滇西金頂鉛鋅礦跑馬坪礦段水文地質(zhì)條件及涌水量預(yù)測

范大明，余 璨

1. 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212；2. 中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明650051

礦井涌水量是指礦山在建設(shè)及生產(chǎn)過程中，單位時間內(nèi)流入礦井及生產(chǎn)巷道、開采系統(tǒng)的水量，是用于判別礦井充水程度的重要指標(biāo)之一，也影響著礦山的投產(chǎn)方式及生產(chǎn)成本，是確定礦山開采方案、給排水設(shè)備及制定礦山防水措施的重要依據(jù)[1-4]。目前，礦井涌水量的預(yù)測主要包括類比外推法、隨機(jī)模擬法、解析法、水平衡法及數(shù)值法，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用計算機(jī)數(shù)值模擬法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型已成為地下水研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的方法之一[5-9]。

云南蘭坪縣金頂鉛鋅礦跑馬坪礦段是金頂特大型鉛鋅礦區(qū)北東側(cè)的礦段，自上世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)以來，前人對礦床/區(qū)進(jìn)行了大量研究，成果多集中于礦床地球化學(xué)[10-11]、礦床成因[12-13]等方面，對水文地質(zhì)及涌水量的研究鮮少開展。文章通過對跑馬坪礦段水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，查明了礦段2180中段一下主要充水/含水層特征、富水性及斷裂破碎帶水文地質(zhì)特征，利用不同研究方法對礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測，后礦床后續(xù)水文設(shè)計和防治提供依據(jù)。

一、礦區(qū)概況

金頂鉛鋅礦大地構(gòu)造位置地處唐古拉—昌都—蘭坪—思茅褶皺系，夾持于彌沙何斷裂帶與瀾滄江斷裂帶之間，主要出露第四系、第三系及白堊系地層。研究區(qū)屬瀾滄江流域，海拔高度2 823～2 267 m，屬中等切割低中山地貌，水系發(fā)育，主要河流包括金平河、北大溝、后阱溝頭及白草坪大溝，多呈EW向匯入礦區(qū)西側(cè)的沘江。礦區(qū)受喜馬拉雅—西藏氣候區(qū)控制，屬與溫帶-寒帶氣候，降雨集中于6－9月，占全年降雨量3/4，年最大降雨量1 327 mm，年最小降雨量713 mm，平均降雨量992 mm，年平均蒸發(fā)量達(dá)1 619 mm。

金頂跑馬坪礦段礦體主要賦存于云龍組灰?guī)r、角礫巖帶內(nèi)，礦體呈似層狀、凸透鏡狀產(chǎn)出，中心部位厚而兩端較薄，工業(yè)礦體平均厚度10.5 m，低品位礦平均厚度4.7 m，總體呈NE向，上覆于礦體深黑色碳質(zhì)泥巖為礦體上盤的標(biāo)志層。礦化受Fp1斷層控制作用明顯，斷層面呈波狀起伏，多充填碳質(zhì)及斷層泥，傾向上多見分支復(fù)合現(xiàn)象。跑馬坪礦段以地下開采方式為主，現(xiàn)階段2180中段及其以上坑道開拓開采方式為“主平硐+盲豎井”聯(lián)合開拓，利用無底柱分段崩落法按照由上至下的順序進(jìn)行開采，其中2180中段為地下水的主要排泄區(qū)域。

二、水文地質(zhì)特征

（一）含水層（組）的水文地質(zhì)特征

礦區(qū)內(nèi)地下水按充水含水層介質(zhì)類型可劃分為四類：第四系孔隙水、巖溶裂隙水、巖溶裂隙—脈狀溶洞水及碎屑巖裂隙水，含水巖性主要為泥灰?guī)r、瀝青質(zhì)灰?guī)r及粉砂質(zhì)泥巖中，多分布于溝谷、山坡及露天采場人工堆填區(qū)。

1. 第四系松散巖類孔隙水透（含）水層：主要為沖、洪積漂卵石層（Qal+pl）及人工填土層，含水巖性主要為灰—灰白色漂卵石，下伏地層為果郎組（Eg1）紫紅色泥巖隔水層。主要受大氣降水及河水補(bǔ)給，側(cè)向以泉的形式排泄或向下游方向徑流，孔隙水為主，富水性、透水性中等，對礦床充水影響較小。

圖1 金頂鉛鋅礦水文地質(zhì)單元邊界[14]

2. 巖溶裂隙弱含水層：主要為三合洞（T3s）地層，地表大面積出露，覆于礦層之上，巖性以深灰色白云質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r為主，富水性、透水性差，屬巖溶裂隙弱含水層。

3. 基巖裂隙弱－中等含水層：主要為云龍組（Eya）地層，巖性為一套濱湖相地層，具季節(jié)性韻律，富水性不均勻，多呈弱—中等含水性，透水性一般，大氣降水補(bǔ)給后可通過透水窗口直接充水含水層。

4. 碎屑巖裂隙中等含水層：主要為麥出箐組（T3m）及景星組（K1j1）地層，含水巖性為淺灰色石英砂巖，富水性、透水性中等，屬碎屑巖裂隙中等含水層。

5. 云龍組（Eyb）巖溶裂隙－脈狀溶洞水含水層為主要的含礦地層，出露于水文地質(zhì)單元的中部，巖性為一套沖積—堆積相地層，富水性不均勻，自上而下逐漸變?nèi)酰傮w透水性較好，為裂隙巖溶水及脈狀溶洞水含水層，是礦床的直接充水含水層，對礦床充水影響較大。

（二）隔水層水文地質(zhì)特征

歪古樹村（T3w）隔水層主要分布于水文地質(zhì)單位北部，深部呈楔形尖滅于礦床頂板，主要為厚層狀泥巖、粉砂巖及長石石英砂巖，裂隙不發(fā)育，含水性極弱，隔水良好。

花開左組（J2h）隔水層及云龍組（Ey2-3）隔水層巖性以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、泥巖及角礫石膏巖為主，厚度變化大，裂隙不發(fā)育，富水性極弱，透水性差，可視為相對隔水巖組。

云龍組（Ey2-2）隔水層位于主要含礦層位之下，巖性以棕紅色、紫紅色湖相泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖為主，裂隙不發(fā)育，富含少量基巖裂隙水，富水性弱，透水性差，構(gòu)成礦段內(nèi)主要含水層的隔水底板。

果郎組（Eg1）隔水層下伏于第四系覆蓋層之下，巖性為紫紅、棕紅細(xì)砂巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖互層，富含少量基巖裂隙水，富水性及透水性差，隔絕了第四系孔隙水與下伏地層的水力聯(lián)系，構(gòu)成礦床主要含水層的隔水頂板。

（三） 斷裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，水文地質(zhì)單元構(gòu)造格局復(fù)雜，主要可劃分為兩組：（1）由二級構(gòu)造F4、F33斷裂分別構(gòu)成水文地質(zhì)單元的西、東邊界，隔斷地下水與周邊水文地質(zhì)單元的聯(lián)系；（2）由二級構(gòu)造F1、F2及F5等出露的三級構(gòu)造及大量發(fā)育的節(jié)理裂隙構(gòu)成的導(dǎo)水構(gòu)造，為地下水的徑流提供運移通道及儲存空間，連通了水文地質(zhì)單元內(nèi)不同層位的地下水。

（四）充水因素分析

礦體主要賦存于云龍組（Eyb）灰?guī)r、角礫灰?guī)r及灰?guī)r角礫巖層中，主要賦存巖溶裂隙—脈狀溶洞水，礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面及潛水面以下，地下水通過巖層的節(jié)理裂隙、溶隙、脈狀溶洞及斷裂構(gòu)造對礦床直接充水，各巖層的透水性、富水性中等，對礦床的充水強(qiáng)度一般。

三、礦段涌水量計算

（一） 計算方法選擇

跑馬坪礦段所處水文地質(zhì)單元的主要含水層呈一個封閉的單斜構(gòu)造，礦段整體位于單斜構(gòu)造的底部，四周邊界與水文地質(zhì)單元無明顯的水力聯(lián)系，大氣降水是水文地質(zhì)單元的主要補(bǔ)給源，年補(bǔ)給量為48.6×104m3/a，地下水位總體呈穩(wěn)定趨勢（表1）。巖層接受大氣降水補(bǔ)給給地下水后，地下水向跑馬坪礦段方向徑流，并由礦段坑道揭露地段涌入礦坑。

礦井涌水量的預(yù)測方法可劃分為數(shù)學(xué)模型法[15,16]及統(tǒng)計分析法[17-19]兩大類，慮到跑馬坪礦段巖溶裂隙－脈狀溶洞水直接充水為主的水文地質(zhì)實際，采用水均衡法、比擬法及數(shù)值模擬法對跑馬坪2180中段以下的突水、涌水及礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測。

表1 水文地質(zhì)單元地下水均衡計算表

（二）水均衡法

水均衡法的實質(zhì)是對研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)單元的含水層在一段時期內(nèi)的收入項及支出項進(jìn)行分析研究：當(dāng)?shù)叵滤诰鈺r期Δt內(nèi)出現(xiàn)收支項與支出項的不平衡時，將會造成含水層水量貯存量ΔV（m3）的變化，其均衡方程的普遍式為：

目前，跑馬坪礦段坑道已開拓至2180中段，礦段所處水文地質(zhì)單元處于水均衡狀態(tài)，隨著2140及2100中段的開拓，水均衡狀態(tài)被打破。在礦坑梳干期間，充水含水層中的水量變化（即ΔV值）很大。由于礦段內(nèi)含水層多覆蓋于地下，多呈不規(guī)則狀，含水性不均勻，分別確定2140及2100各中段的參數(shù)為：H2140=40 m；H2100=80 m；S=6 300 000 m2；μ=0.01。據(jù)此，可得出由降深加大導(dǎo)致礦坑疏干作用引起充水含水層中的水量變化值分別為ΔV2140=2 520 000 m3及ΔV2100=504 000 m3。根據(jù)礦段開采實際分析，按照正常施工狀態(tài)，預(yù)計跑馬坪礦段施工開拓至2100中段需2年時間，則由于疏干含水層而涌入礦坑的涌水量為：

（式中：S—疏干排水的影響面積，m2；H—需疏干含水層的平均厚度，m；μ—給水度）

（三）比擬法

跑馬坪礦段內(nèi)，2140中段、2100中段及2180中段的水文地質(zhì)條件相似，因此利用2180中段的涌水量實測資料對深部礦坑的涌水量進(jìn)行預(yù)測，其計算公式為：

式中：Q—2140、2100中段礦坑側(cè)向補(bǔ)給水量，m3/d；Q0—2180中段側(cè)向補(bǔ)給量，m3/d；F0—2180中段疏干排水面積，m2；F—2140、2100中段疏干排水面積，m2；S0—2180中段水位降深，m；S—2140、2100中段水位降深，m。

由礦段內(nèi)多年平均降雨量的統(tǒng)計分析，計算得出大氣降雨對礦床的補(bǔ)給量（表2）。由表2可看出：（1）2180中段水倉的最大月抽水量為2 133 m3/d；（2）2140、2100中段開采排水面積（F）與2180中段目前疏干面積相同，為2.44×106m2。由上述參數(shù)及公式，計算得出跑馬坪礦段2140及2100中段的日均涌水量為1 109 m3/d及1 163 m3/d。

表2 降雨入滲補(bǔ)給量計算表

（四）數(shù)值法

1. 數(shù)學(xué)模型的建立

礦區(qū)內(nèi)南北向構(gòu)造發(fā)育，礦體及礦體圍中巖巖溶作用十分發(fā)育，地下水總體以巖溶裂隙的礦床充水為主，巖體質(zhì)量一般且?guī)r溶作用較強(qiáng)，由此可將水文地質(zhì)單元視為均勻介質(zhì)，從而構(gòu)建礦段的多孔介質(zhì)數(shù)學(xué)模型。

2. 模型邊界條件概化

根據(jù)地層巖性及水文地質(zhì)特征的不同，將礦段內(nèi)模擬層劃分為三個：其中云龍組（Eya）碎屑巖層及碳酸鹽巖層（Eyb）水文地質(zhì)特征基本一致，二者無明顯隔水層，概化為非均質(zhì)各向異性含水層；三合洞組（T3s）碳酸鹽巖層屬弱含水層，概化為單獨模擬層；而果郎組（Eg1）、歪古樹組（T3w）及花開左組（J2h）為隔水層，概化為一個模擬層。此外，由于礦段內(nèi)坑道揭露范圍相對集中，確定排泄系數(shù)為2 m2/d，并確定各模擬層概化參數(shù)（表3）。

表3 數(shù)值模擬概化參數(shù)

3. 利用GMS的3D GRID模塊將模擬層模型剖分為5000×3個網(wǎng)格單元，每個單元面積46.8×40.4 m2。基于2180中段平面開拓條件下的地下水均衡模型，對礦段2140中段及2100中段未來四年的涌水量變化特征及疏干結(jié)束后礦坑涌水量特征進(jìn)行預(yù)測。

圖2 模擬涌水量與實際排水量、降雨量關(guān)系曲線

由圖2可看出，巷道內(nèi)涌水量計算值與實測值在時間及數(shù)量上吻合，礦段內(nèi)補(bǔ)給及排泄情況與實際水文地質(zhì)條件一致，大氣入滲量及巷道涌水量基本維持均衡，表明本次數(shù)值模擬真實地反映了礦段內(nèi)地下水的流動規(guī)律，可用于2140及2100中段地下水資源的評價及預(yù)報。

圖3 疏干過程涌水量變化趨勢圖

由圖3可看出：以2012年1月作為初始時刻，設(shè)定模擬期為60個月（5個水文年），經(jīng)過30個月的疏干，礦坑內(nèi)總涌水量達(dá)5.8×106；當(dāng)疏干結(jié)束后，礦坑內(nèi)涌水量隨降雨量變化而呈規(guī)律性變化，總涌水量達(dá)40.7×104。

四、礦坑涌水量評價

通過不同計算方法對礦坑的涌水量進(jìn)行預(yù)測，得出不同的涌水量預(yù)算結(jié)果。由表4可看出，水均衡法僅能對疏干過程中的平均涌水量進(jìn)行預(yù)測，與數(shù)值法預(yù)測結(jié)果相差20.04%，這主要是由于水均衡法選取的疏干時間為坑道開拓時間，計算所用的疏干總時長相較真實值更小，其得到的涌水量計算值將相應(yīng)偏大。而比擬法及數(shù)值模擬法預(yù)測所得的疏干結(jié)束后的涌水量結(jié)果相差不大，相對誤差均在15%以內(nèi)，比擬法預(yù)測值總體偏高，這主要是礦段的特殊水文地質(zhì)特征所致：除大氣降水外，礦段與周邊水文地質(zhì)單元幾乎無水力聯(lián)系，而比擬法主要以礦坑抽排水資料進(jìn)行比擬，并未考慮其余充水因素的影響，其計算結(jié)果僅能作為礦井正常涌水量。

表4 跑馬坪礦段涌水量計算結(jié)果

結(jié)合圖3可看出：（1）在礦山前兩年建設(shè)期的疏干階段，涌水量逐漸增加，至25個月后礦區(qū)涌水量以年（12個月）為周期循環(huán)波動，其中夏季、秋季涌水量明顯增加而春、冬季涌水量回落，符合自然氣候降水規(guī)律；（2）30個月之后近5年內(nèi)的礦段模擬涌水量基本相近，表明年均入滲量與涌水量相同，與圖2分析結(jié)果一致。總體上，數(shù)值法彌補(bǔ)了水均衡法及比擬法未考慮充水因素影響且過于理想化的缺陷，在充分分析水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，綜合考慮了疏干過程中時間及延遲性及大氣降水補(bǔ)給的水力聯(lián)系，可根據(jù)不同的施工進(jìn)度及實際的工作面布置特征對相應(yīng)的涌水量進(jìn)行預(yù)測，更切合礦區(qū)實際，預(yù)測結(jié)果真實、可靠，得出的礦段涌水量推薦值如表5所示。

表5 跑馬坪礦段涌水量推薦值

五、結(jié)論

1. 云龍組Eya、Eyb為未來礦坑涌水的主要含水層，礦段內(nèi)長期穩(wěn)定的地下水補(bǔ)給源主要來自上層滯水及云龍組（Eya）地層，礦坑涌水受大氣降水影響而具明顯波動性，長短不一的補(bǔ)給距離造成降水豐谷值的疊加，局部變化分異的特征顯著。

2. 采用均衡法、比擬法及數(shù)值法對礦段涌水量進(jìn)行預(yù)測，通過預(yù)測值的對比，得出數(shù)值法概化了復(fù)雜非均值、復(fù)雜邊界條件，真是反映了含水系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，符合礦山的實際水文地質(zhì)條件，同時能結(jié)合充水因素的影響和井下生產(chǎn)進(jìn)度，客觀、全面的體現(xiàn)礦坑涌水的全過程，保證了涌水量預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3. 涌水量的分析預(yù)測結(jié)果表明，在充分掌握礦段水文地質(zhì)條件及疏干排水特征的基礎(chǔ)上，可對礦井的單位涌水量進(jìn)行模擬預(yù)測，礦山下一步應(yīng)建立長期的觀測機(jī)制，繼續(xù)對巷道水文地質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，及時掌握抽/排水情況及水位動態(tài)變化，以期構(gòu)建地表降水—地下水滲流場—巷道涌水量的數(shù)學(xué)模型，為礦山的地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

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