某露天礦采坑涌水與地表河流水力聯系分析

趙恰

(紫金礦業集團股份有限公司， 福建 廈門市 361016)

礦山周邊存在河流、湖泊或水庫等地表水體，且地表水體與礦坑存在水力聯系時，往往導致礦坑涌水量大、礦山水文地質條件復雜。同時地表水體受降雨影響明顯，雨季河流、水庫等地表水體水位劇漲，易引發礦坑水量大增，礦山淹井風險大。因此，針對周邊存在河流、湖泊或水庫等地表水體的礦山，研究地表水體與礦坑之間水力聯系是礦山水文地質條件研究的主要工作。目前我國主要采用水位對比分析法、水化學分析法、大型抽放水試驗法[1]、物探探查法[2]和地下水高精度示蹤試驗法[3-6]等技術研究地表水體與礦坑之間的水力聯系。地下水高精度示蹤試驗法利用示蹤劑濃度的連續變化特征可以較直接地判斷地表水體與礦坑之間的水力聯系情況，近年來應用較廣，如楊柱等[7]采用地下水高精度示蹤試驗法分析了汀江水與紫金山金銅礦深部開采之間的水力聯系；張浪等[8]采用地下水高精度示蹤試驗法分析了地表水體與地下水系統之間的水力聯系情況；尹尚先等[9]采用地下水高精度示蹤試驗法探查了礦井充水條件。本文通過水位對比分析法和地下水高精度示蹤試驗法查明地表河流與露天采坑之間的水力聯系，為礦山防治水方案的制定提供依據。

1 礦山水文地質條件

某礦床隸屬于向斜水文地質單元，傾向向北的急傾斜（傾角56°）單斜巖層地段。地勢北高南低，東高西低，距離西側河流約1 km。礦床主要位于當地基準侵蝕線以下，礦區范圍內分布的地下水類型有第四系全新統沖洪積潛水含水層(Q4apl)、新近系上—中新統含水層（N1-2）、古近系漸—始新統含水層（E2-3）、古新統烏拉根組含水層（E1w1）和上白堊統依克孜蘇組相對隔水層（K2y），礦床屬于基巖裂隙含水層直接充水的水文地質條件簡單-中等復雜礦床。各主要含水層和隔水層的空間分布特征如圖1、圖2所示，水文地質特征分述如下。

圖1 礦區水文地質平面

圖2 3線水文地質剖面

1.1 含水層

（1）第四系全新統沖洪積潛水含水層(Q4apl)：分布于河谷，巖性由砂土、礫石、卵石和少量漂石組成。含水層厚4～12 m，地下水埋藏深度一般為0.7～1.3 m，滲透系數 1～10 m/d，涌水量大于 60 L/s。

（2）新近系上—中新統含水層組(N1-2)：巖性為礫巖夾砂巖、鈣質粉砂巖，含水層單位涌水量0.000492 L/(s·m)，滲透系數 0.000722 m/d。

（3）古近系漸—始新統裂隙含水層(E2-3)：巖性為灰—灰綠色、灰褐色含銅砂巖夾泥巖，巖芯較完整，局部破碎，滲透系數0.0045 m/d。

（4）古新統烏拉根含水層(E1w1)：巖性為砂巖、泥巖及砂巖夾泥巖組成，含水層涌水量為0.408～0.816 L/S，單位涌水量 0.000408 L/(s·m)，滲透系數 0.0121～0.000564 m/d。

1.2 相對隔水層

上白堊統依克孜蘇組相對隔水層(K2y)：礦區內最古老的地層，分布于烏拉根向斜兩翼。自下而上分成兩層：第一層（K2y1），巖性為砂巖夾泥巖，厚364～396 m；第二層（K2y2），巖性為紫紅色—灰綠色泥巖，厚54.72 m。富水性弱，為相對隔水層。

1.3 地表河流

河流由北向南流經礦區西部，為礦區最低侵蝕基準面。河流距離礦區露天開采邊界約1 km（見圖1）。河流在1～5月為枯水期，6～8月為豐水期，9～12月為平水期。2018—2019年河流動態觀測資料顯示，河流的流量為0.4～6.05 m3/s，水面寬度為4～14 m。

1.4 構造破碎帶特征及影響

礦區南部分布有 F10、F11、F13和 F18四條斷裂（見圖1），其中主要斷裂構造F10、F11和F18走向北東東—南西西，傾向北北西，傾角50°～70°，距離礦床較遠，未對礦床開采造成影響。

1.5 水文地質邊界條件

從圖1可以看出，向斜在平面上呈東端閉合，西部開放的寬緩褶皺，地層向西傾伏，南、北兩翼基本對稱分布，向斜核部為新近系更、上新統，兩翼最外圍分布著上白堊統依克孜蘇組(K2y)石英砂巖相對隔水層，使得烏拉根向斜在平面上呈現出東、北和南部三面隔水，西部補給的水文地質特征。

2 河流與礦坑之間水力聯系分析

2.1 水位對比分析法

礦山在北部靠近地表河流的山坡上施工有地下水長期水文觀測孔ZK79。2019年8月開始觀測ZK79孔地下水水位，除疫情期間中斷觀測外，基本按照每月2次的頻率觀測地下水位，測量成果見表1。

表1 ZK79孔地下水位測量成果統計

地表河流河床標高2045 m，為礦區最低侵蝕基準面。礦山在ZK79孔下方河流處設立河水水深監測點（見圖1），采用斷面法在河流斷面上設置3個測點，按照每月1次的頻率測量河道水深，測量成果見表2。

表2 河道水深測量成果

由表1、表2可知，該區域的地下水位標高為2172.19～2177.06 m，而同期的河水標高為2045.1～2045.4 m，河水標高遠低于區域地下水位標高，因此河水未補給基巖含水層。

2.2 地下水高精度示蹤試驗法

2.2.1 試驗原理及方案

地下水高精度示蹤試驗原理是利用與地下水背景值差異較大、穩定且無污染的可溶性鹽類離子作為示蹤劑，然后在地下水系統的源頭投放，使其隨地下水的流動而運動，在預期到達的地下水系統排泄端接受示蹤劑，根據監測系統接受的示蹤劑濃度變化情況判斷水力聯系情況。

本次示蹤試驗投樣點布設在礦區的西部進水通道的高水位區（見圖1），分別為地表水源處（投樣點1）和ZK79孔（投樣點2），其中地表水源處地表水與河水聯系緊密，且流速較慢便于開展示蹤試驗，因此選擇地表水源代表地表河流[10-12]。為了防止影響地下水水質，本次試驗選擇食鹽作為示蹤劑。監測點設置在露天采坑坑底2029 m水倉口，采用雷磁便攜式電導率儀DDB-303A監測坑內涌水的電導率，測量范圍2～104 μs/cm，誤差±1%。

在ZK79孔和地表水源處同時開展示蹤試驗，其中ZK79孔一次性投放食鹽200 kg，地表水源處一次性投放食鹽300 kg。示蹤劑投放前3天開始在露天采坑坑底水倉口監測點在線監測地下水背景值，監測頻率為1 次/d。示蹤劑投放后即可開始在露天采坑坑底水倉口監測坑內涌水的電導率。監測時，按照推測的地下水運移時間加密監測，同時為了防止錯失關鍵試驗數據而發生誤判現象，隨時根據監測的坑內涌水電導率變化情況調整監測頻率。地下水高精度示蹤試驗共歷時30 d。

2.2.2 試驗結果分析

地下水高精度示蹤試驗結果分析和評判分為定性分析和定量分析兩部分，定性分析主要依據地下水監測點在試驗期內是否接受到示蹤劑，若接受到示蹤劑則兩者存在水力聯系，否則不存在水力聯系。定量分析是利用地下水監測點測量獲取的示蹤劑質量濃度歷時曲線形式（單峰、雙峰等形式）分析投樣點和監測點之間含水層介質的通道形式，同時還可以根據示蹤劑質量濃度變化曲線獲得地下水的流速、彌散系數等水文地質參數[13-14]。露天采坑監測點地下水電導率監測結果見圖3。

圖3 露天采坑監測點地下水電導率曲線

從圖3可以看出，礦區地下水電導率的背景值為492～495 μs/cm。示蹤試驗期間礦區露天采坑監測點測量的地下水電導率為487～498 μs/cm。示蹤試驗期間地下水的電導率相比于試驗開始前測量的地下水電導率背景值變化幅度小，可忽略不計，且示蹤試驗期間測量的地下水電導率曲線僅為自然波動，不具有明顯的規律特征，因此，ZK79處地下水和水源地處地表水與礦坑之間不存在水力聯系。

3 結論

（1）水位對比分析法和高精度示蹤試驗相結合的手段能準確地分析地表水與礦坑之間的水力聯系程度，相關礦山可以參考借鑒。

（2）地表河流附近區域地下水水位遠高于地表河流水位，因此，地表河流未補給基巖含水層。

（3）高精度示蹤試驗結果表明，地表河流與露天采坑之間不存在水力聯系，河水不是礦坑涌水的來源之一。