山東省平邑縣賀山莊金礦床充水因素分析及涌水量預測

陸建同，甘新宇＊

（山東省魯南地質工程勘察院（山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊），山東 濟寧 272100）

礦區位于平邑縣城東南25km處，行政區劃隸屬銅石鎮。礦區北距兗石鐵路及327國道5.4km，西北距平邑火車站30km、西北距日菏高速公路平邑東出口4km，交通方便。開采方式為地下開采，生產規模2.5萬t/年，開采標高：+180m～-20m，另外保有資源儲量金礦石量315348t，金金屬量1369kg，平均品位4.34×10-6。因此依托賀山莊金礦補充勘探項目，研究該礦區水文地質條件、并進行礦床涌水量預測及充水因素分析，對金礦床的開采具有重要意義。

1 礦區水文地質條件

1.1 地形地貌

賀山莊金礦位于魯中南山地丘陵區，構造剝蝕地形，屬巖溶丘陵區。本區域最高點為南部吳王崮,標高+653.9m；北部和東部地形起伏較小，地面標高大多在+110.5～+150.0m，最高+235.0m，當地最低侵蝕基準面標高+109.0m。

1.2 氣象水文

本區屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明。多年平均氣溫13.5℃。年平均降水量742.6mm，降雨多集中于7-9月份，冬春兩季干旱。平均結冰期150天，最大凍土深度39cm。區域上地表水體主要有浚河、藍河、昌里水庫等。

區域水文地質分區屬魯中南中低山丘陵碳酸鹽巖類為主的水文地質區、曲阜—臨沂單斜斷陷水文地質亞區、平邑斷塊巖溶水系統。

1.3 含水層與相對隔水層特征

根據以往地質資料及本次施工成果，自上而下可分為第四系松散巖類孔隙含水層、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層及基巖裂隙含水層。

（1）第四系孔隙含水層。第四系主要分布于溝谷兩側、地勢平緩的低洼處，含水層主要有中粗砂及礫石組成，水位埋深2m～4m。民井單位涌水量0.103～0.771L/（s·m），礦化度0.64g/L。地下水水化學類型為HCO3—Ca、Mg型。

（2）碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。地表出露于礦區南部紅旗新村北和賀山莊東南一帶。根據以往資料及本次鉆孔揭露，該含水巖組溶洞和溶蝕孔洞發育，巖溶率約3%～15%，溶蝕孔洞和微裂隙中充填方解石團塊和細脈。據鉆孔抽水試驗結果，鉆孔單位涌水量2.406L/（s·m），滲透系數8.685m/d,礦化度為0.563g/L，地下水水化學類型為HCO3-Ca、Mg。該含水層富水性強，位于礦床底板，與礦床直接接觸，對礦床產生直接充水影響。

（3）碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。該含水巖組在礦區內呈零星點狀分布，主要有饅頭組石英砂巖、頁巖、泥質灰巖及朱砂洞組上灰巖段灰巖組成，裂隙不發育，富水性弱。在礦區外圍的西北出露較多。民井單位涌水量＜0.1L/（s·m）。

（4）基巖裂隙含水層。主要為裸露于地表的二長閃長玢巖風化層，透水性較弱，直接接受大氣降水的補給，富水程度受季節影響變化較大，水位埋深10m左右，風化層厚15m～45m。該風化層富水性不均勻，局部富水性極弱。

（5）相對隔水層。礦床內隔水層主要為多層次侵入的中生代二長閃長玢巖巖床、太古代二長花崗巖巖床。依據巖石總體分布特征，將其大概分為兩層。

第一層為二長閃長玢巖，據鉆孔資料統計,隔水層厚度由北向南厚度逐漸變薄,厚11.35m～145.5m左右，賦存標高由北向南逐漸變淺，賦存標高+6.29～+188.44，巖體較完整，裂隙多為閉合狀裂隙，總體透水性差，根據ZK1102抽水試驗,滲透系數0.000037m/d，為相對隔水層。

第二層為太古代二長花崗巖，裂隙發育較差，層位穩定，裂隙多為閉合狀裂隙，為良好的隔水層，該隔水其厚度大于108.75m，頂板賦存標高+28.03～+188.44。

1.4 斷層構造特征

1.4.1 賀山莊斷層

展布于礦區西南部，區內出露長度約1.5km。斷裂總體走向310°，呈舒緩波狀彎曲，傾向南西，傾角60°～72°，南西盤下降，北東盤抬升，垂直斷距約150m，為張性斷層。構造角礫巖帶寬0.50m～6.00m，角礫巖微張性裂隙較發育。經野外地表調查，賀山莊礦床坑道排水時，賀山莊斷層北側水位下降明顯，斷層南側地下水位無明顯變化，初步分析該斷層為相對阻水斷層。

1.4.2 卓家莊斷層

位于礦區北部，為卓家莊礦段控礦斷層。區內出露長度約1.0km，總體走向310°，傾向南西，傾角60°～78°，為高角度正斷層，斷距不明顯。被后期中生代二長斑巖脈充填，脈巖寬1.50m～8.60m。經野外地表調查及訪問，賀山莊礦床坑道排水時，卓家莊斷層兩側水位下降均很明顯，水位一直影響到卓家莊斷層東北部的西皋村，說明該斷層為透水斷層。

1.5 礦區內地下水補給、徑流、排泄條件

（1）補給。大氣降水的入滲補給是礦床內地下水的重要補給來源。部分基巖直接裸露于地表，可直接接受大氣降水入滲補。礦床西部碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組通過裂隙、斷層破碎帶、巖脈與礦床地下水產生水力聯系。對礦床地下水有一定補給作用。對礦區內地下水有地表徑流補給作用的地表水體為西皋河與灌溉渠，西皋河、灌溉渠的水源主要來至昌里水庫。當昌里水庫向西皋河與灌溉渠道放水時或旱季時，西皋河與灌溉渠道水位上升，通過斷層破碎帶、裂隙等滲入補給礦區內地下水含水巖組。

（2）地下水的徑流與排泄。礦區的碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組地下水徑流方向由西南向東北方向徑流。地下水與地表水有互補關系，雨季水位上升迅速，地表水沿巖溶裂隙滲漏補給地下水。旱季水位下降快，地下水沿巖溶裂隙排泄給地表水體，潛水徑流方向與地表水流基本一致，由北西流向南東，沿西皋河排泄。礦區為補給徑流區。

圖1 地下水的補給、徑流、排泄剖面示意圖

2 礦床充水因素分析

2.1 大氣降水對礦坑充水的影響

大氣降水的入滲補給是區域上地下水的重要補給來源。降雨一般集中在每年的7-9月份，每次降雨延遲1月左右，影響時間較長，水位年變化幅度4m～10m左右。不會對礦床充水產生直接危害。

2.2 地表水與地下水對礦坑充水的影響

地表水中，主要有西皋河與灌溉渠，二者的主要補給水源為昌里水庫。當向下游放水或大氣降水時，西皋河與灌溉渠水位上升，由于西皋河與灌溉渠內有淤泥質、粘性土等起到一定的阻水作用，所以地表水延斷層破碎帶、溶蝕裂隙等途徑補給緩慢。不會對礦床充水產生直接危害。

地下水中，碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層富水性強，透水性好，溶蝕裂隙發育，在紅旗新村北與賀山莊東南一帶出露地表，直接接受大氣降水補給，補給來源充足，與礦體直接接觸，對礦坑充水影響較大。是礦床充水的直接充水水源。對礦床充水產生直接危害。

3 坑道涌水量預測

3.1 邊界條件的確定

本礦區礦坑涌水量預測分別選用：①對于賦存于碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層中的礦體選用有一隔水邊界的“大井法”穩定流承壓轉無壓公式；②原巖為隱爆角礫巖賦存于二長閃長玢巖的礦體，由于礦體底板隔水較好，采用潛水完整井公式預測；③“水文地質比擬法”進行礦坑涌水量預測。

3.2 坑道涌水量預測

本礦區共17個礦體，編號分別為①～?。其中，?與?（原卓家莊礦體）號礦體為隱爆角礫巖型；⑦、?為二長斑巖型；其余13個礦體為白云巖型；其中?號為主礦體，?號為新發現礦體。由于礦體較多，現選擇具有代表性的礦體進行涌水量預測，分別為⑦、⑧、⑩、?、?、?、?、?8個礦體。

3.2.1 “大井法”礦坑涌水量預測

現對⑦、⑧、⑩、?、?、?、?和?（其中⑦、⑧、⑩、?、?號礦體相距較近，根據開采設計采用同一坑道系統進行開采，進行總涌水量預測）礦體進行涌水量預測，對于賦存于碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層中的礦體采用有一隔水邊界的“大井法”穩定流承壓轉無壓公式。

有一隔水邊界的“大井法”穩定流承壓轉無壓公式：

對于原巖為隱爆角礫巖賦存與二長閃長玢巖的礦體,由于礦體底板隔水較好,采用潛水完整井公式。

潛水完整井公式：

式中：Q：預測礦坑正常涌水量（m3/d）；Qmax：預測礦坑最大涌水量，根據礦坑開采時最大涌水量約為正常涌水量的1.5倍，Qmax取Q的1.5倍；d：礦坑距隔水邊界的距離；K：滲透系數（m/d）；H：承壓水頭高度（m）；M：含水層厚度（m）；R0：引用影響半徑（m），對于承壓水；r0：引用半徑（m）；S：預測水位降深（m）；h0：h0=H-S。

計算參數的確定:

K：滲透系數采用ZK1102鉆孔抽水試驗資料，K=8.685m/d；

H：承壓水頭高度根據各礦體預測標高與碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組穩定水位標高+142.87m計算；潛水水頭高度根據預測標高與水位標高171.83m計算。

S：礦坑疏干排水時，S=H；

M：各礦體對應的碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組的厚度；

d：礦體距隔水邊界的距離；

r0：根據各礦體特征來定，礦坑幾何圖形近似矩形，采用r0=η(a+b)/4公式計算；式中：a為礦坑長度，b礦坑平均寬度，η查表1；礦坑幾何圖形為多邊形時，采用r0=P/2π，P為多邊形的周長。

表1 η對應值表

h0：坑道疏干排水時h0為零。

通過“大井法”涌水量預測成果見表2。

表2 “大井法”坑道涌水量預測成果表

3.2.2 “水文地質比擬法”礦坑涌水量預測

本次核實期間，⑦、⑧、⑩、?、?號礦體+120m中段坑道已經形成(坑道長220m,寬2.5m),并對其進行坑道疏干涌水量觀測,觀測值為3257.01m3/d(2015年4月5日)和2746.89m3/d(2015年4月9日)。根據本次實際涌水量觀測值采用穩定流承壓水水文地質比擬法公式對⑦、⑧、⑩、?、?、?、?和?號礦體進行涌水量預測計算。穩定流承壓水水文地質比擬法公式：

式中：Q：預測礦坑正常涌水量（m3/d）；Qmax：預測礦坑最大涌水量，根據礦坑開采時最大涌水量約為正常涌水量的1.5倍；r：預測礦坑的引用半徑（m）；S：預測礦坑的水位降深（m）；r1：已知礦坑的引用半徑（m）；Q1：已知礦坑的實際涌水量（m3/d）；S1：已知礦坑的水位降深（m）。

計算參數的確定：

r1：已知⑦、⑧、⑩、?、?號礦體+120m中段坑道的引用半徑（m），用r=η(a+b)/4公式計算；式中：a為礦坑長度，b礦坑平均寬度，η查表3，計算得55.63m。

表3 水文地質比擬法礦坑涌水量預測成果表

Q1：⑦、⑧、⑩、?、?號礦體+120m中段坑道涌水量觀測,取兩次觀測的平均值3051.96m3/d。

S1：碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組穩定水位標高+142.87m與+120m的差值,即22.87m；

S：根據各礦體預測標高與碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組穩定水位標高+142.87m計算；

r：根據各礦體特征來定,礦坑幾何圖形近似矩形，采用r=η(a+b)/4公式計算；式中：a為礦坑長度，b礦坑平均寬度，η查表3；礦坑幾何圖形為多邊形時，采用r=P/2π,P為多邊形的周長。

通過“水文地質比擬法”涌水量預測成果見表3。

3.3 礦坑涌水量預測成果對比分析

“大井法”與“文地質比擬法”礦坑涌水量預測對比。

由表4可以看出，“水文地質比擬法”比“大井法”計算結果要小；二者與實際涌水量相比，“水文地質比擬法”的計算結果更接近礦坑實際涌水量。

表4 礦坑正常涌水量預測成果對比表

4 結論

礦區內地形為較平坦的丘陵區，地形起伏變化不大，礦體埋深小于200m，礦床充水主要為地下碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。且礦床下部位于主要含水層內，含水層富水性強，補給條件好，與區域含水層水水力聯系較密切，構造破碎帶或巖溶發育，預測礦床開采時涌水量大。綜上所述，該礦床水文地質條件總體屬復雜型。