi)錳礦體圍巖大多為硅質(zhì)板巖、錳礦化硅質(zhì)巖。圍巖中發(fā)育有風(fēng)化裂隙，主要分布于地表附近，分布深度20～80 m；后者因構(gòu)造作用，Ⅳ、Ⅴ構(gòu)造面發(fā)育，分布較廣泛。礦體及圍巖中均有分布。

潛水面以下2種裂隙中均含有地下水，形成層狀巖類(板巖、片巖)裂隙水。由于巖層強(qiáng)分化帶深度只有80 m左右，大都位于潛水面(72.70 m)以上，其下為中、弱分化帶，裂隙不發(fā)育，分布也不均勻，地下水補(bǔ)給有限。因此，在礦體、硅質(zhì)板巖中雖都含水，但富水性均較弱，且差異性也較明顯。礦區(qū)內(nèi)未見(jiàn)地下水(泉)出露，證實(shí)了上述基本特征。

4.2 大井法

4.2.1 計(jì)算方法和原則

礦體適宜露天開(kāi)采，礦坑涌水量計(jì)算方法用“大井”法用穩(wěn)定流理論[10-18]按完整井進(jìn)行分析計(jì)算。

4.2.2 計(jì)算公式

采用裘布依公式(潛水)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

R0=R+r0

(4)

式(1)～(4)中Q為礦坑涌水量，m3/d；H為含水層厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；S為“大井”降深，m；R為“大井”影響半徑，m；R0為“大井”引用影響半徑，m；r0為“大井”引用半徑，m；F為采區(qū)面積，m2。

4.2.3 參數(shù)確定及計(jì)算結(jié)果

選用一水文地質(zhì)孔有關(guān)資料進(jìn)行計(jì)算。該鉆孔水位標(biāo)高為4 089.28 m，水位標(biāo)高減隔水層標(biāo)高(4 037.38 m)即為含水層厚度(Hcp)，Hcp=51.90 m；降深(S)與含水層厚度等值，S=51.90 m；滲透系數(shù)(Kcp)選用該水文地質(zhì)孔抽水試驗(yàn)計(jì)算的滲透系數(shù)值，Kcp=0.06 m/d；“大井“影響半徑(R)由以上數(shù)據(jù)代入式(2)計(jì)算可得R=183.17 m；F由采坑底面積在1∶2 000地形圖設(shè)計(jì)、計(jì)算F=500×650=325 000 (m2)；“大井”引用半徑(r0)經(jīng)式(3)計(jì)算可得r0=332.1 m；“大井”引用影響半徑(R0)經(jīng)式(4)計(jì)算可得R0=515.27 m。

將以上參數(shù)代入式(1)，經(jīng)計(jì)算得涌水量Q=1 157.3 m3/d。

4.3 采礦場(chǎng)最大涌水量預(yù)測(cè)

采礦場(chǎng)充水來(lái)源有2個(gè)方面：①采礦場(chǎng)范圍內(nèi)直接由大氣降水補(bǔ)給量(Q1)；②礦區(qū)基巖裂隙水礦坑涌水量(Q2)。Q1依照下式計(jì)算：

Q1=F×X×α×100

(5)

式(5)中F為礦區(qū)面積，km2；X為日最大降水量，mm；α為暴雨地表徑流系數(shù)。

由于礦體分布區(qū)段，呈近長(zhǎng)方形，長(zhǎng)650 m，寬500 m，面積(F)為0.325 km2。根據(jù)礦區(qū)所在縣氣象資料來(lái)看，本區(qū)多年平均降水量為160.9 mm，年最大降雨量為234.8 mm，日最大降水量(X)為17.5 mm，參照《水文地質(zhì)手冊(cè)》，暴雨地表徑流系數(shù)α值選用0.5。將以上數(shù)據(jù)代入式(5)，經(jīng)計(jì)算可得Q1=284.4 m3/d。

本次采用上述鉆孔抽水資料預(yù)算的礦坑涌水量Q2=1 157.3 m3/d進(jìn)行采礦場(chǎng)最大涌水量預(yù)測(cè)。則由Qmax=Q1+Q2計(jì)算可得Qmax=1 441.7 m3/d。

4.4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)述

礦區(qū)的含水層為層狀類基巖裂隙潛水，含水層的分布、厚度及富水性受節(jié)理裂隙及斷裂構(gòu)造的控制，變化很大。在構(gòu)造和裂隙不發(fā)育地段，地層的富水性極差，在斷裂構(gòu)造和裂隙發(fā)育，特別是當(dāng)斷層的規(guī)模較大，并能得到一定的補(bǔ)給時(shí)，可形成一定規(guī)模的集中涌水。

礦坑涌水量會(huì)隨著開(kāi)采深度的增加和揭露含水層的增多而逐漸增大。當(dāng)開(kāi)采深度達(dá)到一定程度時(shí)，總體趨勢(shì)上礦坑涌水量會(huì)隨開(kāi)采時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減小。

礦坑涌水量的估算應(yīng)用潛水公式“大氣降水滲入量”和“大井法”計(jì)算相互比較。2種計(jì)算方法均采用了勘查工作取得的實(shí)際資料和抽水試驗(yàn)求取的水文地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算依據(jù)較充分，計(jì)算結(jié)果可靠，礦坑最大涌水量為1 441.7 m3/d。

5 結(jié) 論

東昆侖柴達(dá)木盆地東南緣某錳礦區(qū)含水層主要為硅質(zhì)板巖、含錳硅質(zhì)巖、片巖巖層,巖性致密，含水性差，地下水主要類型為基巖裂隙水和斷層脈狀水，主要充水含水層、斷層破碎帶的富水性弱，鉆孔單位涌水量試驗(yàn)小于0.1 L/(s·m)。主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面3 800 m以上，分布在次級(jí)分水嶺地段，附近無(wú)地表水體，地下水補(bǔ)給條件差，不存在明顯的補(bǔ)給、排泄區(qū)，屬于水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單礦床。