淺覆蓋型巖溶區露天礦山科甲鋁土礦涌水量預測方法

李景剛

摘要：科甲鋁土礦礦床位于桂西南，分布于巖溶洼地、谷地中，屬淺覆蓋型巖溶區露天礦山[1] [2]。礦區內巖溶及地下河發育，地表表現為缺水景觀。礦體產于第四系土層中，埋藏較淺、透水性差，底板為土層或灰巖，大部分礦體底板位于地下水位之上，小部分位于地下水位變動帶，水位以下含孔隙潛水，孔隙潛水與巖溶水有一定水力聯系。礦體底板高于枯水期巖溶水位12～30m，礦體均埋深在巖溶地下水位之上，故巖溶水對礦體開采無影響。預測涌水量計算采用礦體匯水范圍內大氣降雨充水量。大氣降雨充水量：最大值采用各年日最大降雨量的平均值、雨季正常值采用多年雨季日平均降雨量值。在一般情況下，采坑充水可通過洼地低處的落水洞自然排泄或以分散下滲的方式自然排泄。

關鍵詞：水文地質；礦山水文地質；堆積型鋁土礦；淺覆蓋型巖溶礦山；涌水量預測

前言：科甲鋁土礦位于廣西龍州縣境內，礦床屬巖溶堆積型一水鋁土礦[1]，分布于峰叢-洼地、峰叢-谷地中，溶洞及地下河系統發育，地表較為缺水。礦體產于第四系土層中，埋藏較淺，礦體均高于枯水季巖溶水位12～30m，適于露采。在一般情況下，采坑充水可通過洼地低處的落水洞自然排泄或以分散下滲的方式自然排泄，水文地質條件屬簡單類型。

1 礦區自然地理

屬亞熱帶季風氣候，四季溫暖、日照強烈。年降雨量841.8～1879.3mm；降雨最多年份為1953年，降雨量1879.3mm，最少年份為2007年，降雨量為841.8mm；5～9月為雨季、降雨量約占全年的80%；多年雨季日平均降雨量9.8mm/d，多年日最大降雨量平均值85.5mm/d（1966年最大216.5mm/d），大雨、暴雨及大暴雨是最主要的降雨形式，約占全年雨量的49.2～71.4%。

從1953～2010年的57年間，龍州縣共下暴雨（日降雨量在50～99.9mm）216次，大暴雨（日降雨量在100～250mm）29次，日最大降雨量發生于1966年6月12日降雨量達216.5mm，特大暴雨（日降雨量大于250mm）0次。按57年計算，年平均暴雨3.85次，大暴雨0.47次，特大暴雨0次。

屬西江水系左江流域，據龍州左江水文站觀測資料、年均涇流量88.4億m3、枯季年均涇流量45.8億m3。

礦區位于分水嶺兩側，屬地下水于補給—徑流區。地形北高南低，海拔最高667m，最低283m，最大高差384m，屬低山丘陵區。峰叢聳立、植被稀疏、自然坡角>50°；谷地地形平緩、洼地略陡，一般都有第四系分布，自然坡角<25°。以巖溶地貌為主，峰叢-洼地、峰叢-谷地常見；地表常見溶斗、干溝，天窗、溶井，溶洞等，呈缺水景觀。

區內有沉積型及堆積型兩種成因鋁土礦，沉積型鋁土礦賦存于都安組（C1-2d）底部古巖溶風化面上的沉積巖層中，堆積型鋁土礦主要賦存在離礦源層不遠的以泥盆系、石炭系為基底的巖溶洼地、谷地中。本文主要分析堆積型鋁土礦水文地質特征。

2 水文地質背景

區域地層：黃洞口組（ h）淺變質泥巖、砂巖；蓮花山.那高嶺組并層（D1l-n）砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖、灰巖；郁江組（ D1y）粉砂質泥巖、細砂巖、泥質灰巖、生物灰巖；黃猄山組（ D1hj）白云巖、白云質灰巖；唐家灣組（ D2t）灰巖、白云巖、泥質灰巖，夾基性火山巖；融縣組（ D3r）灰巖、白云質灰巖、白云巖，夾基性火山巖；都安組（C1-2d）灰巖、白云巖、鋁土質泥巖；大埔.黃龍組并層（C2d-h）中厚層狀灰巖。在洼地、谷地中分布有第四系土層，為堆積型鋁土礦賦礦層位。礦區總面積36.67km2，橫跨區域分水嶺兩側，分水嶺及東部是主賦礦區域。地表水及地下水，分水嶺以西流入越南國、以東自北向南東徑流。

劃分3個含水巖組：①松散巖孔隙水含水巖組：主要分布于巖溶洼地、谷地中，地層為第四系。②碎屑巖裂隙水含水巖組：由泥盆系郁江組、蓮花山.那高嶺組并層、寒武系構成，厚度大于100m，呈條帶狀分布于礦區西南部。主要為裂隙水，泉水流量0.013～0.22 l /s，富水性弱，水化學類型為HCO3-Ca·Na型，PH值7.6，礦化度0.023g/l，硬度12.6mg/ l。③碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水巖組：由石炭系黃龍組、大埔組.黃龍組并層、都安組，泥盆系融縣組、唐家灣組、黃猄山組構成，總厚度>2000m，分布面積廣；巖溶較發育，落水洞、溶洞、溶井等巖溶形態都比較多見；含裂隙溶洞水，富水性中等～強；水化學類型為HCO3-Ca或HCO3-Ca·Mg型，PH值7.1～7.6，礦化度0.222～0.288g/ l，硬度230～301mg/ l。

碳酸鹽巖出露面積占基巖總面積近90%，巖溶地下水主要接受大氣降雨補給，雨水沿巖石的節理、裂隙、溶隙、溶孔、表土孔隙等滲入，一部分蒸發、蒸騰，一部分向地下滲流。當降雨強度較大或持續時間較長時，可形成地表短時徑流，并向低處匯集，于溶洞、落水洞、天窗等注入地下。在該含水巖組內的2處天然溶井和1處機井進行簡易抽水試驗，計算出的滲透系數分別為197.22、125.36、4.31 m/d，前兩個偏大、后者適中，結合收集到的區域水文地質資料，本文預測涌水量采用的滲透系數取5.0m/d。

洼地、谷地堆積第四系，由上往下為粘土或粉質粘土層—礦層—粘土層，基底為碳酸鹽巖地層，屬淺覆蓋型巖溶類型。松散層厚0～21m，礦層大部分位于地下水位之上，小部分位于地下水位變動帶，水位以下含孔隙潛水。地下水主要接受大氣降雨補給，雨水及面流通過表土孔隙下滲，當降雨強度較大時，在地表以面流形式向低處匯集，于巖溶通道注入地下。局部地段雨季暴雨后地下水倒灌、水位可升至地表，形成季節性巖溶泉水，流量1～10 l /s。先后施工淺井674個，僅36個淺井井底出現滲水現象，滲水量極小，富水性極弱。做4個試坑滲水試驗，滲透系數平均0.015 mm/s（1.296 m/d），屬中等透水[3] [4]。

以主賦礦區域為例，枯水季節、地表徑流幾近干枯、地下水埋深一般為10～30m、地下水位和流量變化幅度較小而且變化緩慢、徑流模數2.26～3.56 l /s.km2。雨季地下水位變幅較大且迅速、季節性泉流量變化亦如此。地下水匯集到北面的那忌、中部的白雪屯、南部的水隴地下河。那忌地下河出口位于礦區東部16km，枯季流量為197.0 l /s；白雪屯地下河出口位于礦區東南部35km，枯季流量為467.0 l /s；水隴地下河出口位于礦區東南部15km，枯季流量為250.0 l /s。

3 礦體與地下水的關系

礦體主要分布于巖溶谷地、洼地內。少部分礦層裸露地表，大部分埋藏于粘土頂板以下，礦體底板巖性為粘土和灰巖，礦體底板的分布標高301.54m～403.49m。頂板大部分位于地下水位之上，一般不含地下水，由于結構松散，孔隙發育，雨季時含少量孔隙水，是大氣降雨的入滲通道。底板粘土層屬相對隔水層。

礦區內主要地下水類型為碳酸鹽巖裂隙溶洞水，水量中等～豐富。從礦區東北部穿過的那忌地下河，地下河露頭點水埋深較大，如S35抽水溶洞（天窗）枯季水位埋深>30m、海拔標高<308m、雨季最大標高為330m，相距最近的25號礦體底板標高最低為331.34m。從礦區中部角穿過的白雪屯地下河，其S22抽水溶洞枯季水位埋深>15m，標高<316.79m，距離較近的18號礦體最低底板標高396.51m；17號礦體最低底板標高為325.05m。從礦區南部穿過的水隴地下河，其S14抽水民井（機井）枯季水位埋深>12m，標高<308.24m，距離最近的1號礦體最低底板標高為305.36m。據此推斷礦體埋深在地下水位之上，巖溶地下水對礦體開采無影響。

4 礦坑涌水量預測方法

礦區內的礦體絕大部分均位于當地地下水位之上，因此礦坑充水水源主要為大氣降雨充水量、巖溶地下水的充水量。地下水最大涌水量預測，考慮到了雨季最大降水時，水位升高10～20m及礦體所處地貌位置的特點，為了便于計算，S水位降深取值10～20m不等。計算礦坑涌水量采用的公式為：

式中：—礦坑涌水量（m3/d）

—大氣降雨充水量（m3/d）

—巖溶地下水充水量（m3/d），當礦體位于最高地下水位之上時為0（m3/d）

A—降雨量（mm/d）

—基巖裸露區地表徑流系數

—第四系覆蓋區地表徑流系數

—采坑地表匯水區內基巖裸露分區的水平面積（m2）

—采坑地表匯水區內第四系覆蓋分區的水平面積（m2）

-碳酸鹽巖溶洞裂隙含水巖組的滲透系數（m/d）

S-水位降深（m）

H-碳酸鹽巖含水層厚度（m）

R0-引用影響半徑（m）

r0-引用井半徑（m）

-補充水流阻力值

R-抽水試驗影響半徑

各參數確定：A值：采用當地多年日最大降雨平均值的資料。預測大氣降雨充水量最大值時采用各年日最大降雨量的平均值85.5 mm，預測大氣降雨充水量正常值時采用多年雨季（5～9月）日平均降雨量9.8 mm。

值：根據礦區碳酸鹽巖裸露區雨水絕大部分沿裂隙、溶洞等垂直滲流補給地下水，極少在地表流向洼地低處的特點，考慮到巖溶發育的不均一性，在預測大氣降雨充水量正常值時取0.20值，預測最大值時取值0.40。

值：在預測大氣降雨充水量正常值時取0.40值，預測最大值時取值0.60。

、是利用礦區地形地質圖圈定范圍并求得。

值：取經驗數據值5.0m/d。

-補充水流阻力值，查《水文地質手冊》圖8-1-13確定[5]。

根據上述公式和參數確定方法預測各主要礦體的涌水量。礦區內各礦體分布于相對獨立封閉的巖溶洼地、谷地中，未來露天采礦場的自然排水主要有兩種方式：一種是通過洼地低處的落水洞排水，另一種是以分散滲透的形式垂直向下滲透。分散向下滲透的排水能力主要取決于采坑巖土的滲透性，據調查礦段內落水洞被覆蓋的巖溶洼地暴雨后積水一般僅2～3天，反映洼地巖土的滲透性較好，表明在一般情況下礦坑充水可自然疏干，自然疏干所需的時間不太長。

5 結論

⑴ 礦區位于區域地下水分水嶺旁側的東南面，地下水補給來自大氣降雨。地下河埋深大，一般>12m，有的>30m。

⑵ 碳酸鹽巖廣布，地下水以巖溶水為主，礦體分布于巖溶洼地、谷地內第四系土層中，均位于當地侵蝕基準面之上、絕大部分位于最高地下水位之上。

⑶ 未來礦山露采場充水水源為大氣降雨，單礦體總匯水面積0.13～6.00 （ km2），采坑雨季正常充水量442.02～1127.04（ m3/d），雨季最大充水量5387.45～285261.57（m3/d）。在一般情況下，采坑充水可通過洼地低處的落水洞自然排泄或以分散下滲的方式自然排泄，暴雨季節采坑外的充水可采用明溝沿自然斜坡集排導入集水庫或落水洞。

⑷ 礦床所處自然生態條件脆弱，未來采選首要是做好環境保護，礦床水文地質條件屬簡單類型[1] [3]。

參考文獻

[1] 中國地質調查局.鋁土礦、冶金菱鎂礦地質勘查規范（DZ/T0202-2002）.[Z].中華人民共和國標準，2002..

[2] 國家技術監督局.礦區水文地質工程地質勘探規范（GB12719-91）. [Z]. 中華人民共和國標準，1991..

[3] 環境保護局.環境影響評價技術導則 地下水環境（HJ 610-2011）. [Z]. 中華人民共和國標準，2011.張靜宜，王愛珍，等.中國鈾礦物志[M]. 北京：原子能出版社，1995.

[4] 地質礦產部.地下水質檢驗方法（DZ/T0064.1～0064.80-93）. [Z]. 中華人民共和國行業標準，1993.

[5] 中國地質調查局.水文地質手冊.[M]. 北京：地質出版社，1978.4.