黔中某鋁土礦區巖溶地下水系統水文地質條件及涌水量預測

2021-03-09 09:50:32蔣向東

世界有色金屬 2021年20期

蔣向東

（貴州省有色和核工業地質局二總隊，貴州六盤水 553000）

1 前言

1.1 研究意義

貴州是全國鋁工業資源大省，全省現有鋁土礦資源儲量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條件及地質構造形態復雜，斷層破碎帶以及構造復合部位巖溶發育，多富集巖溶地下水，極有可能成為鋁土礦開采的突水易發部位[1]。因此，查明該巖溶地下水系統水文地質條件及涌水量預測研究具有重大現實意義。

1.2 研究內容與目標

1.2.1 研究內容

充分收集氣象、水文、基礎地質、水文地質、環境地質、水資源開發利用、社會經濟現狀和發展規劃等有關資料，對黔中地區長沖河鋁土礦山水文地質條件進行深入研究，查明研究區地下水類型、賦存、埋藏、分布、形成條件、物理及化學性質、運動規律，動態變化、補徑排條件，預測地下水動態變化，準確預測礦坑涌水量[2]。

1.2.2 研究目標

（1）通過室內資料搜集、整理和野外調查，查明該礦區域水文地質條件，包括含水層系統或蓄水構造的空間結構及邊界條件，地下水補徑排條件及其變化，地下水水位、水質、水量等動態變化，完善研究區的水文地質資料。

（2）運用兩種水文地質模型預測礦坑涌水量，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測值。

1.3 本次研究工作概況

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

表1 完成實物工作量統計表

2 區域水文地質特征

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—趙家山構成近東西向的分水嶺，地表及地下水南北分流，工作區位于分水嶺之南，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。區內主要地表徑流發源于小寨溝，向南流入長沖河后注入貓跳河，水量隨季節變化，旱季有斷流現象，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 區域地層

區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、上白堊統及第四系。缺失奧陶系、志留系、泥盆系、侏羅系、下白堊統和第三系。地層分布與區域主構造線方向一致，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式背斜范圍內，分布于次級向斜的核部；在鐵廠復式背斜范圍外，則呈小面積零星分布。三迭系廣泛分布于鐵廠復式背斜以外的廣大范圍，上白堊統僅見于圖區北東及南西兩隅；第四系零星廣布全區地表。

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，土質結構松散。

（2）中二迭統茅口組(P2m)含水層：中厚層～厚層生物碎屑微晶石灰巖、白云質灰巖、白云巖，巖石巖溶節理裂隙發育，含有溶蝕裂隙水。

（3）中二迭統棲霞組(P2q)含水層：巖石節理裂隙及溶洞發育，含有溶蝕裂隙水。

（4）下石炭統擺佐組（C1b）含水層：以厚層白云質灰巖為主，局部為白云巖，含有溶蝕裂隙水。

（5）中寒武統高臺組（∈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、白云質灰巖及灰巖組成。

2.3.2 隔水層特征

（1）中二迭統梁山組（P2l）：巖性上部為石英砂巖，下部為炭質頁巖夾少量石英砂巖、劣質煤層。炭質頁巖的隔水性能較好；砂巖巖性硬脆，節理發育，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。中二迭統棲霞組(P2q)底部為深灰～黑色含炭質、鈣質粘土巖，與該層有聯合隔水的作用。

（2）下石炭統九架爐組(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 長河沖鋁土礦區水文地質條件

3.1 礦區所處區域巖溶地下水系統位置

礦區位于分水嶺南邊靠近分水嶺，區內地勢北西高，南東低，加上區內多巖溶地貌，地表巖溶漏斗、巖溶洼地、落水洞及地下暗河發育，因此區內地表水容易排泄，即使大雨后也無積水現象，僅在礦區北東邊緣有積水凼，且旱季無水。

研究區靠近分水嶺，屬地下水的補給～徑流區。

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，土質結構松散。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，與下伏地層水力聯系密切，對礦床的直接充水影響不大。

（2）中二迭統茅口組(P2m)含水層：中厚層～厚層生物碎屑微晶石灰巖、白云質灰巖、白云巖。巖石節理裂隙發育，巖溶發育，含有溶蝕裂隙水。

（3）中二迭統棲霞組(P2q)含水層：以白云質灰巖、白云巖為主，巖石節理裂隙及溶洞發育，含有溶蝕裂隙水。

（4）下石炭統擺佐組（C1b）含水層：以厚層白云質灰巖為主，含有溶蝕裂隙水，含巖溶水，富水性中等。

（5）中寒武統高臺組（∈2g）含水層：巖性為薄～中厚微晶白云巖，為礦系底板，巖層節理裂隙發育，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 水文地質單元劃分及其特征

礦區西起岸上斷層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造單元。

礦區靠近分水嶺，屬地下水的補給～徑流區。區內地勢北西高，南東低，坡向與地層產狀一致，地下水往南東方向排泄。

在礦區內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。礦區的東、西、南、北部均為地下水的補給邊界。

4 長河沖礦區大巖礦段巖溶地下水系統水文地質條件

4.1 礦段水文地質特征

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—趙家山構成近東西向的分水嶺，地表及地下水南北分流，工作區位于分水嶺之南，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。區內主要地表徑流發源于小寨溝，向南流入長沖河后注入貓跳河，水量隨季節變化，旱季有斷流現象，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。（詳見礦區水文地質圖）。

圖1 中國鋁業貴州分公司第二鋁礦長沖河礦區大巖礦段水文地質圖

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，由于區內斷層構造發育，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。區內地下水主要由大氣降水補給。

4.2 斷裂帶水文地質條件特征

走向北東的F6斷層貫穿整個礦段，對礦段內地下水起主導作用，為查明其導水性及水量，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，每組抽水孔相應的布置三個觀測孔。各孔位置詳見《礦區水文地質圖》。

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。孔深56.10m時穿過第一個含水層棲霞組（P2q）地層，該層厚度53.60m，孔內無水。孔深119.40m時穿過第二個含水層擺佐組（C1b）地層，該層厚度52.80m，穩定水位65.80m，作三個降深的抽水試驗，都出現掉泵現象，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斷層位于礦區西部邊緣，礦層之下部，對礦坑充水無影響，F6斷層位于礦區中部，把礦區分割成東西兩塊，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，膠結物多為鈣質、泥質、鐵質，導水性弱～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，斷層聯通性較差，因此對礦坑充水影響較小。

總之各斷層之間聯通性差，且斷層與常年水體之間無水力聯系；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。在礦井建設過程中有可能破壞了地下水的天然流場，使斷層產生一定的導水性，地表水就有可能沿斷裂帶進入礦井，進而與地下水發生水力聯系，使礦井坑涌水量增大，應采取一定的預防措施。但區內有的斷層破碎帶含水性和導水性不明，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生影響的可能。

4.3 巖溶地下水系統動態特征

礦區西起岸上斷層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。

在水文地質調查中，工作區內共發現泉點7個（位置見《礦區水文地質圖》），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，隨季節性變化而變化，冬春兩季干涸，據觀測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。

礦區外圍有長沖河及破巖小河兩條河流：長沖河發源于小寨溝，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3.6公里伏流后至上魚洞以泉水出露。

據一個水文年的觀測結果，區內地下水及地表水動態變化隨季節變化而變化，豐水期流量增大，枯水期流量隨之變小。

4.4 巖溶地下水系統結構模式

圖2 礦區巖溶地下水系統示意圖

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造及含水層巖性、巖層厚度的控制。工作區內的中二迭統茅口組灰巖及棲霞組灰巖、下石炭統擺佐組白云質灰巖、中寒武統高臺組白云巖，均為區內的含水層。其巖性質堅性脆，分布廣，受沉積、構造的影響，為溶蝕裂隙及溶洞的發育提供了條件。因此可認為本區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。

工作區靠近分水嶺，屬地下水的補給～徑流區。經調查，該區的地下水補給、徑流區基本一致。

4.4.3 地下水的排泄

區內中二迭統茅口組灰巖、棲霞組灰巖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。地下水在地質構造、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補給各含水層及溶洞暗河。區內地勢北西高，南東低，坡向與地層產狀一致，地下水往南東排泄。研究區既是地下水的補給區，又是地下水的徑流區。

5 礦段涌水量預測

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生裂隙，加上構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：構造、節理、裂隙、巖溶管道等。

勘探區斷層較多，受其影響，巖石節理裂隙、巖溶發育。且礦層頂板擺佐組巖石的巖溶裂隙及溶洞發育，在天然條件下，這些節理裂隙、溶蝕帶已成為礦坑內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水裂隙帶。礦坑底板高臺組巖層，其構造裂隙發育，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。